Основы теории горения и организация сжигания топлива в промышленных условиях
Глава семнадцатая. Основы tеории горения и организация сжигания топлива в промышленных условиях
17.1. ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА.
Учитывая чрезвычайное разнообразие топлив и условий их сжигания, в данном параграфе будут рассмотрены лишь основные принципы организации процессов горения применительно прежде всего к топкам промышленных печей и котлов. Назначением парового котла является производство из воды пара с давлением выше атмосферного, используемого вне этого котла. В о д о г р е й н ы й к о т е л предназначен для нагрева воды. Таким образом, в котле выделяющаяся при сгорании теплота передается воде или пару.
П е ч ь предназначается для нагрева, плавления, сушки, прокалки, т. е. для термической обработки (в широком смысле слова) различных материалов. В отличие от котлов в печах теплота передается обрабатываемому материалу (металлу, сырью, шихте и т. д.). В бытовых отопительных печах теплота передается аккумулирующим ее стенкам, которые, остывая, выделяют ее в отапливаемое помещение.
В обоих случаях агрегатом, в котором за счет сжигания топлива получается теплота, является топочная камера, или топка.
Иногда применяют выносные топки, назначением которых является только получение горячих продуктов сгорания, используемых для технологических целей вне топки. Выносными топками, по существу, являются и камеры сгорания газотурбинных установок, реактивных двигателей и т. д. Однако чаще всего топка используется не только для сжигания топлива, но и для передачи части теплоты воде и пару (в котлах) или нагреваемому материалу (в печах). Это существенно усложняет создание общей методики расчета.
В общем случае тепловой расчет любого агрегата базируется на уравнении его теплового баланса, которое составляется путем приравнивания потоков входящей в агрегат и выходящей из него теплоты. Рассмотрим в качестве примера тепловой баланс топки водогрейного котла (рис. 17.1). Поступающее в нее газообразное топливо сгорает вместе с подаваемым воздухом. Большая часть выделяющейся теплоты отдается воде, которая движется в трубах, размещенных по стенам топки.
Это — полезно использованная теплота Qпол. Часть теплоты затрачивается на увеличение энтальпии продуктов сгорания (грубо говоря, на нагрев воздуха, подаваемого в топку) до Нп.с.. В продуктах сгорания могут содержаться недогоревшие газы (СО, Н2, СН4 и т. д.). Теплота, которую могли бы дать эти газы, если бы они химически прореагировали с кислородом, называется химическим недожогом Qхим.
При сжигании твердого топлива из топки могут удаляться (с золой или шлаком) твердые недогоревшие частицы, которые легко отделить от газа механически. Они образуют так называемый механический недожог Qмех. Наконец, часть теплоты QCT всегда теряется через стенки топки, несмотря на то, что они делаются из теплоизоляционного материала.
Рекомендуемые материалы
Чтобы составить баланс агрегата, нужно условно выделить его из системы связанных с ним агрегатов и устройств (штрихпунктирный контур на рис. 17.1) и рассмотреть потоки, входящие и выходящие через границы выделенного контура. Потоки выходящей теплоты уже рассмотрены: Qпол, Нп.с., Qхим, Qмех и QCT. (В котельной технике величины обозначаются соответственно Q1, Q2, Q3, Q4 и Q5.)
В топочной технике все составляющие теплового баланса принято относить на единицу количества подаваемого топлива. К входным потокам применительно к рис. 17.1 прежде всего относится теплота сгорания топлива Qir, а также энтальпии топлива hтл и воздуха Нв.т.
Приравнивая входные потоки выходным, получаем
Qir + hтл + Нв.т. = Qпол + Нп.с. + Qхим + Qмех + QCT (17.1)
В общем случае обе части уравнения могут содержать дополнительные члены (например, теплоту, вносимую и выносимую транспортером в печах для обжига, уносимую из топки нагретой золой при сжигании многозольных топлив и т.д.).
В данной главе речь пойдет лишь о потерях из-за несовершенства процесса горения. При сжигании твердого и жидкого топлива химический недожог связан в основном с наличием СО в продуктах сгорания. Если известен их состав (например, в результате испытаний), то в общем случае
Qхим = VCOQCO + VH2QH2 + Vсн4QCH4, (17.2)
где Qсо, QH2, QCH4 — теплоты сгорания соответствующих компонентов
(в кДж/м3), которые можно взять из формулы (15.2), умножив на 100 коэффициенты перед соответствующими компонентами. Объемы компонентов Vi (в нормальных условиях) рассчитываются по формуле Vi = riVr, где
ri — относительное объемное содержание компонента (определяется путем газового анализа), a Vr — объем продуктов сгорания, получаемый из единицы количества топлива.
