Горение жидкого и твердого топлива. Особенности горения твердого топлива

Горение топлива - это процесс окисления горючих компонентов, происходящий при высоких температурах и сопровождающийся выделением тепла. Характер горения определяется множеством факторов, в том числе способом сжигания, конструкцией топки, концентрацией кислорода и т. д. Но условия протекания, продолжительность и конечные результаты топочных процессов в значительной мере зависят от состава, физических и химических характеристик топлива.

Состав топлива

К твердому топливу относят каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесину. Эти виды топлив представляют собой сложные органические соединения, образованные в основном пятью элементами - углеродом С, водородом Н, кислородом О, серой S и азотом N. В состав топлива также входит влага и негорючие минеральные вещества, которые после сгорания образуют золу. Влага и зола - это внешний балласт топлива, а кислород и азот - внутренний.

Основным элементом горючей части является углерод, он обуславливает выделение наибольшего количества тепла. Однако, чем больше доля углерода в составе твердого топлива, тем труднее оно воспламеняется. Водород при сгорании выделяет в 4,4 раза больше тепла, чем углерод, но его доля в составе твердых топлив невелика. Кислород, не будучи теплообразующим элементом и связывая водород и углерод, снижает теплоту сгорания, поэтому является элементом нежелательным. Особенно велико его содержание в торфе и древесине. Количество азота в твердом топливе небольшое, но он способен образовывать вредные для окружающей среды и человека оксиды. Также вредной примесью является сера, она выделяет мало теплоты, но образующиеся оксиды приводят к коррозии металла котлов и загрязнению атмосферы.

Технические характеристики топлива и их влияние на процесс горения

Важнейшими техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания, выход летучих веществ, свойства нелетучего остатка (кокса), зольность и влагосодержание.

Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания - это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема топлива (кДж/м3). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. В высшую входит тепло, выделяемое при конденсации паров, которые содержатся в продуктах сгорания. При сжигании топлива в топках котлов уходящие дымовые газы имеют температуру, при которой влага находится в парообразном состоянии. Поэтому в этом случае применяют низшую теплоту сгорания, которая не учитывает теплоту конденсации водяных паров.

Состав и низшая теплота сгорания всех известных месторождений угля определены и приводятся в расчетных характеристиках.

Выход летучих веществ

При нагревании твердого топлива без доступа воздуха под воздействием высокой температуры сначала выделяются водяные пары, а затем происходит термическое разложение молекул с выделением газообразных веществ, получивших название летучих веществ.

Выход летучих веществ может происходить в интервале температур от 160 до 1100 °С, но в среднем - в области температур 400-800 °С. Температура начала выхода летучих, количество и состав газообразных продуктов зависят от химического состава топлива. Чем топливо химически старше, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения.

Летучие вещества обеспечивают более раннее воспламенение твердой частицы и оказывают значительное влияние на горение топлива. Молодые по возрасту топлива - торф, бурый уголь - легко загораются, сгорают быстро и практически полностью. Наоборот, топливо с низким выходом летучих, например, антрацит, загорается труднее, горит намного медленнее и сгорает не полностью (с повышенной потерей тепла).

Свойства нелетучего остатка (кокса)

Твердая часть топлива, оставшаяся после выхода летучих, состоящая в основном из углерода и минеральной части, называется коксом. Коксовый остаток может быть в зависимости от свойств органических соединений, входящих в горючую массу: спекшимся, слабоспекшимся (разрушающимся при воздействии), порошкообразным. Антрацит, торф, бурые угли дают порошкообразный нелетучий остаток. Большинство каменных углей спекается, но не всегда сильно. Слипшийся или порошкообразный нелетучий остаток дают каменные угли с очень большим выходом летучих (42-45%) и с очень малым выходом (менее 17%).

Структура коксового остатка важна при сжигании угля в топках на колосниковых решетках. При факельном сжигании в энергетических котлах характеристика кокса не имеет большого значения.

Зольность

Твердое топливо содержит наибольшее количество негорючих минеральных примесей. Это прежде всего глина, силикаты, железный колчедан, но также могут входить закись железа, сульфаты, карбонаты и силикаты железа, оксиды различных металлов, хлориды, щелочи и т.д. Большая часть их попадает при добыче в виде пород, между которыми залегают пласты угля, но присутствуют и минеральные вещества, перешедшие в топливо из углеобразователей или в процессе преобразования его исходной массы.

