- •Основы теории горения топлив
- •1. Топливо
- •1.1. Состав топлива
- •1.2. Теплота сгорания топлива
- •1.3. Влага твердого топлива
- •1.4. Минеральные примеси твердого топлива
- •1.5. Выход летучих веществ и характеристика коксового остатка
- •1.6. Характеристики и классификация твердого топлива
- •1.7. Жидкое топливо
- •1.8. Газовое топливо
- •2. Материальный и тепловой баланс процессов горения
- •2.1. Теоретически необходимое количество воздуха
- •2.2. Объем продуктов сгорания
- •2.3. Энтальпия продуктов сгорания
- •2.4. Виды топочных устройств
- •2.5. Тепловой баланс процесса горения
- •2.6. Определение избытка воздуха
- •3. Горение газовых и жидких топлив
- •3.1. Скорость химического реагирования
- •Закон действующих масс
- •Влияние давления на скорость реакции
- •Зависимость скорости реакции от состава смеси
- •3.2. Цепные реакции
- •Цепное горение водорода
- •Горение оксида углерода и углеводородов.
- •3.3. Распространение пламени
- •Пределы воспламенения
- •3.4. Определение кинетических констант горения
- •3.8. Горелка Бунзена
- •3.5. Условия устойчивой работы кинетических горелок
- •Стабилизация процесса горения
- •3.6. Турбулентное горение предварительно подготовленных смесей
- •3.7. Диффузионное горение газов
- •3.8. Горелки промышленных агрегатов
- •Инжекционные горелки
- •5 Диффузор
- •Газовые струи в поперечном потоке
- •Вентиляторные горелки [14]
- •Вертикально-щелевая горелка
- •Горелочные устройства энергетических котлов
- •Газомазутные горелки гмг
- •Диффузионные горелки
- •3.9. Горение жидких топлив
- •3.10. Конструкции мазутных форсунок Механические форсунки
- •Ротационная форсунка
- •Пневматические форсунки
- •4. Горение твердых топлив
- •4.1. Основы кинетики горения углерода
- •Основные химические реакции горения углерода
- •Теория гетерогенного горения углерода
- •Роль вторичного реагирования
- •Время выгорания частицы углерода
- •4.2. Слоевые топки
- •Топки с цепной решеткой
- •4.3. Моделирование слоевого сжигания угля
- •4.4. Горение угольной пыли в факеле
- •4.5. Свойства угольной пыли
- •Затраты энергии на размол топлива
- •4.6. Системы пылеприготовления
- •4.7. Пылеприготовительное оборудование Шаровая барабанная мельница
- •Молотковые мельницы
- •Среднеходные мельницы
- •Мельницы-вентиляторы
- •Сепараторы пыли
- •4.8. Сжигание высокореакционных топлив
- •Топки с прямым вдуванием и фронтальными горелками
- •Топки с плоскими параллельными струями
- •Вихревые топки низкотемпературного сжигания
- •Сжигание сильношлакующих углей
- •4.9. Сжигание низкореакционных топлив
- •Сжигание углей с тугоплавкой золой
- •Сжигание антрацитов
- •Двухкамерные топки с жидким шлакоудалением
- •Библиографический Список
- •620002, Г. Екатеринбург, ул. Мира, 19
- •620002, Г. Екатеринбург, ул. Мира, 19
4.2. Слоевые топки
Для парогенераторов малой и средней мощности слоевые топки получили достаточно широкое применение благодаря следующим преимуществам: простота эксплуатации, возможность сжигания различных топлив, небольшие объемы топок, возможность работы со значительными колебаниями нагрузки, не дорогие пылеприготавливающие устройства.
Топки с неподвижным слоем применяются в котлах малой производительности, до 0,3 кг/с (1 т/ч). Колосниковая решетка поддерживает сжигаемое топливо и одновременно служит для распределения воздуха, подаваемого через слой. Загрузка топлива осуществляется либо вручную, либо с использованием забрасывателей.
