ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА
Горение твердого топлива относится к гетерогенным реакциям и проходит через следующие стадии: подогрев, подсушка и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ, воспламенение летучих веществ и их выгорание, нагревание кокса до воспламенения, горение твердого коксового остатка, рыхление для удаления золовой корочки, удаление золы.
Время горения твердого топлива складывается из: τ гор= τ физ + τ хим,
где τ физ – время тепловой подготовки топлива, оно включает в себя нагрев, испарение влаги и выход летучих веществ;
τ хим включает в себя горение летучих веществ и горение коксового остатка. При горении летучих веществ выделяется до 10 % тепла.
Основное тепловыделение приходится на углерод коксового остатка.
Горение углерода в общем виде характеризуется следующими реакциями:
Первичные: С + О2 = СО2 + Q (полное сгорание, 33 МДж/кг)
2С + О2 = 2СО + Q ( неполное сгорание, 9 МДж/кг)
Вторичные: 2СО + О2 = 2СО2 + Q
С+СО2 = 2СО – Q
При осуществлении топочного процесса стремятся максимально развить окислительные реакции с получением продуктов полного сгорания. На направление и интенсивность реакции горения существенное влияние оказывают температура и скорость подвода и отвода продуктов сгорания от поверхности, а также размер частиц топлива d, рис.18
При относительно низких температурах (900-10000С) скорость горения меньше скорости диффузии, следовательно, скорость горения сильно зависит от температуры и растет с ее увеличением – кинетический режим горения. При условиях, когда скорость горения больше скорости диффузии происходит нехватка кислорода и скорость горения уже незначительно зависит от температуры, а зависит от размеров частиц d и скорости подвода окислителя – диффузионный режим горения.
Различают четыре способа сжигания твердого топлива:
Слоевой в плотном фильтрующем потоке, в кипящем слое, в факельном прямоточном и вихревом процессах.
Слоевой процесс сжигания в плотном слое (рис.19.) применяется только для кускового твердого топлива, которое размещается плотным слоем на колосниковой решетке. Слой топлива продувается воздухом со скоростью, не нарушающей его устойчивость. При слоевом сжигании применяют сортированное кусковое топливо классов семечко, мелкий и орех. При попадании в горящий слой кусок у гля интенсивно прогревается (с большей скоростью, чем при горении в потоке), из него выделяется влага и разрабатывается поверхность внутренних пор угля. Выход влаги и летучих веществ изменяет структуру угольного вещества.
Процесс горения в слое разделяют на две зоны:
1) В кислородной (окислительной)зоне основные окислительные реакции в конце её температура слоя достигает максимума. Размер этой зоны составляет 2÷10 диаметров куска топлива, зависит от зольности и влажности топлива, крупности кусков, температуры.
2) В восстановительной зоне завершаются окислительные реакции, активно протекают реакции восстановления Н 2 О и СО 2 при взаимодействии их с углеродом.
Эти реакции эндотермические, температура в слое снижается.
Высоту слоя поддерживают близкой к кислородной зоне, она равна 0,07÷0,7 м. Если высота слоя больше, то для дожигания СО, Н 2 и других горючих газов, выделившихся из угля, над слоем вводят вторичный воздух, что перегружает работу топки и увеличивает её размеры. В связи с гидродинамической неравномерностью слоя обтекание частиц топлива происходит неравномерно, что требует повышенного избытка воздуха (до 70 %). Горение в слое протекает при малых тепловых потерях в среде, высокой температуры в кислородной зоне, близкой к теоретической.
Слоевой способ сжигания применяют в котлах малой мощности (до 35 т/ч пара) в связи с простотой. В котлах большой мощности не применяют в связи с ограниченной суммарной поверхностью топлива, на которой происходит горение. Видимое тепловое напряжение колосниковой решетки составляет QR = 1,1…1,8 МВт/м2.
Сжигание в кипящем слое (w в > v т). При увеличении скорости воздуха динамический напор может достигнуть, а затем и превысить гравитационную силу частиц. Устойчивость слоя нарушится и начнется беспорядочное движение частиц, которые будут подниматься над решеткой, а затем совершать возвратно-поступательное движение вверх и вниз. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя, называется критической. Увеличение ее возможно до скорости витания частиц, когда они выносятся потоком газов из слоя. Значительная часть воздуха проходит через кипящий слой в виде «пузырей» (газовых объемов), сильно перемешивающих мелкозернистый материал слоя, в результате процесс горения по высоте протекает практически при постоянной температуре, что обеспечивает полноту выгорания топлива. На рис.20. приведена схема такого сжигания, а также распределение температуры и концентрации газов по высоте слоя.