При сжигании топлива минеральные примеси претерпевают ряд реакций, в результате которых образуется твердый негорючий остаток, называемый золой. Вес и состав золы не идентичны весу и составу минеральных примесей топлива.

Свойства золы играют большую роль в организации работы котла и топки. Ее частички, уносимые продуктами сгорания, при высоких скоростях истирают поверхности нагрева, а при малых скоростях отлагаются на них, что ведет к ухудшению теплопередачи. Зола, уносимая в дымовую трубу, способна нанести вред окружающей среде, во избежание этого требуется установка золоуловителей.

Важным свойством золы является ее плавкость, различают тугоплавкую (выше 1425 °С), среднеплавкую (1200-1425 °С) и легкоплавкую (менее 1200 °С) золу. Зола, прошедшая стадию плавления и превратившаяся в спекшуюся или сплавленную массу, называется шлаком. Температурная характеристика плавкости золы имеет большое значение для обеспечения надежной работы топки и поверхностей котла, правильный выбор температуры газов около этих поверхностей позволит исключить шлакование.

Влага - нежелательная составляющая топлива, она наряду с минеральными примесями является балластом и уменьшает содержание горючей части. Помимо этого, она снижает тепловую ценность, так как дополнительно требуются затраты энергии на ее испарение.

Влага в топливе может быть внутренней и внешней. Внешняя влага содержится в капиллярах или удерживается на поверхности. С химическим возрастом количество капиллярной влаги сокращается. Поверхностной влаги тем больше, чем меньше куски топлива. Внутренняя влага входит в органическое вещество.

Способы сжигания топлива в зависимости от вида топки

Основные виды топочных устройств:

• слоевые,
• камерные.

Слоевые топки предназначены для сжигания крупнокускового твердого топлива. Они могут быть с плотным и кипящим слоем. При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не влияя на его устойчивость, то есть сила тяжести горящих частиц превышает динамический напор воздуха. При сжигании в кипящем слое благодаря повышенной скорости воздуха частицы переходят в состояние "кипения". При этом происходит активное перемешивание окислителя и топлива, благодаря чему интенсифицируется горение топлива.

В камерных топках сжигают твердое пылевидное топливо, а также жидкое и газообразное. Камерные топки подразделяются на циклонные и факельные. При факельном сжигании частицы угля должны быть не более 100 мкм, они сгорают в объеме топочной камеры. Циклонное сжигание допускает больший размер частиц, под влиянием центробежных сил они отбрасываются на стенки топки и полностью выгорают в закрученном потоке в зоне высоких температур.

Горение топлива. Основные стадии процесса

В процессе горения твердого топлива можно выделить определенные стадии: подогрев и испарение влаги, возгонка летучих и образование коксового остатка, горение летучих и кокса, образование шлака. Такое деление процесса горения относительно условно, так как хотя эти этапы протекают последовательно, частично они налагаются друг на друга. Так, возгонка летучих веществ начинается до окончательного испарения всей влаги, образование летучих идет одновременно с процессом их горения, так же как и начало окисления коксового остатка предшествует окончанию горения летучих, а дожигание кокса может идти и после образования шлака.

Время течения каждой стадии процесса горения в значительной мере определяется свойствами топлива. Дольше всего длится стадия горения кокса, даже у топлив с большим выходом летучих. Существенное влияние на продолжительность стадий процесса горения оказывают разнообразные режимные факторы и конструктивные особенности топки.

1. Подготовка топлива до воспламенения

Топливо, поступающее в топку, подвергается нагреванию, в результате чего при наличии влаги происходит ее испарение и подсушка топлива. Время, необходимое на подогрев и подсушку, зависит от количества влаги и температуры, с которой топливо подается в топочное устройство. Для топлив с большим содержанием влаги (торф, влажные бурые угли) стадия прогрева и подсушивания сравнительна продолжительна.

В слоевые топки топливо подают с температурой, приближенной к окружающей среде. Только в зимнее время в случае смерзания угля его температура ниже, чем в котельном помещении. Для сжигания в факельных и вихревых топках топливо подвергают дроблению и размолу, сопровождаемому сушкой горячим воздухом или дымовыми газами. Чем выше температура поступающего топлива, тем меньше времени и тепла необходимо на подогрев его до температуры воспламенения.

