Особенности сжигания твердого топлива. Особенности сжигания твердых топлив

В отопительных котлах твердое топливо сжигают в слое в основном на ручных колосниковых решетках с ручным обслуживанием. В последнее время начинают внедрять механические топки типа "шурующая планка". Основными элементами топки для сжигания твердого топлива в отопительных котах с ручным обслуживанием является колосниковая решетка, поддерживающая слой кускового топлива, через который проходит необходимый для горения воздух, и топочное пространство, в котором сгорают горючие летучие вещества. При постоянной тяге количество воздуха, проходящего в топку слой топлива в период между а грузка ми, постоянно повышается следствие прогорания слои и уменьшения его сопротивления. Из поступившего в топку воздуха часть используется на сжигание твердого топлива в слое, часть - на сгорание летучих веществ топочном пространстве и какое-то количество воздуха остается неиспользованным.

Загруженное на горящий слой топливо сначала подсыхает, потом начинается процесс горения, этот период из-за недостатка воздуха может возникнуть неполнота сгорания топлива, которая исчезает по мере потухания процесса коксования порции топлива. К концу периода между загрузками топлива в тонком слое горит главным образом. Обычно этот период горения характеризуется полным сгоранием топлива с большим избытком воздуха.

Таким образом, в первые моменты после загрузки топлива на решетку его сгорание происходит с химической неполнотой, а в конце процесса сгорания - с повышенными избытками воздуха и, следовательно, с увеличенной потерей теплоты с уходящими газами. Поэтому правильно выбранная толщина слоя топлива обеспечивает минимальную сумму потерь теплоты от химической полноты сгорания и с уходящими азами при минимальном избытке воздуха. Эти условия лучше всего можно создать при более частой загрузке топлива мелкими порциями.

Последнее обстоятельство следует подчеркнуть, так как машинисты часто его игнорируют, и в результате происходит загрязнение атмосферы оксидом углерода. Периоды между загрузкой топлива, например антрацита, должны составлять 10-15 мин, для остальных еще меньше. Контроль за правильностью выбранной толщины слоя топлива производят либо с помощью газоанализаторов, по показаниям которых оценивают полноту сгорания и избыток воздуха, либо визуально по цвету пламени при отсутствии приборов. Визуально химическая неполнота сгорания определяется по степени прозрачности дыма, а избыток воздуха - по форме и цвету факела. Полное сжигание твердого топлива при малом избытке воздуха дает прозрачное пламя, соломенно-желтого цвета. При большом избытке воздуха пламя, не изменяя своей прозрачности, становится коротким. При неполном сгорании пламя, оставаясь длинным, краснеет и на нем появляются темные прослойки. Неполное сжигание твердого топлива, имеющего малый выход летучих веществ проявляется в голубых языках горящего оксида углерода, возникающих над слоем топлива.

Сжигание твердого топлива может включать в себя использование углей низкого качества. Но это приводит к резкому снижению КПД котлов и, как следствие, к перерасходу топлива и сооружению дополнительных котельных либо при нормированной поставке топлива к недодаче теплоты потребителям и, кроме того к загрязнению атмосферы не только продуктами неполного сгорания, но и меткими частицами несгоревшего топлива (уносом).

Большая влажность (св. 30 %) при высокой зольности (св. 35 %) ухудшает топочный процесс и снижает экономичность работы котлов. Академией коммунального хозяйства имени К. Д. Памфилова на основании Диализа экспериментальных данных установлено, что для эффективного сжигания каменных углей и антрацитов в чугунных и стальных котлах предельная величина зольности. Опыт эксплуатации котлов показывает, что максимальный размер кусков угля не должен превышать 50 мм.

