Горение 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.

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

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

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

Горение кокса (рис. 4.5, зона IV) начинается при температуре около 1000 °С и является наиболее длительным процессом. Это определяется тем, что часть кислорода в зоне у поверхности частицы израсходована на сжигание горючих летучих веществ и оставшаяся концентрация его снизилась, кроме того, гетерогенные реакции всегда уступают по скорости гомогенным для однородных по химической активности веществ.

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

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

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

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

4.18a

в котором

4.19

Обобщенная константа скорости диффузии.

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

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

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

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

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

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

Область чисто диффузионного горения пылевидного топлива характерна для ядра факела, отличающегося наиболее высокой температурой горения, и зоны догорания, где концентрации реагирующих веществ уже малы и их взаимодействие определяется законами диффузии. Воспламенение любого топлива начинается при относительно низких температурах, в условиях достаточного количества кислорода, т.е. в кинетической области. В этой области горения определяющую роль играет скорость химической реакции, зависящая от таких факторов, как реакционная способность топлива и уровень температуры. Влияние аэродинамических факторов в этой области горения незначительно.

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.

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.