Сгорания, а также отвод продуктов сгорания из зоны реакции.

Эти процессы являются важнейшей составной частью горения и опре-

деляют его особенности и скорость.__

 

Наибольшее влияние на процесс горения оказывает самый медленный

из перечисленных процессов _ смешивание топлива с окислителем.

Перемешивание топлива с окислителем происходит с участием моле-

кулярной и конвективной диффузии. Если газообразное топливо и воздух

подаются во внутреннюю зону факела в виде раздельных параллельных

ламинарных потоков, то образование горючей смеси происходит преиму-

щественно за счет молекулярной диффузии. Интенсивность смешения

определяется в этом случае средней скоростью теплового движения молекул

газов и длиной пути их свободного пробега.

В высокотемпературных установках (пример, в печах) газовые потоки

обычно движутся в турбулентном режиме и их перемешивание осуществля-

ется за счет турбулентной конвективной диффузии, в процессе которой

переносятся не отдельные молекулы, а так называемые «турбулентные

моли», заключающие в себе большое число молекул данного вещества.

Интенсивность смесеобразования при этом определяется величиной

пульсации скорости, степенью и масштабом турбулентности. Масштаб

турбулентного смешения на несколько порядков больше длины свободного

пробега молекул и, соответственно, скорость смесеобразования в последнем

случае значительно выше, чем при молекулярной диффузии. Однако реакция

горения протекает лишь в том случае, когда молекулы топлива и окислителя

подведены друг к другу на расстояние менее 5 _ 6 длин свободного пробега.

Масштаб пульсаций при турбулентности заведомо превосходит эту

величину. Поэтому завершение образования горючей смеси при турбулент-

ном движении происходит за счет молекулярной диффузии. Вместе с тем

турбулентные пульсации интенсифицируют молекулярную диффузию, так

как обеспечивают высокую концентрацию молекул реагирующих веществ в

местах контакта турбулентных молей топлива и окислителя.

Таким образом, оба механизма диффузии дополняют друг друга в процессе

смесеобразования, причем конвективная диффузия оказывает решающее

влияние.

смесеобразования, причем конвективная диффузия оказывает решающее

влияние.

Образование газовой горючей смеси при сжигании твердого или жид-

кого топлива имеет свои особенности. Вместе с тем и здесь имеет место сов-

местное взаимодействие молекулярной и конвективной диффузии, причем

последняя оказывает определяющее влияние на смесеобразование.

Для регулирования процесса смесеобразования применяют специаль-

ные устройства, называемые горелками, основной задачей которых является

обеспечение определенного режима перемешивания топлива с воздухом.

При сжигании жидкого топлива в горелку вставляется форсунка, задачей

которой является дробление топлива на мелкие капли перед перемешиванием

его с воздухом. Как правило, комбинация горелки с форсункой обычно и

называется форсункой.

Образование горючей смеси может осуществляться как вне факела, в

смесителе, (рис. 4.2, а), так и непосредственно в факеле (рис. 4.2, б).

В первом случае во внутреннюю зону поступает подготовленная в горелке

горючая смесь, во втором _ топливо и воздух подводятся отдельно и уже в

факеле происходит их перемешивание. Возможны и промежуточные схемы

подготовки горючей смеси, когда в зону горения подается частично переме-

шанная смесь.

Горение заранее подготовленной смеси называют кинетическим, а

горение, протекающее одновременно со смесеобразованием _ диффузион-

ным.

Рис.

Рис. 4.2. Схема смешения топливной смеси: а – заранее подготовлена,

б _ раздельная подача компонентов; 1 – камера смешения

Эти термины подразумевают, что при сжигании предварительно подго-

товленной горючей смеси скорость горения определяется кинетикой реакции,

а при сжигании предварительно не подготовленной смеси _ скоростью

диффузионных процессов. Однако современные исследования показывают,

что термин «кинетическое горение» не соответствует действительному

характеру горения предварительно подготовленной смеси. Скорость этого

процесса определяется, как правило, не только скоростью химической

реакции, но и скоростью молекулярной диффузии. В связи с этим термин

«кинетическое горение» следует понимать как традиционное обозначение

горения предварительно подготовленной горючей смеси.