В кипящий слой вводят негорючий заполнитель: мелкий кварцевый песок, шамотную крошку и др. Концентрация топлива в слое не превышает 5%, что позволяет сжигать любое топливо (твердое, жидкое, газообразное, включая горючие отходы).
Введение наполнителя (известняка, извести или доломита) дает возможность перевести в твердое состояние до 95 % сернистого газа. Для кипящего псевдоожиженного слоя характерна скорость воздуха 0,5-4 м/с, размер частиц топлива 3-10 мм, высота слоя не более 0,3-0,5 м. Тепловое напряжение объема топки QV = 3,0-3,5 МВт/м3.
Важной особенностью этого способа сжигания является постоянство температуры по объему слоя при малых тепловых потерях в окружающую среду. Это в сочетании с диффузионным режимом горения позволяет организовать сжигание при низкой температуре 920-1220 К с высокой полнотой сгорания при наличии только кислородной зоны горения.
Сжигание в потоке воздуха (w в ≈ v т) или Рис.20. Изменение температуры и состава газа при сжигании топлива в кипящем слое.
Способ отличается слабой интенсивностью, растянутой зоной горения, резкой неизотермичностью; требуется высокая температура среды в зоне воспламенения и тщательная подготовка топлива (распыливание и предварительное перемешивание с воздухом). Тепловое напряжение объема топки QV ≈ 0,5 МВт/м3.
Пылевидный способ сжигания твердых топлив в факеле имеет определенные преимущества перед другими способами сжигания: позволяет сжигать многозольные и высоковлажные топлива; увеличить плотность теплового потока, полностью механизировать и автоматизировать подачу и сжигание топлива, удаление шлаков и золы.
Вихревое сжигание топлива (w в ≤ v т). Частица или капля топлива циркулирует по организованному контуру потока столько раз, сколько необходимо для ее полного сгорания.
На рис.22. приведена схема такого сжигания. При этом достигается наибольшая скорость сгорания с одновременной интенсификацией массопереноса. Тепловое напряжение объема топки Qv=1.3МВт/м3
Горение газообразного топлива относится к гомогенным реакциям.
Время горения твердого топлива складывается из: τ гор= τ физ + τ хим,
где τ физ – время тепловой подготовки топлива, включающего в себя время смешения с окислителем и время нагрева до температуры воспламенения;
τ хим – время химического реагирования веществ.
Процесс химического реагирования газовых смесей происходит в тонком слое, называемом фронтом пламени.
В газовоздушной смеси источник воспламенения создает узкую зону реакции горения, которая в результате переноса теплоты и активных центров распространяется от одного слоя смеси к другому. Таким образом, процесс распространения зоны реакции (пламени) представляет ряд последовательно идущих непрерывных процессов зажигания. Скорость движения фронта пламени определяется процессами теплопроводности от продуктов сгорания к горючей смеси, а также диффузией исходных веществ, промежуточных и конечных продуктов сгорания.
Скорость движения фронта пламени относительно исходной смеси, направленная по нормали к его поверхности в данном месте, называется нормальной скоростью распространения пламени, м/с.
При распространении пламени фронт делит массу газа на две части (рис.23): впереди – слабо нагретая газовая смесь, позади – сильно нагретые продукты сгорания.
В зоне горения температура изменяется от начальной Т 0 до температуры горения Т г, при этом уменьшается концентрация горючих веществ от С 0 до 0.
Скорость реакции зависит от концентрации горючих веществ С и температуры Т, поэтому в зоне пламени она проходит через максимум (увеличивается с повышением температуры и уменьшается по мере уменьшения концентрации горючих). Чем больше скорость химической реакции, тем больше скорость распространения пламени и меньше время пребывания газа в зоне пламени.
Решение уравнений теплопроводности и массопереноса позволяет получить аналитическое выражение для нормальной скорости распространения пламени. Для реакций первого порядка при адиабатных условиях скорость нормального распространения пламени может быть определена по формуле:
где а – коэффициент температуропроводности, м2/с;
k 0 и Е – предэкспоненциальный множитель и энергия активации уравнения Аррениуса для данной реакции горения, м/с и Дж/моль;
Т 0 и Т т – начальная и теоретическая температура горения, К;
R =8,314 Дж/моль – универсальная газовая постоянная.
