Особенности сжигания твердого топлива. Большая энциклопедия нефти и газа

Человечество на протяжении веков совершенствовало конструкции отопительных печей, в которых изначально задумывалось сжигать доступное повсеместно твердое топливо. В этом плане мало что изменилось, и сегодня в ХХI веке при наличии газа и жидкого топлива мы нередко обращаемся к традиционным отопительным технологиям. Как-то легко становится на сердце, если в современном доме помимо центрального отопления имеется еще и хорошая печь про запас. Ну, а традиционные бани и вовсе не могут обойтись без тепла дровяной печи.

Для эффективного и безопасного управления дровяной печью истопнику необходимо знать о тонкостях сжигания твердого топлива. Многие сегодня уже не помнят, как правильно топить печь, однако эксперименты в данном деле крайне нежелательны. В данном материале мы постараемся максимально осветить тему горения твердого топлива.

Под твердым топливом подразумеваются дрова, каменный уголь, антрацит, кокс, торф и прочее. В традиционных печах все это сжигается слоевым способом на колосниках или без таковых. В топку периодически загружается топливо, а образующийся шлак извлекается. Слоевой способ сжигания носит циклический характер. Замкнутый цикл имеет несколько стадий:

Каждая из этих стадий имеет собственный тепловой режим, при этом показатели при горении топлива постоянно изменяются. Чтобы обеспечить оптимальный тепловой режим печи, необходимо периодически подкладывать новую порцию топлива (слой). Момент загрузки нового слоя определяется в индивидуальном порядке и зависит от многих факторов. Рассмотрим стадии послойного сжигания твердого топлива подробнее.

Разогрев и подсушка слоя сопровождается поглощением тепла, т.е. носит эндотермический характер. Поставщиком тепла является пламя стартовой закладки из тонких сухих дров или уже разгоревшееся топливо, а также горячие стенки топливника.

Стадия воспламенения и тления происходит с нарастающим тепловыделением. Излишнее поступление воздуха в топку в этот период нежелательно, поскольку он будет охлаждать дымовые газы, а, следовательно, дольше будет нагреваться дымоход. Воздушные заслонки на стадии воспламенения и тления должны быть лишь приоткрыты, при этом желательно, чтобы холодный воздух подавался только в зону воспламенения.

Стадия горения нуждается в больших объемах кислорода воздуха, т.к. данный процесс является ни чем иным, как окислением углеводородов. Пламенный нагрев идет по нарастающей, и, по сути, ограничивается только количеством поступающего кислорода. Если сечение дымохода недостаточное, то пламя может выбиваться из отверстий подачи воздуха. В такой ситуации выход один - немедленно полностью открыть задвижку дымохода и прикрыть подачу воздуха. Когда подача воздуха уменьшается, языки пламени становятся длиннее и даже могут проникнуть в дымоход, что будет являться признаком недожига. Очевидно, что подаваемый воздух в режиме пламенного горения необходимо разделять на два управляемых потока. Первичный поток будет подаваться прямо в дрова, в зависимости от объема, увеличивая или уменьшая скорость выделения летучих веществ; а вторичный - на факел пламени, для регулировки полноты сгорания летучих веществ, т.е. длину языков пламени. Увеличение интенсивности вторичного потока приводит к сокращению длины последних вплоть до исчезновения, но при этом скорость горения дров не замедляется. Однако огневая мощь пламени дров на самом деле не такая большая, как кажется. Она способна разогреть стенки топливника металлической печи не выше 300-400°С.

Горение углей обеспечивает нагревание металлического топливника докрасна - это наиболее экзотермическая стадия. Эффект тепловыделения увеличивается при увеличении подачи первичного воздуха (пропускание через слой). Вторичный воздух на данном этапе не нужен. Угли выгорят быстрее, если подать в топку сырых чурок: произойдет реакция газификации угля водяным паром. Если дрова сырые, то стадия горения и тления происходят практически одновременно.

Виды топливных камер и процесс сжигания дров

В простейшей печной топке каминного типа с глухим подом процесс горения проходит с избытком воздуха, поскольку площадь открытого портала обычно в 8-15 раз больше площади сечения дымовой трубы. В связи тем, что большие объемы засасываемого воздуха не дают трубе камина нагреваться выше 60-80°С, тяга в них значительно меньше, чем в печах с дверцей (250-400°С).

Если каминную топку оснастить дверцей и поддувалом с заслонкой, то ее КПД существенно изменится в сторону увеличения. Однако у такой конструкции имеется серьезный недостаток - чрезмерное задымление камеры, при открытии которой дым вырывается наружу. Уменьшить дымление можно, переместив трубу максимально вперед, но тогда она перекроет верх печи, используемый для нагрева воды или камней. Компромиссным решением в данном случае может стать наклонная полка при заднем расположении трубы. Полка создаст максимальную тягу у самой дверцы, при открытии которой восходящий поток будет засасывать дым, не давая ему вырваться наружу. Такая конструкция хороша для длительного горения, т.к. воздух идет по поду, попадая под дрова, а в районе дымооборота хорошо перемешивается с летучими веществами, обеспечивая полноту их сгорания.

Для акцента на пламенном горении используют вводы вторичного воздуха в поток летучих веществ. Реализации данного режима сжигания дров помогают также конструкции с колосниковой решеткой. Они хороши, прежде всего, тем, что обеспечивают подачу кислорода в любую область слоя. Однако большое количество поступающего воздуха снижает температуру стенок дымового канала, а, следовательно, тягу и конвективную теплоотдачу. Данное явление можно минимизировать, прикрыв периферию колосниковой решетки подом, оставив область продувки только в центре.

Для сжигания дров подойдут любые колосниковые решетки. При необходимости можно их изготовить самостоятельно из арматуры или прута. А вот для сжигания каменного угля понадобятся чугунные колосники, форма сечения которых близка к треугольной. Такая форма не позволяет шлаку забивать собой щели между колосниками. Располагать колосники следует вдоль топки, чтобы можно было шуровать уголь кочергой. Чугунные колосниковые решетки бывают как для угля, так и для дров. У последних колосники тоньше, а щели между ними уже.

Колосниковые печи способны развивать большую мощность, однако удержать их от разгона непросто. При коэффициенте подачи воздуха равном единице стенки печи разогреваются до красна, и дрова начинают газифицироваться по нарастающей. Пламени становится настолько много, что оно попадает в трубу и в этом случае требуется увеличить подачу воздуха, что в свою очередь вызывает еще большую газификацию и разогрев. Печь успокоится сама по себе только после выхода летучих веществ из дровяной закладки. Горение углей после этого уже хорошо поддается регулировке.

Важно понять, что основной причиной разгона печи разгона являются разогретые до высокой температуры металлические стенки, которые уже не отбирают тепло дров, при этом последние начинают греть сами себя. Не допустить разгона печи можно, если при протопке держать заслонку трубы открытой только наполовину, а когда из топки станут раздаваться характерные газовые хлопки, - приоткрыть дверцу топливника и одновременно полностью открыть трубу. От резкого появления избытка воздуха стенки печи станут остывать, а когда они перестанут светиться, можно будет закрыть дверцу топливника и воздухозабор. Дымоход снова прикрывается наполовину. От этого печь плавно перейдет в режим тления.

Немаловажный момент, влияющий на разгон печи, - порция закладываемых дров. Чтобы уменьшить вероятность условий разгона, дрова нужно закладывать небольшими порциями от 1 до 3 кг за один раз. При этом, чем крупнее диаметр полена, тем большей может быть масса закладки. С помощью регулировки подачи воздуха нужно стараться не допустить перегрев стенок. Разгон печи опасен, прежде всего, тем, что может привести к короблению или прогоранию металлических частей печи.

В первую очередь от разгона страдает нижняя часть стенок топливника. Если металлическая печь раз от раза разгоняется, то стенки можно изнутри защитить огнеупорным кирпичом на высоту 20-30 см. Ошибкой будет обкладка стенок снаружи, т.к. это приведет к еще более сильному разогреву металла. Проблему разгона полностью снимает водяная рубашка - котел. Однако если говорить банных печах, то такое решение подходит не для саун, а для хаммама.

Сквозные прогары топливника или скрытые трещины реально опасны при спонтанном разгоне металлической печи. Если при нормальном режиме горения они будут работать как воздухозаборные отверстия, то в режиме разгона станут «соплами», через которые станут вырываться наружу горящие летучие вещества.

Горение твёрдого топлива проходит в две стадии: тепловая подготовка; само горение.

На первой стадии топливо подогревается, просушивается. При 100 С начинается пирогенетическое разложение составляющих топлива с выделением газообразных летучих веществ. (Зона I). Длительность этого процесса зависит от влажности топлива, размера частиц, условий теплообмена между частицами топлива и топочной средой.

Горение топлива начинается с воспламенения летучих (зона II). t в этой зоне 400-600 C. При горении выделяется тепло, к-е обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение коксового остатка. {Два необходимых условия, чтоб топливо сгорело: температура и достаточное количество окислителя. В любых топках существует 2 ввода: по одному идёт топливо, а по второму – окислитель}

Этот процесс происходит за десятые доли секунд. Летучие горят от 0,2 до 0,5 секунды. Выделяется Q, когда t 800-1000 – зона III начинается. Горение кокса начинается при температуре 1000 С и происходит в III области. Этот процесс длительный. 1 – T газовой среды вокруг частицы. 2 – T самой частицы . I – зона термической подготовки, II – зона горения летучих в-в, III – горение коксовой частицы.

III – гетерогенный процесс. Ск-ть зависит от ск-ти подвода кислорода. Время горения коксовой частицы от ½ до 2/3 всего времени горения (от 1 до 2,5 с) – зависит от вида и размера топлива. У молодых топлив процесс углефикации не завершен большой выход летучих. Коксовый остаток < ½ начальной массы частицы. Горение идет быстро, возможность недожога низкая. У стар. топ. большой коксовый остаток, ближе к начальн размерам частиц. Время горения 1 мм ~ 1-2,5 с. Кокс остаток С = 60-97% массы топлива органического. 1 – пов-ть коксовой частицы, 2 – узкий ламинарный слой с толщиной δ,3 – зона турбулентного потока .

Кислород подводится из окружающей среды к частице углерода за счёт турбулентной диффузии, имеющей высокую интенсивность, но возле поверхности частицы находится тонкий газовый слой (2), где подвод окислителя подчиняется з-нам молекулярной диффузии (лам сл) – тормозит подвод кислорода к поверхности частицы. В этом слое происходит догорание горючих газовых компонентов, выделяющихся с поверхности углерода в ходе химических реакций.