Химический недожог является прежде всего следствием недостатка воздуха в зоне горения или плохого его перемешивания с топливом. Его увеличению способствует также уменьшение температуры в топке при снижении нагрузки (оно уменьшает скорость реакции) и малое время пребывания топлива в топочной камере. Последнее наблюдается при форсировании топки, когда повышается скорость топливовоздушной смеси и реакции горения не успевают завершаться в пределах топки.
Механический недожог определяется содержанием Г (% по массе) горючих элементов в золе и шлаке, образующихся в результате сгорания топлива (оно находится путем выжигания проб золы и шлака). Принимая теплоту сгорания горючих равной 32,65 МДж/кг (почти как у чистого углерода), величину Qмex можно рассчитать по формуле, МДж/кг,
Qмех = 32,65АrГ/(100(100-Г) (17.3)
Здесь Аr — зольность топлива в рабочем состоянии, а член (100 — Г) в знаменателе учитывает увеличение массы золы и шлака за счет содержания в них горючих веществ.
Чаще всего топочные потери выражают в процентах от теплоты сгорания топлива:
qхим = 100 Qхим/Qir , qмех = 100 Qмех/ Qir (17.4)
Значения qхим и qмех зависят от типа сжигаемого топлива, конструкции и размеров топки, способа механизации топочных процессов (при сжигании твердых топлив) и т. д. Существенное влияние на них оказывает коэффициент избытка воздуха αв. Увеличение количества подаваемого в топку воздуха сначала улучшает горение, приводя к уменьшению qхим и qмех , однако чрезмерное увеличение αв снижает температуру горения, что может привести к увеличению qхим и qмех. В каждых конкретных условиях существуют оптимальные значения коэффициента избытка воздуха.
17.2. ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ГАЗА
В топку можно подавать заранее подготовленную газовоздушную смесь, а можно вдувать горючий газ и воздух раздельно. Сжигание подготовленной смеси называется кинетическим, поскольку оно определяется только кинетикой реакций горения. В соответствии с законом Аррениуса (1889г.) скорость реакции сильно (по экспоненте) возрастает с температурой, поэтому при высоких температурах, обычных для топочных камер, такая смесь может сгорать с огромной скоростью.
Предварительно подготовленную смесь сжигают в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, где горение должно завершиться за ничтожно малое время. В промышленных топках и печах такой большой скорости сгорания обычно не требуется. В то же время подготовленная смесь чрезвычайно взрывоопасна. Она может взорваться от электрической искры (как в цилиндре карбюраторных ДВС), при проскоке пламени через горелку из топки и просто при нагреве до определенной температуры, называемой температурой самовоспламенения. Ее значения для некоторых газов в смеси с воздухом приведены ниже:
Газ Н2 СО СН4 С2Н2
t,°С 580—590 644—658 650—750 406—440
Надо отметить, что не всякую смесь можно поджечь даже от постороннего источника (например, электрической искры). Различают нижний (αв>1, бедная смесь) и верхний (αв <1, богатая смесь) концентрационные границы зажигания. Вне этих пределов смесь невозможно зажечь, т. е. она пожаро- и взрывобезопасна (надо иметь в виду, что богатая топливом смесь, вытекая в воздух и разбавляясь им, станет пожароопасной). Предельные концентрации зажигания приведены в таблице.
Учитывая взрывоопасность готовой смеси, в промышленных установках предпочитают без особой необходимости не иметь с нею дела, подавая горючий газ в топку отдельно от воздуха. В отличие от кинетического такое горение называется диффузионным, поскольку скорость его сгорания определяется интенсивностью смешения компонентов, осуществляемого в конечном счете путем взаимной диффузии.
Предельные объемные концентрации топлива в смеси с воздухом, % (температура смеси 20 °С)
Топливо | ||||||
Характеристика смеси | Метан | Пропан | Водород | Оксид углерода | Коксовый газ | Пары бензина |
Нижняя граница зажигания | 5 | 2 | 4,1 | 12,5 | 5,6 | 2,4 |
Стехиометрическая смесь | 9,5 | 4 | 29,6 | 29,6 | 18,8 | |
Верхняя граница зажигания | 15 | 9,5 | 75 | 75 | 30,8 | 4,9 |
Турбулентные пульсации обеспечивают смешение достаточно крупных порций топлива с окислителем, создавая перемежающиеся объемы топлива, окислителя и продуктов сгорания (макросмешение).Однако для горения необходимо смешение на молекулярном уровне.