В зависимости от агрегатного состояния топлива различают горение

газа _ гомогенное горение, а горение твердого или жидкого топлива _

гетерогенное горение. При гомогенном горении газа процесс протекает

одновременно во всем объеме, заполненном разогретой горючей смесью.

При гетерогенном горении процесс протекает на границе раздела фаз,

(например, на поверхности частичек угля).__

Характерной особенностью реакций горения является их высокая экзо-

термичность (выделение тепла). Поэтому на увеличение скорости горения

будет оказывать существенное влияние температура.

Процесс горения газового топлива состоит из нескольких стадий:

образования горючей смеси, подогрева смеси до температуры воспламенения

и ее горение.

Минимальная температура, при которой газ воспламеняется, называ-

ется температурой воспламенения. Эта температура не является физико-

химической характеристикой, а зависит от природы топлива, условий подво-

да и отвода теплоты и ряда других факторов.

Температура воспламенения водорода лежит в пределах 580 _ 590 °С,

оксида углерода 644 _ 658 °С, метана 650 _ 750 °С, этилена 542 _ 547 °С и

ацетилена 406 _ 440 °С. Знание температуры воспламенения имеет большое

практическое значение с точки зрения организации безопасного процесса

горения, так как пределы воспламенения и пределы взрываемости газов

практически совпадают.

Полное время сгорания топлива t г складывается из времени t д, необ-

ходимого для подвода окислителя к топливу (время смесеобразования) _ это

диффузионная стадия процесса и времени t к, необходимого для протекания

самой химической реакции горения _ кинетическая стадия горения:

t г = t д + t к. (4.10)

При сжигании газа возможны два предельных случая. Если__

При сжигании газа возможны два предельных случая. Если t д» t к, то

t г ≈ t д и горение называется диффузионным. В этом случае процесс горения

лимитируется в основном временем смесеобразования. Если же t к» t д, то

t г ≈ t к и горение лимитируется временем самой химической реакции.

Важнейшим условием интенсивного и полного горения является хоро-

ший контакт окислителя с горючим и, следовательно, хорошее смесеобразо-

вание газа с воздухом.

Диффузионный принцип сжигания осуществляется при раздельной

подаче газа и воздуха. Различают два вида диффузионного горения:

ламинарное и турбулентное в зависимости от скорости потока газа и их

различие определяется значением числа Рейнольдса (ламинарный режим

переходит в турбулентный при Re > 2200).

Особенностью ламинарного горения является крайне медленное смесе-

образование и низкая интенсивность процесса из-за плохой теплопровод-

ности газов. При ламинарном движении газа и воздуха их смешение происхо-

дит преимущественно за счет молекулярной диффузии, а устойчивый фронт

пламени, т. е. слой, отделяющий несгоревшую смесь от продуктов сгорания,

устанавливается в зоне стехиометрического состава смеси.

Для реакций, протекающих в пламени при ламинарном режиме горе-

ния, в качестве основной характеристики принимают скорость нормального

распространения пламени u н (м/с), представляющую собой линейную

скорость перемещения фронта пламени по направлению, нормальному к

поверхности фронта в данной точке. В свежей смеси, движущейся навстречу

пламени со скоростью w = и н, фронт пламени занимает стационарное

положение.__

Рис. 4.3. Структура ламинарного диффузионного факела

Таким образом, скорость распространения пламени в определяющей

степени может характеризовать закономерности химических превращений,

происходящих в зоне горения.

Особенностью ламинарного диффузионного горения является растяну-

тый характер факела (рис. 4.3).

Сжигание термически неустойчивых газов в этом случае сопряжено с

большим химическим недожогом, поэтому такое сжигание в практике

используется редко.

Диффузионное горение газа в турбулентном потоке характеризуется

более сложным механизмом горения по сравнению с ламинарным. Сильное

влияние на длину факела оказывает вихревое закручивание струи газа и

воздуха и угол встречи этих струй. Меняя эти параметры, можно управлять

длиной факела в широких пределах. Благодаря преимуществам вихревого

потока обеспечивается хорошее смесеобразование и интенсивное горение.

Как ранее отмечалось, переход ламинарного диффузионного горения в

турбулентное для большинства газов происходит при числах Рейнольдса

Re > 2200.

