Сновы процесса горения органических топлив.

Горение – химический процесс соединения топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и резким повышением температуры продуктов сгорания.

Горение сопровождается смесеобразованием, диффузией, воспламенением, теплообменом и другими процессами, протекающими в условиях тесной взаимосвязи.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепло- и массообмен протекают между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии (обычно газообразном).

Гетерогенное горение свойственно жидкому и твердому топливам.

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления и определяется произведением концентраций реагирующих веществ

,

(1.6)

где k – константа скорости реакции; C_A и C_B – концентрации реагирующих веществ.

Скорость реакции при росте температуры существенно увеличивается, что определяется законом Аррениуса

,

(1.7)

где k₀ – эмпирическая константа.

Энергия активации E – это наименьшая энергия (для газовых смесей 85–170 МДж/кмоль), которой должны обладать молекулы в момент столкновения, чтобы быть способными к химическому взаимодействию. Разность энергий активации прямой и обратной реакции составляет тепловой эффект химической реакции.

Реакции характеризуются сильной экзотермичностью, обусловливающей рост температуры. Влияние температуры на скорость реакции значительно сильнее влияния концентрации реагирующих веществ. Поэтому, несмотря на уменьшение концентрации реагирующих веществ при горении, скорость реакции горения увеличивается и достигает максимума после выгорания 80–90% горючих веществ. Реакции горения газообразного топлива протекают практически мгновенно, что объясняется не только сильным влиянием температуры, но и цепным характером их протекания.

Скорость реакции зависит также от давления (n – порядок реакции).

Процесс горения топлива имеет две области: кинетическую, в которой скорость горения топлива определяется скоростью химической реакции, и диффузионную, в которой регулятором скорости выгорания является скорость смесеобразования. Примером кинетической области горения является горение однородной газовоздушной смеси. Диффузионно горит газообразное топливо, вводимое в реакционную камеру отдельно от окислителя.

Кинетическая область химического воздействия на скорость горения наиболее сильно ощущается при низких концентрациях, температурах и давлениях в смеси. В этих условиях химическая реакция может настолько замедлиться, что сама станет тормозить горение. Диффузионная область воздействия на скорость выгорания топлива проявляется при высоких концентрациях и температурах. Химическая реакция протекает очень быстро, и задержка в горении может быть вызвана недостаточно высокой скоростью смесеобразования.

Процесс смесеобразования практически не зависит от температуры.

Кинетическое горение готовой горючей смеси при турбулентном режиме движения очень неустойчиво. Поэтому в высокопроизводительных промышленных топочных устройствах при турбулентном режиме движения газовоздушных потоков горение является в основном диффузионным.

Процесс горения горючей смеси может начаться путем самовоспламенения или принудительного воспламенения (электрическая искра, факел и т.п.). Температура самовоспламенения определяется соотношением количества теплоты, выделяющегося при горении и отдаваемого во внешнюю среду. Количество теплоты, выделяющееся при горении, зависит от температуры и изменяется по экспоненте 1 (рис. 1.1)

,

(1.8)

где Q – тепловой эффект реакции; ω – скорость реакции; V – объем; T – температура среды.

Зависимость отвода теплоты q_от от температуры T линейная (прямые 2, см. рис. 1.1)

,

(1.9)

где α – коэффициент теплоотдачи; A – площадь поверхности; T_с - температура охлаждаемой стенки.

Рис. 1.1. Условия самовоспламенения при различном отводе теплоты

При небольшом отводе теплоты (прямая 2''') количество выделяемой теплоты q_в > q_от, поэтому реакция сопровождается повышением температуры системы, приводящим к самовоспламенению.

При большем отводе теплоты (прямая 2'') в точке В q_в = q_от. Температура T_в в этой точке называется температурой воспламенения горючей смеси. Она зависит от условий отвода теплоты и не является физико-химической константой, характеризующей данную горючую смесь. При увеличении отвода теплоты (прямая 2') самовоспламенение невозможно. Точка А соответствует стабилизированному окислению в области низких температур, а точка Б – неустойчивому равновесию в области высоких температур.