Бурые угли могут быть использованы в чугунных котлах в виде брикетов, поэтому необходимо ускорить решение комплексной технической проблемы облагораживания их на месте добычи получать полукокс, смолу, газ, брикетировать полукокс с добавлением в качестве вяжущего вещества смолы. Таким образом, для чугунных котлов необходимо: использовать уголь по размеру кусков двух классов:13-25 и 25 - 50 мм: бурые угли заменить каменным углем и антрацитом; при решении проблемы промышленного облагораживания на месте добычи использовать уголь в виде брикетов; использовать угли с влажностью не выше 8 % и содержанием мелочи не более 20 %.

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.

Горение твердого топлива (угольной пыли) включает два периода: тепловую подготовку и собственно горение (рис. 4.5).

В процессе тепловой подготовки (рис. 4.5, зона I) частица прогревается, высушивается, и при температуре выше 110 °С начинается тепловое разложение исходного вещества топлива с выделением газообразных летучих веществ. Длительность этого периода зависит главным образом от влажности топлива, размера его частиц, условий теплообмена и составляет обычно десятые доли секунды. Протекание процессов в период тепловой подготовки связано с поглощением теплоты, главным образом, на прогрев, подсушку топлива и термическое разложение сложных молекулярных соединений, поэтому нагрев частицы в это время идет замедленно.

Собственно горение начинается с воспламенения летучих веществ (рис. 4.5, зона II) при температуре 400…600 °С, а выделяющаяся в процессе их горения теплота обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение твердого коксового остатка. Горение летучих веществ занимает 0,2…0,5 с. При большом выходе летучих (бурые и молодые каменные угли, сланцы, торф) выделяющейся теплоты их горения достаточно для воспламенения коксовой частицы, а при малом выходе летучих возникает необходимость дополнительного прогрева коксовой частицы от окружающих раскаленных газов (зона III).

Горение кокса (рис. 4.5, зона IV) начинается при температуре около 1000 °С 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 (1,0…2,5 с) в основном определяется горением коксового остатка (около 2/3 общего времени горения). Для топлив, имеющих большой выход летучих веществ, коксовый остаток составляет менее половины начальной массы частицы, поэтому их сжигание при разных начальных размерах происходит достаточно быстро и возможность недожога снижается. Старые по возрасту топлива имеют плотную коксовую частицу, горение которой занимает почти все время пребывания в топочной камере.

Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для ряда твердых топлив целиком, состоит из углерода (от 60 до 97% массы частицы). Учитывая, что углерод обеспечивает основное тепловыделение при сжигании топлива, рассмотрим динамику горения углеродной частицы с поверхности. Кислород подводится из окружающей среды к частице углерода за счет турбулентной диффузии - турбулентного массопереноса, имеющего достаточно высокую интенсивность, однако непосредственно у поверхности частицы сохраняется тонкий газовый слой (пограничный слой), перенос окислителя через который осуществляется по законам молекулярной диффузии (рис. 4.6). Этот слой в значительной мере тормозит подвод кислорода к поверхности. В нем происходит догорание горючих газовых компонентов, выделяющихся из частицы в ходе термического разложения. Количество кислорода, подводимого в единицу времени к единице поверхности частицы посредством турбулентной диффузии, определяется по формуле

В (4.16) и (4.17) С ПОТ - концентрация кислорода в окружающем частицу потоке; С СЛ - то же на внешней границе пограничного слоя; С ПОВ - то же на поверхности топлива; δ - толщина пограничного слоя; D - коэффициент молекулярной диффузии через пограничный слой; А - коэффициент турбулентного массообмена.

Совместное решение уравнений (4.16) и (4.17) приводит к выражению

4.18a

в котором

4.19

Обобщенная константа скорости диффузии.

Из формулы (4.18) следует, что подвод кислорода к реагирующей поверхности твердого топлива определяется константой скорости диффузии и разностью концентраций кислорода в потоке и на реагирующей поверхности.