Турбулентная скорость распространения пламени больше, чем ско-

рость при ламинарном горении за счет интенсивного перемешивания слоев

газа, а также за счет турбулентной составляющей температуропроводности и

диффузии. Скорость химического взаимодействия (горения) при этом увели-

чивается и t к сокращается. Турбулентная скорость распространения пламени

При сжигании газа с количеством воздуха, составляющим 0,7 _ 0,8 от

теоретического, в продуктах горения содержатся СО и Н2, а при снижении

количества воздуха обнаруживаются метан и тяжелые углеводороды.

Сжигание при более низком количестве воздуха сопровождается крекингом

углеводородов с выделением сажи.

Для устойчивого горения газа с малым содержанием воздуха, напри-

мер, для природного газа и бутана (< 0,6), для коксового газа (< 0,45) требу-

ется дополнительный обогрев реактора для поддержания температуры в зоне

горения не ниже 1000 °С. При температуре порядка 1000 °С, как показывает

опыт, можно считать, что продукты горения находятся в условиях химичес-

кого равновесия. Поэтому в основу расчета составов защитных атмосфер

могут быть положены значения констант равновесия газовых реакций и урав-

нений материального баланса.

Сжигание топлива в жидком состоянии.

Такое сжигание применяют в случае трудно испаряющегося топлива (мазут, смолы, соляровое масло) в топках паровых котлов, в промышленных печах и дизелях.

При горении жидкого топлива физическими стадиями процесса являются распыление топлива, прогрев его, испарение и образование горючей смеси. В связи с этим при сжигании жидкого топлива возможны два случая:

− сжигание легко испаряющегося топлива, когда топливо заранее испаряется, смешивается с воздухом и горючая гомогенная смесь подается в

камеру сгорания. В этом случае механизм и закономерности горения жидкого

топлива аналогичны горению газообразного топлива.

− сжигание топлива в жидком состоянии в случае трудно испаряющегося топлива.

НПВ соответствует температуре жидкого топлива, при которой

его пары в смеси с воздухом способны загораться от внешнего источника

зажигания. ВПВ соответствует температура жидкого топлива,

при которой оно самовоспламеняется и горит вслед за вспышкой паров.

Мазут сжигается в печах в распыленном состоянии. Распыление проводится в две стадии. Размер капель после первичного распыления зависит от конструкции форсунки и от принципа ее работы. Вторичное дробление капель происходит в процессе их движения в потоке в результате гидродинамического взаимодействия с окружающей средой.

 

Рис. 4.4. Структура факела жидкого топлива

 

Горение твердого топлива.

Горение твердого топлива представляет собой сложный физико-химический процесс, состоящий из ряда последовательных и параллельных стадий:

тепловая подготовка, включающая подсушку, выделение летучих веществ и образование кокса;

горение летучих веществ и кокса с образованием дымовых газов и золы.

Влага из топлива испаряется при температуре порядка 100 °С, а темпе-

ратура начала выхода летучих веществ зависит от геологического возраста

топлива. Так для бурых углей, их выделение начинается при 150 _170 °С.

Механизм горения топлива определяется горением кокса _ углерода,

составляющего основную горючую часть твердого топлива.

Летучие вещества оказывают влияние на горение кокса, так как воспламеняются раньше и способствуют прогреву частиц кокса, а горение кокса начинается после выгорания летучих веществ.

В общем виде горение углерода может быть описано следующей

схемой: С + О2 = СО2; (а)

2С + О2 = 2СО; (б__

 

Далее стр.58-75 Юркинский

 

Типы топочных устройств

Топочным устройством или топкой называется часть промышлен-

ной установки, предназначенная для сжигания топлива с целью получения

продуктов сгорания с высокой температурой и энтальпией.

С точки зрения химической технологии топочное устройство представ-

ляет собой своеобразный реактор, в котором поддерживается необходимый

уровень протекания окислительного процесса и производительность кото-

рого определяется вводимой в него в единицу времени массой горючей смеси

и объемом отводимых продуктов сгорания.

В зависимости от вида и свойств сжигаемого топлива топочные устройства

делятся на слоевые и камерные.

В слоевых топках основная масса твердого топлива сжигается в слое.

В камерных топках может сжигаться топливо любого агрегатного состояния.