Подсушка топлива в топке происходит за счет двух источников тепла: конвективного тепла продуктов сгорания и лучистого тепла факела, обмуровки, шлака.

В камерных топках подогрев осуществляется преимущественно за счет первого источника, то есть подмешивания к топливу продуктов сгорания в месте его ввода. Поэтому одно из важных требований, предъявляемых к конструкции устройств для ввода топлива в топку, - обеспечение интенсивного подсоса продуктов сгорания. Уменьшению времени нагрева и подсушки также способствует более высокая температура в топке. С этой целью при сжигании топлив с началом выхода летучих при высоких температурах (более 400 °С) в камерных топках делают зажигательные пояса, то есть закрывают экранные трубы огнеупорным теплоизоляционным материалом, чтобы снизить их тепловосприятие.

При сжигании топлива в слое роль каждого вида источников тепла определяется конструкцией топки. В топках с цепными решетками нагревание и подсушка осуществляются преимущественно лучистым теплом факела. В топках с неподвижной решеткой и подачей топлива сверху подогрев и подсушивание происходят за счет движущихся через слой снизу вверх продуктов сгорания.

В процессе нагревания при температуре выше 110 °С начинается термическое разложение органических веществ, входящих в состав топлив. Наименее прочными являются те соединения, которые содержат значительное количество кислорода. Эти соединения распадаются при сравнительно невысоких температурах с образованием летучих веществ и твердого остатка, состоящего преимущественно из углерода.

Молодые по химическому составу топлива, содержащие много кислорода, имеют низкую температуру начала выхода газообразных веществ и дают их больший процент. Топлива с малым содержанием соединений кислорода имеют небольшой выход летучих и более высокую температуру их воспламенения.

Содержание в твердом топливе молекул, которые легко подвергаются разложению при нагревании, оказывает влияние и на реакционную способность нелетучего остатка. Сначала разложение горючей массы происходит преимущественно на наружной поверхности топлива. По мере дальнейшего прогревания пирогенетические реакции начинают происходить и внутри частиц топлива, в них повышается давление и внешняя оболочка разрывается. При сжигании топлив с большим выходом летучих коксовый остаток становится пористым и имеет большую поверхность по сравнению с плотным твердым остатком.

2. Процесс горения газообразных соединений и кокса

Собственно горение топлива начинается с воспламенения летучих веществ. В период подготовки топлива происходят разветвленные цепные реакции окисления газообразных веществ, сначала эти реакции протекают с малыми скоростями. Выделяющееся тепло воспринимается поверхностями топки и частично накапливается в виде энергии движущихся молекул. Последнее приводит к возрастанию скорости цепных реакций. При определенной температуре реакции окисления идут с такой скоростью, что выделяющееся тепло полностью покрывает теплопоглощение. Эта температура является температурой воспламенения.

Температура воспламенения не является константой, она зависит как от свойств топлива, так и от условий в зоне воспламенения, в среднем составляет 400-600 °С. После воспламенения газообразной смеси дальнейшее самоускорение реакций окисления вызывает повышение температуры. Для поддержания горения необходим непрерывный подвод окислителя и горючих веществ.

Воспламенение газообразных веществ приводит к окутыванию коксовой частицы огневой оболочкой. Горение кокса начинается, когда к концу подходит горение летучих. Твердая частица прогревается до высокой температуры, и по мере уменьшения количества летучих веществ снижается толщина пограничного горящего слоя, кислород достигает раскаленной поверхности углерода.

Горение кокса начинается при температуре 1000 °С и является самым длительным процессом. Причина в том, что, во-первых, снижается концентрация кислорода, во-вторых, гетерогенные реакции протекают более медленно, чем гомогенные. В итоге длительность горения частицы твердого топлива определяется в основном временем горения коксового остатка (около 2/3 общего времени). Для топлив с большим выходом летучих, твердый остаток составляет менее ½ начальной массы частицы, поэтому их сжигание происходит быстро и возможность недожога невысока. Химически старые топлива имеют плотную частицу, горение которой занимает почти все время нахождения в топке.

Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для некоторых видов - целиком состоит из углерода. Горение твердого углерода происходит с образованием окиси углерода и углекислого газа.