Предел форсировки слоя определяется его гидродинамической устойчивостью. При повышенной скорости дутья мелкие частицы начинают выноситься из слоя. В местах выноса сопротивление слоя падает и в образовавшиеся кратеры устремляется большая часть воздуха, что приводит к неустойчивому горению.
Топки с цепной решеткой
Полотно решетки состоит из отдельных колосников, укрепленных на шарнирных цепях, надетых на две пары звездочек. Скорость движения решетки 2-16 м/ч. У котлов с решеткой прямого хода топливо на решетку поступает из бункера. Высота требуемого слоя устанавливается шибером. У котлов с решеткой обратного хода топливо подается пневмомеханическим забрасывателем (рис. 4.4). Необходимый для горения воздух подводится под решетку и поступает в слой через зазоры между колосниками. По мере продвижения решетки топливо выгорает. Образующийся шлак сбрасывается с решетки шлакоснимателем в шлаковый бункер.
По длине решетки процесс горения достаточно четко разделяется на следующие этапы: подготовка топлива, горение кокса и восстановительная зона, выжиг и удаление шлаков. Поскольку для различных этапов горения требуется разное количество воздуха, применяют позонное дутье. Применение позонного дутья улучшает горение топлива и снижает потери тепла с уходящими газами. Газы, выходящие из горящего на цепной решетке слоя топлива, наряду с инертными содержат горючие составляющие, а также кислород. Для снижения потерь с химической неполнотой сгорания применяют острое дутье. Расход воздуха на острое дутье составляет 10-15 % от общего количества.
Рис. 4.4. Топка с цепной решеткой обратного хода ПМЗ-ЛЦР:
1 – предтопок; 2 – угольный ящик; 3 – забрасыватель топлива; 4 – передний ведущий вал;
5 – колосниковое полотно; 6 – зонное дутье; 7 – рама решетки; 8 – опорный рольганг;
9, 10 – задние вал и уплотнение; 11 – шлаковый бункер
4.3. Моделирование слоевого сжигания угля
Рассмотрим характер горения твердого топлива, лежащего на решетке, при верхней его загрузке (рис. 4.5). По высоте слоя можно выделить следующие зоны: зона выжига шлака, зона горящего кокса, включающая в себя кислородную и восстановительную зоны, зона подсушки топлива и, наконец, свежее топливо. По мере выгорания топливо проходит все зоны. В первый период после поступления свежего топлива проходит его тепловая подготовка, на что затрачивается часть тепла. Область наиболее высоких температур располагается в зоне горения кокса. Образующийся шлак стекает с раскаленных кусков топлива навстречу воздуху и постепенно охлаждается. Шлак, лежащий на решетке, защищает ее от перегрева.
Концентрация кислорода незначительно уменьшается в зоне выжига шлака и резко до нуля в окислительной зоне. Температура достигает максимального значения в конце окислительной зоны, а затем падает за счет протекания эндотермических реакций в восстановительной зоне (рис. 4.6) и затрат теплоты на испарение влаги и прогрева топлива в зоне его подсушки.
Рис. 4.5. Характерные зоны и профиль температур по высоте плотного слоя
Рис.
4.6. Изменение концентраций по высоте
слоя: К
кислородная зона;
В
– восстановительная зона
При стационарных условиях, когда количество подаваемого топлива равно количеству выгорающего топлива, можно принять следующую схему выгорания. Кислород воздуха, проходя через слой, реагирует с кислородом по реакциям
С + О2 = СО2,
2С + О2 = 2СО.
Поскольку в слое достигается высокая температура, в межчастичных объемах идет интенсивное догорание оксида углерода по реакции
2СО + О2 = 2СО2.