17.3. ГОРЕЛКИ И ТОПКИ ДЛЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА И ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА
Сжигание топлива осуществляется с помощью устройств, называемых горелками. Они предназначены для ввода газа и окислителя (обычно воздуха) в топку, смешения потоков до начала горения или в самом процессе горения и для стабилизации факела. Под стабилизацией понимается создание условий, обеспечивающих надежное горение факела без погасаний, пульсаций или отрыва от горелки. За очень редким исключением это достигается путем создания такого аэродинамического режимa, при котором образующиеся при сгорании раскаленные продукты непрерывно
подмешиваются к свежей топливовоздушной смеси, обеспечивая ее зажигание.
По принципу смесеобразования газовые горелки можно разделить на две большие группы: инжекционные и с принудительной подачей воздуха. В горелках первой группы воздух инжектируется из атмосферы струей газа, истекающего из сопла, перед которым он имеет соответствующее давление. В горелках второй группы под давлением подаются как газ, так и воздух. К первой относятся, в частности, горелки бытовых газовых плит (рис. 17.2). Газ с избыточным давлением в несколько килопаскалей, вытекая из сопла в смеситель, выполненный в форме эжектора, подсасывает в него нужное количество воздуха из окружающей среды и смешивается с ним. Количество инжектируемого воздуха примерно пропорционально расходу эжектирующего газа, поэтому при изменении тепловой мощности горелки (путем увеличения или уменьшения расхода газа с помощью вентиля или крана) соотношение газ — воздух, т. е. коэффициент избытка воздуха, остается приблизительно постоянным. Для его изменения при настройке горелки на линии подвода воздуха устанавливают заслонку или шайбу регулируемого сопротивления.
Инжекционные горелки не требуют установки вентилятора для подачи воздуха, но нуждаются в большом давлении газа. Промышленные инжекционные горелки имеют большую длину, необходимую для организации плавного течения газовоздушной смеси в канале диффузора.
В крупных печах, и особенно в котельных топках, чаще используют горелки с принудительной подачей воздуха. Смешение воздуха с газом часто осуществляется в них путем закручивания подаваемого на горение воздуха, которое не только сильно турбулизирует факел (что интенсифицирует перемешивание), но и создает мощную циркуляцию к устью горелки раскаленных продуктов сгорания, поджигающих вытекающую из горелки газовоздушную смесь.
Номинальная мощность горелок ГНП не превышает 1 МВт.
Газовые горелки устанавливают обычно на стенах, иногда — на потолке или на поду печи, представляющей собой камеру, форма которой определяется ее назначением.
17.4. ФОРСУНКИ И ТОПКИ ДЛЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
Мелкий распыл, хорошее перемешивание с окислителем и надежная стабилизация горения — вот три условия, обеспечивающие быстрое и экономичное сжигание жидкого топлива.
Для распыливания жидкого топлива и жидких отходов производства применяют механические, пневматические и ротационные форсунки. В механических жидкость под высоким избыточным давлением (от 1 МПа в топках до многих десятков мегапаскалей в дизелях) продавливается сквозь небольшие отверстия, иногда предварительно интенсивно закручиваясь в центробежном завихрителе, вытекает из отверстий с большой скоростью и распадается на мелкие капли. В форсунке, наиболее распространенной в топках (рис. 17.4, а), мазут через цилиндрические сверления в шайбе 3 поступает в кольцевую выточку в этой же шайбе, из нее в фигурные вырезы в диске 2, по ним движется к оси форсунки, одновременно закручиваясь, и выходит через одно центральное отверстие в шайбе 1.
Перед механической форсункой топливо должно быть очищено от механических примесей, иначе отверстия форсунки будут забиты.
В условиях, когда трудно обеспечить надежную очистку, применяют пневматические форсунки, в которых топливо (обычно мазут) распыливается струей воздуха (реже — пара). Первую совершенную форсунку такого типа создал в 1877 г. выдающийся инженер В. Г. Шухов (в то время он был студентом 3-го курса). Она применяется до сих пор, хотя впоследствии были созданы более совершенные конструкции, основанные на этом же принципе. Одна из них представлена на рис. 17.4, б.
Воздух или пар высокого давления (обычно 0,4—0,8 МПа), вытекая из сопла со сверхзвуковой скоростью, подхватывает и интенсивно распыливает струйки предварительно подогретого до 100— 140 °С мазута, подаваемого примерно под таким же, как и распыливающий агент, давлением, и выбрасывает образующийся туман в топку. Расход распыливающего агента составляет 0,5—1 кг на 1 кг мазута.
