Теоретические основы энерготехнологии химических производств

существуют многоструйные горелки с 6, 12 и большим количеством по­ токов газа, подаваемого в поток воздуха, причем каждый поток газа за­ кручивается отдельно, и т.п.

бросные сероводородные газы нефтепереработки и т.д.) и менее 3,0 МДж/нм3 (ваграночные выбросы, вентиляционные выбросы, отходящие газы сажевых заводов и т.д.). Граничное значение теплоты сгорания - 3,0 МДж/нм3 обусловлено тем, что при теплоте сгорания менее этого значе­ ния газовая смесь является негорючей, т.к. теплоты сжигания не хватит на подогрев исходных потоков и факел погаснет. При теплоте сжигания большей, чем 3,0 МДж/нм3,тепла на поддержание факела хватает, следо­ вательно, существование факела возможно. Именно поэтому газовые от­ ходы первой группы сжигают как обычное газовое топливо. Если их теп­ лота сжигания приближается к 3,0 МДж/нм3, то для обеспечения стабиль­ ного факела их смешивают с топливным газом, а подаваемый на сжигание воздух предварительно подогревают. Газовые отходы второй группы яв­ ляются условно негорючими, однако если в их составе не содержится ки­ слород, то их также можно смешивать с топливом и сжигать. Если кисло­ рода много, то смешивать их с топливным газом нельзя, поэтому они по­ даются на огневое обезвреживание вместе с дутьевым воздухом.

2.8. Особенности сжигания жидкого топлива

Процесс сжигания жидкого топлива в значительной мере отличается от процесса сжигания газового топлива. Это связано с тем, что жидкость невозможно нагреть выше температуры ее кипения, а ее температура ки-

пеыия всегда ниже, чем температура самовоспламенения. Таким образом, можно сделать вывод, что при сжигании жидких топлив горит не сама жидкость, а ее пары, т.е. газовое топливо.

Известно, что для зажигания газового топлива необходимо соблюде­ ние определенных концентрационных параметров, а температура газовоздушной смеси должна быть выше температуры самовоспламенения. При сжигании жидкого топлива количество паров в воздухе будет определять­ ся интенсивностью кипения, т.е. интенсивностью теплоподвода, который в свою очередь зависит от коэффициента теплопередачи, поверхности те­ плопередачи и средней разности температур. Так как одним из наиболее определяющих параметров является температура, то для жидких топлив в качестве характеристики принимается нижний и верхний температурные пределы вспышки жидкого топлива:

-нижний: температура жидкого топлива, при которой пары топлива только вспыхивают от внешнего источника огня, но далее горения топли­ ва не происходит (скорость испарения топлива ниже, чем скорость расхо­ дования топлива за счет горения);

-верхний: температура жидкого топлива, при которой пары топлива вслед за вспышкой продолжают гореть (скорость испарения топлива сравнима со скоростью расходования топлива за счет горения).

Таким образом, стадией, которая неизменно протекает непосредст­ венно перед горением, является стадия испарения жидкого топлива.

Существуют два способа сжигания жидких топлив:

1 . Сжигание топлива с предварительным испарением. Напримерг сжигание паров бензина в двигателе автомашины, сжигание сжиженного газа из баллона и т.п. В этом случае сжигание топлива ничем не отлича­ ется от сжигания газа.

2. Если топливо очень трудно испарить, то применяется непосредст­ венное сжигание жидкого топлива. Например, сжигание мазута в котлах, сжигание дизельного топлива в дизельных двигателях и т.п.