В установившемся процессе горения количество кислорода, подводимого диффузией к поверхности реагирования, равно количеству, прореагировавшему на поверхности в результате химической реакции. Отсюда скорость реакции горения углерода с поверхности К s находится из равенства массовых скоростей двух процессов - диффузионного подвода и расхода кислорода на поверхности в результате химической реакции

В соответствии с законом Аррениуса определяющим параметром скорости химической реакции является температура процесса. Константа скорости диффузии k Д слабо изменяется с ростом температуры (см. рис. 4.1, а), в то время как константа скорости реакции k р имеет экспоненциальную зависимость от температуры.

При относительно невысокой температуре (800…1000°С) химическая реакция протекает медленно, несмотря на избыток кислорода около твердой поверхности, так как k Д >> k Р. В этом случае горение тормозится кинетикой химической реакции, поэтому эту зону температур называют областью кинетического горения.

Наоборот, при высоких температурах горения (выше 1500°С) и сжигании угольной пыли значение k Р >> k Д и процесс горения тормозится условиями подвода (диффузии) кислорода к поверхности частицы. Этим условиям соответствует область диффузионного горения. Создание в этой зоне температур факела дополнительных условий для перемешивания горящей смеси (увеличение значения k Д) способствует ускорению и углублению выгорания топлива.

Аналогичный эффект в части интенсификации горения достигается уменьшением размера частиц пылевидного топлива. Частицы малых размеров имеют более развитый теплообмен с окружающей средой и, таким образом, более высокое значение k Д. Повышение температуры приводит к смещению процесса окисления в область диффузионного горения.

Область чисто диффузионного горения пылевидного топлива характерна для ядра факела, отличающегося наиболее высокой температурой горения, и зоны 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 этой 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.

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.

К атегория: Печи

Основные особенности процессов сгорания топлива

В отопительных печах может использоваться твердое, жидкое и газообразное топливо. Каждому из этих топлив свойственны свои особенности, которые влияют на эффективность использования печей.

Конструкции отопительных печей создавались в течение длительного времени и предназначались для сжигания в них твердого топлива. Только в более поздний период стали создаваться конструкции, рассчитанные на использование жидкого и газообразного топлива. Чтобы наиболее эффективно использовать эти ценные виды в существующих печах, необходимо знать, чем отличаются процессы горения этих топлив от горения твердого топлива.

Во всех печах твердое топливо (дрова, различные виды каменного угля, антрацит, кокс и др.) сжигается на колосниках слоевым способом, с периодической загрузкой топлива и очисткой колосников от шлака. Слоевой процесс сжигания имеет четкий циклический характер. Каждый цикл включает следующие стадии: загрузка топлива, подсушка и разогрев слоя, выделение летучих веществ и их горение, горение топлива в слое, догорание остатков и, наконец, удаление шлаков.

На каждой из этих стадий создается определенный тепловой режим и процесс горения в печи происходит с непрерывно меняющимися показателями.
Первичная стадия подсушки и разогрева слоя носит так называемый эндотермичный характер, т. е. она сопровождается не выделением, а поглощением теплоты, получаемой от раскаленных стен топливника и от недогоревших остатков. Далее по мере разогрева слоя начинается выделение газообразных горючих компонентов и их выгорание в газовом объеме. На этой стадии начинается тепловыделение в топке, которое постепенно увеличивается. Под влиянием разогрева начинается горение твердой коксовой основы слоя, дающей обычно наибольший тепловой эффект. По мере прогорания слоя тепловыделение постепенно уменьшается, и в конечной стадии имеет место малоинтенсивное дожигание горючих веществ. Известно, что роль и влияние отдельных стадий цикла слоевого горения зависит от следующих показателей качества твердого топлива: влажности, зольности, содержания летучих горючих веществ и углерода в горючей
массе.

Рассмотрим, как влияют эти составляющие на характер процесса горения в слое.

Увлажнение топлива отрицательно влияет на горение так как на испарение влаги должна быть затрачена часть удельной теплоты сгорания топлива. В результате снижаются температуры в топливнике, ухудшаются условия сжигания, а сам цикл горения затягивается.