Температура воспламенения может быть найдена из условий

q_в = q_от и dq_в/dT = dq_от/dT,

определяемых точкой В (см. рис. 1.1).

С учетом уравнений (1.8) и (1.9) имеем . Решив это уравнение, получим

.

(1.10)

Температура воспламенения T_в для некоторых газов приведена в табл. 1.4.

Минимальная и максимальная концентрации горючей составляющей, ниже и выше которых не происходит принудительное воспламенение смеси, называются концентрационными пределами воспламенения (табл. 1.4); они зависят от количества и состава негорючих составляющих газообразного топлива, повышающих нижний и понижающих верхний пределы воспламенения.

Таблица 1.4

Температура воспламенения горючих газов

Газ	Tв, K	Концентрационный предел воспламенения газовоздушной смеси при 293 K и 0,1 МПа, %
нижний	верхний
Водород H2	580–590	4–9	65–75
Оксид углерода CO	645–660	12–15	71–75
Метан CH4	650–750	5–6	12–15

Устойчивый непрерывный процесс горения в топочном устройстве требует стабилизации фронта воспламенения готовой (кинетическое горение) или образующейся (диффузионное горение) горючей смеси. Для этого с помощью местного торможения создаются зоны со скоростью потока, меньшей скорости распространения пламени; осуществляется непрерывное воспламенение смеси от постороннего источника; на пути потока устанавливаются плохо обтекаемые тела, обеспечивающие обратную циркуляцию продуктов сгорания, поджигающих смесь.

Горение жидкого топлива протекает в основном в парогазовой фазе, так как температура его кипения значительно ниже температуры воспламенения. Интенсивность испарения горючих веществ увеличивается с ростом поверхности контакта с воздухом и количества подводимой теплоты. Таким образом, скорость горения жидкого топлива определяется тонкостью его распыливания. Улучшению распыливания способствует понижение вязкости, что достигается предварительным подогревом топлива до 340–390 K перед подачей его в форсунки.

Твердое топливо претерпевает предварительную тепловую подготовку, в процессе которой происходит прогрев частиц, испарение влаги и выделение летучих веществ. Наиболее бурное выделение летучих веществ, воспламеняющихся первыми, происходит в интервале температур от 470 до 720 K. Время горения этих веществ вблизи твердого остатка составляет незначительную часть общего времени горения топлива и способствует его прогреву и воспламенению. После выгорания значительной части летучих веществ начинается выгорание коксового остатка. На процесс горения твердого топлива заметно влияет зола, затрудняющая диффузию кислорода к горючему. При температуре горения, превышающей температуру плавления золы, частицы горючих веществ ошлаковываются, что еще больше затрудняет доступ к ним кислорода.

6. В каком случае может произойти принудительное воспламенение смеси газообразного топлива с воздухом?

(b) если содержание в смеси горючего газа находится между нижним и верхним концентрационными пределами воспламенения.

7. Коэффициент избытка воздуха – это

(d) отношение действительного количества воздуха, подаваемого для организации процесса горения к теоретически необходимому количеству воздуха.

8. Теоретически для сгорания 1 м³ природного газа требуется 9,5 м³ воздуха. Определите коэффициент избытка воздуха в топке, если действительно на горение подали 10,5 м³ воздуха.

(b) α= V^д /V⁰=10,5/9,5=1,14

9. При сжигании 1 м³ природного газа образовались следующие объемы компонентов продуктов сгорания: CO₂ – 1м³; N₂ – 8м³; H₂O – 2,2м³. Определите объем сухих продуктов сгорания, если теоретически необходимый объем воздуха на горение составляет 10 м³, а коэффициент избытка воздуха – α = 1,1.

(а) близко.

O₂ в продуктах будет V_О2=0,21( α-1) V⁰ =(1,1-1)·10·0,21=0,21 м³.

Объем продуктов сгорания V_Г =V_RО2+ V_N2+ V_О2+ V_Н2О,

Объем сухих продуктов сгорания будет V^с_Г =V_RО2+ V_N2+ V_О2 =1+8+0,21=9,21 м³ .