Количество кислорода, подводимого в единицу времени к единичной поверхности частицы посредством турбулентной диффузии определяется:

GОК = А(СПОТ – ССЛ) (1) , А – к-т турбулентного массообмена. Такое же к-во кислорода диффундирует ч/з погр слой за счет молекулярной диффузии:

GОК = D δ (ССЛ – СПОВ) (2) D – к-т мол диф-и ч/з погр слой δ. ССЛ = G ОК * δ D + СПОВ, GОК = А(СПОТ – G ОК * δ D – СПОВ) , GОК = А*( С ПОТ – СПОВ) 1+ Аδ D = ( С ПОТ – СПОВ) 1 А + δ D = αД*(СПОТ – СПОВ) , 1 А + δ D = αД – обобщённая константа скорости диффузии.

Кол-во подведен ок-ля зависит от αД и разности концентраций потока и пов-ти. Подвод кислорода к реагирующей поверхности топлива определяется скоростью диффузии и концентрацией кислорода в потоке и на реагирующей поверхности.

В установившемся режиме горения количество кислорода, подводимого к поверхности реагирования диффузией равно количеству кислорода, которое прореагировало с этой поверхностью.

ωР = αД(СПОТ – СПОВ) . В тоже самое время скор-ть горения: ωГ = k*СПОТ, если они равны, то может определить: ωГ = 1 1 K + 1 α Д * С ПОТ = kГ*СПОТ. K Г = 1 1 K + 1 α Д = K * α Д α Д + K (*) – приведенная константа горения. 1 k Г= 1 K + 1 α Д – обобщенное сопротивление процессу горения. 1/k – кинетическое сопротивление, определяется интенсивностью протекания хим р-и горения; 1/αД – физич (диффузионное) сопротивление – зависит от интенсивности подвода окислителя.

В зависимости от сопротивления различают кинетическую и диффузионную область гетерогенного горения.

I – кинетическая область (ωГ = k*СПОТ) , II – промежуточная область, III – диффузионная область (ωГ = αД*СПОТ)

В соответствии с законом Аррениуса, скорость химической реакции зависит от температуры. αД (конст ск-ти диф-и) слабо реагирует на температуру. При температуре меньше, чем 800-1000 С, химическая реакция протекает медленно, не смотря на избыток О2 около твёрдой поверхности. В этом случае 1/k большое значение – горение тормозится кинетикой р-и (t мала) и область называется Кинетической областью горения . (1/k >> 1/αД) . k<<αД, kГ ~k (*) – Т. к. р-я вялая, кислород, подводимый диффузией не расходуется и его концентрация у поверхности реагирования примерно равна концентрации в потоке ωГ = k*СПОТ – это ск-ть горения в кинетической области.

Скорость горения в кинетической области не изменится при усиленном подводе кислорода, путём улучшения процессов аэродинамики (обл-ть I ), а зависит от кинетического фактора, а именно температуры . Подвод ок-ля >> потребления – концентрация на пов-ти почти не меняется. По мере повышения t скорость реакции растёт, а концентрация О2 и С падает. Дальнейшее t ведёт к увеличению скорости горения и её значение ограничивается недостатком подвода О2 к поверхности, недостаточной диффузией. Концентрация кислорода у поверхности →0 .

Область горения, в которой скорость процесса зависит от диффузионных факторов, называется Диффузионной областью III . Здесь k>>αД (Из * ): kГ~αД. Скор-ть диффузион горения огр-ся доставкой О2 к пов-ти и его концентрацией в потоке.

Диффузионная и кинетические области разделяется промежуточной зоной II, где скорость подвода кислорода и скорость химической реакции примерно равны между собой. Чем меньше размеры твёрдого топлива, тем больше площадь тепломассообмена.

В обл-ти II и IIIгорение можно усилить подводом ок-ля. При больших скор-тях ок-ля сопротивление и толщина ламинарного слоя ум-ся и подвод ок-ля усиливается. Чем выше скор-ть, тем интенсивнее перемешивается топливо с О2 и тем при более t происходит переход из кинетической в пром, затем в диф-ю обл-ть. При уменьшении размеров частиц увеличивается область кинетического горения, т. к. частицы малых размеров имеют более развитый тепломассообмен с окружающей средой.

D1>d2>d3 , v1>v2>v3

D – размер частиц пылевидного топлива, v – ск-ть перемешивания топлива с воздухом – ск-ть подачи ок-ля

Воспламенение любого топлива нач-ся при относительно низких t при дост кол-ве ок-ля (I). Чисто диф горение III – огранич ядром факела. Увеличение температуры ведёт к смещению в область диффузионного горения. Зона диффузионного горения находится от ядра факела и до зоны догорания, где концентрация реагирующих веществ мала и их взаимодействие определяется законами диффузии.

Таким образом, если горение протекает в диффузионной или промежуточной области, то при уменьшении размера частиц пылевидного топлива, процесс смещается в сторону кинетического горения. Область чисто диффузионного горения ограничена. Это наблюдается в ядре факела с максимальной температурой горения. За пределами ядра горение происходит в кинетической или промежуточной области, которая характеризуется сильной зависимостью скорости горения от температуры.

Кинетическая и промежуточные области горения протекают и в зоне воспламенения пыле-воздушного потока, а сжигание топлив всех видов с предварительным смесеобразованием протекает в диффузионной или промежуточной области.

Тема 15. ТВЕРДОЕ И ЖИДКОЕ ТОПЛИВО И ИХ СЖИГАНИЕ

15.1.Расчет горения твердого и жидкого топлива

Для расчета процессов горения твердого и жидкого топлива составляют материальный баланс процесса горения.

Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношения между исходными веществами (топливо, воздух) и конечными продуктами (дымовые газы, зола, шлак), а тепловой баланс - равенство между приходом и расходом теплоты. Для твердого и жидкого топлива материальный и тепловой балансы составляют на 1 кг топлива, для газообразной фазы - на 1 м 3 сухого газа при нормальных условиях (0,1013 МПа, О °С). Объемы воздуха и газообразных продуктов также выражают в метрах кубических, приведенных к нормальным условиям.

При сжигании твердого и жидкого топлива горючие вещества могут окисляться с образованием оксидов различной степени окисления. Стехиометрические уравнения реакций горения углерода, водорода и серы можно записать так:

При расчете объемов воздуха и продуктов сгорания условно принимают, что все горючие вещества окисляются полностью с образованием только оксидов с наивысшей степенью окисления (реакции а, в, г).

Из уравнения (а) следует, что для полного окисления 1 кмоль углерода (12 кг) расходуется 1 кмоль, т. е. 22,4 м 3 , кислорода и образуется 1 кмоль (22,4 м 3) оксида углерода. Соответственно для 1 кг углерода потребуется 22,4/12 = 1,866 м 3 кислорода и образуется 1,866 м 3 СО 2 . В 1 кг топлива содержится С p /100 кг углерода. Для его горения необходимо 1,866·С p /100 м 3 кислорода и при сгорании образуется 1,866 С p /100 м 3 CO 2 .

Аналогично из уравнений (в) и (г) на окисление горючей серы (μ s = 32), содержащейся в 1 кг топлива, потребуется (22,4/32) S p л /100 м 3 кислорода и образуется такой же объем SO 2 . А на окисление водорода (), содержащегося в 1 кг топлива, потребуется 0,5·(22,4/2,02) Н p /100 м 3 кислорода и образуется (22,4/2,02) Н p /100 м 3 водяного пара.

Суммируя полученные выражения и учитывая кислород, находящийся в топливе (
), после несложных преобразований получим формулу для определения количества кислорода, теоретически необходимого для полного сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива, м 3 /кг:

В процессе полного горения с теоретически необходимым количеством воздуха образуются газообразные продукты, которые состоят из CO 2 , SO 2 , N 2 и H 2 O - оксиды углерода и серы являются сухими трехатомными газами. Их принято объединять и обозначать через RO 2 = CO 2 + SO 2 .

При горении твердых и жидких топлив теоретические объемы продуктов сгорания, м 3 /кг, вычисляют по уравнениям (15.1) с учетом содержания соответствующих компонентов в топливе и воздухе.

Объем трехатомных газов в соответствии с уравнениями (15.1, а и б)

Теоретический объем водяного пара , м 3 /кг, складывается из объема, полученного при горении водорода, равного (22,4/2,02)·(H p /100), объема, полученного при испарении влаги топлива, равного , и объема, вносимого с воздухом:
,
- удельный объем водяного пара, м 3 /кг; ρ в = 1,293 кг/м 3 - плотность воздуха, d в = 0,01 - содержание влаги в воздухе кг/кг. После преобразований получим:

Действительный объем воздуха V может быть больше или меньше теоретически необходимого, подсчитанного по уравнениям горения. Отношение действительного объема воздуха V к теоретически необходимому V 0 называется коэффициентом расхода воздуха α = V/V 0 . При α > 1 коэффициент расхода воздуха обычно называется коэффициентом избытка воздуха .

Для каждого вида топлива оптимальное значение коэффициента избытка воздуха в топке зависит от технических его характеристик, способа сжигания, конструкции топки, способа образования горючей смеси и др.

Действительный объем продуктов сгорания будет больше теоретического за счет азота, кислорода и водяного пара, который содержится в избыточном воздухе. Так как воздух не содержит трехатомных газов, то их объем не зависит от коэффициента избытка воздуха и остается постоянным, равным теоретическому, т. е.
.

Объем двухатомных газов и водяного пара (м 3 /кг или м 3 /м 3), определяют по формулам:

При сжигании твердых топлив концентрация золы в дымовых газах (г/м 3) определяется по формуле

где - доля золы топлива, уносимая газами (ее значение зависит от вида твердого топлива и способа его сжигания и принимается из технических характеристик топок).

Объемные доли сухих трёхатомных газов и водяного пара, равные их парциальным давлениям при общем давлении 0,1 МПа, подсчитывают по формулам

Все формулы для подсчета объемов применимы тогда, когда происходит полное сгорание топлива. Эти же формулы с достаточной для расчета точностью применимы и для неполного сгорания топлива, если не превышаются нормативные значения, приведенные в технических характеристиках топок.

15.2.Три стадии горения твердого топлива

Горение твердого топлива имеет ряд стадий: подогрев, подсушка топлива, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих и кокса. Из всех этих стадий определяющей является стадия горения коксового остатка, т. е. стадия горения углерода, интенсивность которой и определяет интенсивность топливосжигания и газификации в целом. Определяющая роль горения углерода объясняется следующим.

Во-первых, твердый углерод, содержащийся в топливе, является главной горючей составляющей почти всех натуральных твердых топлив. Так, например, теплота сгорания коксового остатка антрацита составляет 95% теплоты сгорания горючей массы. С увеличением выхода летучих доля теплоты сгорания коксового остатка падает и в случае торфа составляет 40,5% теплоты сгорания горючей массы.