Отрицательная роль зольности топлива проявляется в том, что зольная масса обволакивает горючие компоненты топлива и препятствует доступу к ним кислорода воздуха. В результате горючая масса топлива не догорает, образуется так называемый механический недожог.

Исследованиями ученых установлено, что большое влияние на характер развития процессов горения оказывает соотношение содержания в твердом топливе летучих газообразных веществ и твердого углерода. Летучие горючие вещества начинают выделяться из твердого топлива при сравнительно низких температурах, начиная со 150-200 °С и выше. Летучие вещества разнообразны по составу и отличаются различными температурами выхода, поэтому процесс их выделения растянут по времени и его окончательная стадия обычно сочетается с горением твердой топливной части слоя.

Летучие вещества имеют относительно низкую температуру воспламенения, так как содержат много водородеодержащих компонентов, горение их происходит в надслоевом газовом объеме топливника. Твердая часть топлива, остающаяся после выхода летучих веществ, состоит в основном из углерода, имеющего наиболее высокую температуру воспламенения (650-700°С). Горение углеродного остатка начинается в последнюю очередь. Оно протекает непосредственно в тонком слое колосниковой решетки, и ввиду интенсивного тепловыделения в нем развиваются высокие температуры.

Типичная картина изменения температуры в топке и газоходах в течение цикла горения твердого топлива показана на рис. 1. Как видно, в начале топки наблюдается быстрое нарастание температур в топливнике и дымоходах, В стадии же догорания происходит резкое снижение температуры внутри печи, особенно в топливнике. Каждая из стадий требует подачи в топку определенного количества воздуха для горения. Однако, ввиду того что в топку поступает постоянное количество воздуха, на стадии интенсивного горения коэффициент избытка воздуха составляет величину ат=1,5-2, а на стадии догорания, продолжительность которой достигает 25-30% времени топки, коэффициент избытка воздуха достигает ат=8-10. На рис. 2 показано, как изменяется коэффициент избытка воздуха на протяжении одного цикла горения на колосниковой решетке трех видов твердого топлива: дров, торфа и каменного угля в типичной отопительной печи периодического действия.

Рис. 1. Изменение температуры дымовых газов в различных сечениях отопительной печи при топке твердым топливом 1 - температура в топливнике (на расстоянии 0,23 м от колосниковой решетки); 1 - темперйтура в первом горизонтальном дымоходе; ’3 - температура в третьем горизонтальном дымоходе; 4 - температура в шестом горизонтальном дымоходе (перед заслонкой печи)

Из рис. 2 видно, что коэффициент избытка воздуха в печах, работающих с периодической загрузкой твердого топлива, непрерывно изменяется.

При этом на стадии интенсивного выхода летучих веществ количества поступающего в топку воздуха обычно недостаточно для полного их сгорания, а на стадиях предварительного разогрева и дожигания горючих веществ количество воздуха в несколько раз превышает теоретически необходимое.

В результате на стадии интенсивного выхода летучих веществ происходит химический недожог выделившихся горючих газов, а при дожигании остатков имеют место повышенные потери теплоты с уходящими газами ввиду увеличения объема продуктов сгорания. Потери теплоты с химическим недожогом составляют 3-5%, а с уходящими газами - 20-35%. Однако отрицательное действие химического недожога проявляется не только в дополнительных потерях теплоты и снижении КПД. Опыт эксплуатации большого количества отопительных печей показывает; что в результате химического недожога интенсивно выделяющихся летучих веществ на внутренних стенках топки и дымоходов откладывается аморфный углерод в виде сажи.

Рис. 2. Изменение коэффициента избытка воздуха в течение цикла горения твердого топлива

Поскольку сажа имеет низкую теплопроводность, ее отложения увеличивают термическое сопротивление стен печи и тем самым снижают полезную теплоотдачу печей. Отложения сажи в дымоходах сужают сечение для прохода газов, ухудшают тягу и, наконец, создают повышенную пожароопасность, так как сажа горюча.

