Энерготехнология химических производств
..pdfРабота форсунки заключается в том, что распыливающий стакан 2 вместе с полым валом 3 вращается со скоростью 80–120 об/с. Поток топлива (М) подается по трубке 1 на конусную часть стакана 2 и под действием центробежных сил разбрызгивается.
Кроме возможности работать на относительно грязном топливе, данная форсунка может легко регулироваться по нагрузке. Однако конструкция горелки требует квалифицированного обслуживания и достаточно дорога, поскольку для ее работы требуется электродвигатель.
Как и газовые, жидкие отходы бывают двух видов: горючие и негорючие. К горючим относят отходы (как правило, нефтепереботки), которые могут гореть самостоятельно. В этом случае отходы сжигаются как обычное топливо. Если в горючих отходах содержится некоторое количество воды, то их гомогенизируют так, чтобы предотвратить срыв пламени за счет резкого охлаждения зоны горения. Если отходы негорючие, то их подают на огневое обезвреживание вместе с жидким или газовым 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 является гомогенным. Ранее было показано, что при сжигании жидкого топлива горит не сама жидкость, а ее пары, поэтому процесс горения жидкого топлива также можно отнести к гомогенным процессам. Следует отметить, что парящая в топке капля жидкого топлива, содержащего тяжелые фракции и золу, после испарения летучих обязательно превратится в частицу, состоящую из тяжелых фракций, углерода и золы, которая далее будет сгорать гетерогенно. В отличие от жидкого или газообразного топлива, твердое топливо можно нагреть до достаточно высокой температуры (температуры воспламенения) без изменения его агрегатного состояния. Таким образом, горение твердого топлива будет протекать на поверхности раздела фаз, следовательно, процесс горения твердых топлив относится к гетерогенным. Рассмотрим гетерогенный процесс горения более подробно.
Допустим, имеется некоторая масса твердого топлива, которая подается в топку на сжигание. После попадания холодного топлива в горячую топку оно начинает нагреваться. Так как твердое топливо может содержать некоторое количество влаги (WP) в свободном
81
и в связанном (гидратном) состоянии, то в первую очередь влага, находящаяся в свободном состоянии, будет испарена. Ее испарение приведет к увеличению количества дымовых газов и к снижению как их температуры, так и температуры сжигания топлива. Далее с увеличением температуры содержащиеся в топливе 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 топливо может содержать некоторое количество углеводородов, то при повышении температуры начнется процесс их термического разложения с выделением легких углеводородов – летучих, которые будут сгорать в газовой фазе. При выделении легких углеводородов твердое топливо будет ококсовываться, т.е. количество углерода в топливе (СР) будет увеличиваться, а количество водорода (НР) – уменьшаться. Когда основное количество летучих сгорит, то создадутся условия доступа кислорода воздуха к раскаленным частичкам ококсовованного топлива, что вызовет воспламенение самих частичек топлива, и начнется процесс гетерогенного горения.
Таким образом, горение твердых топлив протекает в соответствии со следующими стадиями:
1)нагрев твердого топлива с выделением свободной влаги и, возможно, некоторой части летучих;
2)нагрев твердого топлива с выделением гидратной влаги, летучих, ококсовование частиц 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+ О2 = СО2, 2С + О2 = 2СО,
С+ СО2 = 2СО, 2СО + О2 = 2СО2.
82
Вкурсе «Общая химическая технология» достаточно подробно были описаны 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 в ядро потока.
Взависимости от условий лимитирующей может быть любая из пяти стадий процесса. Так, например, при низкой температуре скорость химической реакции мала, поэтому процесс горения будет лимитироваться кинетикой реакции. При высокой температуре скорость химической реакции велика, а диффузии – мала, поэтому скорость процесса горения будет определяться внутренней или внешней диффузией. Причем скорость внутренней диффузии определяется свойствами золы (наличием и размером пор) и толщиной слоя золы, а скорость внешней диффузии – гидродинамикой газового потока и площадью массообмена, т.е. размером частиц.
Рис. 2.16. Схема процесса горения частицы твердого топлива
83
Таким образом, можно сформулировать требования к твердому топливу с целью интенсификации процесса горения топлива:
–для увеличения скорости химической реакции необходимо поддерживать высокую температуру;
–недопустимо использовать топливо с большим количеством золы или легкоплавкой золой, так как при большом количестве золы
втопливе слой шлака будет толстый, а если зола легкоплавкая, то расплавленный шлак может покрыть плотным слоем поверхность кокса и будет препятствовать подводу необходимого количества кислорода в зону реакции;
–перед сжиганием необходимо предварительно подготавливать (дробить) топливо, а сжигать топливо в топках, обеспечивающих турбулентный высокоскоростной поток воздуха.