Поэтому, если сжигание газообразного и жидкого топлива не требует предва-

рительной подготовки, то твердое топливо должно быть предварительно

размолото до пылевидного состояния в специальных пылеприготовительных

установках.

Промежуточным типом между слоевыми и камерными топками явля-

ются топки с так называемым «кипящим» слоем топлива, когда слой

топлива разрыхляется потоком воздуха, проходящим через слой с большой

скоростью.

Основным показателем, характеризующим работу топки, является

тепловое напряжение топочного объекта qv (кВт/м3), представляющее

собой отношение:

т

р

н

V

BQ

qv =, (4.18)

где В _ массовый расход топлива, кг/с; Q р

н _ низшая теплота сгорания

рабочей массы топлива, кДж/кг; V т _ объем топочного пространства, м3.

Оптимальное значение qv лежит в пределах 140 _ 460 кВт/м3 и за-

висит от конструкции топки, качества топлива и способа его сжигания.

Для топок слоевого сжигания необходимой характеристикой, кроме

того, является тепловое напряжение зеркала горения, кВт/м2:

S

BQ

qs

р

= н, (4.19)

где S _ площадь колосниковой решетки (зеркала горения), м2.

Оптимальные значения qs лежат в пределах 900 _ 3000 кВт/м2 и

зависят от характеристики топлива и типа топочного устройства.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания имеет место в том

случае, если в дымовых газах появляются продукты неполного горения (СО,

Н2 и др.). Химическая неполнота сгорания увеличивается при недостаточном

количестве воздуха в топке или недостаточно интенсивном перемешивании

воздуха с горючими газами в топке, низкой температуре в топке или недоста-

точно развитом объеме топочной камеры.

Потеря теплоты от механической неполноты сгорания связана с тем,

что частицы твердого топлива не сгорают полностью, а уносятся из топки с

дымовыми газами, проваливаются через прорезы колосниковой решетки или

удаляются из топки со шлаками. Потери от механической неполноты сгора-

ния зависят также от свойств топлива, конструкции топочного устройства и

ее конфигурации, а также от тепловой нагрузки зеркала горения.

При расчете теплообмена в топке важной характеристикой является

теоретическая температура горения, под которой понимают адиабати-

ческую температуру горения при существующем коэффициенте избытка

воздуха в топке. Теоретическая температура горения _ это температура,

которую можно получить при отсутствии теплообмена в топке и она является

максимально возможной при сжигании данного топлива.

Вследствие интенсивного лучистого теплообмена в топочной камере

температура продуктов сгорания всегда ниже. Наряду с теоретической

температурой горения важным параметром, характеризующим работу топки,

является температура газов, покидающих топку. Эта температура должна

быть ниже размягчения золы данного топлива.

Для большинства отечественных твердых топлив она составляет

~1100 °С. Снижение температуры в топке до этого значения достигается

чаще всего установкой дополнительных трубчатых теплообменных поверх-

ностей, которые называются экранами.

Камерные топки для сжигания газообразного и жидкого топлива.

Если сжигается газовое или жидкое топливо (или газовое вместе с жидким),

то топочная камера выполняется с горизонтальным или слегка наклонным

подом. Тепловое напряжение топочного объема при сжигании газового и

жидкого топлив одно и то же, поэтому в камерных топках для сжигания газа

можно сжигать и мазут. Форсунки для подачи и распыления жидкого топли-

ва, а также газовые горелки располагаются фронтально, встречно или по

углам топки.

По способу распыления жидкого топлива форсунки делятся на механи-

ческие, паровоздушные и комбинированные. Распыление топлива в механи-

ческих форсунках (рис. 4.5, а - в) происходит под действием кинетической

энергии струи самого мазута, вытекающего через сопловые отверстия на

выходе из форсунки.

Рис. 4.5. Форсунки для жидкого топлива: а – прямоугольная,

б – центробежная, в – вращающаяся, г – высокого и

д – низкого давления

В паровоздушных форсунках (рис. 4.5, г, д) для распыления мазута

используется кинетическая энергия струи пара (или воздуха). Тонкость

распыления связана со скоростью паровой струи. В комбинированных

форсунках мазут распыляется за счет, совместного действия давления струи

топлива и энергии распыляющей среды. Паровые форсунки просты по

конструкции, но расходуют много пара и поэтому применяются лишь в

качестве растопочных устройств.