Из сказанного ясно, что неудовлетворительные показатели слоевого процесса во многом объясняются неравномерностью выделения летучих веществ по времени.

При слоевом сжигании высокоуглеродистых топлив процесс горения сосредоточен в пределах довольно тонкого топливного слоя, в котором развиваются высокие температуры. Процесс горения чистого углерода в слое имеет свойство саморегулирования. Это значит, что количество прореагировавшего (сожженного) углерода будет соответствовать количеству поданного окислителя (воздуха). Поэтому при постоянном расходе воздуха постоянным будет и количество сожженного топлива. Изменение же тепловой нагрузки должно производиться за счет регулирования подачи воздуха VB. Например, при увеличении VB возрастает количество сожженного топлива, а снижение Ув вызовет уменьшение теплопроизводительности слоя, причем величина коэффициента избытка воздуха останется стабильной.

Однако сжигание антрацита и кокса связано со следующими трудностями. Для возможности создания высоких температур толщина слоя при сжигании антрацита и кокса поддерживается достаточно большой. При этом рабочей зоной слоя является относительно тонкая нижняя его часть, в которой осуществляются экзотермические реакции оксидирования углерода кислородом воздуха, т. е. происходит собственно горение. Весь вышележащий слой служит как бы тепловым изолятором горящей части слоя, предохраняющим зону горения от охлаждения за счет излучения теплоты на стенки топливника.

В результате окислительных реакций в зоне горения выделяется полезная теплота согласно реакции
с+о2->со.

Однако при высоких температурах слоя в верхней его зоне осуществляются обратные восстановительные эндотермические реакции, протекающие с поглощением теплоты, согласно уравнению
С02+С2СО.

В результате этих реакций образуется оксид углерода СО, который является горючим газом, обладающим довольно высокой удельной теплотой сгорания, поэтому присутствие его в дымовых газах свидетельствует о неполноте сгорания топлива и снижении экономичности печи. Таким образом, для обеспечения высоких температур в зоне горения топливный слой должен иметь достаточную толщину, но это приводит к вредным восстановительным реакциям в верхней части слоя, приводящим к химическому недожогу твердого топлива.

Из приведенного ясно, что в любой печи периодического действия, работающей на твердом топливе, имеет место нестационарный процесс горения, неизбежно снижающий КПД эксплуатируемых печей.

Большое значение для экономичной, работы печи имеет качество твердого топлива.

Согласно стандартам для коммунально-бытовых нужд выделяют в основном каменные угли (марок Д, Г, Ж, К, Т и др.), а также бурые угли и антрациты. По размеру кусков угли должны поставляться следующих классов: 6-13, 13-25, 25-50 и 50-100 мм. Зольность угля на сухую массу колеблется в пределах 14-35% для каменных углей и до 20% -для антрацита, влажность- 6-15% для каменных и 20-45% для бурых углей.

Топочные устройства бытовых печей не имеют средств механизации процесса горения (регулирования подачи дутьевого воздуха, шуровки слоя и др.), поэтому для эффективного сжигания в печах к качеству угля должны предъявляться достаточно высокие требования. Значительная часть угля поставляется, однако, несортированным, рядовым, с качественными характеристиками (по влажности, зольности, содержанию мелочи) существенно ниже предусмотренных стандартами.

Сжигание некондиционного топлива происходит несовершенно, с повышенными потерями от химического и механического недожога. Академией коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова был определен годовой материальный ущерб, причиняемый в результате поставки углей низкого качества. Расчеты показали, что материальный ущерб, обусловленный неполным использованием топлива, составляет примерно 60% стоимости добычи угля. Экономически и технически целесообразно обогащать топливо в местах его добычи до кондиционного состояния, так как дополнительные расходы на обогащение составят примерно половину указанной величины материального ущерба.

Важной качественной характеристикой угля, влияющей на эффективность его сжигания, является его фракционный состав.