Во-вторых, стадия горения коксового остатка оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения.

И, в третьих, процесс горения кокса имеет решающее значение в создании тепловых условий протекания других стадий. Следовательно, основой правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив является создание оптимальных условий для процесса горения углерода.

В некоторых случаях определяющими процесс горения могут оказаться второстепенные подготовительные стадии. Так, например, при сжигании высоко влажного топлива определяющей может быть стадия подсушки. В этом случае рациональным является усиление предварительной подготовки топлива к сжиганию, например, использованием технологического способа сжигания с подсушкой топлива газами, отбираемыми из топки.

В мощных парогенераторах расходуются большие количества топлива и воздуха. Например, для парогенератора 300 МВт расход топлива - антрацитового штыба составляет 32 кг/с, а воздуха 246 м 3 /с а в парогенераторе блока 800 МВт ежесекундно расходуется 128 кг березовского угля и 555 м 3 воздуха. В ряде случаев в пылеугольных парогенераторах как резервное используется жидкое или газовое топливо.

Процесс горения пылевидных топлив совершается в объеме топочной камеры в потоках больших масс топлива и воздуха, к которым подмешиваются продукты сгорания.

Основой горения пылевидных топлив является химическое реагирование горючих составляющих топлива с кислородом воздуха. Однако химические реакции горения в топочной камере протекают в мощных пылегазовоздушных потоках за чрезвычайно короткое время (1-2 с) пребывания топлива и окислителя в топочной камере. Эти реакции совершаются в условиях сильного взаимного влияния с одновременно протекающими физическими процессами. Такими процессами являются:

Процесс движения подаваемых в топочную камеру составляющих горючую смесь газовых и твердых диспергированных веществ в системе струй, переходящих в поток и распространяющихся в ограниченном пространстве топочной камеры с развитием вихревых течений, в совокупности составляющих сложную структуру аэродинамики топки;

Турбулентная и молекулярная диффузия и конвективный перенос исходных веществ и продуктов реакции в газовом потоке, а также перенос газовых реагентов к диспергированным частицам;

Теплообмен в газовых потоках продуктов сгорания и исходной смеси и между газовыми потоками и содержащимися в них частицами топлива, а также передача тепла, выделяющегося при химическом превращении в реагирующей среде;

Радиационный теплообмен частиц с газовой средой и пылегазовоздушной смеси с экранными поверхностями в топочной камере;

Нагрев частиц, возгонка летучих, перенос и горение их в газовом объеме и др.

Таким образом, горение угольной пыли является сложным физико-химическим процессом, состоящим из химических реакций и физических процессов, протекающих в условиях взаимной связи и взаимного влияния.

15.3.Слоевой, факельный и циклонный способы сжигания твердого топлива

Топочные устройства котлов могут быть слоевые - для сжигания крупнокускового топлива и камерные - для сжигания газообразного, жидкого и твёрдого пылевидного топлива.

Некоторые из вариантов организации топочных процессов представлены на рис.15.1.

Слоевые топки бывают с плотным и кипящим слоем, камерные подразделяются на факельные и циклонные.

Рис. 15.1. Схемы организации топочных процессов

При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не нарушая его устойчивости, т.е. сила тяжести частиц топлива больше динамического напора воздуха.

При сжигании в кипящем слое из-за повышенной скорости воздуха нарушается устойчивость частиц в слое, они переходят в состояние «кипения», т.е. переходят во взвешенное состояние. При этом происходит интенсивное перемешивание топлива и окислителя, что способствует интенсификации процесса горения.

При факельном сжигании топливо сгорает в объёме топочной камеры, для чего частицы твердого топлива должны иметь размер до 100 мкм.

При циклонном сжигании частицы топлива под влиянием центробежных сил отбрасываются на стенки топочной камеры и, находясь в закрученном потоке в зоне высоких температур, полностью выгорают. Допускается размер частиц больший, чем при факельном сжигании. Минеральная составляющая топлива в виде жидкого шлака удаляется из циклонной топки непрерывно.

15.4.Особенности сжигания жидкого топлива

Каждое жидкое горючее, так же как любое жидкое вещество, при данной температуре обладает определенной упругостью пара над своей поверхностью, которая увеличивается с ростом температуры.

При зажигании жидкого горючего, имеющего свободную поверхность, загорается его пар, содержащийся в пространстве над поверхностью, образуя горящий факел. За счет тепла, излучаемого факелом, испарение резко увеличивается. При установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом жидкости количество испаряющегося, а следовательно, и сгорающего горючего достигает ма­ксимального значения и далее остается постоянным во времени.

Опыты показывают, что при сжигании жидких топлив со свободной поверхностью горение протекает в паровой фазе; факел устанавливается на некотором удалении от поверхности жидкости и ясно видна темная полоска, отделяющая факел от обреза тигля с жидким горючим. Интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения не зависит от его формы и величины, а зависит только от физико-химических свойств горючего и является характерной константой для каждого жидкого горючего.

Температура жидкого горючего, при которой пары над его поверхностью образуют с воздухом смесь, способную воспламениться при поднесении источника зажигания, называется температурой вспышки.

Поскольку жидкие горючие сгорают в паровой фазе, то при установившемся режиме скорость горения определяется скоростью испарения жидкости с ее зеркала.

Процесс горения жидких горючих со свободной поверхностью происходит следующим образом. При установившемся режиме горения за счет тепла, излучаемого факелом, жидкое горючее испаряется. В восходящий поток горючего, находящегося в паровой фазе, посредством диффузии проникает воздух из окружающего пространства. Полученная таким образом смесь образует горящий факел в виде конуса, отстоящего от зеркала испарения на 0,5-1 мм. Устойчивое горение протекает на поверхности, где смесь достигает пропорции, соответствующей стехиометрическому соотношению горючего и воздуха. Это предположение следует из тех же соображений, что и в случае диффузионного горения газа. Химическая реакция протекает в очень тонком слое фронта факела, толщина которого не превышает нескольких долей миллиметра. Объем, занимаемый факелом, зоной горения делится на две части: внутри факела находятся пары горючей жидкости и продукты сгорания, а вне зоны горения - смесь продуктов горения с воздухом.

Горение восходящих внутри факела паров жидких топлив можно представить состоящим из двух стадий: диффузионного подвода кислорода к зоне горения и самой химической реакции, протекающей во фронте пламени. Скорости этих двух стадий не одинаковы; химическая реакция при имеющих место высоких температурах протекает очень быстро, тогда как диффузионный подвод кислорода является медленным процессом, ограничивающим общую скорость горения. Следовательно, в данном случае горение протекает в диффузионной области, а скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода в зону горения.

Так как условия подвода кислорода к зоне горения при сжигании различных жидких горючих со свободной поверхности примерно одинаковы, следует ожидать, что скорость их горения, отнесенная к фронту пламени, т. е. к боковой поверхности факела, также должна быть одинаковой. Длина факела будет тем больше, чем больше скорость испарения.

Специфической особенностью горения жидких горючих со свободной поверхности является большой химический недожог. Каждое горючее, представляющее собой углеродистое соединение при сжигании со свободной поверхности, имеет свойственную ему величину химического недожота, которая составляет, %:

для спирта......... 5,3

для керосина........ 17,7

для бензина........ 12,7

для бензола......... 18,5.

Картину возникновения химического недожога можно представить следующим образом.

Парообразные углеводороды при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени при нахождении в области высоких температур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложению вплоть до образования свободного углерода и водорода.

Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц свободного углерода. Последние, раскалившись за счет выделяемого при горении тепла, излучают более или менее яркий свет.

Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уносится продуктами сгорания, образуя коптящий факел.

Кроме того, наличие углерода вызывает образование СО.

Высокая температура и пониженное парциальное давление СО и СО 2 в продуктах сгорания благоприятствуют образованию СО.

Присутствующие в продуктах сгорания количества углерода и СО обусловливают величину химического недожога. Чем больше содержание углерода в жидком топливе и чем меньше он насыщен водородом, тем больше образование чистого углерода, ярче факел, больше химический недожог.

Таким образом, исследования горения жидких горючих со свободной поверхности показали, что:

1) горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе. Скорость горения жидких топлив со свободной поверхности определяется скоростью их испарения за счет тепла, излучаемого зоной горения, при установившемся режиме теплообмена между факелом и зеркалом испарения;

2) скорость горения жидких горючих со свободной поверхности растет с увеличением температуры их подогрева, с переходом к горючим с большей интенсивностью излучения зоны горения, меньшей теплотой парообразования и теплоемкостью и не зависит от величины и формы зеркала испарения;

3) интенсивность излучения зоны горения на зеркало испарения, горящего со свободной поверхности жидкого горючего, зависит только от его физико-химических свойств и является характерной константой для каждого жидкого горючего;

4) теплонапряжение фронта диффузионного факела над поверхностью испарения жидкого горючего практически не зависит от диаметра тигля и рода топлива;

5) горению жидких горючих со свободной поверхности присущ повышенный химический недожог, величина которого характерна для каждого горючего.

Имея в виду, что горение жидких топлив происходит в паровой фазе процесс горения капли жидкого горючего можно представить следующим образом.

Капля жидкого топлива окружена атмосферой, насыщенной парами этого горючего. Вблизи от капли по сферической поверхности устанавливается зона горения. Химическое реагирование смеси паров жидкого топлива с окислителем происходит весьма быстро, поэтому зона горения весьма тонка. Скорость горения определяется наиболее медленной стадией - скоростью испарения горючего.

В пространстве между каплей и зоной горения находятся пары жидкого топлива и продукты горения. В пространстве вне зоны горения - воздух и продукты сгорания.

В зону горения изнутри диффундируют пары топлива, а снаружи - кислород. Здесь эти компоненты смеси вступают в химическую реакцию, которая сопровождается выделением тепла. Из зоны горения тепло переносится наружу и к капле, а продукты сгорания диффундируют в окружающее пространство и в пространство между зоной горения и каплей. Однако механизм передачи тепла еще не представляется ясным.

Ряд исследователей считает, что испарение горящей капли происходит за счет молекулярного переноса тепла через застойную пограничную пленку у поверхности капли.

По мере выгорания капли из-за уменьшения поверхности общее испарение уменьшается, зона горения суживается и исчезает при полном выгорании капли.

Так протекает процесс горения капли полностью испаряющихся жидких топлив, находящейся в покое в окружающей среде или движущейся вместе с ней с одинаковой скоростью.