Последние две реакции можно представить в виде суммы
2С + О2 = 2СО,
2СО + О2 = 2СО2,
2С + 2О2 = 2СО2,
т.е. сумма этих двух реакций будет наблюдаться как реакция (р1). Таким образом, когда в потоке газов имеется достаточное количество кислорода, можно рассматривать вместо трех реакций только реакцию (р1). Поскольку температура газов высока, практически адиабатная, идет и реакция (р4):
С + СО2 = 2СО,
т.е. идет восстановление диоксида углерода до СО. Поскольку эта реакция эндотермическая, температура газов по мере реагирования падает и скорость реагирования уменьшается. Реальная картина газообразования имеет подобный характер (рис. 4.6), т.е. имеется кислородная зона, в которой концентрация кислорода резко падает практически до нуля и в которой выход СО крайне незначителен, а существенно образование СО2, и имеется восстановительная зона, в которой происходит восстановление СО2 до СО.
Таким образом, процесс газообразования в слое крупных частиц может быть описан при рассмотрении двух итоговых реакций
С + О2 = СО2 ,
СО2 + С = 2СО ,
для которых можно записать уравнения изменения концентраций компонентов, по высоте слоя исходя из следующих соображений. Изменение массового количества кислорода М по высоте слоя за элементарный промежуток времени обусловлено протеканием реакции (р1) с поверхностной скоростью горения j. При известной поверхности частиц F в объеме слоя V изменение массы кислорода может быть записано в виде
. (4.17)
Изменение массы кислорода связано с изменением его концентрации dc в объеме слоя V очевидным соотношением . Изменение концентрации со временем связано с изменением по высоте соотношением , где w – скорость фильтрации газов через слой. Подставляя в (4.17) данные соотношения, получим:
. (4.18)
Введем понятие «удельная поверхность», представляющую собой поверхность частиц в единице объема ; тогда получим в окончательном виде дифференциальное уравнение для изменения концентрации кислорода по высоте слоя
. (4.19)
Концентрация диоксида углерода c1 увеличивается по высоте слоя за счет протекания реакции (р1) и уменьшается за счет протекания реакции (р4). Изменение концентрации диоксида углерода с1 по высоте слоя описывается аналогичным дифференциальным уравнением:
, (4.20)
где эф, 1 – эффективные коэффициенты реакционного газообмена реакций окисления углерода и восстановление углекислого газа, м/с; c и c1 – концентрации кислорода и углекислого газа, кг/м3.
Для частицы, имеющей форму шара, удельная поверхность реагирования определится как . Для слоя топлива необходимо учесть объем пустот в слое. Введя понятие порозности, равной отношению объема пустот к общему объему и учитывая, что увеличение пустот приводит к снижению общей поверхности реагирования, получим .
Интегрируя систему уравнений при начальных условиях х0 = 0, с = с0, с1 = 0, получим распределение концентраций О2 и СО2 по высоте слоя:
, (4.21)
. (4.22)
Оценим требуемую высоту слоя топлива для обеспечения сжигания с заданным коэффициентом избытка воздуха. Концентрация кислорода на выходе из слоя определится из уравнения (4.21). При горении высота слоя не должна заметно превышать высоту кислородной зоны. Выражая из (4.21) высоту слоя, получим
. (4.23)
Концентрация кислорода связана с коэффициентом избытка воздуха соотношением
. (4.24)
Поскольку температура в кислородной зоне высока и близка к адиабатной, константа скорости химического реагирования высока и горение, тем более крупнокускового топлива, идет в диффузионном режиме:
. (4.25)
Критерий Sh для горения в слое можно вычислить по эмпирической формуле
Sh=0,1Re= . (4.26)
Подставляя в (4.23) выражение для удельной поверхности реагирования и числа Шервуда (4.26), получим выражение для определения необходимой высоты плотного слоя топлива:
, (4.27)
где Sс – число Шмидта, представляющее собой отношение кинематической вязкости к коэффициенту молекулярной диффузии.
Требуемая высота плотного слоя пропорциональна диаметру топливных частиц, что хорошо согласуется с экспериментом. Увеличение скорости не изменяет избыток воздуха на выходе из слоя заданной высоты. Это объясняется следующим: увеличение скорости приводит к уменьшению времени пребывания газа в слое, но при этом одновременно интенсифицируется массоперенос. Таким образом, изменение скорости не приводит к ухудшению условий горения, что позволяет легко регулировать нагрузку топки.