Горение жидкого и твердого топлива. Особенности сжигания твердого топлива

Здравствуйте! В зависимости от условий протекания процесса горения в реакцию может вступить большая или меньшая доля исходных веществ. Для полного использования химической энергии топлива необходимо реакции горения топлива доводить практически до конца. В условиях промышленного сжигания топлива равновесие реакций горения достигается редко ввиду малого количества времени протекания реакций горения.

Процесс горения жидкого и твердого топлива в теории горения называют гетерогенным горением, поскольку он протекает в неоднородной (гетерогенной) системе. Если же горит смесь газов, то горение называют гомогенным.

При горении жидкого топлива в топочной камере происходит испарение топлива с поверхности капель. Образующиеся пары топлива вследствие высокой температуры в топке подвергаются термическому разложению и быстро сгорают у поверхности частиц. В этих условиях скорость процесса горения определяется интенсивностью испарения топлива. С целью увеличения суммарной поверхности капель жидкое топливо при подаче в топочную камеру подвергается мелкодисперсному распыливанию с помощью форсунок (поверхность при этом возрастает в несколько тысяч раз). Неиспарившиеся из капельки тяжелые фракции подвергаются термическому разложению (крекингу), в результате чего образуется дисперсный углерод, придающий свечение пламени.

Процесс горения твердого топлива можно разделить на две стадии. После испарения из топлива влаги происходит горение летучих веществ, которые выделяются в результате термического разложения топлива. Затем начинается горение твердого остатка (кокса). При очень быстром нагревании топлива обе стадии накладываются друг на друга, так как часть летучих веществ сгорает вместе с углеродом кокса.

Кокс частично подвергается газификации, и образующиеся газообразные продукты, состоящие в основном из окиси углерода СО, сгорают в топочном пространстве. Горение твердой частицы топлива происходит не только с ее поверхности, но и в объеме вследствие проникновения кислорода в поры. При этом на поверхности частицы образуется пограничный (ламинарный) слой газа, в котором уменьшается содержание кислорода и увеличивается содержание продуктов газификации и горения (СО и СО2). Этот пограничный слой газа препятствует подводу кислорода, и скорость реакции горения будет зависеть от скорости диффузии окислителя через пограничный слой. Для увеличения интенсивности горения увеличивают скорость окислителя (воздуха) относительно поверхности частиц топлива, что уменьшает толщину пограничного слоя.

На процесс горения топлива значительно влияют также минеральные примеси (зольность). По мере выгорания углерода на поверхности частиц топлива образуется слой золы. При низкой температуре размягчения золы и высоком содержании ее этот слой обволакивает (шлакует) частицы топлива и ухудшает процесс горения. Для удаления золового нароста при слоевом сжигании топлива производят шуровку, то есть рыхление слоя топлива.

В мощных современных котлах твердое топливо сжигается во взвешенном состоянии. Куски топлива предварительно размалываются в специальных мельницах, что увеличивает их удельную поверхность в несколько сот раз. Смесь топливной пыли и воздуха подается в топочную камеру, где топливо воспламеняется и сгорает в газовоздушном потоке. Горение топлива также протекает в две стадии, однако время сгорания частицы топлива при этом значительно уменьшается. Такой способ сжигания позволяет интенсифицировать процесс горения, а также полностью механизировать все производственные операции. Исп. литература: 1) Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства, Москва, «Энергия», 1976; 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976.

Cтраница 1

Процесс горения твердого топлива также состоит из ряда последовательных этапов. В первую очередь происходят смесеобразование и тепловая подготовка топлива, включающая подсушку и выделение летучих. Получающиеся при этом горючие газы и коксовый остаток при наличии окислителя далее сгорают с образованием дымовых газов и твердого негорючего остатка - золы. Наиболее длительным оказывается этап сгорания кокса - углерода, который является основной горючей составляющей любого твердого топлива. Поэтому механизм горения твердого топлива в значительной степени определяется горением углерода.  

Процесс горения твердого топлива условно можно разделить на следующие стадии: подогрев и испарение влаги, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих веществ и кокса, образование шлака. При сжигании жидкого топлива кокс и шлак не образуются, при сжигании газообразного топлива имеются лишь две стадии - подогрев и горение.  

Процесс горения твердого топлива может быть разделен на два периода: период подготовки топлива к горению и период горения.  

Процесс горения твердого топлива можно условно разделить на несколько стадий: подогрев и испарение влаги, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих, горение кокса.  

Процесс горения твердого топлива в потоке при повышенных давлениях приводит к уменьшению габаритов топочных камер и к значительному увеличению теплонапряжений. Топки, работающие при повышенном давлении, широкого распространения не получили.  

Процесс горения твердого топлива теоретически исследован недостаточно. Первая стадия процесса горения, приводящая к образованию промежуточного соединения, определяется протеканием процесса диссоциации окислителя, находящегося в адсорбированном состоянии. Далее идет образование углерод-кислородного комплекса и диссоциация молекулярного кислорода до атомарного состояния. Механизмы гетерогенного катализа применительно к реакциям окисления углеродсодержащих веществ основываются также на диссоциации окислителя.  

Процесс горения твердого топлива можно условно разделить на три стадии, последовательно накладывающиеся друг на друга.  

Процесс горения твердого топлива может рассматриваться как двухстадийный с нерезко очерченными границами между двумя стадиями: первичной неполной газификации в гетерогенном процессе, скорость которого зависит главным образом от скорости и условий подвода воздуха, и вторичной - сгорания выделившегося газа в гомогенном процессе, скорость которого зависит главным образом от кинетики химических реакций. Чем больше в топливе летучих, тем в большей степени скорость сгорания его зависит от скорости протекающих химических реакций.  

Интенсификация процесса горения твердого топлива и значительное повышение степени улавливания золы достигаются в циклонных топках. С, при которой зола плавится и жидкий шлак удаляется через летки в нижней части топочного устройства.  

Основу процесса горения твердого топлива составляет окисление углерода, являющегося главным компонентом его горючей массы.  