Форсунку устанавливают в горелке, через которую подается закрученный в завихрителе воздух. Конструкции горелок отличаются большим разнообразием.
Основным элементом ротационной форсунки (рис. 17.4, в) является тщательно отполированный изнутри распыливающий стакан 2 диаметром 150— 200 мм, вращающийся на полом валу 3 с частотой 5000—7000 об/мин. Топливо (подогретый мазут) по трубке 1, проходящей внутри вала, подается на внутреннюю поверхность стакана, распределяется по ней тонким слоем и разбрызгивается, стекая с края стакана под действием центробежной силы. Попадая в поток воздуха, проходящего через лопаточный завихритель, пленка топлива распадается на мельчайшие капли, выносится в топочный объем и там воспламеняется. Вал со стаканом вращается в подшипниках от электродвигателя. Иногда на этом же валу располагают и вентилятор для нагнетания воздуха.
Ротационные форсунки сложнее в эксплуатации, чем механические и пневматические, но обладают по сравнению с ними большим преимуществом: хорошо распиливают топливо в широком диапазоне изменения нагрузки — от 100 до 10 %. Кроме того, они не требуют тонкой очистки жидкого топлива от примесей (так как не имеют отверстий малых сечений) и работают при низком его давлении.
Жидкое топливо сжигают в камерных топках, конструкции которых практически не отличаются от топок для газа. Мазут труднее сжигать, чем высококалорийный газ, поэтому теплонапряжение топочного объема qv для мазутных топок принимают обычно не более 300 кВт/м3, выбирают
αв = 1,1 - 1,35, при этом qхим = 1-3 %. Лучшие показатели горения мазута достигаются в топках крупных паровых котлов, худшие — в небольших печах.
Топки, работающие на мазуте, чрезвычайно чувствительны к попаданию в него воды. Она не перемешивается с мазутом, и если достаточно большая ее порция попадает в форсунку, то факел погаснет, что может вызвать взрыв в топке, когда через форсунку снова пойдет мазут. В то же время жидкие отходы нефтепереработки, содержащие даже 50 % воды, имеют еще достаточно большую теплоту сгорания. Для их утилизации (сжигания) водомазутную смесь предварительно превращают в тонкую суспензию, которая сжигается, как любое жидкое топливо.
Сжигание других жидких материалов и горючих жидких отходов различных производств (серы, смолы и т. д.) организуют примерно так же как и мазута,
но обычно с меньшим теплонапряжением объема qv.
В топочной технике широко применяют комбинированные горелки, позволяющие попеременно или одновременно сжигать различные топлива. Например, для котлов, работающих на газе, обязательно предусматривают запас резервного топлива — чаще всего мазута, а в их топках устанавливают газомазутные горелки, представляющие собой газовые горелки со встроенными мазутными форсунками.
17.5. ОСОБЕННОСТИ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
Горючие газы и пары смол (так называемые летучие), выделяющиеся при термическом разложении натурального твердого топлива в процессе его нагревания, смешиваясь с окислителем (воздухом), при высокой температуре сгорают достаточно интенсивно, как обычное газообразное топливо. Время сгорания топлив со средним (бурые и каменные угли) и небольшим (тощие угли и антрациты) выходом летучих практически определяется скоростью реакции на поверхности коксового остатка, образующегося после выделения летучих. Сгорание этого остатка обеспечивает и выделение основного количества теплоты.
Реакция, протекающая на поверхности раздела двух фаз (в данном случае на поверхности коксового кусочка) называется гетерогенной. Она состоит по крайней мере из двух последовательных процессов: диффузии кислорода к поверхности и его химической реакции с топливом (почти чистым углеродом, оставшимся после выхода летучих) на поверхности. Увеличиваясь по закону Аррениуса, скорость химической реакции при высокой температуре становится столь большой, что весь кислород, под-
водимый к поверхности, немедленно вступает в реакцию. В результате скорость горения оказывается зависящей только от интенсивности доставки кислорода к поверхности горящей частицы путем массообмена и диффузии. На нее практически перестают влиять как температура процесса, так и реакционные свойства коксового остатка. Такой режим гетерогенной реакции называется диффузионным. Интенсифицировать горение в этом режиме можно только путем интенсификации подвода реагента к поверхности топливной частицы. В разных топках это достигается различными методами.