При повышенном содержании в топливе мелочи она, уплотняясь, закрывает прозоры в горящем топливном слое, что приводит к кратерному горению, имеющему неравномерный характер по площади слоя. По этой же причине хуже по сравнению с другими видами топлива сжигаются бурые угли, имеющие свойство растрескиваться при нагреве с образованием значительного количества мелочи.

С другой стороны, использование чрезмерно крупных кусков угля (более 100 мм) также приводит к кратерному горению.

Влажность угля, вообще говоря, не ухудшает топочного процесса; однако она снижает удельную теплоту сгорания, температуру горения, а также осложняет хранение угля, так как при минусовых температурах происходит его смерзание. Для предотвращения смерзания влажность каменных углей не должна превышать 8%.

Вредным компонентом в твердом топливе является сера, так как продуктами ее сгорания являются диоксид серы S02 и сернистый ангидрид S03, обладающие сильными коррозионными свойствами, к тому же еще и весьма токсичные.

Следует заметить, что в печах периодического действия рядовые угли хотя и менее эффективно, но все же могут удовлетворительно сжигаться; для печей длительного горения указанные требования должны категорически выполняться в полной мере.

В печах непрерывного действия, в которых сжигается жидкое или газообразное топливо, процесс горения имеет не циклический, а непрерывный характер. Поступление топлива в печь происходит равномерно, благодаря чему соблюдается стационарный режим горения. Если при сжигании твердого топлива температура в топливнике печи колеблется в широких пределах, что неблагоприятно отражается на процессе горения, то при сжигании природного газа вскоре после включения горелки температура в топочном пространстве достигает 650-700 °С. Далее она постоянно увеличивается с течением времени и достигает в конце топки 850-1100 °С. Скорость повышения температуры при этом определяется тепловым напряжением топочного пространства и временем топки печи (рис. 25). Сжигание газа сравнительно легко поддерживать при постоянном коэффициенте избытка воздуха, что осуществляется с помощью воздушной заслонки. Благодаря этому при сжигании газа в печи создается стационарный режим горения, позволяющий свести к минимуму потери теплоты с уходящими газами и добиться работы печи с высоким КПД, достигающим 80-90%. КПД газовой печи стабилен по времени и существенно выше, чем печи на твердом топливе.

Влияние режима горения топлива и величины площади теп-ловоспринимающей поверхности дымооборотов на КПД печи. Теоретические расчеты показывают, что тепловая экономичность отопительной печи, т. е. величина теплового КПД, зависит от так называемых внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся величина площади теплоотдающей наружной поверхности S печи в зоне топливника и дымообо-ротов, толщина стенок 6, коэффициент теплопроводности К материала стенок печи и теплоемкость С. Чем больше величины. S, X и меньше 6, тем лучше теплоотдача от стен печи к окружающему воздуху, более полно охлаждаются газы и выше КПД печи.

Рис. 3. Изменение температуры продуктов сгорания в топливнике газовой отопительной печи в зависимости от напряженности топочного пространства и времени топки

К внутренним факторам относится в первую очередь величина КПД топливника, зависящая в основном от полноты сгорания топлива. В отопительных печах периодического действия практически всегда имеются потери теплоты от химической неполноты горения и механического недожога. Эти потери зависят от совершенства организации процесса горения, определяемого удельным тепловым напряжением топочного объема Q/V. Значение QIV для топливника заданной конструкции зависит от расхода сжигаемого топлива.

Исследованиями и опытом эксплуатации установлено, что для каждого вида топлива и конструкции топливника существует оптимальная величина Q/V. При низких Q/V внутренние стенки топливника прогреваются слабо, температуры в зоне горения недостаточны для эффективного сжигания топлива. При повышении Q/V возрастают температуры в топочном объеме, и при достижении определенного значения Q/V достигаются оптимальные условия горения. При дальнейшем повышении расхода топлива уровень температур продолжает повышаться, но процесс горения не успевает завершиться в пределах топливника. Газообразные горючие компоненты увлекаются в газоходы, процесс их горения прекращается и появляется химический недожог топлива. Точно так же при чрезмерном расходе топлива часть его не успевает сгорать и остается на колосниковой решетке, что приводит к механическому недожогу. Таким образом, для того чтобы отопительная печь имела максимальный КПД, необходимо, чтобы ее топливник работал с оптимальным тепловым напряжением.