10. Температура дымовых газов на выходе из водяного экономайзера равна 500 °C. При этой температуре и коэффициенте избытка воздуха α = 1 энтальпия дымовых газов равна 8000 кДж/м³, а энтальпия воздуха равна 6500 кДж/м³. Определите действительную энтальпию дымовых газов на выходе из водяного экономайзера, если коэффициент избытка воздуха здесь равен α = 1,25.

(b)

I_г=I⁰_г+I_в= I⁰_г+(α-1) I⁰_В=8000+(1,25-1)6500=9625кДж/ м³.

I_в =(α-1) I⁰_В ,

11. Теоретический объем воздуха, идущий на сжигание 1 м³ природного газа равен 10 м³/м³. Определите энтальпию теоретически необходимого количества воздуха при температуре 600 °C, если его удельная энтальпия при этой температуре равна 830 кДж/м³.

(с)

I_в= V⁰·ΔI=10·830=8300кДж/ м³.

12. Для ликвидации очагов горения в штабеле твердого топлива необходимо

(b) вскрыть штабель, перенести очаги горения на специальную площадку и на ней залить водой.

13. Укажите, какие типы мельниц могут быть использованы для размола твердого топлива?

(d) шаровые барабанные, молотковые и валковые среднеходные.

Основной установкой любой пылесистемы является углеразмольная мельница. Наиболее широкое распространение получили шаровые барабанные (ШБМ) и молотковые (ММ) мельницы, причем в ШБМ размалывают преимущественно топливо с относительно малым выходом летучих веществ, а ММ используются при размоле молодых каменных и бурых углей, торфа и сланцев. На долю этих видов мельниц приходится около 98% размалываемых твердых топлив. Размол некоторых видов каменных углей более экономично происходит с применением валковых среднеходных мельниц. В отдельных случаях при размоле «мягких» сильно влажных бурых углей используется мельница-вентилятор.

Шаровая барабанная мельница состоит из барабана диаметром 2–4 м и длиной 3–10 м, частично заполненного стальными шарами диаметром 30–60 мм. Внутренние стенки барабана покрыты броневыми плитами. Сверху корпус барабана имеет тепло- и звукоизоляцию. Сырое топливо вместе с горячим воздухом поступает внутрь барабана через входной патрубок. Барабан приводится во вращение от электрического двигателя через редуктор и ведомую шестерню, находящуюся на барабане. В барабане шары поднимаются вдоль стенки, а затем отрываются и падают вниз. Размол топлива происходит за счет удара падающих шаров по топливу и перетирания топлива между шарами. Готовая пыль постоянно удаляется из мельницы вентилирующим агентом – воздухом.

Молотковая мельница состоит из стального корпуса, покрытого изнутри гладкими броневыми плитами толщиной 20–30 мм, и ротора с укрепленными на нем дисками. С дисками на шарнирах соединены билодержатели и била. Во время работы мельницы окружная скорость бил достигает 50–60 м/с, и происходит начальное дробление кусков топлива, затем частицы топлива ударяются о броню и дополнительно истираются в зазоре между билами и корпусом. Обычно молотковая мельница компонуется вместе с сепаратором пыли и представляет собой единую установку.

Среднеходные мельницы работают обычно в системах с прямым вдуванием пыли и используются для углей умеренной твердости с относительно невысокой влажностью и малым содержанием высокотвердых фракций (колчедана) в его минеральной массе. Мельницы этого класса начали серийно изготовляться в нашей стране в виде валковых среднеходных (МВС)для размола экибастузских каменных углей. Мельница состоит из вертикального корпуса, дном которого является вращающийся размольный стол (диск). К поверхности последнего с помощью пружины прижимаются конические валки, свободно сидящие на своих осях. Вращение валков происходит за счет сил трения, возникающих между вращающимся размольным столом и поверхностью валков. Размол топлива осуществляется за счет раздавливания и истирания кусков угля, попадающих между размольным столом и валками. Горячий воздух подается в корпус мельницы под размольный стол и, проходя через кольцевое отверстие между столом и корпусом, подхватывает отбрасываемую к периферии угольную пыль и уносит ее в сепаратор.