Слоевые топки. Твердое топливо, загруженное слоем определенной толщины на распределительную решетку, поджигается и продувается (чаще всего снизу вверх) воздухом (рис. 17.5, а). Фильтруясь между кусочками топлива, он теряет кислород и обогащается оксидами (СО2, СО) углерода вследствие горения угля, восстановления углем водяного пара и диоксида углерода.
Зона, в пределах которой практически полностью исчезает кислород, называется кислородной; ее высота составляет два-три диаметра кусков топлива. В выходящих из нее газах содержатся не только СО2, Н2О и N2, но и горючие газы СО и Н2, образовавшиеся как из-за восстановления СО2 и Н2О углем, так и из выделяющихся из угля летучих. Если высота слоя больше, чем кислородной зоны, то за кислородной зоной следует восстановительная зона, в которой идут только реакции СО2 + С = 2СО и Н2О + С = СО + Н2. В результате концентрация выходящих из слоя горючих газов увеличивается по мере увеличения его высоты.
В слоевых топках высоту слоя стараются держать равной высоте кислородной зоны или большей ее. Для дожигания продуктов неполного сгорания (Н2, СО), выходящих из слоя, а также для дожигания выносимой из него пыли в топочный объем над слоем подают дополнительный воздух.
Количество сгоревшего топлива пропорционально количеству поданного воздуха, однако увеличение скорости воздуха сверх определенного предела нарушает устойчивость плотного слоя, так как воздух, прорывающийся через слой в отдельных местах, образует кратеры. Поскольку в слой всегда загружается полидисперсное топливо, увеличивается вынос мелочи. Чем крупнее частицы, тем с большей скоростью можно продувать воздух через слой без нарушения его устойчивости. Если принять для грубых оценок теплоту «сгорания» 1 м3 воздуха в нормальных условиях при αв=1 равной 3,8 МДж и понимать под
wn приведенный к нормальным условиям расход воздуха на единицу площади решетки (м/с), то теплонапряжение зеркала горения (МВт/м2) составит
qR = 3,8Wн/ αв (17.7)
Коэффициент избытка воздуха αв в формуле (17.7) учитывает тот факт, что при αв > 1 избыточная часть содержащегося в нем кислорода не окисляет горючее, а значит, и не дает теплоты. Значения w и wн связаны соотношением w = wн(273+t)/273. Топочные устройства для слоевого сжигания классифицируют в зависимости от способа подачи, перемещения и шуровки слоя топлива на колосниковой решетке. В немеханизированных топках, в которых все три операции осуществляют вручную, можно сжигать не более
300— 400 кг/ч угля. Наибольшее распространение в промышленности получили полностью механизированные слоевые топки с пневмомеханическими забрасывателями и цепной решеткой обратного хода (рис. 17.6). Их особенность — горение топлива на непрерывно движущейся со скоростью 1 —15 м/ч колосниковой решетке, сконструированной в виде полотна транспортерной ленты, имеющей привод от электродвигателя. Полотно решетки состоит из отдельных колосниковых элементов, закрепленных на бесконечных шарнирных цепях, приводимых в движение «звездочками». Необходимый для горения воздух подводится под решетку через зазоры между элементами колосников.
Описанная топка относится к разряду факельно-слоевых, поскольку часть топлива сгорает в факеле. Для интенсификации горения в объеме через сопла, расположенные на задней стенке, дополнительно подают воздух (5—10 % общего количества) в виде струй «острого дутья» со скоростью 50—70 м/с. Эти струи интенсивно перемешивают потоки в объеме топки. Обычно вместе с острым дутьем в топку возвращают уловленный в золоуловителе унос с высоким содержанием горючих, что позволяет дожечь вынесенные из топки недогоревшие частицы.
Основными потерями в слоевых топках являются потери от механического недожога. При отсутствии острого дутья и возврата уноса значение qмех может достигать 13 %, при возврате уноса оно значительно ниже.
Из-за неравномерной высоты слоя коэффициент избытка воздуха в слоевых топках приходится держать довольно высоким: αв= 1,3-1,4, тогда
qмех = 0,5 – 1%.
В слоевых топках не удается сжигать топлива с очень высокой зольностью и влажностью, а в ряде конструкций не горят и спекающиеся угли, образующие в процессе нагрева корку, не пропускающую воздух.
