книги из ГПНТБ / Щукин А.А. Экономия топлива в черной металлургии. Повышение тепловой эффективности огнетехнических агрегатов

Снижение содержания сажи в газе при температуре газов на выходе из газогенератора 1210 °С достигается применением ката­ лизаторов.

Осветленная вода

3

Мазут ^ г — -

/Сислород

Пар

Сажевая

пульпа

10

На установке ВНИИНП осуществлена газификация мазута по избыточным давлением 5—10 ат на кислородном дутье. При этом образуется газ, содержащий около 90% водорода и окиси углерода [43]. Схема процесса газификации представлена на рис. 85.

Процесс газификации проводится в газогенераторе, куда по­ дается нагретые мазут и паро-кислородная смесь. Производитель­ ность газогенератора 500—1500 кг/ч. Подача мазута в газогенератор обеспечивается одной форсункой. Расход пара на газификацию составляет 0,3—0,5 кг/кг, а кислорода 0,7—0,8 м3 /кг мазута. Темпе­ ратура газификации поддерживается в пределах 1100—1300 °С. Выходящий из газогенератора газ промывается водой в скруббере и сажеотделителе и сжигается. Сажа отделяется от охлаждающей воды в отстойнике и вода снова подается на орошение газа.

В качестве окислителя может быть применен воздух. При этом весь воздух, необходимый для процесса газификации, используется как распылитель мазута. Мазут и воздух перед подачей в газогене­ ратор подогреваются соответственно до 100 и 350 °С.

Оптимальные показатели процесса газификации получаются при удельном расходе воздуха 4,79—4,85 м3 /кг, что соответствует темпе­ ратуре процесса 1250—1270 °С.

Показатели процесса газификации мазута на установке ВНИИНП при работе на воздушном дутье приведены ниже:

Проводились опыты по газификации эмульгированного мазута (влажность последнего в процентах по массе 22,4%). При применении эмульсии выход газа и к. п. д. газификации выше по сравнению с процессом газификации мазута на воздушном и паровоздушном дутье. Выход сажи значительно снижается. Сера из мазута в данном случае переходит в основном в газ. При этом 7,4% серы мазута превращается в огранические соединения, а остальная часть в сероводород. Наилучшими условиями газификации, по данным, следует считать следующие:

При этом выход газа равен 6,15 м3 /кг мазута при теплоте сго­ рания 1240 ккал/м3 .

Качественная характеристика газа при этом следующая:

Эмульсия мазута с водой дает мелкодисперсную систему, где одна фаза представлена водой, а сера — мазутом. При попадании эмульгированного мазута в зону с высокой температурой происхо­ дит его нагрев, а затем испарение. Так как температура кипения воды значительно ниже температуры кипения мазута, она испаряет­ ся раньше, разрывая мазутную оболочку и тем самым уменьшая размеры капель и увеличения их общую поверхность. При этом увеличивается относительная скорость капель мазута по отношению к газовому потоку, что в значительной степени интенсифицирует процесс смешения топлива с воздухом и его испарение. Скорость реакции за счет усиленного притока тепла и окислителя также возрастает.

При высокоскоростном пиролизе высокосернистого мазута, аналогичном спосо­ бу полукоксования мелочи бурого угля по способу ЭНИНа им Г. М. Кржижанов­ ского мазут быстро нагревается до 800—900° С, подвергаясь термохимическому

212

(нефтяной кокс) подвергается газификации водяным паром в водяной генераторный газ, который используется в качестве топлива или для получения водорода или для синтеза аммиака.

Согласно схеме для пиролиза используется твердый теплоноситель — раска­ ленный коксовый порошок. При таком способе около 90% серы улавливается и не попадает в атмосферу.

В обоих случаях установки осложняются химическими цехами по улавливанию побочных продуктов и нефтехимические установки отягощают основное производ­ ство. Эти установки играют роль аналогичную коксохимическим установкам, к кото­ рым в черной металлургии привыкли. Нефтехимия так же как и углехимия дают ряд ценных продуктов — бензола, этилена, водорода, фенола, нефтяного кокса и др. Производство побочных продуктов улучшает экономику десульфурации производства газообразного топлива из высокосернистого мазута.

Устройства для получения полугаза (газификаторы)

Газификаторы устанавливаются непосредственно на печах и позволяют осуществлять двухступенчатое сжигание мазута. Устрой­

(подачи окислителя и ее глубины). Конструктивные особенности устройства позволяют обеспечить регулируемое управление про­ теканием реакции крекинга и окисления. Преимуществами двухсту­ пенчатого сжигания мазута являются: интенсификация его горения, что позволяет уменьшить размеры топочного пространства, бес­ сажевое сжигание (даже при а < 1), высокий импульс пламени при выходе в рабочее пространство. В газификаторах может быть получен не только горючий низкокалорийный газ с высокой темпе­ ратурой, но и защитный газ определенного состава. Тепло, полу­ чаемое при неполном сжигании мазута в газификаторе, использу­ ется для испарения жидкого топлива и газификации.

Чтобы термическая нагрузка соответствовала свойствам топлива и требованиям к горячему газу, необходимы устройства, управля­ ющие временем пребывания и подачей воздуха. Этим требованиям отвечает циклонная топка (см. рис. 78). Путем регулирования ско­ рости и количества воздуха можно управлять временем пребывания и уровнем температуры.