Оптимальные условия для тепловыделения

Создание оптимальных условий для процесса горения углерода - основа правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив в котельных агрегатах. На достижение наибольшего тепловыделения в топке могут оказывать влияние следующие факторы: температура, избыток воздуха, первичное и вторичное смесеобразование.

Температура . Тепловыделение при сжигании топлива существенно зависит от температурного режима топки. При относительно низких температурах в ядре факела имеет место неполнота сгорания горючих веществ, в продуктах сгорания остаются окись углерода, водород, углеводороды. При температурах от 1000 до 1800-2000 °С достижимо полное сгорание топлива.

Избыток воздуха . Удельное тепловыделение достигает максимального значения при полном сгорании и коэффициенте избытка воздуха, равном единице. С уменьшением коэффициента избытка воздуха выделение тепла падает, так как недостаток кислорода приводит к окислению меньшего количества топлива. Понижается температурный уровень, снижаются скорости реакций, что приводит к резкому уменьшению тепловыделения.

Повышение коэффициента избытка воздуха больше единицы снижает тепловыделение еще сильнее, чем недостаток воздуха. В реальных условиях сжигания топлива в топках котлов предельные значения тепловыделения не достигаются, так как присутствует неполнота сгорания. Она во многом зависит от того, как организованы процессы смесеобразования.

Процессы смесеобразования . В камерных топках первичное смесеобразование достигается подсушкой и перемешиванием топлива с воздухом, подачей в зону подготовки части воздуха (первичного), созданием широко раскрытого факела с широкой поверхностью и высокой турбулизацией, применением подогретого воздуха.

В слоевых топках задача первичного смесеобразования состоит в том, чтобы подавать необходимое количество воздуха в разные зоны горения на решетке.

С целью обеспечения догорания газообразных продуктов неполного горения и кокса организуют процессы вторичного смесеобразования. Этим процессам способствуют: подача вторичного воздуха с высокой скоростью, создание такой аэродинамики, при которой достигается равномерное заполнение факелом всей топки и, следовательно, вырастает время пребывания газов и коксовых частичек в топке.

3. Образование шлака

В процессе окисления горючей массы твердого топлива происходят значительные изменения и минеральных примесей. Легкоплавкие вещества и сплавы с низкой температурой плавления растворяют тугоплавкие соединения.

Обязательным условием нормальной работы котлоагрегатов является бесперебойный отвод продуктов сгорания и образующегося шлака.

При слоевом сжигании шлакообразование может приводить к механическому недожогу - минеральные примеси обволакивают недогоревшие частиц кокса либо вязкий шлак может перекрывать воздушные проходы, преграждая доступ кислорода к горящему коксу. Для снижения недожога применяют различные мероприятия - в топках с цепными решетками увеличивают время нахождения шлака на решетке, производят частую шуровку.

В слоевых топках вывод шлака производится в сухом виде. В камерных топках шлакоудаление может быть сухим и жидким.

Таким образом, горение топлива является сложным физико-химическим процессом, на который оказывает воздействие большое количество различных факторов, но все они должны быть учтены при проектировании котлов и топочных устройств.

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

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

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

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

Рис. 28. Схемы организации топочных процессов:

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

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

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

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

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

q R = 3,8W н / α в (105)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Печи химической промышленности. Принципиальная схема топливной печи

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

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

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

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

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

На скорость технологического процесса влияет движение материала, подвергающегося термообработке.

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

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 %.

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.

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

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

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

Исследования горения коксового остатка выявили сложность этого процесса.

При горении углерода возможны две первичные реакции прямого гетерогенного окисления:

С + О 2 = СО 2 + 34 МДж/кг; (14)

2С + О 2 = 2СО + 10,2 МДж/кг. (15)

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

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

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

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

С + Н 2 О = СО + Н 2 . (18)

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

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

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

а при температуре выше 1500 °С

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

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

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

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

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

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

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

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

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

где – коэффициент диффузионного массообмена;

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

Потребление кислорода у поверхности частицы определяется скоростью химической реакции:

, (20)

где k – константа скорости реакции.

В переходной зоне в установившемся состоянии

,

откуда
(21)

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

(22)

где
– эффективная константа скорости реакции горения.

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

,

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

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

.

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

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

.

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

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

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

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

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

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

.

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

,

откуда
, (23)

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

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

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

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

,

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

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