Определить способ сжигания топлива

Основы теплотехники

Топливо и его горение

Топливом называют горючие вещества, применяемые для получения теплоты (тепловой энергии) при их сжигании. Под сжиганием обычно подразумевают окисление горючих веществ кислородом воздуха.
Промышленным топливом считаются не все горючие вещества, а лишь те, которые удовлетворяют следующим требованиям:

• при сгорании выделяют достаточно большое количество теплоты;
• не дают продуктов сгорания, губительно действующих на окружающий растительный и животный мир;
• встречаются в больших количествах в природе или легко получаются при переработке других веществ;
• легко добываются и транспортируются на большие расстояния;
• быстро воспламеняются.

Топливо, добываемое из недр земли в готовом виде, называют естественным , а получаемое путем переработки горючих веществ и природного топлива – искусственным . Как естественное, так и искусственное топливо подразделяют на твердое, жидкое и газообразное.

В качестве примера естественных твердых топлив можно привести ископаемый уголь, торф, горючие сланцы, дрова, отходы сельскохозяйственного производства. Искусственное твердое топливо – кокс, полукокс, пылевидное топливо, брикеты, древесный уголь.
К естественному жидкому топливу относится нефть, а к искусственному – получаемые из нефти продукты – бензин, керосин, дизельное топливо, газойль, мазут, нефтяное и котельное топливо.

По назначению топливо подразделяют на энергетическое и технологическое .
К энергетическим относят все низкосортные топлива, которые можно сжигать на электростанциях, в производственно-бытовых и других тепловых установках в натуральном виде или после переработки. Это антрацит, бурые угли, торф, природный газ, а также продукты переработки других топлив.
К технологическому топливу относят высокосортное топливо и коксующиеся угли.

По методу добычи и потребления различают местное и привозное топливо.

Составные части топлива

Топливо состоит из органической и минеральной частей.
Органическую часть топлива составляют следующие химические элементы: углерод (С), водород (Н₂), кислород (О₂), азот (N₂) и сера (S). Топливо может состоять из смеси этих элементов или только их части.
Так, органическую массу кокса или древесного угля в основном составляет углерод, а нефтепродуктов и газового топлива – углерод, водород и кислород.

Наиболее ценные из перечисленных элементов топлива – углерод и водород.
Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, поскольку они не горят. Сера является нежелательным компонентом топлива, несмотря на то, что сгорая, она выделяет теплоту. При сгорании этого элемента образуется сернистый газ и серная кислота, пагубно влияющие на экологию и вызывающие сильную коррозию металлов.

Минеральная часть топлива составляют вода и минеральные примеси, которые являются внешней балластной частью (внешним балластом) топлива. Содержание балластной части в топливе очень нежелательно, поскольку увеличивая массу и объем топлива, она уменьшает его тепловую ценность.
Минеральные составляющие после сжигания образуют твердый остаток – золу.

Сущность процесса горения

Горение есть окисление горючих элементов топлива кислородом, сопровождающееся выделением теплоты.
В зависимости от скорости распространения пламени различают нормальное горение и горение со взрывом . При нормальном горении скорость распространения пламени равна 15-25 м/с, а при взрывном горении – 2000-3000 м/с. Чтобы топливо начало гореть, его необходимо нагреть до определенной температуры, называемой температурой воспламенения .
Так, например, каменный уголь воспламеняется при температуре 225-375 ˚С, сухой торф – 225-300 ˚С, дрова – 350-450 ˚С, керосин – 380 ˚С, бензин – 415 ˚С, метан (СН₄) – 650-700 ˚С и т. д.

При нагревании топлива до температуры воспламенения начинается распад горючей массы на составные элементы, которые затем окисляются кислородом и выделяют теплоту. Эта теплота способствует нагреву массы близлежащего топлива, в которых начинают протекать аналогичные процессы (распад и окисление) , и, таким образом, вся масса топлива, находящегося в топке, начинает гореть.
Для того, чтобы процесс горения не прекратился, выделяющаяся теплота должна поддерживать температуру топлива не ниже температуры воспламенения.

