ПОСОБИЕ по ФХОГТ

14

веществ и характеру коксового остатка (длиннопламенный – Д, газовый – Г, жирный – Ж, коксовый – К, спекающийся – С, тощий – Т) и по крупности кусков (крупный – К, орех – О, мелкий – М, семечко – С, штыб – Ш, рядовой

– Р).

Антрациты отличаются от других твердых топлив плотной структурой,

высоким содержанием углерода (Cг = 93–96%), малым выходом летучих ве-

ществ (V г = 3–5%), малой зольностью (Aр =13 – 17%) и влажностью (Wр = 5– 7%), высокой теплотой сгорания (Qнр 30 35МДж/кг).

Горючие сланцы характеризуются большой зольностью (Aр =50–60%) и

высоким выходом летучих веществ (V г = 80–90%); влажность их невелика

(Wр = 15–20%), они имеют самую низкую для твердых топлив теплоту сгора-

Торф – самый молодой вид твердого органического топлива. Он имеет большой выход летучих веществ (V г = 70%), высокую влажность (Wр = 30– 50%) и малое содержание золы (Aр =5–10%). Теплота сгорания торфа не-

большая (Qнр 10 13МДж/кг).

1.5.Жидкое топливо

Природное жидкое топливо – нефть – одновременно является источником получения искусственного жидкого топлива. Нефть состоит из различных углеводородов с примесью кислородных, азотных и сернистых соединений. Природную нефть в качестве топлива, как правило, не применяют. Жидкие искусственные топлива делят на жидкие дистиллятные, тяжелые дистиллятные и остаточные.

Основными характеристиками тяжелого дистиллятного топлива являются вязкость, температуры застывания и вспышки, процентное содержание кокса, определяющее склонность топлива к нагарообразованию. Остаточное топливо, например мазут, сжигают в топках котлов и печей. Мазут характе-

ризуется высокой теплотой сгорания Qнр 40 42МДж/кг и представляет

15

собой вязкую жидкость, которую необходимо подогревать до 310–320 K при транспортировании по трубам, а при сжигании – до 350–390 K.

Жидкое топливо получается из нефти методом термической разгонки (крекинга). В зависимости от температуры получают фракции: бензин

(200…225 °С), керосин (140…300 °С), дизельные топлива (190…350 °С), мазуты (> 350 °С).

Мазуты для котельных делятся на:

•--флотские Ф–5 и Ф–12 – для использования в судовых котлах, газотурбинных установках и двигателях;

•--топочные мазуты М–40, М–100 и другие, которые в зависимости от содержания серы делятся на малосернистые (S < 0,5 %), сернистые (S = 0,5…2 %), высокосернистые (S > 2 %);

•--топочные печные бытовые (ТПБ).

•--теплота сгорания 39…42 МДж/кг;

•--относительная плотность – отношение плотности нефтепродукта при 20 °С к плотности дистиллированной воды при 4 °С (0,9…1,02);

•--вязкость условная (ВУ) – отношение времени истечения 200 см3 нефтепродукта при определенной (50, 80, 100 °С) температуре, ко времени этого же объема дистиллированной воды при 20 °С; для обеспечения перекачки и сжигания топочного мазута (кроме ТПБ) в котлах его подогревают до 70…115 °С, для того чтобы ВУ = 3…6 °.

•--температура вспышки (80…110 °С) – когда нагретое топливо выделяет пары, которые в смеси с воздухом могут вспыхнуть при подносе к ним пламени;

•--температура застывания (от −10 до + 42 °С) – при которой оно загустеет настолько, что при наклоне пробирки с топливом на 45° к горизонту его уровень остается неподвижным в течение 1 мин.

1.6.Газообразное топливо

Горючие газы, употребляемые как топливо, по своему происхождению разделяются на природные и искусственные. К природным относятся газы, добываемые из недр Земли, а к искусственным – получаемые на газовых заводах из твердого или жидкого топлива. Природные газы представляют собой смесь различных углеводородов метанового ряда. Они не содержат водорода и оксида углерода. Содержание кислорода, азота и углекислого газа обычно бывает невысоким. Газы некоторых месторождений содержат в небольших количествах сероводород.

Природные газы можно подразделить на три группы:

16

1.Газы, добываемые из чисто газовых месторождений. Они в ос-

новном состоят из метана и являются тощими или сухими. Тяжелых углеводородов (от пропана и выше) сухие газы содержат менее 50 г/м3.