Более экономичны форсунки с механическим распылением. Тонкость

распыления в механических форсунках зависит от размера отверстий

форсунок и вязкости мазута. Для уменьшения вязкости мазут перед подачей

подогревают до 100 _120 °С. В этом случае оборудование получается более

дорогим, однако расходы на 1 кг сжигаемого топлива ниже, чем при паровых

форсунках.

Мазут к форсункам подается насосом под давлением 2,5 _ 3,5 МПа.

Производительность механических форсунок составляет 0,055 _ 1,1 кг/с.

При сжигании мазута в установках средней и большой производительности

стены топочной камеры экранируют, а под выкладывают огнеупорным

кирпичом с воздушным или

водяным охлаждением.

В последние годы для

сжигания мазута часто исполь-

зуют циклонные топки.

Принципиальная схема

циклонного процесса горения

показана на рис. 4.6.

В зависимости от давле-

ния подаваемого газа горелки

делятся на горелки низкого (до

2 кПа), а также среднего и

высокого давления (до 70 кПа).

В газовых горелках скорость

выхода воздуха составляет ~ 20 _ 35 м/с, а выхода газа ~ 25 _ 150 м/с.

Важным показателем работы горелки и организации сжигания топлива

является соотношение объемов сжигаемого газа и воздуха.

Для сжигания, например, 1 м3 доменного газа, отличающегося низкой

теплотой горения, требуется около 1,6 м3 горячего воздуха при ~ 270 °С, а

при сжигании природного газа, теплота сгорания которого на порядок выше,

требуется около 20 м3 горячего воздуха на 1 м3 газа. При сжигании природ-

ного газа в топках развиваются высокие температуры, поэтому топки должны

быть экранированы.

Основные типы слоевых топок для сжигания твердого топлива.

Топочные __________устройства для слоевого сжигания твердого топлива просты

в эксплуатации, пригодны для различного твердого топлива, не требуют

больших объемов топочной камеры и большого расхода энергии.

Обслуживание топок со слоевым сжиганием включает операции подачи

топлива в топку, перемешивание топлива и шлакоудаление.

По методу обслуживания и степени механизации этих операций топки

подразделяются на топки (рис. 4.7): а _ с ручным обслуживанием; б _ полу-

механизированные; в _ механизированные.

В топках с ручным и механическим забросом топлива свежее топливо

подается на слой горящего, а воздух поступает снизу под решетки. Структура

горящего слоя при верхней загрузке топлива может быть представлена в виде

трех зон: свежее топливо, горящий кокс и непосредственно на колосниковой

Рис. 4.7. Схема топок для сжигания твердого топлива в слое:

а _ с ручной колосниковой решеткой, б – с наклонной

решеткой, в – механизированная топка

решетке _ шлак. В верхнем слое свежая порция топлива прогревается,

подсу-шивается, из топлива выделяется влага, затем выделяются летучие

вещества, в основном сгорающие в объеме топочной камере. На процесс

подготовки топлива к горению затрачивается часть теплоты, выделяющейся

при горении. Образующийся, после выделения летучих веществ, кокс

постепенно опуска-ется, сгорает, а шлак стекает вниз, охлаждается,

гранулируется, и далее удаляется. Шлак защищает решетку от перегрева и,

при условии регулярного перемешивания слоя, способствует равномерному

распределению воздуха по слою. Воздух, подаваемый под слой топлива,

называется первичным. Если воздух подается дополнительно, минуя слой

топлива, непосредственно в топочную камеру, то такой воздух называется

вторичным.

В слоевых топках оптимальная толщина слоя топлива зависит главным

образом от размера кусков топлива. Предел утолщения слоя устанавливается

появлением СО в продуктах сгорания. Для крупнокускового топлива толщи-

на слоя больше, чем для мелкого. Бурые угли, например, сжигаются в слое до

70 мм, а дрова _ в слое до 700 мм. В топках для сжигания влажных и низко-

сортных топлив устанавливаются отражательные своды. В топках с механи-

ческими забрасывателями подача топлива осуществляется вращающимся

ротором с лопастями или пневматическим забрасывателем (ПМЗ) с помощью

струи воздуха.