2.11. Горелки и топки для сжигания твердого топлива
Исходя из сформулированных выше требований к твердому топливу и самому процессу сжигания горелка или топка для сжигания твердого топлива должна обеспечивать:
–создание хорошо фильтрующего горящего слоя топлива, обеспечивающего хороший доступ кислорода воздуха к каждой частичке твердого топлива;
–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).
Рис. 2.17. Схема процесса горения в слоевой топке
84
Согласно схеме топки твердое топливо подается в зону горения на колосниковую решетку, которая продувается потоком воздуха 1. В зависимости от исходного состава топлива и количества подаваемого в топку воздуха в слое горящего топлива могут образоваться две зоны с различным химизмом процесса горения: кислородная 2 и восстановительная 3. В кислородной зоне, т.е. зоне с большим количеством кислорода, протекают реакции полного окисления углерода и летучих до СО2 и Н2О. Если избыток кислорода недостаточен для полного горения топлива или происходит плохое распределение воздуха по объему горящего топлива, то выше кислородной возникает восстановительная зона, т.е. зона образования продуктов неполного горения топлива (восстановителей) СО и Н2 по реакциям:
СО2 + С = 2СО, Н2О + С = СО + Н2.
Для дожигания образовавшегося монооксида углерода (угарного газа) и водорода поверх горящего слоя подают дополнительное количество воздуха или острое дутье 4. Острое дутье является вынужденной и недостаточно эффективной мерой, так как перемешать поток холодного воздуха и горячих дымовых газов достаточно трудно, поэтому в топку подается много больше воздуха, чем необходимо. Кроме того, на сжигание в слоевую топку подается только крупнокусковое топливо, что позволяет снизить гидравлическое 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 топлива, поскольку это может вызвать его недожог. Эти мероприятия приводят к низкой удельной мощности и большим размерам слоевых топок.
Модификацией слоевой топки, позволяющей механизировать подачу топлива на горение и выгрузку шлака, является механиче-
ская топка (рис. 2.18).
Согласно схеме на рис. 2.18 топливо из бункера 1 подается на цепную колосниковую решетку 3, которая движется вместе с расположенным на ее поверхности топливом. Толщина слоя топлива регулируется задвижкой 2. Между верхним и нижним полотнами решетки расположены дюзы для воздуха, подаваемого на сжигание под слой топлива. Скорость движения колосниковой решетки тако-
85
ва, что все топливо, поданное в топку, сгорает, а образовавшаяся в результате горения зола с помощью шлакоснимателя 4 выгружается в отвал. Для дожигания продуктов неполного горения поверх горящего слоя подают острое дутье 5. Однако, несмотря на некоторую механизацию, интенсивность горения топлива и удельная производительность топки невелики.
Рис. 2.18. Схема процесса горения в механической топке
Более интенсивно, чем слоевая и механическая топки, твердое топливо позволяет сжигать топка кипящего (псевдоожиженного) слоя (рис. 2.19), которая широко применяется в химической промышленности (например, для обжига колчеданов при производстве серной кислоты, сжигания отходов, шламов и т.п.).
Согласно схеме на рис. 2.19 предварительно подготовленное топливо, доведенное до однородного гранулометрического состава, из бункера 1 подается в топку пневморазбрасывателем 2. В топке кусочки топлива, попадая в псевдоожиженный слой 3, воспламеняются и уже в горящем состоянии могут циркулировать по всему объему топки. Образовавшаяся зола удаляется из топки через выгружное отверстие 4. Иногда для дожигания продуктов неполного горения поверх горящего слоя подают острое дутье 6.
Как известно из курса «Процессы и аппараты химической технологии», псевдоожиженный слой позволяет более интенсивно проводить гетерогенные процессы, скорость которых лимитируется диффузией, так как:
– допускает подачу относительно мелких частичек твердой фазы, которые быстро нагреваются и сгорают;
86
Рис. 2.19. Схема процесса горения
втопке кипящего слоя
–каждая частичка топлива парит в потоке воздуха, что позволяет подвести необходимое количество кислорода к каждой частичке;
–горящая частичка топлива, двигаясь по объему реактора (топки), ударяется и трется о другие частички и стенки реактора, в результате чего образовавшийся на поверхности частички слой золы частично счищается.
Кроме того, топка с псевдоожиженным слоем позволяет устанавливать теплообменное оборудование 5 непосредственно в горящий слой, что позволяет передать тепло теплоносителю со значительно большим коэффициентом теплопередачи.