2.Газы, которые выделяются из скважин нефтяных месторождений совместно с нефтью, в которой его бывает растворено от 10 до 50% от веса добываемой нефти. В этом случае выделение газа из нефти и его улавливание производится при снижении давления выходящей из скважины нефти в специальных металлических резервуарах – сепараторах или траппах, в которые нефть поступает из скважины. Полученные таким образом газы называются попутными (нефтяными). Помимо метана они содержат значительное количество (до 60%) более тяжелых углеводородов и являются жирными газами.

3.Газы, которые добывают из конденсатных месторождений. Они представляют собой смесь сухого газа (> 75%) и паров конденсата, который выпадает при снижении давления. Пары конденсата представляют собой смесь паров тяжелых углеводородов (бензина, лигроина, керосина).

Сухие газы легче воздуха, а жирные легче или тяжелее в зависимости

от содержания тяжелых углеводородов. Низшая теплота сгорания сухих газов, добываемых в нашей стране, составляет 31000–38000 кДж/м3. Теплота сгорания попутных газов выше и изменяется от 38000 до 63000 кДж/м3.

Природные газы подразделяются также на бессернистые, в которых сернистых соединений нет или есть только их следы, и сернистые газы, в которых содержание сернистых соединений достигает 1% и более.

Искусственные газы получаются из твердого или жидкого топлива. При термической переработке твердых топлив в зависимости от способа переработки получают газы сухой перегонки и генераторные газы.

Сухая перегонка твердого топлива представляет собой процесс его термического разложения, протекающий без доступа воздуха. При сухой перегонке топливо проходит ряд стадий физико–химических преобразований, в результате которых оно разлагается на газ, смолу и коксовый остаток. Характер преобразований, претерпеваемых топливом, определяется его природой и температурой процесса. Сухую перегонку топлива, происходящую при высоких температурах (900–1100 °C), называют коксованием, в результате кото-

рого получают кокс и коксовый газ с низшей теплотой сгорания Qн = 16000– 18000 кДж/м3 и плотностью ρ = 0,45–0,5 кг/м3. Из одной тонны каменного угля коксованием можно получить 300–350 м3 коксового газа.

Получать газ методом сухой перегонки можно и при температуре 500–

550 °C (полукоксование). В этом случае выход газа незначителен (в пределах 25–100 м3 с 1 т угля), а основным продуктом перегонки служат смолы, иду-

щие на выработку моторных топлив, и полукокс.

17

Газовое топливо может быть получено также путем газификации твердого топлива. Газификация – процесс термохимической переработки топлива. В результате реакции углерода топлива с кислородом и водяным паром образуются горючие газы: оксид углерода и водород. Одновременно с процессом газификации протекает частичная сухая перегонка топлива. Продуктами газификации топлива являются горючий газ, зола и шлаки. Аппараты, в которых осуществляют газификацию топлива, называют газогенераторами.

При подаче в газогенератор паровоздушной смеси получают генераторный газ, называемый смешанным. Низшая теплота сгорания смешанного газа Qн = 5000–7000 кДж/м3, плотность ρ = 1,15 кг/м3.

Водяной газ получают путем периодической продувки газогенератора воздухом и паром. Горючими компонентами в нем являются водород и оксид углерода.

Ввиду того, что большинство генераторных газов при сгорании способны давать сравнительно немного тепла и содержат в себе значительное количество негорючих и ядовитых веществ, они в чистом виде в городские газовые сети не подаются, а только добавляются к другим газам или употребляются для сжигания в металлургических, стекловаренных и других печах, требующих газового нагрева.

При выплавке чугуна в доменных печах получают доменный газ. Основной горючий компонент доменного газа – CO (28 – 30%). Теплота сгора-

ния доменного газа Qн = 3–4 МДж/м3.

В состав различных видов газового топлива входят:

1. горючая часть: углеводороды метанового ряда, водород, оксид угле-

рода;

2.негорючая часть: диоксид углерода, кислород, азот;

3.вредные примеси: сероводород.

Метан (CH4) – нетоксичный газ без цвета, вкуса и запаха. Представляет собой химическое соединение углерода с водородом. Является основной горючей частью природных газов.

Тяжелые углеводороды (CmHn) – этан, пропан, бутан и др. – характеризуются высокой теплотой сгорания.

Водород (H2) – нетоксичный газ без цвета, вкуса и запаха.

Оксид углерода или угарный газ (CO) – газ без цвета, вкуса и запаха. На организм человека оказывает токсическое воздействие. Опасна для жизни при воздействии на человека в течение 5–6 мин. Концентрация оксида углерода около 0,4%. Даже незначительное содержание CO в воздухе (0,02%) вызывает заметное отравление.

Диоксид углерода или углекислый газ (CO2) – газ без цвета, без запаха,

со слабым кисловатым вкусом.

18

Кислород (O2) – газ без цвета, вкуса и запаха. Содержание кислорода в газе снижает его теплоту сгорания. Не горит, но поддерживает горение.