Анализ данного выражения показывает, что скорость нормального распространения пламени, в первую очередь, зависит от энергии активации и теоретической температуры горения. Теоретическая температура горения, в свою очередь, зависит от состава исходной горючей смеси. Максимальная температура горения достигается при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице, следовательно, и максимальная скорость распространения пламени достигается в стехиометрической смеси. Предварительный подогрев смеси увеличивает Un, так как при этом повышается температура горения. Инертные добавки снижают скорость горения, поскольку при этом снижается температура горения. Время смешения газа с воздухом зависит от способа подвода окислителя.
В зависимости от способа подачи газа и воздуха и условий их смешения различают следующие варианты горения:
1) диффузионное – внешнее (после горелки) смешение газа с воздухом. При этом τ физ >> τ хим, следовательно τ гор= τ физ, пламя при этом длинное, светящееся ярко-соломенного цвета. Сгорание топлива осуществляется в тонком поверхностном слое факела, называемом фронтом диффузионного горения.
2) кинетическое – полное предварительное смешение (в горелке) газа с воздухом до образования однородной смеси. При этом τ хим >> τ физ, следовательно τгор - с частичным предварительным смешением и образованием однородной смеси, но недостатком окислителя в начальной смеси.
Для устойчивого горения топлива скорость нормального распространения пламени должна быть равна скорости газовой смеси. В случае превышения скорости нормального распространения пламени над скоростью газовой смеси возможен проскок пламени внутрь горелки. Для борьбы с этим явлением уменьшают отверстия выхода для газа. В случае превышения скорости газовой смеси над скоростью распространения пламени возможен отрыв пламени. Для борьбы с этим явлением производят стабилизацию процесса горения увеличением температурного уровня горения применяя туннели или тела плохо обтекаемой формы.
Сжигание жидкого топлива относится к гетерогенным реакциям горения и состоит из процессов его распыления, смешения с воздухом (окислителем), испарения и реакции соединения с окислителем.
Температура среды, где происходит горение жидкого топлива, как правило, достаточно высока (1400 – 1800°С), а температура испарения жидкого топлива не превышает 240°С. Поэтому жидкое топливо сгорает всегда в паровой фазе, т. Е. вначале испаряется, а позже паровая фаза горит. Процесс испарения и горения могут идти и параллельно.
Рассмотрим схему горения капли жидкого топлива (рис.24). Вокруг капли образуется облако паров, которое диффундирует в окружающую среду. Навстречу происходит диффузия кислорода. В результате на некотором расстоянии устанавливается стехиометрическое соотношение между горючими газами и кислородом. Здесь и находится фронт горения паров топлива, образующий сферу вокруг капли. В зоне реакции устанавливается максимальная температура горения, которая затем снижается в обе стороны от фронта горения, но более интенсивно по мере приближения к капле ввиду затраты теплоты на нагрев и испарение топлива.
Теплота для испарения топлива передается поверхности капли в основном излучением и в результате частичной диффузии внутрь паровой оболочки раскаленных продуктов сгорания.
Скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения с поверхности капли, скоростью химической реакции и скоростью диффузии кислорода к зоне горения. Скорость реакции в газовой фазе очень велика и не может тормозить скорость горения. Количество кислорода, диффундирующего к фронту горения, пропорционально квадрату диаметра шаровой поверхности, на которой протекает горение, поэтому небольшое смещение зоны горения от поверхности капли, заметно увеличивает массовый подвод кислорода.
Наиболее медленным процессом обычно является испарение, которое и определяет скорость горения капли жидкого топлива. Так как горение жидких топлив происходит после их испарения в паровой фазе, то его интенсификация связана с интенсификацией испарения и смесеобразования. Это достигается за счет увеличения поверхности испарения путем распыления жидкого топлива на мельчайшие капельки и хорошего смешения образовавшихся паров с воздухом при равномерном распределении мелкодисперсного топлива в нем. Эти две задачи выполняют, применяя горелки с форсунками, которыми распыляют жидкое топливо в потоках воздуха, подаваемых в камерную топку через воздухонаправляющие аппараты горелок.