Потери теплоты в окружающую среду от стен топливника не снижают КПД печи, так как теплота расходуется на полезный обогрев помещения.

Вторым важным внутренним фактором является расход дымовых газов Vr. Даже если печь работает при оптимальной величине теплового напряжения топливника, объем газов, проходящих через дымоходы, может существенно меняться за счет изменения коэффициента избытка воздуха ат, представляющего собой отношение действительного расхода воздуха, поступившего в топку, к теоретически неоходимому его количеству. При данной величине QIV значение ат может изменяться в весьма широких пределах. В обычных отопительных печах периодического действия величина ат в период максимального горения может быть близкой к 1, т. е. соответствовать минимально возможному теоретическому пределу. Однако в период подготовки топлива и на стадии догорания остатков величина ат в печах периодического действия обычно резко возрастает, нередко достигая предельно высоких значений - порядка 8-10. С увеличением ат возрастает объем газов, сокращается время их пребывания в системе дымооборотов и, как следствие, увеличиваются потери теплоты с уходящими газами.

На рис. 4 показаны графики зависимости КПД отопительной печи от различных параметров. На рис. 4, а показаны величины КПД отопительной печи в зависимости от значений ат> из которых видно, что при увеличении ат от 1,5 до 4,5 КПД уменьшается с 80 до 48%. На рис. 4, б показана зависимость КПД отопительной печи от величины площади внутренней поверхности дымооборотов S, из которой видно, что при увеличении S от 1 до 4 м2 КПД возрастает с 65 до 90%.

Кроме перечисленных факторов величина КПД зависит от продолжительности топки печи т (рис. 4, в). По мере увеличения х внутренние стенки печи прогреваются до более высокой температуры и газы соответственно охлаждаются меньше. Поэтому с увеличением продолжительности топки экономичность любой отопительной печи снижается, приближаясь к определенной минимальной величине, характерной для печи данной конструкции.

Рис. 4. Зависимость КПД газовой отопительной печи от различных параметров а - от коэффициента избытка воздуха при площади внутренней поверхности дымооборотов, м2; б - от площади внутренней поверхности дымооборотов при различных коэффициентах избытка воздуха; в - от длительности топки при различных площадях внутренней поверхности дымооборотов, м2

Теплопередача отопительных печей и их аккумулирующая способность. В отопительных печах теплота, которая должна быть передана дымовыми газами отапливаемому помещению, должна пройти через толщу стен печи. С изменением толщины стен топливника и дымоходов соответственно меняются термическое сопротивление и массивность кладки (ее аккумулирующая способность). Например, при уменьшении толщины стен снижается их термическое сопротивление, возрастает тепловой поток и одновременно уменьшаются габариты печи. Однако уменьшение толщины стен печей периодического действия, работающих на твердом топливе, недопустимо по следующим причинам: при периодической кратковременной топке внутренние поверхности топливника и дымоходов нагреваются до высоких температур и температура наружной поверхности печи в периоды максимального горения будет выше допустимых пределов; после прекращения горения вследствие интенсивной теплоотдачи наружных стенок в окружающую среду печь будет быстро охлаждаться.

При больших величинах М температура помещения будет в широких пределах изменяться во времени и выходить из допустимых норм. С другой стороны, если выкладывать печь слишком толстостенной, то за короткий период топки ее большой массив не успеет прогреться и, кроме того, с утолщением стен увеличивается разница между площадью внутренней поверхности дымоходов, воспринимающей теплоту от газов, и площадью наружной поверхности печи, передающей теплоту окружающему воздуху, вследствие чего температура наружной поверхности печи будет слишком низкой для эффективного обогрева помещения. Поэтому существует такая оптимальная толщина стен (1/2- 1 кирпич), при которой массив печи периодического действия накапливает достаточное количество теплоты за время топки и вместе с тем достигается достаточно высокая температура наружных поверхностей печи для нормального обогрева помещения.