Количество кислорода, диффундирующее к шаровой поверхности при прочих равных условиях, пропорционально квадрату ее диаметра, поэтому установление зоны горения на некотором удалении от капли обусловливает большую скорость ее горения по сравнению с такой же частицей твердого топлива, при горении которой химическая реакция практически протекает на самой поверхности.

Так как скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения, то время ее выгорания можно рассчитать на основе уравнения теплового баланса ее испарения за счет тепла, получаемого из зоны горения.

Так как горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе, то его интенсификация связана с интенсификацией испарения и смесеобразования. Это достигается за счет увеличения поверхности испарения путем распыления жидкого топлива на мельчайшие капельки и хорошего смешения образовавшихся паров с воздухом при равномерном распределении мелкодисперсного топлива в нем. Эти две задачи выполняют, применяя горелки с форсунками, которыми распыляют жидкое топливо в потоках воздуха, подаваемых в камерную топку через воздухонаправляющие аппараты горелок.

Воздух, необходимый для горения, подается в устье форсунки, захватывает тонко распыленное жидкое топливо и образует в топочной камере неизотермическую затопленную струю. Струя, распространяясь, нагревается за счет увлечения продуктов сгорания высокой температуры. Мельчайшие капельки жидкого топлива, нагреваясь благодаря конвективному теплообмену в струе, испаряются. Нагрев распыленного топлива происходит также за счет поглощения ими тепла, излучаемого топочными газами и раскаленной обмуровкой.

На начальном участке и в особенности в пограничном слое струи интенсивный нагрев факела вызывает быстрое испарение капель. Пары горючего, смешиваясь с воздухом, создают газовоздушную горючую смесь, которая, воспламеняясь, образует факел.

Таким образом, процесс горения жидкого топлива можно разбить на следующие фазы: распыление жидкого топлива, испарение и образование газовоздушной смеси, воспламенение горючей смеси и горение последней.

Температура и концентрация газовоздушной смеси изменяются по сечению струи. По мере приближения к внешней границе струи температура повышается, а концентрация компонентов горючей смеси падает. Скорость распространения пламени в паровоздушной смеси зависит от состава, концентрации и температуры и достигает максимальной величины в наружных слоях струи, где температура близка к температуре окружающих топочных газов несмотря на то, что здесь горючая смесь сильно разбавлена продуктами сгорания. Поэтому воспламенение в мазутном факеле начинается у корня с периферии и затем распространяется вглубь струи на все сечение, достигая ее оси на значительном расстоянии от форсунки, равном перемещению центральных струй за время распространения пламени от периферии до оси. Зона воспламенения принимает форму вытянутого конуса, основание которого находится на малом расстоянии от выходного сечения амбразуры горелки.

Положение зоны воспламенения зависит от скорости смеси; зона занимает такое положение, при котором во всех ее точках устанавливается равновесие между скоростью распространения пламени и скоростью движения. Центральные струи, имеющие наибольшую скорость, затухают по мере продвижения в топочном пространстве, определяя длину зоны воспламенения местом, где скорость падает до абсолютной величины скорости распространения пламени.

Горение основной части парообразных углеводородов происходит в зоне воспламенения, занимающей наружный слой факела небольшой толщины. Горение высокомолекулярных углеводородов, сажи, свободного углерода и неиспарившихся капель жидкого топлива продолжается за зоной воспламенения и требует определенного пространства, обусловливая общую длину факела.

Зона воспламенения делит пространство, занимаемое факелом, на две области: внутреннюю и наружную. Во внутренней области протекает процесс испарения и образования горючей смеси.

Во внутренней области парообразные углеводороды подвергаются нагреву, который сопровождается окислением и расщеплением их. Процесс окисления начинается при сравнительно низких температурах - порядка 200-300°С. При температурах 350-400°С и выше наступает процесс термического расщепления.

Процесс окисления углеводородов благоприятствует последующему процессу горения, так как при этом выделяется некоторое количество тепла и повышается температура, а наличие кислорода в составе углеводородов способствует дальнейшему их окислению. Напротив, процесс термического расщепления является нежелательным, так как образующиеся при этом высокомолекулярные углеводороды сгорают трудно.

Из нефтяных топлив в энергетике применяется лишь мазут. Мазут представляет собой остаток от перегонки нефти при температуре порядка 300°С, но ввиду того, что процесс перегонки происходит не полностью, мазут при температурах ниже 300°С еще выделяет некоторое количество паров более легких погонов. Поэтому при входе распыленной струи мазута в топку и постепенном нагревании часть его превращается в пары, а часть еще может находиться в жидком состоянии даже при температуре порядка 400°С.

Поэтому при сжигании мазута необходимо способствовать протеканию окислительных реакций и всемерно препятствовать термическому разложению при высоких температурах. Для этого весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. В этом случае наличие большого количества кислорода во внутренней области будет, с одной стороны, благоприятствовать окислительным процессам, а с другой - понижать температуру, что обусловит расщепление молекул углеводородов более симметрично без образования значительного количества трудно сжигаемых высокомолекулярных углеводородов.

Смесь, получающаяся при сжигании мазута, содержит паро- и газообразные углеводороды, жидкие более тяжелые погоны, а также твердые соединения, образующиеся в результате расщепления углеводородов (т. е. все три фазы - газообразную, жидкую и твердую). Паро- и газообразные углеводороды, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь, горение которой может протекать по всем возможным способам горения газов. Аналогично сгорает и СО, образовавшийся при горении жидких капель и кокса.

В факеле зажигание капель осуществляется за счет конвективного нагрева; вокруг каждой капли устанавливается зона горения. Горение капли сопровождается химическим недожогом в виде сажи и СО. Капли высокомолекулярных углеводородов при горении дают твердый остаток - кокс.

Образующиеся в факеле твердые соединения - сажа и кокс сгорают так же, как происходит гетерогенное горение частиц твердого топлива. Наличие накаленных частиц сажи обусловливает свечение факела.

Свободный углеводород и сажа в среде с высокой температурой при наличии достаточного количества воздуха могут сгореть. В случае же местного недостатка воздуха или недостаточно высокой температуры они сгорают не полностью с определенной химической неполнотой горения, окрашивая продукты сгорания в черный цвет - коптящий факел.

Зона догорания газообразных продуктов неполного сгорания и твердых частиц, следующая за зоной горения, увеличивает общую длину факела.

Химический недожог, характерный для горения жидких топлив со свободной поверхности при сжигании их в факеле, соответствующими режимными мероприятиями может и должен быть сведен практически к нулю.

Таким образом, для интенсификации сжигания мазута необходимо хорошее распыление. Предварительный подогрев воздуха и мазута способствует газификации мазута, поэтому будет благоприятствовать зажиганию и горению. Весь воздух, необходимый для горения, следует подавать в корень факела. При этом рациональной конструкцией воздухонаправляющего устройства горелки, правильной установкой форсунки и соответствующей конфигурацией амбразуры горелки необходимо обеспечить хорошее перемешивание распыленного топлива с воздухом, а также перемешивание в горящем факеле и в особенности в конечной его части. Температура в факеле должна поддерживаться на достаточно высоком уровне и для обеспечения интенсивного завершения процесса горения в конце факела должна быть не ниже 1000-1050°С.

Факелу должно быть обеспечено достаточное пространство для развития процесса горения, так как в случае соприкосновения продуктов сгорания (до завершения процесса горения) с холодными поверхностями нагрева парогенератора температура может настолько понизиться, что содержащиеся в газах не догоревшие частицы сажи и свободного углерода, а также высокомолекулярные углеводороды не смогут гореть.

Процесс горения нефтяного факела в закрученной струе протекает аналогично рассмотренному случаю при прямоточной струе. При закрученном движении на оси струи создается зона разрежения, вызывающая приток горячих продуктов сгорания к корню факела. Это обеспечивает устойчивое зажигание.

Использование центробежного эффекта в механических и вращающихся форсунках приводит к разрыву сплошного потока. Жидкость внутри выходного канала форсунки принимает форму полого цилиндра, заполненного парами и газами. Из сопла вытекает эмульсия, образуя жидкую пленку в виде раскрывающегося гиперболоида. В направлении движения сечение гиперболоида увеличивается, а пленка жидкости утоньшается, начинает пульсировать и, наконец, распадается на быстродвижущиеся капельки, которые в потоке подвергаются дальнейшему измельчению.

В паровых форсунках первичное дробление производится за счет кинетической энергии пара, истекающего из сопла форсунки. Капли первичного дробления приобретают скорость паровой струи, обычно соответствующую критической скорости.

15.5.Сжигание топлива и защита окружающей среды

15.5.1.Черная металлургия как источник загрязнения окружающей среды

Металлургический завод, производящий 1 млн. т. стали в год, за сутки выбрасывает в атмосферу 350 т. пыли, 400 т. окиси углерода и 200 т. двуокиси серы. От общего количества выбросов на долю металлургических заводов приходится 20% выбросов пыли, 43% окиси углерода, 16% сернистого ангидрида и 23% окислов азота. Больше всего выбросов у аглофабрики и ТЭЦ. От общего количества выбросов металлургического завода аглофабрика даёт 34% пыли, 82% сернистого ангидрида, 23% окислов азота. ТЭЦ выбрасывает 36% пыли. Таким образом, аглофабрика и ТЭЦ вместе выбрасывают в атмосферу около 70% общезаводских выбросов пыли.

Различают очистку газов от взвешенных твёрдых частиц (пыли) и улавливание вредных газообразных веществ химическими методами газоочистки. В настоящее время очистка выбрасываемых в атмосферу газов от вредных газообразных веществ почти не применяется (и не только у нас) за исключением коксохимического производства, где такая очистка широко распространена в связи необходимостью улавливания ряда ценных веществ.

На заводах чёрной металлургии, главным образом, осуществляют механическую очистку газов от пыли. По принципу действия применяемые методы очистки делят на сухие и мокрые. Мокрые пылеуловители позволяют одновременно с улавливанием пыли частично очищать газы от диоксида серы (SO 3). Однако эти пылеуловители повышают расход воды и требуют применения устройств для её очистки.

15.5.2.Аппараты для сухой механической очистки газов

Делятся на пылеуловители и фильтры. В свою очередь пылеуловители подразделяются на гравитационные и инерционные. Гравитационные пылеуловители имеют пылевые камеры различной конструкции. В этих пылеуловителях осаждение пыли происходит, в основном, под действием сил тяжести. Силы инерции здесь оказывают незначительное влияние на процесс извлечения пыли из потока газа.

На рисунке 15.2 приведена схема радиального пылеуловителя. В него через центральный газоход поступает запыленный газ, который в бункере снижает скорость своего движения и меняет направление движения на 180 0 . Пыль, содержащаяся в газе, под действием сил тяжести и по инерции, оседает в бункере, а газ удаляется в очищенном виде.