Для процесса горения твердого топлива безусловный интерес представляют реакции горения окиси углерода и водорода. Для твердых топлив, богатых летучими веществами, в ряде процессов и технологических схем необходимо знать характеристики горения углеводородных газов. Механизм и кинетика гомогенных реакций горения рассмотрены в гл. Кроме указанных выше вторичных реакций, перечень их следует продолжить гетерогенными реакциями разложения углекислоты и водяного пара, реакцией конверсии окиси углерода водяным паром и семейством реакций метанообразования, которые с заметными скоростями протекают при газификации под высоким давлением.  

Особенности сжигания твердых топлив

Горючие газы и пары смол (так на­зываемые летучие), выделяющиеся при термическом разложении натурального твердого топлива в процессе его нагрева­ния, смешиваясь с окислителœем (возду­хом), при высокой температуре сгорают достаточно интенсивно, как обычное га­зообразное топливо. По этой причине сжигание топлив с большим выходом летучих (дро­ва, торф, сланец) не вызывает затрудне­ний, если, конечно, содержание балласта в них (влажность плюс зольность) не настолько велико, чтобы стать препят­ствием для получения нужной для горе­ния температуры.

Время сгорания топлив со средним (бурые и каменные угли) и небольшим (тощие угли и антрациты) выходом лету­чих практически определяется скоростью реакции на поверхности коксового остат­ка, образующегося после выделœения ле­тучих. Сгорание этого остатка обеспечи­вает и выделœение основного количества теплоты.

Реакция, протекающая на поверхно­сти раздела двух фаз (в данном случае на поверхности коксового кусочка) на­зывается гетерогенной. Она состо­ит по крайней мере из двух последова­тельных процессов: диффузии кислорода к поверхности и его химической реакции с топливом (почти чистым углеродом, оставшимся после выхода летучих) на поверхности. Увеличиваясь по закону Аррениуса, скорость химической реакции при высокой температуре становится столь большой, что весь кислород, подводимый к поверхности, немедленно вступает в реакцию. В результате ско­рость горения оказывается зависящей только от интенсивности доставки кисло­рода к поверхности горящей частицы пу­тем массообмена и диффузии. На нее практически перестают влиять как тем­пература процесса, так и реакционные свойства коксового остатка. Такой ре­жим гетерогенной реакции принято называть диффузионным. Интенсифициро­вать горение в данном режиме можно толь­ко путем интенсификации подвода реа­гента к поверхности топливной частицы. В разных топках это достигается различ­ными методами.

Слоевые топки. Твердое топливо, за­груженное слоем определœенной толщины на распределительную решетку, поджи­гается и продувается (чаще всœего снизу вверх) воздухом (рис. 28, а). Фильтру­ясь между кусочками топлива, он теряет кислород и обогащается оксидами (СО 2 , СО) углерода вследствие горения угля, восстановления углем водяного пара и диоксида углерода.

Рис. 28. Схемы организации топочных процессов:

а - в плотном слое; б - в пылевидном состоянии; _в - в циклонной топке;

г - в кипящем слое; В - воздух; Т, В - топливо, воздух; ЖШ - жидкий шлак

Зона, в пределах которой практиче­ски полностью исчезает кислород, назы­вается кислородной; ее высота со­ставляет два-три диаметра кусков топли­ва. В выходящих из нее газах со­держатся не только СО 2 , Н 2 О и N 2 , но и горючие газы СО и Н 2 , образовавшиеся как из-за восстановления СО 2 и Н 2 О уг­лем, так и из выделяющихся из угля летучих. В случае если высота слоя больше, чем кислородной зоны, то за кислородной следует восстановительная зо­на, в которой идут только реакции СО 2 + С = 2СО и Н 2 О + С = СО + Н 2 . В ре­зультате концентрация выходящих из слоя горючих газов увеличивается по мере увеличения его высоты.

В слоевых топках высоту слоя стара­ются держать равной высоте кислород­ной зоны или большей ее. Для дожига­ния продуктов неполного сгорания (Н 2 , СО), выходящих из слоя, а также для дожигания выносимой из него пыли в то­почный объём над слоем подают допол­нительный воздух.

Количество сгоревшего топлива про­порционально количеству поданного воз­духа, однако увеличение скорости воз­духа сверх определœенного предела нару­шает устойчивость плотного слоя, так как воздух, прорывающийся через слой в отдельных местах, образует кратеры. Поскольку в слой всœегда загружается полидисперсное топливо, увеличивается вынос мелочи. Чем крупнее частицы, тем с большей скоростью можно продувать воздух через слой без нарушения его устойчивости. В случае если принять для грубых оценок теплоту ʼʼсгоранияʼʼ 1 м 3 воздуха в нормальных условиях при α в =1 рав­ной 3,8 МДж и понимать под w н при­веденный к нормальным условиям расход воздуха на единицу площади решетки (м/с), то теплонапряжение зеркала го­рения (МВт/м 2) составит

q R = 3,8W н / α в (105)

Топочные устройст­ва для слоевого сжигания классифици­руют исходя из способа подачи, перемещения и шуровки слоя топлива на колосниковой решетке. В немеханизированных топках, в кото­рых всœе три операции осуществляют вручную, можно сжигать не более 300 - 400 кг/ч угля. Наибольшее распростра­нение в промышленности получили пол­ностью механизированные слоевые топ­ки с пневмомеханическими забрасывателями и цепной решеткой об­ратного хода (рис. 29). Их особен­ность - горение топлива на непрерывно движущейся со скоростью 1 -15 м/ч колосниковой решетке, сконструированной в виде полотна транспортерной ленты имеющей, привод от электродвигателя. Полотно решетки состоит из отдельных колосниковых элементов, закрепленных на бесконечных шарнирных цепях, при водимых в движение ʼʼзвездочкамиʼʼ. Необходимый для горения воздух подводится под решетку через зазоры между элементами колосников.