При использовании в отопительных печах жидкого или газообразного топлива вполне достижим непрерывный режим горения, поэтому при непрерывной топке нет необходимости в аккумуляции теплоты за счет увеличения массива кладки. Процесс теплопередачи от газов к отапливаемому помещению имеет стационарный характер по времени. В этих условиях толщина стенок и массивность печи может выбираться исходя не из обеспечения определенной аккумулирующей величины, а из соображений прочности кладки и обеспечения должной долговечности.

Влияние перевода печи с периодической топки на непрерывную хорошо видно из рис. 5, на котором показано изменение температуры внутренней поверхности стенки топливника в случае периодической и непрерывной топки. При периодической топке уже через 0,5-1 ч внутренняя поверхность стенки топливника нагревается до 800-900 °С.

Такой резкий нагрев уже после 1-2 лет эксплуатации печи часто вызывает растрескивание кирпичей и их разрушение. Такой режим, однако, является вынужденным, так как снижение тепловой нагрузки приводит к чрезмерному увеличению продолжительности топки.

При непрерывной топке раход топлива резко сокращается и температура нагрева стенок топливника снижается. Как видно из рис. 27, при непрерывной топке для большинства марок каменных углей температура стенки повышается с 200 лишь до 450-500 °С, в то время как при периодической топке она значительно выше - 800-900 °С. Поэтому топливники печей периодического действия обычно футеруются огнеупорным кирпичом, в то время как топливники печей непрерывного действия не нуждаются в футеровке, так как температура на их поверхности не достигает предела огнеупорности обычного красного кирпича (700-750 °С).

Следовательно, при непрерывной топке более эффективно используется кирпичная кладка, намного увеличивается срок службы печей и для большинства марок каменных углей (исключая антрациты и тощие угли) имеется возможность все части печи выкладывать из красного кирпича.

Тяга в печах. Для того чтобы заставить дымовые газы пройти из топливника через дымообороты печи до дымовой трубы, преодолев все встречающиеся на их пути местные сопротивления, необходимо затратить определенное усилие, которое должно превышать эти сопротивления, иначе печь будет дымить. Это усилие принято называть силой тяги печи.

Возникновение силы тяги поясняется на схеме (рис. 6). Дымовые газы, образующиеся в топливнике, как более легкие по сравнению с окружающим воздухом, поднимаются вверх и заполняют дымовую трубу. Столб наружного воздуха противостоит столбу газов в дымовой трубе, но, будучи холодным, он значительно тяжелее столба газов. Если провести через топочную дверку условную вертикальную плоскость, то с правой стороны на нее будет действовать (давить) столб горячих газов высотой от середины топочной дверки до верха дымовой трубы, а с левой - столб наружного холодного воздуха такой же высоты. Масса левого столба больше, чем правого, так как плотность холодного воздуха больше, чем горячего, поэтому левый столб будет вытеснять дымовые газы, заполняющие дымовую трубу, и в системе будет происходить движение газов по направлению от большего давления к меньшему, т. е. в сторону дымовой трубы.

Рис. 5. Изменение температуры на внутренней поверхности стенки топливника а - терморегулятор настроен на нижний предел; б - терморегулятор настроен на верхний предел

Рис. 6. Схема работы дымовой трубы 1-топочная дверка; 2- топливник; 3 - столб наружного воздуха; 4 - дымовая труба

Действие силы тяги состоит, таким образом, в том, что она, с одной стороны, заставляет подниматься вверх горячие газы, а с другой стороны, вынуждает наружный воздух проходить в топливник для горения.

Среднюю температуру газов в дымоходе можно принять равной средней арифметической между температурой газов на входе и выходе дымовой трубы.