Горение может быть полным и неполным.
Полным горением называют процесс окисления горючих элементов топлива кислородом, при котором выделяются продукты, не способные гореть в дальнейшем.
Неполное сгорание топлива сопровождается выделением продуктов горения, которые в дальнейшем могут воспламеняться и сгорать повторно. Так, при полном сгорании углерода выделяется углекислый газ СО₂, который в дальнейшем гореть не способен.

Однако, если углерод сгорает при недостаточном количестве кислорода, то продуктом его окисления является углекислота СО, которая может загореться при соответствующих условиях. При этом неполное горение сопровождается выделением значительно меньшего количества теплоты, т. е. считается нежелательным явлением. Для того чтобы процесс горения был полным, необходимо обеспечить подачу достаточного количества воздуха (содержащего кислород) в зону горения.
На практике, сжигая топливо, стараются придерживаться определенного баланса между количеством воздуха и топлива, поскольку избыток воздуха сопровождается потерями теплоты на его подогрев.

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива

Количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива, определить несложно, если известно процентное содержание в топливе основных горючих элементов – углерода, водорода, серы и кислорода.
Так как атомная масса углерода 12, а кислорода – 16, то для получения углекислого газа СО₂ необходимо 12 частей углерода соединить с 32 частями кислорода, т. е. на одну массовую долю углерода должно приходиться 2,67 частей кислорода.
Зная атомную массу водорода и серы, а также формулы продуктов их полного окисления, можно аналогично рассчитать необходимое количество кислорода для сжигания 1 части любого горючего элемента.

При определении количества воздуха, необходимого для полного горения, следует учитывать, что в топливе тоже содержится некоторое количество кислорода, а также то, что массовая доля кислорода в воздухе — 23,2 %. В общем случае формула для определения массового количества воздуха для полного сгорания топлива имеет вид:

где: С_р , Н_р , S_р , О_р – соответственно массовое содержание углерода, водорода, серы и кислорода в топливе.

При сгорании топлива часть кислорода воздуха не успевает вступить в реакцию окисления, поэтому для обеспечения полного сгорания топлива следует к нему подводить воздух с некоторым избытком по сравнению с теоретически необходимым количеством. Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому количеству называют коэффициентом избытка воздуха . На практике этот коэффициент (в зависимости от вида топлива) может принимать значения от 1,05 (газообразное и пылевидное топливо) до 1,8 (твердое топливо) .

Теплота сгорания топлива

Важнейшая характеристика топлива – теплота его сгорания – количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы количества топлива (для жидких и твердых топлив – кг, для газообразных – м 3 ) . Различают высшую и низшую теплоту сгорания.
Высшей теплотой сгорания Q_в называют теплоту, выделяемую при полном сгорании единицы количества топлива, в результате которого образующаяся влага конденсируется и выделяется в виде жидкости из продуктов сгорания.
Если в результате сгорания единицы количества топлива образуемая влага остается в продуктах сгорания в парообразном состоянии, то выделяемую при этом теплоту называют низшей теплотой сгорания Q_н . Эта величина меньше высшей теплоты сгорания топлива на теплоту парообразования (конденсации) влаги, образуемой при сжигании единицы количества топлива.

Теплоту сгорания топлива, кДж/кг , можно определить опытным путем (при сжигании порции топлива в специальном приборе – калориметре) или расчетом (по формулам Менделеева) , если известен элементарный состав топлива.

Например, для твердого топлива:

Q_в = 339С + 1250Н – 108,85(О – S) ;

для жидкого топлива:

где: С , Н , О , S и W – соответственно процентное содержание углерода, водорода, кислорода, серы и влаги в рабочем топливе.

Условное топливо

При расчете расхода топлива, а также топливных ресурсов пользуются понятием условное топливо .
Это реальное топливо, теплота сгорания которого равна 29,3 МДж/кг.
Для перевода любого топлива в условное, пользуются тепловым эквивалентом, который получается от деления теплоты Q_рц сгорания данного топлива на теплоту сгорания условного топлива, т. е. на 29300 кДж/кг или 29,3 МДж/кг.
Так, например, для торфа Э_т = 8500/29300 = 0,29, т. е. 1 тонна торфа по своей тепловой ценности равноценна 0,29 тонны условного топлива.

