4.3.3. Сжигание твердого топлива

В теплотехнике применяют бурые угли, сланец, торф. Их характеристики приведены в п. 4.1.1. Шире используются каменные угли (спекающиеся) и антра-цит, содержащий летучих около 7 %, внешнего балласта 12…25 % и имеющие (в металлургическом производстве иногда до 43 МДж/кг, здесь также используется твердое искусственное топливо - кокс и термоантрацит).

Горение твердого топлива - процесс сложный, разбивается на отдельные стадии: подогрев, подсушивание, выделение летучих и образование кокса, горе-ние летучих и частичная газификация кокса, горение кокса, на долю которого приходится до 90…95 % теплоты горения всех горючих элементов.

Частица твердого топлива, например, каменного угля, внесенная в высоко-нагретый воздух, по прошествии некоторого времени – периода подготовки и сушки топлива, выделения летучих окутывается ярко светящимся пламенем. При этом температура в центре частицы составляет 800…900 К. После прогрева частицы и выделения основной части летучих заканчивается период подготовки горения коксового остатка. Этот период характеризуется быстрым накаливанием оставшейся массы кокса до температуры 1400…1500 К, которая остается неизменной до конца горения и устойчивое горение поддерживается за счет тепловыделения в ходе реакции. Горение в этот период происходит без пламени и занимает 90 % всего времени горения топлива.

После воспламенения коксового остатка, на поверхности раздела двух (на поверхности раздела коксового кусочка) фаз протекают реакции окисления углерода (гетерогенная):

. (4.34)

С повышением температуры концентрация СО в продуктах сгорания увели-чивается, образуются гетерогенные реакции СО₂ + С = 2СО, 2СО + О₂ = 2СО₂.

В процессе горения коксового остатка все реакции протекают одновре-менно, продолжается выделение и горение летучих. Скорость горения углерода увеличивается по закону Аррениуса до температуры до температуры 2600 К, а затем падает до температуры 2100 К и т.д. В этот период горения скорость реакции в большой степени будет зависеть от интенсивности подвода кислорода к поверхности горящей частицы путем диффузии и массообмена.

Такая гетерогенная реакция называется диффузионной. Интенсификация подвода кислорода к поверхности частицы топлива достигается различными методами, в основном конструкцией топки и условиями подвода топлива и воздуха.

На рис. 4.13 приведены наиболее распространенные методы организации процессов сжигания твердого топлива.

Слоевой метод сжигания топлива применяют в небольших промышленных и отопительных котельных. Твердое топливо в виде кусков размером 25-50 мм загружается на колосниковую решетку, поджигается воздухом снизу вверх (см. рис 4.13а).Протекая между кусочками топлива, воздух теряет кислород и обогащается диоксидами углерода (СО₂), оксидами углерода (СО).

Рис 4.13. Устройства для сжигания твердого топлива

Топочные устройства для слоевого сжигания топлива классифицируются на ручные (немеханизированные) и механизированные, в которых подача, переме-щение и шуровка слоя топлива осуществляется с применением пневмомеханиче-ского забрасывателя и транспортерной ленты.

Газообразные несгоревшие вредные выбросы и горючие отходы, при добыче угля, целлюлозно-бумажной промышленности, бытовые отходы и т.д., которые не считаются топливо, сжигаются в топках с кипящим слоем (псевдоожиженным). Это слой мелко зернистого материала, который продувается газом снизу вверх со скоростью превышающей предел устойчивости плотного слоя, но недостаточный для выноса частиц из слоя (см. рис. 4.13г). Интенсивная циркуляция частиц в ограниченном объеме камеры создает впечатление бурно кипящей жидкости. Когда аэродинамическое сопротивление сравнивается с весом частиц, частицы начинают витать в восходящем газовом потоке. Скорость предела устойчивости плотного слоя частиц диаметром 20 мм и плотностью 2,65 г/м³, продуваемого воздухом с температурой 20 и 1000^оС, составляет соответственно 4 и 8 м/с.

Аэродинамической характеристикой слоевого метода сжигания топлива является неравенство

, (4.35)

где - сила тяжести частицы топлива, в виде шара; W_в – скорость потока воздуха в слое; ρ_r и ρ_в – соответственно плотность частицы топлива и воздушного потока: d_r и F – соответственно диаметр и площадь миделева сечения частицы. С – коэффициент сопротивления при внешнем обтекании шара.

Факельный метод сжигания топлива (рис. 4.13б) используется при сжигании пылевидного твердого топлива, содержащего частицы около 0,1 мм и меньше для трудносжигаемого антрацита. Такие пылинки топлива увлекаются потоком воздуха, имеющих вертикальную скорость около 10 м/с. При достаточной высоте топки топливная пыль нагревается и сгорает в факеле, как газообразное топливо. Для хорошей организации сжигания такого топлива применяют улиточные горелки, которые образуют турбулентный закрученный факел, обеспечивающий ускоренный прогрев и воспламенение горючей смеси. Аэродинамической харак-теристикой факельного метода является уравнение, определяющее силу сопроти-вления малой частицы (закон Стокса):

, (4.36)

где µ - динамическй коэффициент вязкости воздуха.

Циклонный метод сжигания топлива (рис. 4.13в) используется при сжигании частиц топлива размером меньше 5 мм Необходимый для горения воздух подается со скоростью до 100 м/с по касательной к цилиндрической образующей циклона. В топке создается вихрь, который вовлекает частицы в циркуляционное движение, обеспечивающее интенсивное горение, близкое к адиабатному, с тем-пературой до 2000 ^оС. Этот метод применяется для сжигания серы с целью получения SO₂, а также для обезвреживания коммунальных и сточных отходов.

Вопросы для самопроверки по теме 4.3

1. Назовите способы приготовления горючей смеси в ДВС с искровым зажиганием.

2. Каковы назначение, виды и характеристики распыливания жидкого топлива?

3. От чего зависит скорость испарения капли топлива?

4. Каковы особенности сжигания мазута в котельных топках?

5. В чем состоят особенности процесса горения твердого топлива?

6. Назовите методы организации процесса сжигания твердого топлива.