Cтраница 1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Горение твердого топлива, неподвижно лежащего на колосниковой решетке, при верхней загрузке топлива показана на рис. 6.2.

В верхней части слоя после загрузки находится свежее топливо. Под ним располагается горящий кокс, а непосредственно над решеткой - шлак. Указанные зоны слоя частично перекрывают друг друга. По мере выгорания топливо постепенно проходит все зоны. В первый период после поступления свежего топлива на горящий кокс происходит его тепловая подготовка (прогрев, испарение влаги, выделение летучих), на что затрачивается часть выделяющейся в слое теплоты. На рис. 6.2 показано примерное горение твердого топлива и распределение температуры по высоте слоя топлива. Область наиболее высокой температуры располагается в зоне горения кокса, где выделяется основное количество теплоты.

Образующийся при горении топлива шлак капельками стекает с раскаленных кусочков кокса навстречу воздуху. Постепенно шлак охлаждается и уже в твердом состоянии достигает колосниковой решетки, откуда он удаляется. Шлак, лежащий на решетке, защищает ее от перегрева, подогревает и равномерно распределяет воздух по слою. Воздух, проходящий через решетку и поступающий в слой топлива, называют первичным. Если первичного воздуха для полного горения топлива не хватает и над слоем имеются продукты неполного горения, то дополнительно подают воздух в надслойное пространство. Такой воздух называют вторичным.

При верхней подаче топлива на решетку осуществляются нижнее воспламенение топлива и встречное движение газовоздушного и топливного потоков. При этом обеспечиваются эффективное зажигание топлива и благоприятные гидродинамические условия его горения. Первичные химические реакции между топливом и окислителем происходят в зоне раскаленного кокса. Характер газообразования в слое горящего топлива показан на рис. 6.3.

В начале слоя, в кислородной зоне (К),в которой происходит интенсивное расходование кислорода, одновременно образуется оксид и диоксид углерода СО 2 и СО. К концу кислородной зоны концентрация О 2 снижается до 1- 2 %, а концентрация СО 2 достигает своего максимума. Температура слоя в кислородной зоне резко возрастает, имея максимум там, где устанавливается наибольшая концентрация СО 2 .

В восстановительной зоне (В) кислород практически отсутствует. Диоксид углерода взаимодействует с раскаленным углеродом с образованием оксида углерода:

По высоте восстановительной зоны содержание СО 2 в газе уменьшается, а СО - соответственно увеличивается. Реакция взаимодействия диоксида углерода с углеродом эндотермическая, поэтому температура по высоте восстановительной зоны падает. При наличии в газах водяных паров в восстановительной зоне возможна также эндотермическая реакция разложения Н 2 О.

Соотношение количеств получающихся в начальном участке кислородной зоны СО и СО 2 зависит от температуры и изменяется согласно выражению

где Е со и E СO2 - энергии активации образования соответственно СО и СО 2 ; А - численный коэффициент; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.
Температура слоя в свою очередь зависит от концентрации окислителя, а также от степени подогрева воздуха.В восстановительной зоне горение твердого топлива и температурный фактор также имеет решающее влияние на соотношение между СО и СО 2 . С повышением температуры реакции СО 2 +С=Р 2 СО смещается вправо и содержание оксида углерода в газах повышается.
Толщины кислородной и восстановительной зон зависят в основном от типа и размера кусков горящего топлива и температурного режима. С увеличением крупности топлива толщина зон увеличивается. Установлено, что толщина кислородной зоны составляет примерно три-четыре диаметра горящих частиц. Восстановительная зона толще кислородной в 4-6 раз.

Увеличение интенсивности дутья на толщину зон практически не влияет. Это объясняется тем, что скорость химической реакции в слое значительно выше скорости смесеобразования и весь поступающий кислород мгновенно реагирует с первыми же рядами частиц раскаленного топлива. Наличие кислородной и восстановительной зон в слое характерно для горения как углерода, так и натуральных топлив (рис. 6.3). С увеличением реакционной способности топлива, а также при уменьшении его зольности толщина зон сокращается.

Характер газообразования в слое топлива показывает, что в зависимости от организации горения на выходе из слоя могут быть получены или практически инертные или горючие и инертные газы. Если целью является максимальное превращение теплоты топлива в физическую теплоту газов, то процесс следует проводить в тонком слое топлива с избытком окислителя. Если же задачей является получение горючих газов (газификация), то процесс проводят с развитым по высоте слоем при недостатке окислителя.

Сжигание топлива в топке котла соответствует первому случаю. И горение твердого топлива организуют в тонком слое, обеспечивающем максимальное течение окислительных реакций. Так как толщина кислородной зоны зависит от крупности топлива, то чем больше размер кусков, тем более толстым должен быть слой. Так, при сжигании в слое мелочи бурых и каменных углей (крупностью до 20 мм) толщину слоя поддерживают около 50 мм. При тех же углях, но кусками размером более 30 мм толщину слоя увеличивают до 200мм. Необходимая толщина слоя топлива зависит также и от его влажности. Чем больше влажность топлива, тем больше должен быть запас горящей массы в слое, чтобы обеспечить устойчивое воспламенение и горение свежей порции топлива.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

D1>d2>d3 , v1>v2>v3

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

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

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

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

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.

- Основные особенности процессов сгорания топлива