Рис. 29. Схема топки с пневмомеханическим забрасывателœем и цепной решеткой обратного хода:

1 - полотно колосниковой решетки; 2 - приводные ʼʼзвездочкиʼʼ; 3 - слой топлива и шлака; 4 – 5 - ротор забрасывателя; 6 - ленточный питатель; 7 - топливный бункер; 8 - топочный объём; 9 - экранные трубы; 10 - 11 - обмуровка топки; 12 - заднее уплотнение; 13 - окна для подвода воздуха под слой

Факельные топки . В прошлом веке для сжигания в слоевых топках (а дру­гих тогда не было) использовали только уголь, не содержащий мелочи (обычно фракцию 6 - 25 мм). Фракция мельче 6 мм - штыб (от немецкого staub - пыль) являлась отходом. В начале этого века для ее сжигания был разработан пылевидный способ, при котором угли измельчали до 0,1 мм, а трудносжигае­мые антрациты - еще мельче. Такие пы­линки увлекаются потоком газа, относи­тельная скорость между ними очень ма­ла. Но и время их сгорания чрезвычайно мало - секунды и доли секунд. По этой причине при вертикальной скорости газа менее 10 м/с и достаточной высоте топки (де­сятки метров в современных котлах) пыль успевает полностью сгореть на лету в процессе движения вместе с газом от горелки до выхода из топки.

Этот принцип и положен в основу факельных (камерных) топок, в которые тонко размолотая горючая пыль вдувается через горелки вместе с необходимым для горения воздухом (см. рис. 28, б) аналогично тому, как сжигаются газообразные или жидкие топлива. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, камерные топки пригодны для сжигания любых топлив, что является большим их преимуществом перед слоевыми. Второе преимущест­во - возможность создания топки на любую практически сколь угодно боль­шую мощность. По этой причине камерные топки занимают сейчас в энергетике доминиру­ющее положение. В то же время пыль не удается устойчиво сжигать в маленьких топках, особенно при переменных режи­мах работы, в связи с этим пылеугольные топки с тепловой мощностью менее 20 МВт не делают.

Топливо измельчается в мельничных устройствах и вдувается в топочную ка­меру через пылеугольные горелки. Транспортирующий воздух, вдувае­мый вместе с пылью, принято называть пер­вичным.

При камерном сжигании твердых топлив в виде пыли летучие вещества, выделяясь в процессе ее прогрева, сгора­ют в факелœе как газообразное топливо, что способствует разогреву твердых частиц до температуры воспламенения и облегчает стабилизацию факела. Коли­чество первичного воздуха должно быть достаточным для сжигания летучих. Оно составляет от 15 - 25 % всœего количества воздуха для углей с малым выходом ле­тучих (к примеру, антрацитов) до 20 - 55 % для топлив с большим их выходом (бурых углей). Остальной необходимый для горения воздух (его называют вто­ричным) подают в топку отдельно и перемешивают с пылью уже в процессе горения.

Для того чтобы пыль загорелась, ее нужно сначала нагреть до достаточно высокой температуры. Вместе с нею, естественно, приходится нагревать и транспортирующий ее (т. е. первич­ный) воздух. Это удается сделать только путем подмешивания к потоку пылевзвеси раскаленных продуктов сгорания.

Хорошую организацию сжигания твердых топлив (особенно трудносжига­емых, с малым выходом летучих) обеспечивает использование так называемых улиточных горелок (рис. 30).

Рис. 30. Прямоточно-улиточная горелка для твердого пылевидного топлива: В - воздух; Т, В - топливо, воздух

Угольная пыль с первичным воздухом подается в них через центральную трубу и благо­даря наличию рассекателя выходит в топку в виде тонкой кольцевой струи. Вторичный воздух подается через ʼʼулит­куʼʼ, сильно закручивается в ней и, вы­ходя в топку, создает мощный турбулент­ный закрученный факел, который обеспе­чивает подсос больших количеств раска­ленных газов из ядра факела к устью го­релки. Это ускоряет прогрев смеси топ­лива с первичным воздухом и ее вос­пламенение, т. е. создает хорошую стаби­лизацию факела. Вторичный воздух хо­рошо перемешивается с уже воспламе­нившейся пылью благодаря сильной его турбулизации. Наиболее крупные пылин­ки догорают в процессе их полета в по­токе газов в пределах топочного объёма.

При факельном сжигании угольной пыли в каждый момент времени в топке находится ничтожный запас топлива - не более нескольких десятков килограм­мов. Это делает факельный процесс весь­ма чувствительным к изменениям расхо­дов топлива и воздуха и позволяет при крайне важно сти практически мгновенно изменять производительность топки, как при сжигании мазута или газа. Одновре­менно это повышает требования к на­дежности снабжения топки пылью, ибо малейший (в несколько секунд!) перерыв приведет к погасанию факела, что связа­но с опасностью взрыва при возобновле­нии подачи пыли. По этой причине в пылеугольных топках устанавливают, как правило, несколько горелок.

При пылевидном сжигании топлив в ядре факела, расположенном недалеко от устья горелки, развиваются высокие температуры (до 1400-1500 °С), при ко­торых зола становится жидкой или тестообразной. Налипание этой золы на стенки топки может привести к их за­растанию шлаком. По этой причине сжигание пылевидного топлива чаще всœего приме­няют в котлах, где стены топки закрыты водоохлаждаемыми трубами (экрана­ми), около которых газ охлаждается и взвешенные в нем частицы золы успе­вают затвердеть до соприкосновения со стенкой. Пылевидное сжигание может применяться также в топках с жидким шлакоудалением, в которых стены по­крыты тонкой пленкой жидкого шлака и расплавленные частицы золы стекают в этой пленке.

Теплонапряжение объёма в пылеугольных топках обычно составляет 150-175 кВт/м 3 , увеличиваясь в небольших топках до 250 кВт/м 3 . При хорошем пе­ремешивании воздуха с топливом прини­мается α в =1,2÷1,25; q мех = 0,5÷6 % (большие цифры - при сжигании ан­трацитов в небольших топках); q хим = 0 ÷1%.

В камерных топках удается после дополнительного размола сжигать отхо­ды углей, образующиеся при их обогаще­нии на коксохимических заводах (пром-продукт), коксовые отсевы и еще более мелкий коксовый шлам.