За счет высокой относительной скорости частиц распыленного топлива и воздуха ускоряется обмен энергией и диффузия кислорода в паровую оболочку капли. Если горение стабилизировалось, тан­ генциально по отношению к потоку впрыскивается топливо, полу­ чается пламенное кольцо (кольцевой факел) между серединой цик­ лона и периферией камеры. Уходящие газы удаляются чаще всего в середине.

Образование кольцевого факела определяется круговым дви­ жением нефтяных капель, образующие частички, которые за счет центробежной силы стремятся наружу, а в результате подсоса газы направляются к центру. Круговое равновесие зависит от раз­ мера капли, окружной скорости-и тяги. Газ и топливо находятся

213

друг по отношению к другу в непрерывном относительном движении. Характерная величина капли мазута в пылевом кольце «-40 мкм; рабочая температура 1400 °С. Все стенки камеры охлаждаются водой.

Кроме циклонных газификаторов, есть и другие конструкции, которые показаны на рис. 86. Интересны газификаторы с рециркуля­ цией продуктов сгорания, позволяющие получать газ с малым содержанием сажистого углерода. На рис. 86, а показана схема газификатора с выносным рециркуляционным каналом, причем

4

В

циркуляция газов создается инжектирующим действием форсуноч­ ной струей, а также сопла для впрыска воды, участвующей в про­ цессе газификации. Распыленная вода снижает образование сажи за счет реакции водяного газа и, кроме того, охлаждает газ. В гази­ фикаторе, показанном на рис. 86, б, циркуляцию создает форсунка, засасывая горячие продукты газификации к корню факела.

В ФРГ строятся газификаторы на производительность до 400 кг/ч. Еще одна конструкция газификатора мазута дана на рис. 86, в.

Благодаря конфигурации устройства и направленной ступенчатой подаче воздуха при стабильных условиях потока образуются коль­ цевые или тороидальные вихри. Такая горелка обеспечивает све­ тящийся факел с полным сгоранием в широком пределе регулирова­ ния (7:1). Жидкое топливо распыливается паром (1,5 ати) или воз­ духом (1ати). Горелка создает два стабильных кольцевых вихря и является генератором горячего газа. Топочная камера не имеет футеровки и охлаждается воздухом, идущим для горения. Эта

214

горелка может служить одновременно в качестве газификатора при подаче воздуха с расходом менее стехиометрического или давать продукты полного сгорания при а= 1,0.

На рис. 86, г показан внешний вид еще одной конструкции гази­ фикатора. Устройство состоит из цилиндрической камеры с огне­ упорной футеровкой, в которой распыленное топливо частично сжигается при а =-- 0,Зн-0,5. Свободный углерод составляет 5,0 г/м3 и соответствует 20% введенного с топливом углерода. Путем впрыска воды содержание углерода снижается до 2,0 г/м3 . Также [как и в газификаторе, приведенном на рис. 86, а, вода связывает углерод

в реакцию водяного газа и одновременно служит для охлаждения газа. Выпадение сажистого углерода является недостатком газифи­ каторов. Иногда на футеровке откладывается нефтяной кокс и его необходимо удалять путем выжигания и поэтому выпадение

Г л а в а VII

РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

Расчеты горения топлива выполняют как при проектировании, так и при контроле действующих установок. В этих двух случаях методики расчета различны, так как при контроле действующих установок некоторые величины берут из показания приборов (напри­ мер, объемный состав продуктов сгорания).

215

Расчет полного сгорания топлива

Наиболее распространена методика, применяемая в нормативном методе теп­ лового расчета котельных агрегатов [7] . Расчеты ведут на полное сгорание топлива, отвечающему наиболее экономичному режиму работы агрегата. Однако иногда имеет место и неполное сгорание топлива. Так, в шахтных печах, работающих на коксе, всегда в газах содержится окись углерода вследствие газификационных процессов. При факельном сжигании мазута, газа и угольной пыли, особенно при горячем дутье, имеет место диссоциация газов, с образованием окиси углерода и водорода, что в дан­ ном аппарате (в циклонных предтопках, в рабочих камерах печей) вызывает на пер­ вом этапе недожог (газификацию) топлива. Неполное сгорание имеет место в рефор­ маторах природного газа и т. д. Поэтому ниже рассмотрим и методику неполного сгорания, зная о том, что в конечном счете следует стремиться к экономичной работе, обеспечивая на втором этапе дожигание продуктов неполного сгорания.

Рассмотрим методику расчета, применяемую при проектировании.

Объем воздуха, затрачиваемого на сгорание топлива и газов, образующихся в результате горения, обычно измеряют в кубических метрах, приведенных к нор­ мальным условиям (0° С и 760 мм рт. ст.). Для полного сгорания топлива требуется некоторый избыток воздуха против теоретического расхода; этот избыток воздуха, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха а, зависит от способа сжигания топлива, качества смешения топлива с воздухом и ряда других факторов

Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение действительно затрачиваемого объема воздуха vB к теоретически определенному его объему v°,

образного топлива. Таким образом, буквенные обозначения с соответствующими индексами выражают объемы воздуха или дымовых газов, приходящиеся на 1 кг или на 1 м3 сжигаемого топлива.

газообразного топлива. Итоговые формулы следует использовать в качестве рабочих.

216

Т а б л и ц а 14 Вывод формул для расчета показателей горения твердого и жидкого топлива [на 1 кг топлива]

П р о д о л ж е н и е т а б л . 14

Т а б л и ц а 15

Вывод формул для расчета показателей при полном сгорании газообразного топлива (на 1 м3 сухого топлива)