Факельные топки. В прошлом веке для сжигания в слоевых топках (а других тогда не было) использовали только уголь, не содержащий мелочи (обычно фракцию 6—25мм). Фракция мельче 6 мм — штыб (от немецкого staub — пыль) являлась отходом. В начале этого века для ее сжигания был разработан пылевидный способ, при котором угли измельчали до 0,1 мм, а трудносжигаемые антрациты — еще мельче. Такие пылинки увлекаются потоком газа, относительная скорость между ними очень мала. Но и время их сгорания чрезвычайно мало — секунды и доли секунд. Поэтому при вертикальной скорости газа менее 10 м/с и достаточной высоте топки (десятки метров в современных котлах) пыль успевает полностью сгореть на лету в процессе движения вместе с газом от горелки до выхода из топки.
Этот принцип и положен в основу факельных (камерных) топок,
в которые тонко размолотая горючая пыль вдувается через горелки вместе с необходимым для горения воздухом (см. рис. 17.5, 6) аналогично тому, как сжигаются газообразные или жидкие топлива. Таким образом, камерные топки пригодны для сжигания любых топлив, что является большим их преимуществом перед слоевыми. Второе преимущество — возможность создания топки на любую практически сколь угодно большую мощность. Поэтому камерные топки занимают сейчас в энергетике доминирующее положение. В то же время пыль не удается устойчиво сжигать в маленьких топках, особенно при переменных режимах работы, поэтому пылеугольные топки с тепловой мощностью менее 20 МВт не делают.
Топливо измельчается в мельничных устройствах и вдувается в топочную камеру через пылеугольные горелки. Транспортирующий воздух, вдуваемый вместе с пылью, называется первичным.
При камерном сжигании твердых топлив в виде пыли летучие вещества, выделяясь в процессе ее прогрева, сгорают в факеле как газообразное топливо, что способствует разогреву твердых частиц до температуры воспламенения и облегчает стабилизацию факела. Количество первичного воздуха должно быть достаточным для сжигания летучих. Оно составляет от 15—25 % всего количества воздуха для углей с малым выходом летучих (например, антрацитов) до 20— 55 % для топлив с большим их выходом (бурых углей). Остальной необходимый для горения воздух (его называют вторичным) подают в топку отдельно и перемешивают с пылью уже в процессе горения.
Для того чтобы пыль загорелась, ее нужно сначала нагреть до достаточно высокой температуры. Вместе с нею, естественно, приходится нагревать и транспортирующий ее (т. е. первичный) воздух. Это удается сделать только путем подмешивания к потоку пылевзвеси раскалечных продуктов сгорания.
Хорошую организацию сжигания твердых топлив (особенно трудносжигаемых, с малым выходом летучих) обеспечивает использование так называемых улиточных горелок (рис. 17.7). Угольная пыль с первичным воздухом подается в них через центральную трубу и благодаря наличию рассекателя выходит в топку в виде тонкой кольцевой струи. Вторичный воздух подается через «улитку», сильно закручивается в ней и, выходя в топку, создает мощный турбулентный закрученный факел, который обеспечивает подсос больших количеств раскаленных газов из ядра факела к устью горелки. Это ускоряет прогрев смеси топлива с первичным воздухом и ее воспламенение, т. е. создает хорошую стабилизацию факела. Вторичный воздух хорошо перемешивается с уже воспламенившейся пылью благодаря сильной его турбулизации. Наиболее крупные пылинки догорают в процессе их полета в потоке газов в пределах топочного объема.
При факельном сжигании угольной пыли в каждый момент времени в топке находится ничтожный запас топлива — не более нескольких десятков килограммов. Это делает факельный процесс весьма чувствительным к изменениям расходов топлива и воздуха и позволяет npи необходимости практически мгновение изменять производительность топки, как при сжигании мазута или газа. Одновременно это повышает требования к на- дежности снабжения топки пылью, ибо малейший (в несколько секунд!) перерыв приведет к погасанию факела, что связано с опасностью взрыва при возобновлении подачи пыли. Поэтому в пылеугольных топках устанавливают, как правиле несколько горелок.
При пылевидном сжигании топлив в ядре факела, расположенном недалеко от устья горелки, развиваются высокие температуры (до 1400—1500 °С), при которых зола становится жидкой или тестообразной. Налипание этой золы на стенки топки может привести к их зарастанию шлаком. Поэтому сжигание пылевидного топлива чаще всего применяют в котлах, где стены топки закрыты водоохлаждаемыми трубами (экранами), около которых газ охлаждается и взвешенные в нем частицы золы успевают затвердеть до соприкосновения со стенкой. Пылевидное сжигание может применяться также в топках с жидким шлакоудалением, в которых стены покрыты тонкой пленкой жидкого шлака и расплавленные частицы золы стекают в этой пленке.
