Способы сжигания топлива различных видов

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

Топливо. Виды топлива и устройства для его сжигания

Топливо – это горючее вещество, выделяющее при сгорании значительное количество теплоты и используемое как источник получения тепловой энергии. По агрегатному состоянию топливо подразделяют на твердое, жидкое и газообразное. Оно может быть естественным, используемым в том состоянии, в котором оно находится в природе, и искусственным, переработанным из естественных видов топлива. К твердому естественному топливу, применяемому для отопления различных печей, относят дрова, торф, антрацит, бурые и каменные угли; к твердому искусственному топливу – древесный уголь, кокс, термоантрацит, брикеты и пыль от бурого и каменного углей.

В качестве жидкого искусственного топлива используют мазут и различные жидкотекучие смолы. Газообразное топливо может быть естественным, например природный газ, и искусственным, например газы, получаемые в доменных печах (доменный или колошниковый), коксовых печах (коксовый) и газогенераторах (генераторный). Для отопления кузнечных, прокатных и термических печей применяют только газообразные и жидкие виды топлива.

1. Жидкое топливо

Жидкие топлива представляют собой вещества органического происхождения. Основные составляющие элементы жидких топлив: углерод, водород, кислород, азот и сера, которые образуют многочисленные химические соединения.

Углерод (С) – основной тепловыделяющий элемент: при сгорании 1 кг углерода выделяется 34 000 кДж теплоты. В мазуте содержится до 80 % углерода, образующего различные соединения.

Водород (H) – второй наиболее важный элемент жидкого топлива: при сгорании 1 кг водорода выделяется 125 000 кДж теплоты, т.е. почти в 4 раза больше, чем при сгорании углерода. В жидких топливах имеется

Азот (N) и кислород (О₂) содержатся в жидком топливе в небольших количествах (

3 %). Они входят в состав сложных органических кислот и фенолов.

Сера (S) обычно присутствует в углеводородах (до 4 % и более). Она является вредной примесью в топливе.

В состав жидкого топлива также входят влага и до 0,5 % золы. Влага и зола уменьшают процентное содержание горючих составляющих жидкого топлива, что снижает его теплотворность.

2. Газообразное топливо

Газообразное топливо – это смесь различных газов: метана, этилена и других углеводородов, оксида углерода, диоксида углерода или углекислого газа, азота, водорода, сероводорода, кислорода и других газов, а также водяных паров.

Метан (CH₄) – основная составляющая часть многих природных газов. Его содержание в природных газах достигает 93…98 %. При сгорании 1 м 3 метана выделяется

35 800 кДж теплоты.

В газообразных топливах также может содержаться небольшое количество этилена (С₂H₄). Сгорание 1 м 3 этилена дает

59 000 кДж теплоты.

В газообразном топливе кроме метана и этилена присутствуют также углеводородные соединения, например пропан (С₃H₈), бутан (С₄H₁₀) и др. При горении этих углеводородов выделяется больше теплоты, чем при сгорании этилена, но в горючих газах их количество незначительно.

Водород (H₂) в 14,5 раза легче воздуха. При сгорании 1 м 3 водорода выделяется

10 800 кДж теплоты. Многие горючие газы, кроме коксового, содержат относительно небольшое количество водорода. В коксовом газе его содержание может достигать 50…60 %.

Оксид углерода (СО) – основная горючая составляющая доменного газа. При сгорании 1 м 3 этого газа образуется

12 770 кДж теплоты. Этот газ не имеет ни цвета, ни запаха и очень ядовит.

Сероводород (H₂S) – тяжелый газ с неприятным запахом, отличается высокой токсичностью. При наличии в газе сероводорода повышается коррозия металлических частей печи и газопровода. Вредное действие сероводорода усиливается наличием в газе кислорода и влаги. При сгорании 1 м 3 сероводорода выделяется

23 400 кДж теплоты.