Циклонные топки. Специфический способ сжигания осуществлен в циклон­ных топках. В них ис­пользуют достаточно мелкие частицы уг­ля (обычно мельче 5 мм), а необходимый для горения воздух подают с огромными скоростями (до 100м/с) по касательной к образующей циклона. В топке создает­ся мощный вихрь, вовлекающий частицы в циркуляционное движение, в котором они интенсивно обдуваются потоком. В результате интенсивного горения в топке развиваются температуры, близ­кие к адиабатным (до 2000 °С). Зола угля плавится, жидкий шлак стекает по стенкам. По ряду причин от применения таких топок в энергетике отказались, и сейчас они используются в качестве технологических - для сжигания серы с целью получения SO 2 в производстве H 2 SO 4 , обжига руд и т. д. Иногда в циклонных топках осуществляют огневое обезвреживание сточных вод, т. е. выжи­гание содержащихся в них вредностей за счёт подачи дополнительного (обычно газообразного или жидкого) топлива.

Топки с кипящим слоем. Устойчивое горение пылеугольного факела возможно только при высокой температуре в его ядре - не ниже 1300-1500 °С. При этих температурах начинает заметно окис­ляться азот воздуха по реакции N 2 + O 2 = 2NO. Определœенное количество NO образуется и из азота͵ содержащего­ся в топливе. Оксид азота͵ выброшенный вместе с дымовыми газами в атмосферу, доокисляется в ней до высокотоксичного диоксида NO 2 . В СССР предельно до­пустимая концентрация NO 2 (ПДК), бе­зопасная для здоровья людей, в воздухе населœенных пунктов составляет 0,085 мг/м 3 . Чтобы обеспечить ее, на крупных тепловых электростанциях при­ходится строить высоченные дымовые трубы, разбрасывающие дымовые газы на возможно большую площадь. При этом при сосредоточении большого количества станций недалеко друг от друга и это не спасает.

В ряде стран регламентируется не ПДК, а количество вредных выбросов на единицу теплоты, выделœенной при сгора­нии топлива. К примеру, в США для крупных предприятий допускается вы­брос 28 мг оксидов азота на 1 МДж теп­лоты сгорания. В СССР нормы выбросов составляют для разных топлив от 125 до 480 мг/м 3 .

При сжигании топлив, содержащих серу, образуется токсичный SO 2 , дейст­вие которого на человека к тому же сум­мируется с действием NO 2 .

Эти выбросы служат причиной образования фотохи­мического смога и кислотных дождей, вредно влияющих не только на людей и животных, но и на растительность. В Западной Европе, к примеру, от таких дождей погибает значительная часть хвойных лесов.

В случае если в золе топлива оксидов кальция и магния недостаточно для связывания всœего SO 2 (обычно нужен двух- или трех­кратный его избыток по сравнению со стехиометрией реакции), к топли­ву подмешивают известняк СаСО 3 . Из­вестняк при температурах 850-950 °С интенсивно разлагается на СаО и СО 2 , а гипс CaSO 4 не разлагается, т. е. реак­ция справа налево не идет. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, токсичный SO 2 связывается до безвредного практически нерастворимого в воде гипса, который удаляется вместе с золой.

С другой стороны, в процессе дея­тельности человека образуется большое количество горючих отходов, которые не считаются топливом в общепринятом смысле: ʼʼхвостыʼʼ углеобогащения, отва­лы при добыче угля, многочисленные от­ходы целлюлозно-бумажной промышлен­ности и других отраслей народного хо­зяйства. Парадоксально, к примеру, что ʼʼпородаʼʼ, которую около угольных шахт складывают в огромные терриконы, за­частую самовозгорается и долгое время загрязняет дымом и пылью окру­жающее пространство, но ни в слоевых, ни в камерных топках ее не удается сжечь из-за большого содержания золы. В слоевых топках зола, спекаясь при горении, препятствует проникновению кислорода к частицам горючего, в камер­ных не удается получить нужную для устойчивого горения в них высокую тем­пературу.

Возникшая перед человечеством на­стоятельная крайне важно сть разработки безотходных технологий поставила во­прос о создании топочных устройств для сжигания таких материалов. Ими стали топки с кипящим слоем.

Псевдоожиженным (или кипящим) принято называть слой мелко­зернистого материала, продуваемый снизу вверх газом со скоростью, превы­шающей предел устойчивости плотного слоя, но недостаточной для выноса частиц из слоя. Интенсивная циркуляция частиц в ограниченном объёме камеры создает впечатление бурно кипящей жидкости, что и объясняет происхождения названия.

Физически продуваемый снизу плот­ный слой частиц теряет устойчивость по­тому, что сопротивление фильтрующе­муся сквозь него газу становится рав­ным весу столба материала на единицу площади поддерживающей решетки. По­скольку аэродинамическое сопротивле­ние есть сила, с которой газ действует на частицы (и соответственно по треть­ему закону Ньютона - частицы на газ), то при равенстве сопротивления и веса слоя частицы (если рассматривать иде­альный случай) опираются не на решет­ку, а на газ.

Средний размер частиц в топках с ки­пящим слоем обычно составляет 2-3 мм. Им соответствует рабочая скорость псев­доожижения (ее берут в 2-3 раза боль­ше, чем w к ) 1,5 ÷ 4 м/с. Это определяет в соответствии площадь газо­распределительной решетки при задан­ной тепловой мощности топки. Теплонап­ряжение объёма q v принимают примерно таким же, как и для слоевых топок.

Простейшая топка с кипящим слоем (рис. 31) во многом напоминает слое­вую и имеет с ней много общих конструктивных элементов. Прин­ципиальное различие между ними за­ключается в том, что интенсивное пере­мешивание частиц обеспечивает постоянство температуры по всœему объёму кипящего слоя.

Рис. 31. Схема топки с кипящим слоем: 1 - выгрузка золы; 2 - подвод воздуха под слой; 3 - кипящий слой золы и топлива; 4 - подвод воздуха к забрасывателю; 5 - ротор забрасывателя; 6 - ленточный питатель; 7 - топливный бункер; 8 - топоч­ный объём; 9 - экранные трубы; 10 - острое дутье и возврат уноса; 11- обмуровка топки; 12 - тепло-воспринимающие трубы в кипящем слое; В - вода; П – пар.

Поддержание температуры кипящего слоя в необходимых пределах (850 - 950 °С) обеспечивается двумя различны­ми способами. В небольших промышлен­ных топках, сжигающих отходы или де­шевое топливо, в слой подают значитель­но больше воздуха, чем это крайне важно для полного сжигания, устанавливая α в ≥ 2.