Температура горения топлива

Следует различать теоретическую и действительную температуру горения.
Теоретической температурой горения называют максимальную температуру, которую способно давать данное топливо при полном сгорании с теоретически необходимым количеством воздуха. Ее определяют опытным путем, или аналитически, используя формулы, в которых учитывается массовая доля и теплотворная способность каждого горючего элемента в топливе. При этом теоретическая температура горения будет равна отношению теплоты, полученной от сгорания единицы топлива, к сумме произведений массовых составляющих горючих элементов на их теплотворную способность.
Теоретически определенная температура горения топлива всегда выше действительной, поскольку при расчетах не учитывается ее понижение из-за потерь теплоты на лучеиспускание, избыток воздуха при сжигании, неполное сгорание топлива и т. п.

Действительная температура горения (при коэффициенте избытка воздуха равном 1,0) : антрацита — 2270 ˚С, торфа – 1700 ˚С, мазута – 1125 ˚С, природного газа – 2000 ˚С.

Способы сжигания топлива

В котельной практике известны слоевой, факельный и вихревой способы сжигания топлива.

Слоевой способ сжигания топлива (рис. 1а) заключается в следующем. Загруженное в топку топливо распределяется ровным слоем по колосниковой решетке, через которую проходит воздух, встречающий на своем пути неподвижный или движущийся слой горящего топлива.
При взаимодействии с топливом воздух превращается в газовоздушный поток, который, пройдя через топочное пространство, выходит наружу. Для предотвращения уноса топлива необходимо, чтобы вес частичек топлива был больше силы газовоздушного потока. Однако, при слишком больших размерах кусков топлива замедляется процесс горения и уменьшается количество теплоты, получаемой в единицу времени, поэтому оптимальный размер кусков – 20-30 мм.

Основным достоинством слоевого способа сжигания твердого топлива является наличие на колосниках запаса горящего топлива, обеспечивающего устойчивость протекания процесса. Существенным недостатком этого способа является необходимость использования твердого топлива с оптимальными размерами кусков, что требует предварительной их сортировки и дробления.

Факельный способ сжигания топлива (рис. 1б) , в отличие от слоевого, заключается в том, что частицы топлива движутся вместе с газовоздушным потоком в топочном пространстве. Поэтому масса частиц должна быть как можно меньше, и они должны удерживаться в газовоздушном потоке.
Этим обеспечивается очень тщательное перемешивание частичек топлива с воздухом, интенсивное их горение, получается более однородный, устойчивый факел горения и происходит наиболее полное выгорание горючих элементов, составляющих горючую массу топлива. Поэтому при факельном способе применяют твердое топливо в виде очень мелких частичек (пыли) , размеры которых составляют доли миллиметра.

Существенный недостаток этого способа – малая скорость обтекания частиц топлива газовоздушным потоком, которая не позволяет значительно увеличить интенсивность горения, а также большая чувствительность к изменению режима работы, поскольку в топочном пространстве постоянно находится небольшое количество (запас) топлива. Поэтому регулирование процесса возможно при одновременном изменении подачи топлива и воздуха.

Вихревой способ сжигания топлива (рис. 1в) заключается в создании в топочном пространстве вихря, благодаря которому топливо, поступающее в топку, подхватывается газовоздушным потоком и движется вместе с ним по определенной траектории до полного выгорания горючих элементов из горючей массы.
Вихревое движение топлива в газовоздушном потоке способствует более длительному нахождению топлива в топочном пространстве, что создает условия для полного сгорания частиц размером 3-5 мм и для получения более устойчивого горения, чем при факельном способе сжигания.

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Источник

Способы сжигания топлива. Топки

Различают три способа сжигания топлива: слоевой, при котором топливо в слое продувается воздухом и сжигается; факельный, когда топливно-воздушная смесь сгорает в факеле во взвешенном состоянии при перемещении по топочной камере, и вихревой (циклонный), при котором топливно-воздушная смесь циркулирует по обтекаемому контуру за счет центробежных сил. Факельный и вихревой способы могут быть объединены в камерный.