Остальные газы: СО₂, N₂, О₂ и пары воды – балластные составляющие, так как при повышении содержания этих газов в топливе снижается содержание его горючих составляющих. Их присутствие приводит к снижению температуры горения топлива. Содержание в газообразном топливе >0,5 % свободного кислорода считается опасным по условиям техники безопасности.

3. Топливосжигающие устройства

Сгорание топлива (газообразного, жидкого) осуществляют с помощью специальных топливосжигающих устройств: горелок и форсунок.

Горелки для газа и форсунки для мазута предназначены для ввода топлива и воздуха в топку или рабочее пространство печи, перемешивания горючего с кислородом и воспламенения горючей смеси. Основная задача топливосжигающих устройств – обеспечение условий образования горючей смеси топлива с воздухом. Смесеобразование осуществляется путем молекулярной и турбулентной диффузии. Молекулярная диффузия является медленным процессом по сравнению с турбулентной диффузией. Турбулентность достигается путем использования рассекателей, диффузоров, завихрителей потоков.

Процесс горения мазута более сложен, чем процесс горения газообразного топлива. При горении жидкого топлива можно выделить следующие стадии: распыление топлива и смешивание его с воздухом, подогрев смеси и испарение легких фракций, термическое расширение и горение газовой фазы. Горелки с предварительным перемешиванием называют беспламенными, так как при этом в рабочее пространство печи поступают продукты горения без видимого факела.

Широкое распространение получили беспламенные горелки с инжекционными смесителями, в которых необходимое количество воздуха для горения подсасывается благодаря энергии газа, подаваемого струей с высокой скоростью. При работе инжекционные горелки забирают холодный воздух непосредственно из помещения, подсасывая его в количестве, пропорциональном подаваемому газу. На рис. 3 приведена двухпроводная инжекционная горелка.

Недостаток беспламенных горелок заключается в том, что при снижении скорости подачи смеси в тоннель печи возможен проскок пламени (отрыв его от горелки). Беспламенные горелки характеризуются концентрированным горением (коротким факелом) и непригодны для печей, где требуются растянутый факел и высокая тепловая напряженность.

Рис. 3. Двухпроводная инжекционная горелка

Рис. 4. Двухпроводная горелка малой мощности

В двухпроводных инжекционных горелках инжектирующая среда – газ, а инжектируемая – подогретый воздух. Для исключения деформации носка горелки в данной конструкции предусмотрено его охлаждение водой. Однако при всех недостатках метод беспламенного сжигания газа высокоэффективен.

Пламенные горелки осуществляют факельное сжигание топливной смеси без предварительного перемешивания газа и воздуха и работают только вследствие придания газовому и воздушному потокам необходимых скоростей и направлений. Процессы перемешивания и горения совмещены и выполняются непосредственно в рабочем пространстве печи. В пламенных горелках обычно используют подогретый воздух с α ≤ 1,05. При сжигании газа факел получается длинный и зона высоких температур удалена от кладки.

Пламенные горелки оказываются более эффективными, когда в печи надо обеспечить заданное распределение температур, интенсивную теплоотдачу в рабочем объеме или заданный состав продуктов горения. Промышленность выпускает пламенные горелки двух типов: с частичным внутренним перемешиванием (тип ГНП), рассчитанные на сжигание природного газа с теплотой сгорания 36 МДж/м 3 при коэффициенте расхода воздуха α = 1,05; с внешним перемешиванием (типы ДВМ, ДНМ, ДВС, ДНС, ДВБ, ДНБ и др. Буквенные обозначения соответствуют названиям: Д – двухпроводные; В, Н – высокая и низкая расчетная теплота сгорания газа; М, С, Б – малая, средняя и большая мощности). На рис. 4 приведена двухпроводная горелка малой мощности.