Гравитационные пылеуловители эффективны при удалении частиц пыли с размерами большими 100 мкм, т.е. достаточно крупных частиц.

В инерционных (центробежных) пылеуловителях (рис.15.3) на частицы пыли действует сила инерции, возникающая при повороте или вращении газового потока. Так как эта сила значительно превосходит гравитационную, то и удаляются из газового потока частицы более мелкие, чем при гравитационной очистке.

Пример такого пылеуловителя - циклон, удаляющий из газового потока частицы пыли с размерами большими 20 мкм. Запыленный газовый поток вводится в верхнюю часть корпуса циклона через патрубок, расположенный тангенциально относительно корпуса. Поток приобретает вращательное движение, тяжелые частицы пыли силами инерции отбрасываются к стенкам циклона и под действием сил тяжести опускаются в бункер, а очищенный газ удаляется из циклона.

Фильтры (рис.15.4) - это аппараты, обеспечивающие тонкую очистку газа. По типу фильтрующего элемента подразделяются на фильтры с волокнистым фильтрующим элементом, с тканевым, зернистым, металлокерамическим, керамическим. Типичным примером являются фильтры с тканным фильтрующим элементом: из натуральных и синтетических тканей или металлотканый, выдерживающий температуру до 600 0 С.

Регенерация тканевого фильтра осуществляется обратной продувкой сжатым воздухом.

Запыленный газ проходит через рукавную ткань, оставляя на ней частички пыли, и очищенным удаляется из фильтра. Пыль оседает в бункер по мере её накопления на ткани. Когда сопротивление ткани существенно возрастает, обратной продувкой воздухом тканевый рукав отчищается от пыли.

15.5.3.Электрофильтры

Электрофильтры (рис.15.5) - аппараты для тонкой очистки газа. Принцип действия этих фильтров основан на силовом взаимодействии заряженных частиц между собой и с металлическими электродами. Вы знаете, что одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноименно заряженные - притягиваются. В электрофильтре частицы пыли, попадая в электрическое поле, заряжаются и затем под действием сил взаимодействия с осадительными электродами притягиваются к ним, осаждаются на них и теряют свой заряд. В качестве примера рассмотрим работу трубчатого электрофильтра. Фильтр состоит из корпуса и центрального электрода, конструкция которого на схеме не раскрыта. Корпус фильтра заземляется. Центральный электрод состоит из пластин, часть из которых подсоединена к корпусу, а другая часть - изолирована от него.

Изолированные и подсоединённые к корпусу электроды чередуются. Между ними создаётся разность потенциалов порядка 25-100 кВ. Величина разности потенциалов определяется геометрией электродов и тем больше, чем больше расстояние между ними. Это связано с тем, что электрофильтр работает, если между электродами существует коронный разряд.

Газ, проходя между электродами, ионизируется. Частицы пыли взаимодействуют с йонами, приобретают отрицательный заряд и притягиваются к осадительным электродам. Осаждаясь на электродах частицы пыли теряют свой заряд и частично осыпаются в бункер.

Производится периодическая очистка фильтра встряхиванием или промывкой. На время очистки фильтр отключается.

При работе на доменном газе фильтр промывают через каждые 8 часов в течение 15 минут. Максимальная температура очищаемого газа не должна превышать 300 0 С. Рабочая температура очищаемого газа 250 0 С. Высота электродов до 12 м.

Электрофильтр очищает газ от частиц пыли с размерами меньшими 1 мкм.

15.5.4.Мокрая очистка газов

В аппаратах мокрой очистки запыленный газ промывается водой, что позволяет отделить значительную часть пыли.

Наибольшее применение в чёрной металлургии нашли скрубберы различной конструкции и турбулентные газопромыатели.

Скрубберы (рис.15.6) - это агрегаты, в которых запыленный газ поднимается навстречу орошающей воде. С целью защиты от коррозии внутренние поверхности скруббера футеруются керамической плиткой. Максимальная температура газа в скруббере 300 0 С. Размеры скруббера: диаметр - 6-8 м, высота - 20-30 м. Расход воды - 1,5-2 кг/м 3 газа. В скрубберах осуществляется полутонкая очистка от пыли.

Рис. 15.6. Схема скруббера

Скоростной газопромыватель (рис.15.7) - эффективный аппарат тонкой очистки, применяемый как самостоятельно, так и для подготовки газа перед электрофильтром. Состоит из трубы-распылителя и циклона каплеуловителя. Улавливает частицы пыли размерами до 0,1 мкм. Производительность по газу 40000 м 3 /ч и более. Удельный расход орошающей воды 0,15-0,5 кг/м 3 . Скорость газа в горловине трубы-распылителя 40-150 м/с.

Принцип действия скоростного газопромывателя основан на улавливании в циклоне мелких частиц пыли утяжелённых смачивающей их водой. Смачивание частиц пыли осуществляется в трубе-распылителе.

В заключение следует отметить, что пыль с частицами крупнее 10-20 мкм хорошо улавливается в большинстве аппаратов газоочистки. Для очистки от пыли с частицами меньшими 1 мкм пригодны только аппараты тонкой очистки: пористые фильтры, электрофильтры, скоростные газопромыватели.

Органическое топливо (газообразное, жидкое и твердое) широко используют в разного рода тепловых установках: в топках паровых и водогрейных котлов, в том числе паротурбинных электростанций, в промышленных печах и в сельском хозяйстве, в камерах сгорания газовых турбин и воздушно-реактивных двигателей, в цилиндрах поршневых двигателей внутреннего сгорания, в камерах сгорания магнитогазодинамических электрогенераторов и т. д.

Топливо в любых теплотехнических установках сжигают для того, чтобы получить теплоту в результате протекания экзотермических химических реакций и получить раскаленные продукты полного сгорания (дымовые газы) или продукты газификации.

В топках паровых котлов, в промышленных печах (кроме шахтных печей), в двигателях внутреннего сгорания, в камерах сгорания газовых турбин горение ведут с наибольшей полнотой, получая продукты полного сгорания.

В газогенераторах осуществляют газификационные процессы, в которых в качестве окислителей используют кислород, воздух, водяной пар и углекислый газ. Реакции, протекающие в таких устройствах, едины по своей природе с реакциями горения, но в результате их получают горючие газообразные продукты газификации.

Бывает и двухстадийное сжигание топлива: 1 - сначала топливо газифицируется; 2 - затем (в том же устройстве) продукты газификации полностью дожигаются.

Условия сгорания топлива в разных теплотехнических устройствах и подготовка их к сжиганию различны, как различны и сами топлива. Например, в топках паровых и водогрейных котлов и в промышленных печах топливо сгорает при атмосферном давлении, в то время как в камерах сгорания газовых турбин и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания топливо горит при давлении, во много раз превышающем атмосферное. Несмотря на указанное выше различие, в процессах сгорания различных видов топлива много общего. Краткая информация о процессах горения и топливных устройствах изложена ниже.

2. Реакции горения и газификации

Процессы горения делят на гомогенные, протекающие в объеме, когда топливо и окислитель находятся в одинаковом фазовом состоянии (например, горение водорода в смеси с воздухом), и на гетерогенные, происходящие на поверхности твердого углерода (например, горение кокса в потоке воздуха). В указанных реакциях горения окислителем является сухой воздух, состоящий по объему примерно из 21% кислорода и 79% азота, и поэтому продукты сгорания содержат балласт - азот, который их разбавляет. При использовании в качестве окислителя чистого кислорода балласт будет отсутствовать.

3. Гомогенное горение. Кинетика химических реакций

Во всех теплотехнических установках стремятся к проведению процессов горения с наибольшей скоростью, потому что это позволяет создать малогабаритные машины и аппараты и получить в них наибольшую производительность. Процессы горения в существующих установках протекают с большой скоростью с выделением при сгорании топлива большого количества теплоты и с получением высоких температур. Для лучшего понимания влияния разных факторов на скорость горения ниже рассмотрены элементы кинетики химических реакций.

Скорость любой химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления. Объясняется это тем, что молекулы газов, двигаясь в разных направлениях с большой скоростью, сталкиваются друг с другом. Чем чаще их столкновения, тем быстрее протекает реакция. Частота же столкновений молекул зависит от их количества в единице объема, т. е. от концентрации и, кроме того, от температуры. Под концентрацией понимают массу вещества в единице объема и измеряют ее в кг/м3, а чаще - числом киломолей в 1 м3.

4. Особенности горения газообразного топлива

Процесс горения газообразного топлива гомогенный, т. е. и топливо, и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии и граница раздела фаз отсутствует. Для того, чтобы началось горение, газ должен соприкасаться с окислителем. При наличии окислителя для начала горения необходимо создать определенные условия. Окисление горючих составляющих возможно и при относительно низких температурах. В этих условиях скорости химических реакций имеют незначительную величину. С повышением температуры скорость реакций возрастает.

При достижении некоторой температуры газо-воздушная смесь воспламеняется, скорости реакций резко возрастают и количество теплоты становится достаточным для самопроизвольного поддержания горения. Минимальная температура, при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретной в устройстве и т. д. Например, температура воспламенения водорода находится в пределах 820-870 К, а окиси углерода и метана - соответственно 870-930 К и 10201070 К.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Факел - некоторый определенный объем движущихся газов, в котором протекают процессы горения. В соответствии с общими положениями теории горения различают два принципиально различных метода сжигания газа в факеле - кинетически и диффузионный. Для кинетического сжигания характерно предварительное (до начала горения) смешивание газа с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. В этом случае скорость процесса будет лимитироваться скоростью химических реакций горения и
τгор, τхим.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса в данном случае будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом и τгор

Разновидностью диффузионного горения является смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. Газ предварительно смешивается с некоторым (недостаточным для полного горения) количеством воздуха. Этот воздух называется первичным. Образовавшаяся смесь подается в рабочий объем. Туда же отдельно от нее поступает остальная часть воздуха (вторичный воздух).

В топках котельных агрегатов чаще используются кинетический и смешанный принципы сжигания топлива. Диффузионный способ чаще всего используется в технологических промышленных печах.

Структура и длина факела при прочих равных условиях зависит от режима потока. Различают ламинарный и турбулентный газовые факелы. Ламинарный факел образуется при небольших скоростях истечения смеси (Re 3000 факел турбулентен уже около среза горелочного устройства. 

Горение газа происходит в узкой зоне, называемой фронтом горения. Газ, предварительно перемешанный с окислителем, сгорает во фронте горения, который называется кинетическим. Этот фронт представляет собой поверхность раздела между свежей газо-воздушной смесью и продуктами сгорания. Площадь поверхности кинетического фронта горения определяется скоростью химических реакций.