Рассмотрим более подробно процесс сжигания жидкого топлива в энерготехнологических агрегатах. Схема факела при сжигании жидкого топлива представлена на рис. 2.11. На рисунке видно, что горение жидкого топлива имеет некоторые особенности:

- воспламенение топлива происходит на некотором расстоянии от са­ мой горелки (фронт воспламенения), что определяется необходимостью

нагрева топлива до температуры, соответствующей верхнему пределу (тепловой поток должен обеспечить скорость испарения,равную скорости сжигания топлива);

-далее, процессы испарения, перемешивания паров с воздухом, тер­ мическое разложение высших углеводородов и горения протекают одно­ временно до полного сгорания топлива;

-если неполностью сгоревшая капелька топлива выйдет из зоны вы­ соких температур, то тепловой поток будет недостаточен и процесс испа­ рения легких углеводородов и процесс термического расщепления выс­ ших углеводородов, а следовательно, и процесс горения прекратятся, а неполностью сгоревшие углеводороды (в зависимости от глубины сгора­ ния) будут образововать "сухую” или "жирную" сажу;

-аналогичный процесс (образования сажи) будет иметь место при сжигании топлив, имеющих низкую теплоту сгорания из-за наличия большого количества воды или других примесей, а также для топлив, имеющих большое количество высокомолекулярных соединений, т.к. в отличие от чистых жидкостей, жидкое углеводородное топливо состоит из смеси фракций, поэтому легкие фракции будут испаряться в первую очередь, и температура кипения будет увеличиваться.

Как следует из сказанного, скорость горения жидких топлив опреде­ ляется скоростью их испарения, т.е.

количеством под­

ляется теплотой сгорания топлива, то для более интенсивного испарения можно увеличить площадь теплопередачи и уменьшить массу капли, что достигается при более мелком распылении топлива.

Таким образом, можно сформулировать основные требования к го­ релкам для сжигания жидкого топлива:

1 . Максимально мелкое и стабильное распыление топлива (если топ­ ливо вязкое, то его необходимо предватительно подогревать),

2.Хорошее перемешивание образовавшегося аэрозоля топлива с окислителем и продуктами сгорания.

личество воды, то их гомогенизируют, так, чтобы предотвратить срыв пламени за счет резкого охлаждения зоны горения. Если отходы негорю­ чие, то их подают на огневое обезвреживание вместе с жидким или газо­ вым топливом. В этом случае отходы непосредственно разбрызгивают в факел или гомогенизируют с жидким топливом и сжигают.

2.10. Особенности сжигания твердого топлива

Не вызывает сомнения, что процесс сжигания газового топлива явля­ ется гомогенным. Ранее было показано, что при сжигании жидкого топлива горит не сама жидкость, а ее пары, поэтому процесс горения жидкого топ­ лива также можно отнести к гомогенным процессам. Однако следует отме­ тить, что парящая в топке капля жидкого топлива, содержащего тяжелые фракции и золу, после испарения летучих, обязательно превратится в час­ тичку, состоящую из тяжелых фракций, углерода и золы, которая далее бу­ дет сгорать гетерогенно. В отличие от жидкого или газообразного топлива, твердое топливо можно нагреть до достаточно высокой температуры (тем­ пературы воспламенения) без изменения его агрегатного состояния, таким образом, горение твердого топлива будет протекать на поверхности разде­ ла фаз, следовательно, процесс горения твердых топлив относится к гете­ рогенным. Рассмотрим гетерогенный процесс горения более подробно.

Допустим, имеется некоторая масса твердого топлива, которая подает­ ся в топку на сжигание. После попадания холодного топлива в горячую топку оно начинает нагреваться. Так как твердое топливо может содержать некоторое количество влаги (И'?) в свободном и в связанном (гидратном) состоянии, то в первую очередь влага, находящаяся в свободном состоя­ нии, будет испарена. Испарение влаги приведет к увеличению количества дымовых газов и к снижению как их температуры, так и температуры сжи­ гания топлива. Далее, с увеличением температуры, содержащиеся в топли­ ве гидраты будут разлагаться, и из топлива будет испаряться гидратная влага (как правило, количество гидратной влаги невелико и ее количество обычно связано с зольностью топлива). Кроме того, так как твердое топли­ во может содержать некоторое количество углеводородов, то при повыше­ нии температуры начнется процесс их термического разложения с выделе­ нием легких углеводородов - летучих, которые будут сгорать в газовой фа­