Однако пседоожиженный слой имеет недостаток, который заключается в том, что на сжигание должно подаваться топливо одного гранулометрического состава. Это связано с тем, что скорость псевдоожижения снижается при уменьшении размера частиц, поэтому крупная фракция осядет на холодное дно слоя, а мелкая будет вынесена из топки вместе с мелкими частичками золы, что требует применения достаточно высоких топок (чтобы мелкие частички успели догореть) или возврата части пыли обратно в топку (циркуляционный кипящий слой).
Существуют топки, снабженные горелками, которые специально предназначенны для сжигания пылеобразного твердого топлива – факельные горелки (рис. 2.20). Как видно, факельная горелка мало отличается от горелок для сжигания газа и жидкого топлива. Так, предварительно подготовленное (измельченное до пылеобразного состояния) топливо вместе с первичным воздухом (пневмотранспортом) подается в факельную горелку.
87
Рис. 2.20. Схема процесса горения
вфакельной горелке
Вгорелку также подается вторичный воздух, который дополнительно распыляет поданное топливо. Преимуществами этой горелки является то, что она позволяет сжигать отходы угледобычи (штыб)
илегко регулируется ее производительность (пылеобразное топливо по свойствам очень похоже на жидкость). К недостаткам следует отнести то, что для полного сгорания топлива требуется достаточно большой объем топки, так как частица топлива должна оставаться в зоне высоких температур до тех пор, пока она полностью не сгорит, поэтому горелки и сама топка проектируются для конкретного типа угля (например, бурого угля конкретного месторождения). Использование топлива с другим выходом летучих нежелательно, поскольку это может негативно сказаться на мощности котла и полноте сжигания топлива. Кроме того, топливо должно быть сухим и иметь стабильную тонину помола. Однако твердое топливо достаточно трудно зажечь, поэтому данный тип горелок требует дополнительных мероприятий по стабилизации пламени, которая обеспечивается непрерывным горением, «подсветкой» факела несколькими горелками, работающими на газе или мазуте.
К высокоинтенсивным топкам, позволяющим сжигать мелкое топливо и отходы производства, относят циклонные топки, вариант которой представлен на рис. 2.21.
Согласно схеме на рисунке, указанном выше, измельченное твердое топливо вместе с первичным воздухом тангенциально подается в коническую часть горелки. Для придания дополнительной угловой скорости в топку тангенциально подается вторичный воз-
88
дух, что позволяет разогнать горящее топливо до достаточно высокой угловой скорости.
Рис. 2.21. Схема процесса горения в циклонной топке
По сравнению с факельной циклонная топка значительно меньше по размерам и не столь требовательна к размеру частиц. Однако непосредственный контакт потока горящего топлива со стенками топки быстро выводит корпус из строя, и его приходится достаточно часто заменять.
В химической промышленности разновидности топок этого типа применяются для сжигания серы, сточных вод, отходов и др. В этих случаях (при необходимости) в топку также может быть подано газовое или жидкое топливо.
89
3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Как было сказано выше, основными компонентами дымовых газов при полном сжигании топлива являются CO2, H2O, N2, O2 и SO2. Однако, кроме этих соединений, дымовые газы содержат оксиды азота, которые образуются в топке при высоких температурах из атмосферного азота или его соединений, содержащихся в топливе. Часть компонентов: углекислый газ, вода, азот и кислород – не оказывают вредного влияния на человека, а часть: оксиды азота (NO, NO2, N2O) и серы (SO2, SO3) – очень вредны для него и окружающей среды. Так, отрицательное воздействие оксидов азота на природу выражается в образовании фотохимического смога, разрушении озонового слоя Земли, выпадении кислотных дождей, гибели лесов и водоемов, а на организм человека оксиды азота оказывают резко выраженное общетоксическое и канцерогенное воздействие. Оксиды серы, а также образующиеся при их соединении с водяными парами сернистая и серная кислоты оказывают вредное воздействие на здоровье людей, вызывают разрушение стальных конструкций и строительных материалов, снижение прозрачности атмосферы, нарушают процесс фотосинтеза и, следовательно, гибель хвойных лесов и плодовых деревьев. Однако наибольшую опасность представляют источники газовых выбросов, содержащие одновременно оксиды азота и оксиды серы, т.е. дымовые газы энерготехнологических установок.
Газовые выбросы могут поступать в атмосферу без обезвреживания (очистки) либо после него. Наиболее важной характеристикой газовых выбросов является их количество, определяемое произведением расхода дымовых газов и концентрации загрязняющих компонентов. Так как концентрация оксидов серы и азота очень низка, то использование объемных или массовых процентов неудобно. Поэтому для низкоконцентрированных компонентов используют два типа выражения концентрации:
–массовую – мг/м3, т.е. количество мг загрязняющего вещества в 1 м3;
–объемную – ppm (parts per million – частей на миллион), т.е. количество частиц (молекул) загрязняющего вещества, которое содержится в 1 миллионе частиц газа.
90