При том же количестве выделœен­ной теплоты температура газов умень­шается по мере увеличения α в, ибо та же теплота тратится на нагрев большого количества газов.

В крупных энергетических агрегатах такой метод снижения температуры горе­ния неэкономичен, ибо ʼʼлишнийʼʼ воздух, уходя из агрегата͵ уносит и теплоту, за­траченную на его нагрев (возрастают потери с уходящими газами - см. да­лее). По этой причине в топках с кипящим слоем крупных котлоагрегатов размещают тру­бы 9 и 12 с циркулирующим в них рабо­чим телом (водой или паром), восприни­мающим крайне важно е количество тепло­ты. Интенсивное ʼʼомываниеʼʼ этих труб частицами обеспечивает высокий коэф­фициент теплоотдачи от слоя к трубам, что в некоторых случаях позволяет уменьшить металло­емкость котла по сравнению с традици­онным. Топливо устойчиво горит при его содержании в кипящем слое, составляю­щем 1 % и менее; остальные 99 % с лиш­ним - зола. Даже при столь неблагоп­риятных условиях интенсивное переме­шивание не позволяет зольным частицам блокировать горючие от доступа к ним кислорода (в отличие от плотного слоя). Концентрация горючих при этом оказы­вается одинаковой по всœему объёму ки­пящего слоя. Для удаления золы, вводи­мой с топливом, часть материала слоя непрерывно выводится из него в виде мелкозернистого шлака - чаще всœего просто ʼʼсливаетсяʼʼ через отверстия в по­динœе, поскольку кипящий слой способен течь как жидкость.

Топки с циркуляционным кипящим слоем. В последнее время появились топ­ки второго поколения с так называемым циркуляционным кипящим слоем. За эти­ми топками устанавливают циклон, в ко­тором улавливаются всœе недогоревшие частицы и возвращаются обратно в топ­ку. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, частицы оказывают­ся ʼʼзапертымиʼʼ в системе топка - цик­лон- топка до тех пор, пока не сгорят полностью. Эти топки имеют высокую экономичность, не уступающую камерно­му способу сжигания, при сохранении всœех экологических преимуществ.

Топки с кипящим слоем широко ис­пользуются не только в энергетике, но и в других отраслях промышленности, к примеру, для сжигания колчеданов с целью получения SО 2 , обжига различ­ных руд и их концентратов (цинковых, медных, никелœевых, золотосодержащих) и т. д. (С точки зрения теории горения обжиг, к примеру, цинковой руды по ре­акции 2ZnS+3O 2 = 2ZnO + 2SO 2 есть сгорание этого специфического ʼʼтопли­ваʼʼ, протекающее, как и всœе реакции горения, с выделœением больших коли­честв теплоты.) Большое распростране­ние, особенно за рубежом, топки с кипя­щим слоем нашли для огневого обезвре­живания (т. е. сжигания) различных вредных отходов производства (твердых, жидких и газообразных) - шламов осветления сточных вод, мусора и т.д.

Тема 12. Печи химической промышленности. Принципиальная схема топливной печи. Классификация печей химической промышленности. Основные типы печей, особенности их конструкции. Тепловой баланс печей

Печи химической промышленности. Принципиальная схема топливной печи

Промышленная печь представляет собой энерготехнологический агрегат, предназначенный для термической обработки материалов с целью придания им необходимых свойств. Источником теплоты в топливных (пламенных) печах служат различные виды углеродного топлива (газ, мазут и др.). Современные печные установки часто представляют из себякрупные механизированные и автоматизированные агрегаты высокой производительности.

Наибольшее значение для выбора технологического режима процесса имеет оптимальная температура технологического процесса, которая определяется термодинамическим и кинœетическим расчетами процессов. Оптимальным температурным режимом процесса называют температурные условия, при которых обеспечивается максимальная производительность по целœевому продукту в данной печи.

Обычно рабочая температура в печи несколько ниже оптимальной, она зависит от условий сжигания топлива, условий теплообмена, изоляционных свойств и стойкости футеровки печи, теплофизических свойств перерабатываемого материала и др.
Размещено на реф.рф
факторов. К примеру, для обжиговых печей рабочая температура находится в интервале между температурой активного протекания окислительных процессов и температурой спекания продуктов обжига. Под тепловым режимом печи понимают совокупность процессов инœерции теплоты, теплоты массообмена и механики сред, обеспечивающих распределœения теплоты в зоне технологического процесса. Тепловой режим зоны технологического процесса определяет тепловой режим всœей печи.

На режим работы печей оказывает большое влияние состав газовой атмосферы в печи, необходимый для правильного протекания технологического процесса. Для окислительных процессов газовая среда в печи должна содержать кислород, количество которого колеблется от3 до 15% и больше. Для восстановительной среды характерно низкое содержание кислорода (до 1-2%) и присутствие восстанавливающих газов (СО, Н 2 и др.) 10-20% и больше. Состав газовой фазы определяет условия сжигания топлива в печи и зависит от количества воздуха, поступающего на горение.

Движение газов в печи оказывает существенное влияние на технологический процесс, на горение и теплопередачу, а в печах, ʼʼкипящего слояʼʼ или вихревых печах движение газов является основным фактором устойчивой работы. Принудительное движение газов осуществляется дымососами и вентиляторами.

На скорость технологического процесса влияет движение материала, подвергающегося термообработке.

Схема печной установки включает следующие элементы: топочное устройство для сжигания топлива и организации теплообмена; рабочее пространство печи для выполнения целœевого технологического режима; теплообменные устройства для регенерации теплоты дымовых газов (подогрев газа, воздуха); утилизационные установки (запечные котлы-утилизаторы) для использования теплоты уходящих газов; тяговое и дутьевое устройство (дымососы, вентиляторы) для удаления сгорания топлива и газообразных продуктов термической обработки материалов и подачи воздуха к горелкам, форсункам под колосники; очистительные устройства (фильтры и т.п.).

Особенности сжигания твердых топлив - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Особенности сжигания твердых топлив" 2017, 2018.