Азот (N2) – газ без цвета, вкуса и запаха. Не горит и горения не поддерживает.

Сероводород (H2S) – тяжелый газ с сильным неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц. Сероводород обладает высокой токсичностью. При сжигании газа сероводород сгорает и образует сернистый газ, вредный для здоровья.

2.СПОСОБЫ СЖИГАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

2.1.Способы сжигания твердого топлива

Сжигание твердого топлива в топочных устройствах может быть организовано различными способами: факельным, циклонным, в кипящем слое (рис.2.1). Из них наиболее распространенным в современной крупной энергетике является факельный.

В основу классификации способов сжигания положена аэродинамическая характеристика процесса, определяющая условия омывания горящего топлива окислителем.

Практически неограниченное повышение мощности топочных устройств связано со сжиганием угольной пыли в объеме топочной камеры во взвешенном состоянии. Такой способ сжигания топлива называется факельным (рис.2.1,а). Для парогенераторов производительностью выше 4÷10 кг/с (15÷35 т/ч), работающих на антраците, каменных и бурых углях, сланцах и фрезерном торфе, основным является пылевидный метод сжигания топлива в камерных топках. Топливо сжигается после предварительной подсушки и размола в сильно измельченном виде. Угольная пыль в смеси с некоторой частью необходимого для горения воздуха, называемого первичным, вдувается через горелочное устройство в топочную камеру. Остальная часть воздуха, необходимого для горения, так называемый вторичный воздух, обычно вводится в топку также через горелки, а в отдельных случаях помимо них. Горение угольной пыли происходит во взвешенном состоянии в газовоздушных потоках при движении их через топочную камеру. Поэтому протекание горения ограничивается топочным пространством и чрезвычайно коротким временем пребывания частиц в топке, составляющим 1÷2 с. Угольная пылинка, обычно имеющая продолговатую форму и шероховатую поверхность, имеет большую парусность. Пылевидные частицы при установившемся движении парят в высокотемпературной газовоздушной среде с повышенной вязкостью и практически следуют вместе с газовоздушным потоком с той же скоростью.

19

При малой относительной скорости движения частиц в потоке, практически равной нулю, уменьшается интенсивность обмена газов на их поверхности. Однако значительное увеличение поверхности пыли при тонком размоле и молекулярной диффузии обусловливает высокую интенсивность пылевидного сжигания.

Рис.2.1. Схемы организации сжигания твердых топлив.

а – факельный (камерный) способ сжигания; б – циклонный способ сжигания; в – сжигание топлива в кипящем слое.

Для подсушки топлива, повышения температурного уровня в топке и интенсификации процесса сжигания применяют подогрев воздуха, идущего на горение. При сжигании слабореакционных топлив типа АШ и тощих углей, а также высоковлажных бурых углей осуществляют подогрев воздуха до

350÷400°С; для сушки высоковлажных бурых углей с Wn=6÷7 %–кг/МДж используют топочные газы в смеси с горячим воздухом. При сжигании сухих каменных углей рекомендуется подогрев воздуха до 250÷300°С, а при сжигании мазута и природного газа – до 200÷250°С.

Вслучае топок с мельницами–вентиляторами для высоковлажных5 топлив в качестве высокотемпературного сушильного агента используются отбираемые из топки продукты сгорания или их смесь с горячим воздухом. Возможность отбора топочных газов для целей сушки в смеси с горячим воздухом имеется и при топках с шаровыми барабанными мельницами. По общим соображениям компоновки парогенератора температура подогрева воздуха может быть повышена до 350÷400°С и при сжигании сухих каменных углей и мазута.

Впылеугольных камерных топках можно сжигать многозольные, высоковлажные измельченные твердые топлива. В них совместна с твердым то-

20

пливом, а также и раздельно можно сжигать жидкие и газообразные топлива. Подготовка, подача топлива и воздуха, процесс сжигания и удаление шлаков, золы и продуктов сгорания в этих топках полностью механизированы.

Вследствие низкой концентрации пыли в факеле запас топлива в топке ничтожный, поэтому пылеугольные топки малоинерционны и управление ими хорошо поддается автоматизации. По этой же причине пылеугольные топки чувствительны к нарушениям процесса, к неравномерности подачи топлива и воздуха. Пылеугольные топки допускают работу с небольшими избытками воздуха и, не ограничивая подогрев воздуха, позволяют иметь температуру на выходе из топочной камеры, приемлемую по условиям надежности работы и экономичности.

К недостаткам камерных топок относятся: расход энергии на приготовление пыли, значительный унос золы газами в конвективные газоходы, вызывающий износ хвостовых поверхностей нагрева и необходимость установки золоуловителей.