Теплонапряжение объема в пылеугольных топках обычно составляет 150— 175 кВт/м3, увеличиваясь в небольших топках до 250 кВт/м3. При хорошем перемешивании воздуха с топливом принимается αв = 1,2-1,25;
qмех = 0,5- 0,6 % (большие цифры — при сжигании антрацитов в небольших топках); q хим = 0 - 1 %.
В камерных топках удается после дополнительного размола сжигать отходы углей, образующиеся при их обогащении на коксохимических заводах (промпродукт), коксовые отсевы и еще более мелкий коксовый шлам.
Циклонные топки. Специфический способ сжигания осуществлен в циклонных топках (см. рис. 17.5, а). В них используют достаточно мелкие частицы угля (обычно мельче 5 мм), а необходимый для горения воздух подают с огромными скоростями (до 100 м/с) по касательной к образующей циклона. В топке создается мощный вихрь, вовлекающий частицы в циркуляционное движение, в котором они интенсивно обдуваются потоком. В результате интенсивного горения в топке развиваются температуры, близкие к адиабатным (до 2000 °С). Зола угля плавится, жидкий шлак стекает по стенкам. По ряду причин от применения таких топок в энергетике отказались, и сейчас они используются в качестве технологических — для сжигания серы с целью получения SO2 в производстве H2 SO4, обжига руд и т. д. Иногда в циклонных топках осуществляют огневое обезвреживание сточных вод, т. е. выжигание содержащихся в них вредностей за счет подачи дополнительного (обычно газообразного или жидкого) топлива.
Топки с кипящим слоем. Устойчивое горение пылеугольного факела возможно только при высокой температуре в его ядре — не ниже 1300—1500 °С. При этих температурах начинает заметно окисляться азот воздуха по реакции N2 + + O2 = 2NO. Определенное количество NO образуется и из азота, содержащегося в топливе. Оксид азота, выброшенный вместе с дымовыми газами в атмосферу, доокисляется в ней до высокотоксичного диоксида NO2. В России предельно допустимая концентрация NO2 (ПДК), безопасная для здоровья людей, в воздухе населенных пунктов составляет 0,085 мг/м3. Чтобы обеспечить ее, на крупных тепловых электростанциях приходится строить высоченные дымовые трубы, разбрасывающие дымовые газы на возможно большую площадь. Однако при сосредоточении большого количества станций недалеко друг от друга и это не спасает.
В ряде стран регламентируется не ПДК, а количество вредных выбросов на единицу теплоты, выделенной при сгорании топлива. Например, в США для крупных предприятий допускается выброс 28 мг оксидов азота на 1 МДж теплоты сгорания. В России нормы выбросов составляют для разных топлив от 125 до 480 мг/м3.
При сжигании топлив, содержащих серу, образуется токсичный SO2, действие которого на человека к тому же суммируется с действием NO2. Эти выбросы служат причиной образования фотохимического смога и кислотных дождей, вредно влияющих не только на людей и животных, но и на растительность. В Западной Европе, например, от таких дождей погибает значительная часть хвойных лесов.
Газообразные вредные выбросы можно резко уменьшить путем снижения температуры горения до 850—950 °С. При этих температурах азот воздуха практически не окисляется, а диоксид серы SO2 соединяется с оксидом кальция по реакции (аналогичным образом реагирует и MgO)
SO2 + CaO + 0,5O2 = CaSO4 (17.8)
Если в золе топлива оксидов кальция и магния недостаточно для связывания всего SO2 (обычно нужен двух- или трехкратный его избыток по сравнению со стехиометрией реакции (17.8)), к топливу подмешивают известняк СаСОз. Известняк при температурах 850—950 °С интенсивно разлагается на СаО и СO2, а гипс CaSO4 не разлагается, т. е. реакция (17.8) справа налево не идет. Таким образом, токсичный SO2 связывается до безвредного практически нерастворимого в воде гипса, который удаляется вместе с золой.
Псевдоожиженным (или кипящим) называется слой мелкозернистого материала, продуваемый снизу вверх газом со скоростью, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но недостаточной для выноса частиц из слоя. Интенсивная циркуляция частиц в ограниченном объеме камеры создает впечатление бурно кипящей жидкости, что и объясняет происхождение названия.
Физически продуваемый снизу плотный слой частиц теряет устойчивость потому, что сопротивление фильтрующемуся сквозь него газу становится равным весу столба материала на единицу площади поддерживающей решетки. Поскольку аэродинамическое сопротивление есть сила, с которой газ действует на частицы (и соответственно по третьему закону Ньютона — частицы на газ), то при равенстве сопротивления и веса слоя частицы (если рассматривать идеальный случай) опираются не на решетку, а на газ.