К твердому топливу относятся древесина, торф и каменный уголь. Процесс сгорания всех видов твердого топлива обладает сходными особенностями.

Топливо нужно размещать на колосниковой решетке печи слоями, соблюдая циклы сжигания - такие, как загрузка, подсушка, разогрев слоя, горение с выделе­нием летучих веществ, догорание остатков и удаление шлаков.

Каждая стадия сжигания топлива характери­зуется определенными показателями, которые оказы­вают влияние на тепловой режим печи.

В самом начале подсушки и разогрева слоя тепло не выделяется, а, наоборот, поглощается от разогретых стен топливника и несгоревших остатков. По мере то­го как топливо разогревается, начинают выделяться газообразные горючие компоненты, сгорающие в га­зовом объеме печи. Постепенно тепла выделяется все больше, и своего максимума этот процесс достигает при сгорании коксовой основы топлива.

Процесс горения топлива определяется его качест­вами: зольностью, влажностью, а также содержанием углерода и летучих горючих веществ. Кроме того, име­ет значение правильный выбор конструкции печи и режимов горения топлива. Так, при сжигании влаж­ного топлива затрачивается значительное количество тепла на ее испарение, из-за чего процесс горения за­тягивается, температура в топливнике повышается очень медленно или даже снижается (в начале горе­ния). Повышенная зольность также способствует за­медлению процесса горения. Из-за того что зольная масса обволакивает горючие компоненты, она ограни­чивает доступ кислорода в зону горения и, как след­ствие, топливо может сгорать не полностью, так что повышается образование механического недожога.

Цикл интенсивного горения топлива зависит от его химического состава, то есть соотношения между летучими газообразными компонентами и твердым уг­леродом. Сначала начинают сгорать летучие компо­ненты, выделение и воспламенение которых происхо­дит при сравнительно низких температурах (150-200° С). Этот процесс может продолжаться довольно долго, потому что летучих веществ, различных по своему хи­мическому составу и температуре воспламенения, очень много. Все они сгорают в надслоевом газовом объеме топливника.

Наибольшей температурой горения обладают оста­ющиеся после выделения летучих веществ твердые компоненты топлива. Как правило, их основу состав­ляет углерод. Температура их горения составляет 650-700° С. Твердые компоненты сгорают в тонком слое, расположенном над колосниковой решеткой. Этот процесс сопровождается выделением большого количества тепла.

Из всех видов твердого топлива самым популяр­ным являются дрова. В них содержится большое коли­чество летучих веществ. С точки зрения теплоотдачи лучшей считается древесина березы и лиственницы. После сгорания березовых дров выделяется много теп­ла и образуется минимальное количество угарного га­за. Дрова из лиственницы также выделяют много теп­ла; при их горении массив печи нагревается очень быстро, а значит, и расходуются они более экономич­но, чем березовые. Но вместе с тем после сгорания дров из лиственницы выделяется большое количество угарного газа, поэтому необходимо внимательно отно­ситься к манипуляциям с воздушной заслонкой. Мно­го тепла также выделяют дубовые и буковые дрова. В целом использование тех или иных дров зависит от наличия поблизости лесного массива. Главное, чтобы дрова были сухими, а чурки имели одинаковые раз­меры.

Каковы же особенности горения дров? В начале процесса температура в топливнике и газоходах быст­ро нарастает. Максимальное ее значение достигается в стадии интенсивного горения. При догорании про­исходит резкое снижение температуры. Для поддержа­ния процесса горения необходим постоянный доступ в топку определенного количества воздуха. В кон­струкции бытовых печей не предусматривается нали­чие специальной аппаратуры, которая регулирует по­ступление воздуха в зону горения. Для этой цели используется поддувальная дверка. Если она открыта, в топку поступает постоянное количество воздуха.

В печах с периодической загрузкой потребность в воздухе меняется в зависимости от стадии горения. Когда происходит интенсивное выделение летучих веществ, кислорода обычно не хватает, поэтому воз­можен так называемый химический недожог топлива и выделенных им горючих газов. Это явление сопро­вождается потерями теплоты, которые могут дости­гать 3-5%.

На стадии дожигания остатков наблюда­ется обратная картина. Из-за переизбытка воздуха в печи увеличивается газообмен, что приводит к зна­чительному повышению потерь тепла. Согласно ис­следованиям, вместе с уходящими газами в период дожигания теряется до 25-30% тепла. Кроме того, из-за химического недожога на внутренних стенках топливника и газоходов оседают летучие вещества. Они обладают низкой теплопроводностью, поэтому полезная теплоотдача печи снижается. Большое ко­личество сажистых веществ приводит к сужению ды­мохода и ухудшению тяги. Чрезмерное скопление са­жи может также стать причиной возникновения пожара.

Сходным с дровами химическим составом облада­ет торф, который представляет собой остатки пере­гнивших растительных веществ. В зависимости от способа добычи торф может быть резным, кусковым, прессованным (в брикетах) и фрезерным (торфяная крошка). Влажность этого вида твердого топлива со­ставляет 25-40%.

Наряду с дровами и торфом, для топки печей и ка­минов зачастую применяется уголь, который по свое­му химическому составу представляет собой соедине­ние углерода и водорода и обладает высокой теплотворной способностью. Однако не всегда удает­ся приобрести действительно качественный уголь. В большинстве случаев качество этого вида топлива оставляет желать лучшего. Повышенное содержание в угле мелких фракций приводит к уплотнению топ­ливного слоя, в результате чего начинается так назы­ваемое кратерное горение, носящее неравномерный характер. При сжигании крупных кусков уголь также сгорает неравномерно, а при чрезмерной влажности топлива значительно снижается удельная теплота го­рения. К тому же такой уголь в зимний период слож­но хранить, потому что под воздействием минусовых температур уголь смерзается. Во избежание подобных и других неприятностей оптимальная влажность угля должна составлять не более 8%.

Следует иметь в виду, что использование для топки бытовых печей твердого топлива - дело достаточно хлопотное, особенно если дом большой и обогревает­ся несколькими печами. Помимо того что на заготов­ку уходит много сил и материальных средств и боль­шое количество времени затрачивается на подноску дров и угля к печам, около 2 кг угля, к примеру, вы­сыпается в поддувало, из которого удаляется и выбра­сывается вместе со скапливающимся там пеплом.