Процесс слоевого сжигания твердого топлива происходит в неподвижном или кипящем слое (псевдосжиженном). В неподвижном слое (рис. 2.6, а) куски топлива не перемещаются относительно решетки, под которую подается необходимый для горения воздух. В кипящем слое (рис. 2.6, б)частицы твердого топлива под действием скоростного напора воздуха интенсивно перемещаются одна относительно другой. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя и начинается возвратно-поступательное движение частиц над решеткой, называется критической. Кипящий слой существует в границах скоростей от начала псевдосжижения до режима пневмотранспорта.

Рис. 2.6. Схемы сжигания топлива: а – в неподвижном слое; б – в кипящем слое; в – факельный прямоточный процесс; г – вихревой процесс; д – структура неподвижного слоя при горении топлива и изменение a, О₂, СО, СО₂ и t по толщине слоя: 1 – решетка; 2 – шлак; 3 – горящий кокс;
4– топливо; 5 – надслойное пламя

На рис. 2.6, д показана структура неподвижного слоя. Топливо 4, ссыпаемое на горящий кокс, прогревается. Выделяющиеся летучие сгорают, образуя надслойное пламя 5. Максимальная температура (1300 – 1500 °С) наблюдается в области горения коксовых частиц 3.В слое можно выделить две зоны: окислительную, a > 1; восстановительную, a р , рост температуры воздуха.

Поскольку в зоне 2 кроме СО содержатся Н₂ и СН₄, появление которых связано с выделением летучих, то для их дожигания часть воздуха подается через дутьевые сопла, расположенные над слоем.

В кипящем слое крупные фракции топлива находятся во взвешенном состоянии. Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным. Низкотемпературное (800 – 900 °С) сжигание топлива достигается при размещении в кипящем слое поверхности нагрева котла. В отличие от неподвижного слоя, где размер частиц топлива достигает 100 мм, в кипящем слое сжигается дробленый уголь с d_к £ 25 мм.
В слое содержится 5 – 7 %топлива (по объему). Коэффициент теплоотдачи к поверхностям, расположенным в слое, довольно высок и достигает 850 кДж/(м 2 ×ч×К). При сжигании малозольных топлив для увеличения теплоотдачи в слой вводят наполнители в виде инертных зернистых материалов: шлак, песок, доломит. Доломит связывает оксиды серы
(до 90 %), в результате чего снижается вероятность возникновения низкотемпературной коррозии. Более низкий уровень температур газов в кипящем слое способствует уменьшению образования в процессе горения оксидов азота, при выбросе которых в атмосферу загрязняется окружающая среда. Кроме того, исключается шлакование экранов, т. е. налипание на них минеральной части топлива.

Характерной особенностью циркулирующего кипящего слоя является приближение к работе слоя в режиме пневмотранспорта.

Камерный способ сжигания твердого топлива осуществляется преимущественно в мощных котлах. При камерном сжигании размолотое до пылевидного состояния и предварительно подсушенное твердое топливо подают с частью воздуха (первичного) через горелки в топку. Остальную часть воздуха (вторичный) вводят в зону горения чаще всего через те же горелки или через специальные сопла для обеспечения полного сгорания топлива. В топке пылевидное топливо горит во взвешенном состоянии в системе взаимодействующих газовоздушных потоков, перемещающихся в ее объеме. При большем измельчении топлива значительно возрастает площадь реагирующей поверхности, а следовательно, химических реакций горения.

Характеристикой размола твердого топлива является удельная площадь F_пл поверхности пыли или суммарная площадь поверхности частиц пыли массой 1 кг (м 2 /кг). Для частиц сферической формы одинакового (монодисперсного) размера величина F_пл обратно пропорциональна диаметру пылинок.

В действительности получаемая при размоле пыль имеет полидисперсный состав и сложную форму. Для характеристики качества размола полидисперсной пыли наряду с удельной площадью поверхности пыли используют результаты ее просеивания на ситах различных размеров. По данным просеивания строят зерновую (или помольную) характеристику пыли в виде зависимости остатков на сите от размераячеек сита.Наиболее часто используют показатели остатков на ситах 90 мкм и 200 мкм – R₉₀ и R₂₀₀. Предварительная подготовка топлива и подогрев воздуха обеспечивают выгорание твердого топлива в топке за относительно небольшой промежуток времени (несколько секунд) нахождения пылевоздушных потоков (факелов) в ее объеме.