Простейшая топка с кипящим слоем (рис. 17.8) во многом напоминает слоевую (см. рис. 17.6) и имеет с ней много общих конструктивных элементов. Принципиальное различие между ними заключается в том, что интенсивное перемешивание частиц обеспечивает постоянство температуры по всему объему кипящего слоя.
Поддержание температуры кипящего слоя в необходимых пределах (850 — 950 °С) обеспечивается двумя различными способами. В небольших промышленных топках, сжигающих отходы или дешевое топливо, в слой подают значительно больше воздуха, чем это необходимо для полного сжигания, устанавливая αв ≥ 2.
При том же количестве выделенной теплоты Qir температура газов уменьшается по мере увеличения αв, ибо та же теплота тратится на нагрев большого количества газов (см. рис. 16.1).
В крупных энергетических агрегатах такой метод снижения температуры горения неэкономичен, ибо «лишний» воздух, уходя из агрегата, уносит и теплоту, затраченную на его нагрев (возрастают потери с уходящими газами — см. далее). Поэтому в топках с кипящим слоем крупных котлоагрегатов размещают трубы 9 и 12 с циркулирующим в них рабочим телом (водой или паром), воспринимающим необходимое количество теплоты. Интенсивное «смывание» этих труб частицами обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи от слоя к трубам
[α ≈ 250 Вт/(м2 К)], что в некоторых случаях позволяет уменьшить металлоемкость котла по сравнению с традиционным. Топливо устойчиво горит при его содержании в кипящем слое, составляющем 1 % и менее; остальные 99 % с лишним — зола. Даже при столь неблагоприятных условиях интенсивное перемешивание не позволяет зольным частицам блокировать горючие от доступа к ним кислорода (в отличие от плотного слоя). Концентрация горючих при этом оказывается одинаковой по всему объему кипящего слоя. Для удаления золы, вводимой с топливом, часть материала слоя непрерывно выводится из него в виде мелкозернистого шлака — чаще всего просто «сливается» через отверстия в подине, поскольку кипящий слой способен течь как жидкость. При Г=1 %, Qir = 16 МДж/кг и А =30%, например,
Люди также интересуются этой лекцией: 14. Контроллинг инвестиций.
формулы (17.3) и (17.4) дают qмехшл ≈ 0,6 %. Фактически механический недожог с шлаком будет еще меньше, ибо доля золы, переходящей в шлак, составляет в топках с кипящим слоем около 70— 80 % (остальные 20—30 % золы уносятся из топки с газами).
Широкое внедрение котлов с кипящим слоем (они создаются во многих передовых странах мира, в России уже работает более 100 котлов, в КНР — более 2000) выявило и их недостатки, основной из которых — большой механический недожог с уносом qмехун. Дело в том, что сжигаемое топливо имеет полидисперсный состав и при среднем размере частиц 2—3 мм примерно 20 % частиц оказывается мельче 0,5 мм. Эти частицы, не успевая полностью сгореть, выносятся газом из слоя. Для их дожигания приходится предусматривать достаточно высокое надслоевое пространство (объем топки над слоем высотой не менее 5—6м), где частицы горят «на лету», как в обычном факеле за счет подаваемого туда дополнительного воздуха (через сопла 10, рис. 17.8).
Топки с циркуляционным кипящим слоем. В последнее время появились топки второго поколения с так называемым циркуляционным кипящим слоем. За этими топками устанавливают циклон, в котором улавливаются все недогоревшие частицы и возвращаются обратно в топку. Таким образом, частицы оказываются «запертыми» в системе топка — циклон — топка до тех пор, пока не сгорят полностью. Эти топки имеют высокую экономичность, не уступающую камерному способу сжигания, при сохранении всех экологических преимуществ.
Топки с кипящим слоем широко используются не только в энергетике, но и в других отраслях промышленности, например, для сжигания колчеданов с целью получения SО2, обжига различных руд и их концентратов (цинковых, медных, никелевых, золотосодержащих) и т. д.
(С точки зрения теории горения обжиг, например, цинковой руды по реакции 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2 есть сгорание этого специфического «топлива», протекающее, как и все реакции горения, с выделением больших количеств теплоты.) Большое распространение, особенно за рубежом, топки с кипящим слоем нашли для огневого обезвреживания (т. е. сжигания) различных вредных отходов производства (твердых, жидких и газообразных) — шламов осветления сточных вод, мусора и т. п.
Глава восемнадцатая