При нагреве металла в среде защитного газа не допускается попадания в нее продуктов горения и поэтому печи должны иметь косвенный обогрев. Это достигается муфелированием (защитой) нагреваемого металла, что связано с большим расходом окалиностойкой стали, или муфелированием пламени.

Муфелирование пламени (в бесмуфельных печах) осуществляется радиационными трубами. Каждая радиационная труба – это независимый нагреватель, внутри которого происходит сжигание топлива – преобразование химической энергии в тепловую.

Передача теплоты проводится сложным путем. Так, передача теплоты от продуктов сгорания непосредственно к стенкам трубы выполняется путем радиационноконвективного теплообмена, а от трубы к нагреваемым заготовкам – в основном радиацией, откуда и название этого вида нагревателей – радиационные. Они обеспечивают максимальную рабочую температуру 1000…1050 °С. Удельный теплосъем с поверхности нагревателя может достигать 23…46 кВт/м 2 .

Радиационные трубы могут работать на газовом и жидком топливах и вместо горелок (форсунок) могут быть оборудованы электронагревателями, размещенными внутри труб. Радиационные трубы изготавливают из жаропрочных материалов диаметром 80…200 мм, с толщиной стенки 4…15 мм. Габаритные длины радиационных труб могут быть 1…3,5 м. Корпус радиационных труб может иметь различную форму, отсюда происходит и их название: прямые (пролетные), тупиковые, Р-, Ф-, U-, W-образные, кольцевые и др.

Рис. 5. Формы радиационных труб: а – двухкольцевая (Ф-образная); б – W-образная; в – m-образная; г – однокольцевая; д – Р-образная; е – U-образная; ж – О-образная; з – петлевая; и – L-образная; к – прямая; л – тупиковая

На рис. 5 приведены некоторые формы радиационных труб.

Мазут распыляют форсунками, которые подразделяют на высокого (паровые и воздушные) и низкого (воздушные) давления. При распылении поверхность контакта мазута с воздухом увеличивается в

2500 раз, что значительно ускоряет нагрев капли мазута и ее испарение. Хорошее перемешивание и турбулентность потока обеспечивают полное сгорание топлива с коэффициентом расхода воздуха α до 1,2. При недостаточном распылении образуются крупные частицы сажистого углерода, которые не успевают сгорать в топке и образуют копоть. На рис. 6 приведена схема форсунки высокого давления.

В форсунках высокого давления масса распылителя мала, а скорости его подачи достаточно высоки, например в некоторых конструкциях даже сверхзвуковые. В форсунках низкого давления скорости подачи распылителя значительно ниже, однако его масса больше. В форсунках низкого давления мазут распыляют воздухом, подаваемым вентилятором высокого давления. При этом весь объем распылителя проходит через форсунку, что значительно улучшает условия распыления и смесеобразования. Факел получают коротким в отличие от форсунок высокого давления, у которых факел узкий и длинный (2,5…7 м). На рис. 7 приведена схема форсунки низкого давления.

Рис. 6. Форсунка высокого давления: 1 – патрубок для распылителя; 2 – центрирующие выступы мазутной трубки; 3 – мазутная трубка; 4 – соединительная гайка; 5 – контргайка

В настоящее время разработаны и широко применяются газомазутные горелки.

Они могут работать как на газе, так и на мазуте.

Рис. 7. Схема форсунки низкого давления: 1 – корпус; 2 – подвижный наконечник; 3 – мазутная трубка; 4 – мазутопровод; 5 – маховик для перемещения иглы; 6 – игла; 7 – рычаг для перемещения наконечника

В печах для нагрева металла под ковку и штамповку устанавливают меньшее число форсунок, но большей производительности, чем в термических печах, где для обеспечения равномерности нагрева необходим рассредоточенный подвод теплоты. В кузнечных печах мазутный факел может находиться непосредственно в рабочем

пространстве, в термических же печах форсунки устанавливают в закрытых топках – форкамерах, из которых продукты сгорания поступают в рабочее пространство печи.

Источник