Технологические способы организации сжигания характеризуются определенным вводом топлива и воздуха в топку. В большинстве систем пылеприготовления транспортирование топлива в топку осуществляется первичным воздухом, являющимся только частью общего количества воздуха, необходимого для процесса горения. Подача вторичного воздуха в топку и организация взаимодействия его с первичным осуществляются в горелке.

Камерный способ в отличие от слоевого также применяется для сжигания газообразного и жидкого топлива. Газообразное топливо поступает в топочную камеру через горелку, а жидкое – через форсунки в пульверизированном виде.

Слоевые топки

Топка с неподвижным слоем может быть ручной, полумеханической или механической с цепной решеткой. Механической топкой называют слоевое топочное устройство, в котором все операции (подача топлива, удаление шлака) выполняются механизмами. При обслуживании полумеханических топок наряду с механизмами используется ручной труд. Различают топки с прямым (рис. 2.7, а) и обратным (рис. 2.7, б)ходом решеток 1, приводимых в движение звездочками 2. Расход топлива, подаваемого из бункера 3, регулируется высотой установки шибера 4 (см. рис. 2.7, а)или скоростью движения дозаторов 7(рис. 2.7, б). В решетках с обратным ходом топливо подается на полотно забрасывателями 8 механического (рис. 2.7, б, в)или пневматического (рис. 2.7, г)типа. Мелкие фракции топлива сгорают во взвешенном состоянии, а крупные – в слое на решетке, под которую подводится воздух 9. Прогрев, воспламенение и горение топлива происходят за счет теплоты, передаваемой излучением от продуктов сгорания. Шлак 6 с помощью шлакоснимателя 5(рис. 2.7, а) или под действием собственного веса (рис. 2.7, б)поступает в шлаковый бункер.

Структура горящего слоя представлена на рис. 2.7, а. Область III горения кокса после зоны II подогрева поступающего топлива (зона I) расположена в центральной части решетки. Здесь же находится восстановительная зона IV. Неравномерность степени горения топлива по длине решетки приводит к необходимости секционного подвода воздуха. Большая часть окислителя должна подаваться в зону III, меньшая – в конец зоны реагирования кокса и совсем небольшое количество – в зону II подготовки топлива к сжиганию и зону V выжига шлака. Этому условию отвечает ступенчатое распределение избытка воздуха a₁ по длине решетки. Подача одинакового количества воздуха во все секции могла бы привести к повышенным избыткам воздуха в конце полотна решетки, в результате чего его будет не хватать для горения кокса (кривая a₁) в зоне III.

Основным недостатком топок с цепными решетками являются повышенные потери теплоты от неполноты сгорания топлива. Область применения таких решеток ограничена котлами паропроизводительностью D = 10 кг/с и топливами с выходом летучих = 20 %и приведенной влажностью .

Топки с кипящим слоем отличаются пониженным выбросом таких вредных соединений, как NO_х, SO₂, малой вероятностью шлакования экранов, возможностью (ввиду низкой температуры газов) насыщения объема топки поверхностями нагрева. Недостатками их являются повышенная неполнота сгорания топлива, высокое аэродинамическое сопротивление решетки и слоя,узкий диапазон регулирования паропроизводительности котла.

Рис. 2.7. Схемы работы цепных решеток и типы забрасывателей топлива: а, б – топки с прямым и обратным ходом решеток соответственно; в, г – механический и пневматический забрасыватели;
1 – решетка; 2 – звездочки; 3 – бункер; 4 – шибер; 5 – шлакосниматель; 6 – шлак; 7 – дозатор топлива; 8 – забрасыватель; 9 – подвод воздуха; I – зона свежего топлива; II – зона подогрева топлива;
III – область горения (окисления) кокса; IV – восстановительная зона; V – зона выжига топлива

Слоевой способ сжигания топлива характеризуется относительно невысокими скоростями процесса горения, пониженной его экономичностью и надежностью. Поэтому он не нашел применения в котлах большой производительности.

Источник