14. Какие способы шлакозолоудаления могут применяться в котельных с котлами, оборудованными топками для слоевого сжигания топлива?

(а) скреперный, скребковый, пневматический,

(d) скреперный, гидравлический, вагонеточный.

даление шлака и золы.

Выпавшие в топке и газоходах котельного агрегата в результате сгорания топлива шлак и золу, а также летучую золу, улавливаемую в золоуловителе, удаляют из котельного агрегата, а затем из помещения котельной.

Основными способами шлакозолоудаления являются:

- вагонеточный – для котельных с котлами старой конструкции;

- механический – скреперный, скребковый и др., как правило, следует предусматривать в котельных с котлами, оборудованными топками для слоевого сжигания топлива;

- гидравлический – в котельных с котлами для камерного сжигания твердого топлива и при выходе очаговых остатков 12 т/ч и более;

- пневматический – может применяться независимо от способа сжигания топлива при выходе шлака и золы от 4 до 12 т/ч;

- пневмогидравлический – применяется в котельных с котлами малой и средней производительности при расположении золоотвала на небольшом расстоянии от котельной. Такой способ золошлакоудаления применяется при реконструкции существующих котельных, в которых шлаковые и золовые бункера котлов находятся ниже отметки каналов гидрозолоудаления.

При вагонеточном способе золошлакоудаления золу и шлак выгружают несколько раз в смену из бункеров под котлами в вагонетки с опрокидывающимся кузовом. Перед выгрузкой в вагонетки шлак в бункере охлаждается и обильно увлажняется водой из специально установленных для разбрызгивания воды сопл. Для предохранения персонала от ожогов и вредных газов шлак спускают в вагонетки в закрытых вентилируемых камерах.

Большое применение в котельных имеет схема скреперного мокрого или сухого золоудаления. Шлак, образующийся в результате сгорания топлива, попадает в скреперный канал.

При мокром способе золошлакоудаления канал, в котором движется скрепер, заполнен водой, являющейся гидравлическим затвором для воронок шлаковых бункеров котлов. Скрепер перемещают в канале при помощи электролебедки и троса в направляющих роликах.

При сухом способе скреперного золоудаления шлак обливают водой в шлаковом бункере и сбрасывают в скреперный канал. Скрепер подхватывает выгруженный из топки шлак и подает его по горизонтальному и наклонному каналу в бункер, откуда он выгружается в автосамосвал и вывозится из котельной. Скребковое золоудаление принципиально не отличается от мокрого скреперного золоудаления.

Гидравлическое удаление золы и шлаков широко распространено в котельных большой мощности. Система обладает высокой производительностью и надежностью. Гидравлическое золоудаление включает в себя операции: удаление шлака и золы в пределах котельной; перекачивание с помощью багерных насосов или гидроаппаратов смеси воды, золы и шлака в золоотстойник.

Зола и шлак смываются из бункеров котлов с помощью специальных смывных устройств в самотечный канал, по которому шлакозоловая смесь перемещается к устройствам для ее внешней транспортировки. Смыв золы осуществляется, как правило, непрерывно, а шлака периодически – 1–2 раза в смену. Самотечные каналы облицовывают базальтовыми плитками и выполняют с уклоном 2–3º. Для предотвращения образования заторов гидросмеси в самотечные каналы через побудительные сопла подается вода.

При пневматической системе шлакозолоудаления транспортировка шлака и золы осуществляется в трубах потоком воздуха. Побудителями движения воздуха могут быть паровые эжекторы или вакуумные насосы. Пневматическую систему шлакозолоудаления рекомендуется применять в котельных для слоевого сжигания твердого топлива, а также в случаях, когда зола и шлак используются в качестве сырья побочных производств – изготовление строительных конструкций, производство цемента. Зола от сжигания древесных отходов может быть использована для удобрения полей в сельском хозяйстве. Пневматическая система применяется в случаях, когда район строительства котельной трудно обеспечивается водой или значительно удалены места для золоотвалов.

15. Подготовка мазута перед его сжиганием заключается в

(с) удалении механических примесей, повышении давления мазута и его подогреве.