В случае диффузионного сжигания газа образуется диффузионный фронт горения, который является поверхностью раздела между продуктами сгорания и смесью газа с продуктами сгорания, диффундирующими навстречу потоку газа. Площадь поверхности этого фронта определяется скоростью смешивания газа с окислителем.

Диффузионно-кинетическое сжигание газа характеризуется наличием двух фронтов. При кинетическом сжигании расходуется окислитель, подаваемый в смеси с газом, при диффузионном догорает та часть газа, которая не сгорела при кинетическом сжигании из-за недостатка окислителя.

На рис. 1 показана структура горящих факелов при различных способах сжигания горючего газа и схема фронта горения.

Рис. 1. : кинетического (а), смешанного (б) и диффузионного (в), а также схема фронта горения

Набегающая свежая газо-воздушная смесь нагревается за счет передачи теплоты путем теплопроводности и излучения от фронта горения. Подогретая до температуры воспламенения смесь сгорает во фронте горения, а продукты сгорания покидают эту зону и частично диффундируют в набегающую смесь. Положение фронта горения над срезом горелки зависит от физической природы горючего газа, концентрации его в смеси, скорости потока и других факторов. Фронт горения может перемещаться в направлении, нормальном к своей поверхности, до установления равенства между количествами сгоревшей и поступившей смеси, отнесенными к единице поверхности фронта. При этом выполняется и тепловое равновесие: поток теплоты от фронта горения уравновешивается встречным потоком переносимого холодного исходного газа.

Важнейшей характеристикой горения газообразного топлива является скорость нормального распространения пламени скорость, с которой перемещается фронт горения по нормали к своей поверхности в направлении набегающей газо-воздушной смеси. При равенстве на и проекции вектора скорости потока на нормаль к поверхности фронта этот фронт будет неподвижным по отношению к срезу горелки. Основные факторы, от которых зависит скорость нормального распространения пламени, - это реакционная способность газа, его концентрация в смеси и температура предварительного подогрева смеси.

Реакционная способность газа определяется величиной энергии активации. Очевидно, что газы, обладающие небольшой энергией активации, реагируют с окислителем с большей скоростью, и для этих газов характерны высокие скорости распространения пламени (водород, ацетилен). Количество теплоты, выделяемой при горении, и температура во фронте горения зависят от концентрации газа и смеси. Начальный подогрев смеси увеличивает температуру во фронте. Если скорость истечения смеси будет значительно превосходить скорость распространения пламени, то может произойти отрыв факела. Если скорости истечения значительно меньше скоростей распространения пламени, то наблюдается втягивание (проскок) пламени в горелку.

5. Нижний и верхний пределы взрываемости горючих газов

Другая важная особенность горения газо-воздушных смесей - это наличие концентрационных пределов. Горючие газы могут воспламеняться или взрываться, если они смешаны в определенных (для каждого газа) соотношениях с воздухом и нагреты не ниже температуры их воспламенения. Воспламенение и дальнейшее самопроизвольное горение газо-воздушной смеси при определенных соотношениях газа и воздуха возможно при наличии источника огня (даже искры).

Различают нижний и верхний концентрационные пределы взрываемости (воспламеняемости) - минимальное и максимальное процентное содержание газа в смеси, при которых может произойти воспламенение ее и взрыв.

Нижний предел соответствует минимальному, а верхний - максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока теплоты извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газо-воздушных смесей.

Нижний предел взрываемости отвечает той минимальной концентрации паров горючего в смеси с воздухом, при которой происходит вспышка при поднесении пламени. Верхний предел взрываемости отвечает той максимальной концентрации паров горючего в смеси с воздухом, выше которой вспышки уже не происходит из-за недостатка кислорода воздуха. Чем шире диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. У большинства углеводородов пределы взрываемости невелики. Для метана СН4 нижний и верхний пределы взрываемости 5% и 15% объемных соответственно.

Самые широкие пределы взрываемости (воспламеняемости) имеет ряд газов: водород (4,0 - 75%), ацетилен (2,0 - 81%) и окись углерода (12,5 - 75%). Объемное содержание горючего газа в газо-воздушной смеси, ниже которого пламя не может самопроизвольно распространяться в этой смеси при внесении в нее источника высокой температуры, называется нижним концентрационным пределом воспламенения (распространения пламени) или нижним пределом взрываемости данного газа. Таким образом, смесь газа с воздухом взрывоопасна только в том случае, если содержание в ней горючего газа находится в диапазоне между нижним и верхним пределами взрываемости.

Существование пределов воспламеняемости (взрываемости) вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается и горение прекращается после удаления источника зажигания.

С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.

Пределы воспламеняемости (взрываемости) зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются несколько отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние - снижаются.

Расчетное избыточное давление при взрыве таких смесей следующее: природного газа - 0,75 МПа, пропана и бутана - 0,86 МПа, водорода - 0,74 МПа, ацетилена - 1,03 МПа. В реальных условиях температура взрыва не достигает максимальных значений и возникающие давления ниже указанных, однако они вполне достаточны для разрушения не только обмуровки котлов, зданий, но и металлических емкостей, если в них произойдет взрыв.

Основной причиной образования взрывных газо-воздушных смесей является утечка газа из систем газоснабжения и отдельных ее элементов (неплотность закрытия арматуры, износ сальниковых уплотнений, разрывы швов газопроводов, негерметичность резьбовых соединений и т. д.), а также несовершенная вентиляция помещений, топки и газоходов котлов и печей, подвальных помещений и различных колодцев подземных коммуникаций. Задачей эксплуатационного персонала газовых систем и установок является своевременное выявление и устранение мест утечек газа и строгое выполнение производственных инструкций по использованию газообразного топлива, а также безусловное качественное выполнение планово-предупредительного осмотра и ремонта систем газоснабжения и газового оборудования.

6. Особенности горения жидкого топлива

Основным жидким топливом, используемым в настоящее время, является мазут. В установках небольшой мощности используется также печное топливо, представляющее собой смесь технического керосина со смолами. Наибольшее практическое применение имеет метод сжигания жидкого топлива в распыленном состоянии. Распыление топлива позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Температура кипения жидких топлив всегда ниже температуры их самовоспламенения, т. е. той минимальной температуры среды, начиная с которой топливо воспламеняется и затем горит без постороннего теплового источника. Эта температура выше, чем температура воспламенения, при которой топливо горит только в присутствии постороннего источника зажигания (искры, раскаленной спирали и т. п.). Из-за этого при наличии окислителя горение жидких топлив возможно лишь в парообразном состоянии. Это обстоятельство является главным для понимания механизма процесса горения жидкого топлива.

Процесс сжигания жидкого топлива включает следующие этапы: 1 - пульверизации (распыливания) при помощи форсунок; 2 - испарения и термического разложения топлива; 3 - смешения полученных продуктов с воздухом; 4 - воспламенения смеси; 5 - собственно горения.

Цель пульверизации заключается в увеличении поверхности соприкосновения жидкости с воздухом и газами. Поверхность при этом возрастает в несколько тысяч раз. За счет сильного излучения горящего факела капельки очень быстро испаряются и подвергаются термическому разложению (крекингу).

Капля жидкого топлива, попавшая в нагретый объем, температура которого выше температуры самовоспламенения, начинает частично испаряться. Пары топлива смешиваются с воздухом, и образуется паровоздушная смесь. Воспламенение происходит в тот момент, когда концентрация паров в смеси достигнет величины, превышающей ее значение на нижнем концентрационном пределе воспламенения. Горение затем поддерживается самопроизвольно за счет теплоты, получаемой каплей от сжигания горючей смеси. Начиная с момента воспламенения скорость процесса испарения, возрастает, так как температура горения горючей паро-воздушной смеси значительно превышает начальную температуру объема, куда вводится распыленное топливо.

Таким образом, горение жидкого топлива характеризуется двумя взаимосвязанными процессами: испарением топлива вследствие выделения теплоты от горящей паро-воздушной смеси и собственно горением этой смеси около поверхности капли. Гомогенное горение паровоздушной смеси - это химический процесс, а процесс испарения является по своей природе физическим. Результирующая скорость и время горения жидкого топлива будут определяться интенсивностью протекания физического или химического процесса.

При сжигании жидкого топлива факел состоит из трех фаз: 1 - жидкой; 2 - твердой (дисперсный углерод от разложения жидких углеводородов); 3 - газообразной.

Скорость горения, как и при сжигании горючих газов, зависит от условий смесеобразования, степени предварительной аэрации, степени турбулентности факела, температуры камеры сгорания и условий развития факела. Высокомолекулярные углеводородные газы, разлагаясь при высоких температурах на простые соединения, выделяют сажистый углерод, размеры частичек которого очень малы (~ 0,3 мкм). Эти частицы, раскаляясь, обеспечивают свечение пламени. Можно снизить светимость пламени тяжелых углеводородов. Для этого следует осуществить частичное предварительное смешение, т. е. подать в форсунку некоторое количество воздуха. Кислород изменяет характер разложения органических молекул: углерод выделяется не в твердом виде, а в виде окиси углерода, горящей синеватым прозрачным пламенем.

Если скорость сгорания образующихся паров значительно превышает скорость испарения топлива, то за скорость горения принимают скорость испарения и тогда τгор = τфиз + τхим.

В противном случае, когда скорость химического взаимодействия паров с окислителем значительно ниже скорости испарения топлива, интенсивность процесса сжигания будет целиком зависеть от скорости протекания химических реакций горения паро-воздушной смеси и испарение капли - наиболее длительная стадия горения жидкого топлива. Поэтому для успешного и экономичного сжигания жидкого топлива необходимо увеличивать дисперсность распыления.

7. Горение твердого топлива (гетерогенное горение)

Для горения топлива нужно большое количество воздуха, превышающее в несколько раз по весу количество топлива. При продувании слоя топлива воздухом сила аэродинамического давления потока Р может быть меньше веса кусочка топлива G или, наоборот, больше его. В топках с «кипящим слоем» «кипение» связано с разъединением частиц топлива, что увеличивает объем слоя в 1,5-2,5 раза. Движение частиц топлива (обычно они от 2 до 12 мм) похоже на движение кипящей жидкости, почему такой слой и получил название «кипящего».

В топках с «кипящим» слоем газо-воздушный поток не циркулирует в слоевой зоне, а прямоточно продувает слой. Поток воздуха, пронизывающий слой, испытывает неоднородное торможение, что создает сложное поле скоростей, в котором частицы все время меняют свою парусность в зависимости от положения в потоке. Частицы при этом приобретают вращательно-пульсирующее движение, которое и создают впечатление кипящей жидкости.