Для того чтобы процесс сжигания твердого топли­ва в бытовых печах проходил с наибольшей эффектив­ностью, рекомендуется поступать следующим обра­зом. Загрузив в топливник дрова, нужно дать им разгореться, а затем засыпать большими кусками угля.

После разгорания угля его следует засыпать более мелкой фракцией с увлажненным шлаком, а через некоторое время сверху поместить смоченную смесь пепла и мелкого угля, выпавшего через колоснико­вую решетку в поддувало. При этом огня не должно быть видно. Затопленная таким образом печь спо­собна в течение целых суток отдавать тепло в поме­щение, так что хозяевам можно спокойно занимать­ся делами, не заботясь о постоянном поддержании огня. Боковые стенки печи будут горячими благода­ря постепенному сгоранию угля, равномерно отдаю­щему свою тепловую энергию. Верхний слой, состо­ящий из мелкого угля, выгорит полностью. Разгоревшийся уголь можно также присыпать сверху слоем предварительно увлажненных отходов уголь­ных брикетов.

После топки печи нужно взять ведро с крышкой, лучше, если оно будет прямоугольной формы (из не­го удобнее выбирать уголь с помощью совка). Сначала нужно убрать из топливника слой шлака и выбросить его, затем ссыпать в ведро смесь мелкого угля с пеп­лом, а также пережог и пепел и все это увлажнить, не перемешивая. Поверх полученной смеси уложить около 1,5 кг мелкого угля, на него - 3-5 кг более круп­ного. Таким образом производится одновременная под­готовка печи и топлива к следующему разжиганию. Описанную процедуру необходимо повторять постоян­но. Используя такой метод топки печи, не придется каждый раз выходить во двор, чтобы просеять пепел и пережог.

Процесс горения твёрдого топлива можно представить в виде ряда последовательно протекающих стадий. Вначале происходит прогрев топлива и испарение влаги. Затем при температуре выше 100 °С начинаются пирогенное разложение сложных высокомолекулярных органических соединений и выделение летучих веществ, при этом температура начала выхода летучих зависит от вида топлива и степени его углефикации (химического возраста). Если температура окружающей среды превышает температуру воспламенения летучих веществ, они загораются, тем самым обеспечивая дополнительный прогрев коксовой частицы до её воспламенения. Чем выше выход летучих, тем ниже температура их воспламенения, при этом тепловыделение увеличивается.

Коксовая частица прогревается за счёт тепла окружающих дымовых газов и тепловыделения в результате сгорания летучих и загорается при температуре 800÷1000 °С. При сжигании твёрдого топлива в пылевидном состоянии обе стадии (горение летучих и кокса) могут накладываться друг на друга, поскольку прогрев мельчайшей угольной частицы происходит очень быстро. В реальных условиях мы имеем дело с полидисперсным составом угольной пыли, поэтому в каждый момент времени одни частицы только начинают прогреваться, другие находятся на стадии выхода летучих, а третьи – на стадии горения коксового остатка.

Процесс горения коксовой частицы играет решающую роль при оценке как суммарного времени горения топлива, так и суммарного тепловыделения. Даже для топлива с высоким выходом летучих (например, подмосковного бурого угля) коксовый остаток составляет 55 % по массе, а его тепловыделение – 66 % общего. А для топлива с очень низким выходом летучих (например, АШ) коксовый остаток может составлять более 96 % веса сухой исходной частицы, а тепловыделение при его сгорании, соответственно, около 95 % полного.

Исследования горения коксового остатка выявили сложность этого процесса.

При горении углерода возможны две первичные реакции прямого гетерогенного окисления:

С + О 2 = СО 2 + 34 МДж/кг; (14)

2С + О 2 = 2СО + 10,2 МДж/кг. (15)

В результате образования СО 2 и СО могут протекать две вторичные реакции:

окисление оксида углерода 2СО + О 2 = 2СО 2 + 12,7 МДж/кг; (16)

восстановление диоксида углерода СО 2 + С = 2СО – 7,25 МДж/кг. (17)

Кроме того, в присутствии водяных паров на раскалённой поверхности частицы, т.е. в высокотемпературной области, происходит газификация с выделением водорода:

С + Н 2 О = СО + Н 2 . (18)

Гетерогенные реакции (14, 15, 17 и 18) свидетельствуют о непосредственном горении углерода, сопровождающемся убылью углеродной частицы в весе. Гомогенная реакция (16) протекает около поверхности частицы за счёт кислорода, диффундирующего из окружающего объёма, и компенсирует снижение температурного уровня процесса, возникающее как следствие эндотермической реакции (17).

Соотношение между СО и СО 2 у поверхности частицы зависит от температуры газов в этой области. Так, например, согласно экспериментальным исследованиям, при температуре 1200 °С протекает реакция

4С + 3О 2 = 2СО + 2СО 2 (Е = 84 ÷ 125 кДж/г-моль),

а при температуре выше 1500 °С

3С + 2О 2 = 2СО + СО 2 (Е = 290 ÷ 375 кДж/г-моль).

Очевидно, что в первом случае СО и СО 2 выделяются примерно в равных количествах, тогда как при повышении температуры объём выделившегося СО в 2 раза превышает СО 2 .

Как уже было отмечено, скорость горения в основном зависит от двух факторов:

1) скорости химической реакции , которая определяется законом Аррениуса и стремительно растёт с увеличением температуры;

2) скорости подвода окислителя (кислорода) к зоне горения за счёт диффузии (молекулярной или турбулентной).

В начальный период процесса горения, когда температура ещё недостаточно высока, скорость химической реакции также невысока, а в окружающем частицу топлива объёме и у её поверхности окислителя более чем достаточно, т.е. наблюдается местный избыток воздуха. Никакое совершенствование аэродинамики топки или горелки, приводящее к интенсификации подвода кислорода к горящей частице, не повлияет на процесс горения, который тормозится только низкой скоростью химической реакции, т.е. кинетикой. Это – область кинетического горения .