зе. При выделении легких углеводородов твердое топливо будет ококсовываться, т.е. количество углерода в топливе ((f) будет увеличиваться, а ко­ личество водорода ( i f ) - уменьшаться. Когда основное количество лету­ чих сгорит, то создадутся условия доступа кислорода воздуха к раскален­ ным частичкам ококсовованного топлива, что вызовет воспламенение са­ мих частичек топлива, и начнется процесс гетерогенного горения.

Таким образом, горение твердых топлив протекает по следующим стадиям:

1.Нагрев твердого топлива с выделением свободной влаги и, воз­ можно, некоторой части летучих.

2.Нагрев твердого топлива с выделением гидратной влаги, летучих, ококсовование частичек топлива, горение летучих.

3. Горение коксового остатка.

4.Удаление золы.

Как видно, при сжигании твердого топлива протекают процессы как гомогенного, так и гетерогенного горения. Процесс гомогенного горения достаточно подробно был рассмотрен ранее, поэтому рассмотрим более подробно процесс гетерогенного горения коксового остатка (углерода).

Химизм процесса окисления коксового остатка зависит от количества кислорода, поэтому при его горении могут протекать следующие реакции:

С+ Ог - СО2 f

2С + 0 2 = 2СО ,

С+ С02 = 2СО , 2СО + 0 2 = 2С02 .

Вкурсе "Общая химическая технология" достаточно подробно рас­ сматривались гетерогенные химические реакции, поэтому для процесса гетерогенного горения рассмотрим только основные элементы.

Известно, что процессы с гетерогенными химическими реакциями протекают по следующим стадиям (рис.2.16):

1 ) внешняя диффузия кислорода из ядра газового потока к частичке твердого топлива,

2 ) внутренняя диффузия кислорода через пористую пленку золы к частичке углерода,

3)химическая реакция окисления углерода (кокса),

4) внутренняя диффузия продуктов реакции через пористую пленку золы к поверхности раздела фаз,

5) внешняя диффузия продуктов реакции от поверхности раздела фаз

-возможность сжигания мелкого топлива без его уноса потоком;

-возможность легкого удаления золы из топки.

Наиболее традиционной разновидностью топки, применяющейся уже достаточно длительное время, является слоевая топка (рис.2.17).

и летучих до С 02 и Н20. Если избыток кислорода недостаточен для полно­ го горения топлива или происходит плохое распределение воздуха по объ­ ему горящего топлива, то выше кислородной возникает восстановительная зона, т.е. зона образования продуктов неполного горения топлива (восста­ новителей) СО и Н2 по реакциям:

С 0 2 + С = 2 С О ,

н 2о + с = с о + н 2.

Для дожигания образовавшегося монооксида углерода (угарного газа) и водорода поверх горящего слоя подают дополнительное количество воз­ духа или острое дутье (4). Острое дутье является вынужденной и недоста­ точно эффективной мерой, т.к. перемешать поток холодного воздуха и го­ рячих дымовых газов достаточно трудно, поэтому в топку подается много больше воздуха, чем необходимо. Кроме того, на сжигание в слоевую топ­ ку подается только крупнокусковое топливо, что позволяет снизить гид­ равлическое сопротивление слоя и в лучшей степени распределить поток основного воздуха, снизить вероятность образования "гидродинамических дыр" и унос мелких кусков топлива с дымовыми газами. Так как крупные куски горят медленно, то в топку нельзя подавать большое количество то­ плива, т.к. это может вызвать недожог топлива. Эти мероприятия приводят к низкой удельной мощности и большим размерам слоевых топок.

Модификацией слоевой топки, позволяющей механизировать подачу топ­ лива на горение и выгрузку шлакалвляется механическая топка (рис.2.18).