Процесс сгорания твердого топлива может быть условно разделен на стадии, накладывающиеся одна на другую. Эти стадии протекают в разных температурных и тепловых условиях и требуют различного количества окислителя.

Свежее топливо, поступающее в топку, подвергается более или менее быстрому нагреванию, из него испаряется влага и выделяются летучие вещества - продукты сухой перегонки топлива. Одновременно протекает процесс коксообразования. Кокс сгорает и частично газифицируется на колосниковой решетке, а газообразные продукты сгорают в топочном пространстве. Негорючая минеральная часть топлива при сгорании топлива превращается в шлак и золу.

8. Конструкции различных топок

Топочным устройством или топкой называют часть котельного агрегата, которая предназначена для сжигания топлива и выделения химически связанного в нем тепла. Вместе с тем топка является теплообменным устройством, в котором поверхностям нагрева отдается излучением часть тепла, выделившегося при горении топлива. Кроме того, при сжигании твердого топлива в топке выпадает некоторая часть образующейся золы.

В соответствии с видом сжигаемого топлива различают топки для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. Кроме того, есть топки, в которых одновременно можно сжигать различные виды топлива: твердое с жидким или газообразным, жидкое и газообразное.

Существуют три основных способа сжигания топлива: в слое, факеле и вихре (циклоне). В соответствии с этим топки разделяют на три больших класса: слоевые, факельные и вихревые. Факельные и вихревые топки часто объединяют в общий класс камерных топок.

Рис. 2. : а - плотный слой; б - «кипящий» слой; в и г - взвешенный слой (гетерогенные факелы)

В слое топливо сжигают под котельными агрегатами паропроизводительностью до 20-35 т/ч. В слое можно сжигать только твердое кусковое топливо, например: бурые и каменные угли, кусковой торф, горючие сланцы, древесину. Топливо, подлежащее сжиганию в слое, загружают на колосниковую решетку, на которой оно лежит плотным слоем. Горение топлива происходит в струе воздуха, пронизывающего этот слой обычно снизу вверх.

Топки для сжигания топлива в слое разделяют на три класса (рис. 3):

1 - топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим на ней слоем топлива (рис. 3, а и б);

2 - топки с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива (рис. 3, в, г);

3 - топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива (рис. 3, д, е, ж).

Рис. 3. Схемы топок для сжигания топлива в слое : а - ручная горизонтальная колосниковая решетка; б - топка с забрасывателем на неподвижный слой; в - топка с цепной механической решеткой; г - топка с механической цепной решеткой обратного хода и забрасывателем; д - топка с шурующей планкой; е - топка с колосниковой решеткой; ж - топка системы Померанцева

Самой простой топкой с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива является топка с ручной горизонтальной колосниковой решеткой (рис. 3, а). На этой решетке можно сжигать твердое топливо всех видов, но необходимость ручного обслуживания ограничивает область применения ее в котлах очень малой паропроизводительности (до 1-2 т/ч).

Для слоевого сжигания топлива под котлами большей паропроизводительности механизируют обслуживание топки и прежде всего - подачу в нее свежего топлива.

В топках с неподвижной решеткой и неподвижным слоем топлива механизация загрузки осуществляется применением забрасывателей 1, которые непрерывно механически загружают свежее топливо и разбрасывают его по поверхности колосниковой решетки 2 (рис. 3, б). В таких топках можно сжигать каменные и бурые угли, а иногда и антрацит под котлами паропроизводительностью до 6,5-10,0 т/ч.

К классу топок с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива, относят топки с механической цепной решеткой (рис. 3, в), которые выполняют в различных модификациях. В этой топке топливо из загрузочной воронки 1 поступает самотеком на переднюю часть медленно движущегося бесконечного цепного колосникового полотна 2, которым оно подается в топку. Горящее топливо непрерывно перемещается по топке вместе с полотном решетки. При этом оно полностью сгорает, после чего образовавшийся в конце решетки шлак ссыпается в шлаковый бункер 3.

Топки с цепной решеткой чувствительны к качеству топлива. Лучше всего они подходят для сжигания сортированных неспекающихся умеренно влажных и умеренно зольных углей с относительно высокой температурой плавления золы и выходом летучих веществ УГ = 10-25% на горючую массу. В таких топках можно также сжигать сортированный антрацит. Для работы на спекающихся углях, а также на углях с легкоплавкой золой топки с цепной решеткой непригодны. Эти топки можно устанавливать под котлами паропроизводительностью от 10 до 150 т/ч, но в России их устанавливают под паровыми котлами паропроизводительностью 10-35 т/ч главным образом для сжигания сортированного антрацита.

Для сжигания топлива большой влажности, в частности кускового торфа, цепную решетку комбинируют с шахтным предтопком, который нужен для предварительной сушки топлива. Самой распространенной шахтно-цепной топкой является топка проф. Т. Ф. Макарьева.

Другим типом топки рассматриваемого класса являются топки с цепной решеткой обратного хода и забрасывателем. В этих топках колосниковое полотно решетки движется в обратном направлении, т. е. от задней стенки топки к передней. На фронтальной стене топки размещены забрасыватели, непрерывно подающие топливо на полотно. Выгоревший шлак ссыпается с решетки в шлаковый бункер, размещенный под передней частью топки. Топки рассматриваемого типа значительно меньше чувствительны к качеству топлива, чем топки с решеткой прямого хода, поэтому их применяют для сжигания как сортированных, так и не сортированных каменных и бурых углей под котлами паропроизводительностью 10-35 т/ч.

Топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива основаны на различных принципах организации процессов движения и горения топлива. В топках с шурующей планкой топливо перемещается вдоль неподвижной горизонтальной колосниковой решетки специальной планкой особой формы, движущейся возвратно-поступательно по колосниковому полотну. Применяют их для сжигания бурых углей под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч. Разновидностью топки с шурующей планкой является факельно-слоевая топка системы проф. С. В. Татищева, получившая применение для сжигания фрезерного торфа под котлами паропроизводительностью до 75 т/ч. Она отличается от обычной топки с шурующей планкой наличием шахтного предтопка, в котором происходит предварительная подсушка фрезерного торфа дымовыми газами, засасываемыми в шахту специальным эжектором. В этой топке можно также сжигать бурые и каменные угли.

В топках с наклонной колосниковой решеткой и скоростных топках системы В. В. Померанцева топливо, поступив в топку сверху, при сгорании сползает под действием силы тяжести в нижнюю часть топки, позволяя поступать в топку новым порциям топлива. Эти топки применяют для сжигания древесных отходов под котлами паропроизводительностью от 2,5 до 20 т/ч, а шахтные топки и для сжигания кускового торфа - под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч.

В связи с особенностями топливного баланса России, в котором используют в основном каменные и отчасти бурые угли, больше всего распространены топки с забрасывателями и механические цепные решетки. Топки же, предназначенные для сжигания торфа, сланцев и древесины, распространены значительно меньше, так как топливо этих видов в топливном балансе России играет второстепенную роль.

В факельном процессе можно сжигать топливо твердое, жидкое и газообразное. При этом:

Газообразное топливо не требует какой-либо предварительной подготовки;

Твердое топливо должно быть предварительно размолото в тонкий порошок в особых пылеприготовительных установках, основным элементом которых являются углеразмольные мельницы; 

Жидкое топливо должно быть распылено на очень мелкие капли в специальных форсунках.

Жидкое и газообразное топливо сжигают под котлами любой паропроизводительности, а пылевидное топливо - под котельными агрегатами паропроизводительностью начиная от 35-50 т/ч и выше.

Сжигание в факельном процессе топлива каждого из трех видов отличается конкретными особенностями, но общие принципы факельного способа сжигания остаются одинаковыми для всякого топлива.

Факельная топка (рис. 4) представляет собой прямоугольную камеру 1, выполненную из огнеупорного кирпича, в которую через горелки 2 вводят в тесном контакте топливо и воздух, необходимый для его горения, то есть топливо-воздушную смесь. Эта смесь воспламеняется и сгорает в образовавшемся факеле. Газообразные продукты сгорания покидают топку в ее верхней части. При сжигании пылевидного топлива с этими продуктами сгорания в газоходы котла уносится и значительная часть золы топлива, а остальное количество золы выпадает в нижнюю часть (шлаковую воронку) топки в виде шлака.

Рис. 4. : a - однокамерная топка для пылевидного топлива с твердым шлакоудалением; б - однокамерная топка для пылевидного топлива с жидким шлакоудалением; в - топка для жидкого и газообразного топлива; г - топка с полуоткрытой топочной камерой для сжигания пылевидного топлива

Стены топочной камеры изнутри покрывают системой охлаждаемых водой труб - топочными водяными экранами. Эти экраны имеют назначение предохранить кладку топочной камеры от износа и разрушения под действием высокой температуры факела и расплавленных шлаков, но главное - они представляют собой эффективную поверхность нагрева, воспринимающую большое количество тепла, излучаемого факелом. Поэтому эти топочные экраны становятся очень эффективным средством охлаждения дымовых газов в топочной камере.

Факельные топки для пылевидного топлива разделяют на два класса по способу удаления шлака: а) топки с удалением шлака в твердом состоянии; б) топки с жидким шлакоудалением.

Камера 1 топки с удалением шлака в твердом состоянии (рис. 4, а) ограничена снизу шлаковой воронкой 3, стенки которой защищены экранными трубами. Эта воронка получила название «холодной». Капли шлака, выпадающие из факела, попадая в эту воронку, вследствие относительно низкой температуры среды в ней затвердевают, гранулируясь в отдельные зерна. Из холодной воронки гранулы шлака через горловину 4 попадают в шлакоприемное устройство 5, из которого они специальным механизмом удаляются в систему шлакозолоудаления.

Камера 1 топки с жидким шлакоудалением (рис. 4, б) ограничена снизу горизонтальным или слегка наклонным подом 3, вблизи которого в результате тепловой изоляции нижней части топочных экранов поддерживают температуру, превышающую температуру плавления золы. В результате этого шлак, выпавший из факела на этот под, остается в расплавленном состоянии и вытекает из топки через летку 4 в шлакоприемную ванну 5, наполненную водой, где, затвердевая, растрескивается на мелкие стекловидные частицы.

Топки с жидким шлакоудалением разделяют на одно- (рис. 4, б) и двухкамерные для крупных котлов (рис. 4, г). В последних топочная камера разделена на две камеры:

1 - камеру горения, в которой происходит горение топлива;

2 - камеру охлаждения, в которой продукты сгорания охлаждают.