По мере протекания процесса горения выделяется теплота, увеличивается температура, а, следовательно, и скорость химической реакции, что приводит к стремительному росту потребления кислорода. Концентрация его у поверхности частицы неуклонно падает, и в дальнейшем скорость горения будет определяться лишь скоростью диффузии кислорода в зону горения, которая почти не зависит от температуры. Это – область диффузионного горения .

В переходной области горения скорости химической реакции и диффузии являются величинами одного порядка.

По закону молекулярной диффузии (закон Фика), скорость диффузионного переноса кислорода из объёма к поверхности частицы

где – коэффициент диффузионного массообмена;

и – соответственно, парциальные давления кислорода в объёме и у поверхности.

Потребление кислорода у поверхности частицы определяется скоростью химической реакции:

, (20)

где k – константа скорости реакции.

В переходной зоне в установившемся состоянии

,

откуда
(21)

Подставив (21) в (20), получим выражение для скорости горения в переходной области по расходу окислителя (кислорода):

(22)

где
– эффективная константа скорости реакции горения.

В зоне сравнительно низких температур (кинетическая область)
, следовательно, k эф = k , и выражение (22) принимает вид:

,

т.е. концентрации кислорода (парциальные давления) в объёме и у поверхности частицы мало отличаются друг от друга, а скорость горения практически полностью определяется химической реакцией.

С повышением температуры константа скорости химической реакции растёт согласно экспоненциальному закону Аррениуса (см. рис.22), в то время как молекулярный (диффузионный) массообмен слабо зависит от температуры, а именно

.

При некотором значении температуры Т * скорость потребления кислорода начинает превышать интенсивность его подвода из окружающего объёма, коэффициенты α Д и k становятся соизмеримыми величинами одного порядка, концентрация кислорода у поверхности начинает заметно снижаться, а кривая скорости горения отклоняется от теоретической кривой кинетического горения (закона Аррениуса), но ещё заметно возрастает. На кривой появляется перегиб – процесс переходит в промежуточную (переходную) область горения. Сравнительно интенсивный подвод окислителя объясняется тем, что за счёт снижения концентрации кислорода у поверхности частицы увеличивается разность парциальных давлений кислорода в объёме и у поверхности.

В процессе интенсификации горения концентрация кислорода у поверхности практически становится равной нулю, подвод кислорода к поверхности слабо зависит от температуры и становится практически постоянным, т.е. α Д << k , и, соответственно, процесс переходит в диффузионную область

.

В диффузионной области увеличение скорости горения достигается интенсификацией процесса перемешивания топлива с воздухом (усовершенствование горелочных устройств) или увеличением скорости обдувания частицы потоком воздуха (усовершенствование аэродинамики топки), в результате чего уменьшается толщина пограничного слоя у поверхности, и интенсифицируется подвод кислорода к частице.

Как уже отмечалось, твёрдое топливо сжигается либо в виде крупных (без специальной подготовки) кусков (слоевое сжигание), либо в виде дроблёнки (кипящий слой и низкотемпературный вихрь), либо в виде мельчайшей пыли (факельный способ).

Очевидно, что наибольшая относительная скорость обдувания частиц топлива будет при слоевом сжигании. При вихревом и факельном способах сжигания частицы топлива находятся в потоке дымовых газов, и относительная скорость их обдувания значительно ниже, чем в условиях стационарного слоя. Исходя из этого, казалось бы, переход из кинетической области в диффузионную раньше всего должен происходить для мелких частиц, т.е. для пыли. К тому же ряд исследований показал, что взвешенная в потоке газовоздушной смеси угольная пылинка так слабо обдувается, что выделяющиеся продукты сгорания образуют вокруг неё облако, сильно тормозящее подвод к ней кислорода. А интенсификация гетерогенного горения пыли при факельном способе предположительно объяснялась исключительно значительным увеличением суммарной реагирующей поверхности. Однако очевидное далеко не всегда является истинным .

Подвод кислорода к поверхности определяется законами диффузии. Исследования по теплообмену малой сферической частицы, обтекаемой ламинарным потоком, выявили обобщённую критериальную зависимость:

Nu = 2 + 0,33Re 0,5 .

Для малых коксовых частиц (при Re < 1, что соответствует скорости витания мелких частиц), Nu → 2, т.е.

.

Между процессами тепло- и массопереноса существует аналогия, поскольку и те, и другие определяются движением молекул. Поэтому законы теплообмена (законы Фурье и Ньютона-Рихмана) и массообмена (закон Фика) имеют схожее математическое выражение. Формальная аналогия этих законов позволяет применительно к диффузионным процессам записать:

,

откуда
, (23)

где D – коэффициент молекулярной диффузии (подобен коэффициенту теплопроводности λ в тепловых процессах).

Как следует из формулы (23), коэффициент диффузионного массообмена α Д обратно пропорционален радиусу частицы. Следовательно, с уменьшением размера частиц топлива процесс диффузии кислорода к поверхности частицы интенсифицируется. Таким образом, при сгорании угольной пыли переход к диффузионному горению сдвигается в сторону более высоких температур (несмотря на отмеченное ранее снижение скорости обдувания частиц).

Согласно многочисленным экспериментальным исследованиям, проведённым советскими учёными в середине ХХ в. (Г.Ф.Кнорре, Л.Н. Хитрин, А.С.Предводителев, В.В.Померанцев и др.), в зоне обычных топочных температур (около 1500÷1600 °С) горение коксовой частицы смещается из промежуточной зоны в диффузионную, где большое значение имеет интенсификация подвода кислорода. При этом с увеличением диффузии кислорода к поверхности торможение скорости горения начнётся при более высокой температуре.

Время сгорания сферической углеродной частицы в диффузионной области имеет квадратичную зависимость от начального размера частицы:

,

где r o – начальный размер частиц; ρ ч – плотность углеродной частицы; D o , P o , T o – соответственно, начальные значения коэффициента диффузии, давления и температуры;
– начальная концентрация кислорода в топочном объёме на значительном расстоянии от частицы;β – стехиометрический коэффициент, устанавливающий соответствие весового расхода кислорода на единицу веса сжигаемого углерода при стехиометрических соотношениях; Т m – логарифмическая температура:

где Т п и Т г – соответственно, температуры поверхности частицы и окружающих дымовых газов.