Экраны камеры горения покрывают тепловой изоляцией, чтобы

максимально повысить температуру горения с целью более надежного получения жидкого шлака, а экраны камеры охлаждения - открытыми, чтобы они могли больше снизить температуру продуктов сгорания.

Факельные топки для жидкого и газообразного топлива (рис. 4, в) выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом.

В очень крупных котельных агрегатах наряду с топочными камерами призматической формы выполняют так называемые полуоткрытые камеры, которые характеризуются наличием особого пережима, разделяющего топку на две зоны: горения и охлаждения. Полуоткрытые камеры выполняют для сжигания пылевидного (рис. 4, г), жидкого и газообразного топлива.

Факельные топки можно также классифицировать по типу горелок, которые бывают прямоточными и завихривающими, и по расположению горелок в топочной камере. Горелки размещают на передней (рис. 4) и боковых стенах ее и по углам топочной камеры (рис. 4). В крупных котельных агрегатах возможно применять также встречное размещение горелок на передней и задней стенах топки (рис. 4, г).

В вихревых (циклонных) топках можно сжигать твердое топливо и с высоким содержанием летучих, измельченное до пылевидного состояния или до размеров зерна 4-6 мм, а также (пока редко) мазут.

Принцип работы циклонной топки заключается в том, что в почти горизонтальном (рис. 5, а) или в вертикальном цилиндрическом предтопке 1 небольшого диаметра создается газо-воздушный вихрь, в котором частицы горящего топлива многократно обращаются до тех пор, пока они не сгорают почти полностью во взвешенном состоянии.

Рис. 5. : а - топка с горизонтальными циклонными предтопками; б - топка с вертикальными циклонными предтопками

Продукты сгорания из предтопков при сжигании твердого топлива поступают в камеру дожигания 2, а из нее - в камеру охлаждения 3 и далее в газоходы котельного агрегата. Шлак из предтопков удаляется в жидком виде через летки 5, причем для увеличения количества уловленного шлака между камерой дожигания и камерой охлаждения или между циклонными предтопками и камерой дожигания устанавливают шлакоулавливающий пучок труб 4. При сжигании мазута, а иногда и измельченного твердого топлива камеры дожигания не делают и продукты сгорания выводят непосредственно из предтопков в камеру охлаждения. Циклонные топки применяют в котельных агрегатах относительно высокой паропроизводительности.

Кроме перечисленных выше трех основных способов сжигания топлива, существуют еще некоторые промежуточные способы.

Задание………………………………………………………………………..3

Введение……………………………………………………………………...4

Теоретическая часть

1. Особенности горения твердого топлива ……………………….....6

2. Сжигание топлива в камерных топках ….………………………….9

3. Место и роль твердого топлива в энергетике России ……………..12

4. Снижение выбросов золовых частиц из топок котлов конструктивными и технологическими методами……………………14

5. Золоулавливание и типы золоуловителей…………………….…….15

6. Циклонные (инерционные) золоуловители…..……………………..16

Расчетная часть

1. Исходные данные…………………………………………………….18

2. Расчет элементарного состава рабочего топлива…………………..19
3. Расчет масс и объемов продуктов сгорания топлива при сжигании в котельных …………………………………...…………………………..19

4. Определение высоты трубы Н…………………………….…………20

5. Расчет рассеивания и нормативов предельно допустимых выбросов вредных веществ в атмосферу……………………………………….…20

6. Определение требуемой степени очистки……………………….… 21

Обоснование выбора циклона……………………………………………..22

Применяемые устройства……………………………………………. ……23

Заключение………………………………………………………………….24

Список использованной литературы……………………………………...26

Задание

1. По заданным расчетным характеристикам твердых топлив определить элементарный состав рабочего топлива.

2. Используя результаты п.1 и исходные данные, рассчитать выбросы и объемы продуктов сгорания твердых частиц А, оксидов серы SO x , оксида углерода CO, оксидов азота NO x , расход газов, поступающих в дымовую трубу при рабочих условиях котельной установки.

3. По результатам п.2 и исходным данным определить диаметр устья дымовой трубы. Определить высоту трубы H.

4. Определить наиболее ожидаемую концентрацию С м (мг/м 3) вредных веществ: оксида углерода СО, сернистого газа SO 2 , оксидов азота NO x , пыли, (золы) в приземном слое атмосферы при неблагоприятных условиях рассеивания.

5. Сравнить фактическое содержание вредных веществ в атмосферном воздухе с учетом фоновой концентрации (С м +С ф) с санитарно-гигиеническими нормами (ПДК), если ПДК СО =5 мг/м 3 , ПДК NO 2 = 0,085, ПДК SO 2 =0,5 мг/м 3 , ПДК пыли =0,5 мг/м 3 .

7. Определить требуемую степень очистки и дать рекомендации по снижению выбросов, если фактический выброс М какого-либо вещества превышает расчетный норматив (ПДВ).

8. Разработать и обосновать применяемые способы и устройства для очистки сбросных вредных веществ.

Теоретическая часть

Введение

Промышленное производство и другие виды хозяйственной деятельности человека сопровождаются выделением загрязняющих веществ в окружающую природную среду.

Значительный ущерб окружающей среде наносят котельные установки, использующие сжигание твёрдых, жидких и газообразных топлив при нагреве воды для систем отопления.

Основным источником негативного воздействия энергетики являются продукты, образующиеся при сжигании органического топлива.

Рабочая масса органического топлива состоит из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, влаги и золы. В результате полного сгорания топлив образуются углекислый газ, водяные пары, оксиды серы (сернистый газ, серный ангидрид и зола). К числу токсичных относятся оксиды серы, зола. В ядре факела топочных камекотлов большой мощности происходит частичное окисление азота воздуха топлива с образованием оксидов азота (оксид и диоксид азота).

При неполном сгорании топлива в топках могут образовываться также оксид углерода СО 2 , углеводороды СН 4 , С 2 Н 6 , а также канцерогенные вещества. Продукты неполного сгорания весьма вредны, однако при современной технике сжигания их образование можно исключить или свести к минимуму.

Наибольшую зольность имеют горючие сланцы и бурые угли, а также некоторые сорта каменных углей. Жидкое топливо имеет небольшую зольность; природный газ является беззольным топливом.

Выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб электростанций токсичные вещества оказывают вредное воздействие на весь комплекс живой природы и биосферу.

Комплексное решение проблемы защиты окружающей среды от воздействия вредных выбросов при сжигании топлив в котельных агрегатах включает:

· Разработку и внедрение технологических процессов, снижающих выбросы вредных веществ за счет полноты сгорания топлив и др.;

· Внедрение эффективных методов и способов очистки сбросных газов.

Наиболее эффективный путь решения экологических проблем на современном этапе – создание технологий, приближенных к безотходным. При этом одновременно решается проблема рационального использования природных ресурсов, как материальных, так и энергетических.

Особенности горения твердого топлива

Горение твердого топлива включает два периода: тепловую подготовку и собственно горение. В процессе тепловой подготовки топливо прогревается, высушивается, и при температуре около 110 начинается пирогенетическое разложение составляющих его компонентов с выделением газообразных летучих веществ. Длительность этого периода зависит главным образом от влажности топлива, размера его частиц и условий теплообмена между окружающей топочной средой и частицами топлива. Протекание процессов в период тепловой подготовки связано с поглощением теплоты главным образом на подогрев, подсушку топлива и термическое разложение сложных молекулярных соединений.

Собственно горение начинается с воспламенения летучих веществ при температуре 400-600, а выделяющаяся в процессе горения теплота обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение коксового остатка.

Горение кокса начинается при температуре около 1000 и является наиболее длительным процессом.

Это определяется тем, что часть кислорода в зоне у поверхности частицы израсходована на сжигание горючих летучих веществ и оставшаяся концентрация его снизилась, кроме того, гетерогенные реакции всегда уступают по скорости гомогенным для однородных по химической активности веществ.

В итоге общая длительность горения твердой частицы в основном определяется горением коксового остатка (около 2/3 общего времени горения). У молодых топлив, имеющих большой выход летучих веществ, коксовый остаток составляет менее половины начальной массы частицы, поэтому их сжигание (при равных начальных размерах) происходит достаточно быстро и возможность недожога снижается. Старые виды твердых топлив обладают крупным коксовым остатком, близким к начальному размеру частицы, горение которого занимает все время пребывания частицы в топочной камере. Время сгорания частицы с начальным размером 1мм составляет от 1 до 2,5 с в зависимости от вида исходного топлива.

Коксовый остаток большинства твёрдых топлив в основном, а для ряда твердых топлив почти целиком состоит из углерода (от 60 до 97 % органической массы топлива). Учитывая, что углерод обеспечивает основное тепловыделение при сжигании топлива, рассмотрим динамику горения углеродной частицы с поверхности. Кислород подводится из окружающ0щей среды к частице углерода за счет турбулентной диффузии (турбулентного массопереноса), имеющей достаточно высокую интенсивность, однако непосредственно у поверхности частицы сохраняется тонкий газовый слой (пограничный слой), перенос окислителя через который осуществляется по законам молекулярной диффузии.

Этот слой в значительной мере тормозит подвод кислорода к поверхности. В нем происходит догорание горючих газовых компонентов, выделяющихся с поверхности углерода в ходе химической реакции.

Выделяют диффузионную, кинетическую и промежуточную область горения. В промежуточной и особенно в диффузионной области интенсификация горения возможна усилением подвода кислорода, активизацией обдувания потоком окислителя горящих частиц топлива. При больших скоростях потока уменьшаются толщина и сопротивление ламинарного слоя у поверхности и усиливается подвод кислорода. Чем выше эта скорость, тем интенсивнее перемешивание топлива с кислородом и тем при более высокой температуре происходит переход из кинетической в промежуточную зону, а из промежуточной - в диффузионную зону горения.

Аналогичный эффект в части интенсификации горения достигается уменьшением размера частиц пылевидного топлива. Частицы малых размеров имеют более развитый тепломассообмен с окружающей средой. Таким образом, при уменьшении размера частиц пылевидного топлива расширяется область кинетического горения. Повышение температуры приводит к смещению в область диффузионного горения.

Область чисто диффузионного горения пылевидного топлива ограничена преимущественно ядром факела, отличающимся наиболее высокой температурой горения, и зоной догорания, где концентрации реагирующих веществ уже малы и их взаимодействие определяется законами диффузии. Воспламенение любого топлива начинается при относительно низких температурах, в условиях достаточного количества кислорода, т.е. в кинетической области.

В кинетической области горения определяющую роль играет скорость химической реакции, зависящая от таких факторов, как реакционная способность топлива и уровень температуры. Влияние аэродинамических факторов в этой области горения незначительно.