При циклонном методе сжигания (рис.2.1,б) сравнительно крупные частицы дробленки твердых топлив сгорают, циркулируя в газовоздушном вихре, организуемом в нижней части обычной однокамерной топки, имеющей обтекаемую форму. В циклонных топках благодаря циркуляционному движению увеличивается время пребывания топливных частиц в камере, а благодаря значительно большему запасу горящего топлива по сравнению с пылеугольными топками достигается большая устойчивость процесса горения. В циклоне развивается более высокая температура горения, отчего шлаки переходят в жидкое состояние.

Циклонный метод как самостоятельный способ сжигания твердых топлив в виде дробленки, без их предварительного размола в мельницах, пока имел ограниченное применение. В энергетике этот метод был использован в топке Шершнева для сжигания фрезерного торфа в парогенераторах производительностью 20 кг/с (75 т/ч). В дальнейшем для сжигания фрезерного торфа стали применять топки с молотковыми мельницами, в которых обеспечивается более интенсивное сжигание при меньших потерях с механическим недожогом.

В последние годы проводятся значительные работы по усовершенствованию и освоению циклонного метода сжигания фрезерного торфа и бурых углей и созданию более совершенной конструкции вихревых топок. Вихревое сжигание широко применяют в циклонных предтопках двухкамерных топок с жидким шлакоудалением. Стабилизация горения при больших скоростях подачи воздуха в циклонную камеру, доходящих до 150÷200 м/с, и значительная интенсификация тепло– и массообмена в потоке с частицами топлива при большой относительной скорости их обтекания привели к тому, что

21

топки с вихревым сжиганием по интенсивности работы вышли на одно из первых мест среди современных топочных устройств.

В промышленности циклонный метод применяется для сжигания фрезерного торфа, древесных отходов и лузги в мелких парогенераторах с твердым шлакоудалением.

При сжигании твердых топлив в парогенераторах малой производительности до 3 кг/с (до 10 т/ч) – бурых и каменных углей и до 6 кг/с (до 20 т/ч) – антрацитов применяют слоевой способ (рис.2.1,в), так как в малом топочном объеме нельзя успешно организовать факельное сжигание.

Организация слоевого сжигания осуществляется принудительным движением воздуха через неподвижный или движущийся слой твердого топлива, в котором он реагирует и превращается в поток горячих продуктов сгорания. (Находящееся на решетке измельченное топливо с частицами размером 1÷6 мм продувается потоком воздуха с такой скоростью, что частицы всплывают над решеткой и совершают возвратно–поступательные движения в вертикальной плоскости. При этом скорость газовоздушного потока в пределах кипящего слоя больше, чем над ними. Более мелкие и частично выгоревшие частицы поднимаются в верхнюю часть кипящего слоя, где скорость потока снижается, и там сгорают.) В слоевых топках имеется значительный запас топлива, соизмеримый с его часовым расходом. Наличие значительного количества горящего топлива стабилизирует процесс горения. В слое при повышенных скоростях обтекания частиц топлива горение обычно протекает в диффузионной области. Поэтому слоевой процесс интенсифицируется форсировкой воздушного потока, а топливо подают в зависимости от изменения скорости горения. Форсировка дутья, а следовательно, и интенсификация сжигания ограничивается аэродинамической устойчивостью слоя и появлением значительного уноса штыбовых фракций. Для слоевого сжигания оптимальными являются куски величиной 20÷30 мм, так называемый сорт «орешек», при которых обеспечивается достаточно устойчивое залегание частиц в слое и достаточно развитая поверхность реагирования.

Тепловоспринимающие поверхности в виде коридорного или шахматного пучка труб размещают внутри объема кипящего слоя и над ним. За счет развитой кондуктивной (контактной) передачи теплоты от раскаленных частиц к поверхности нагрева удельное тепловосприятие поверхностей в пределах кипящего слоя существенно возрастает. При этом температура газов в горящем слое остается относительно невысокой (800÷1000°С), что исключает перегрев металла и уменьшает образование вредных окислов азота в продуктах сгорания. Кроме того, такой способ сжигания позволяет вводить в кипящий слой твердые присадки (например, известняк) для нейтрализации образующихся окислов серы.

22

Из–за недостаточной производительности, надежности и экономичности работы топки со слоевым сжиганием на мощных парогенераторах не применяются. К тому же, слоевые топки сложны, слабо механизированы и трудно поддаются автоматизации управления.

2.2.Сжигание газов

Сжигание газов производится в топочной камере, куда горючая смесь подается через горелки. В топочном пространстве в результате сложных фи- зико–химических процессов образуется струя горящего газа, называемая факелом.

В зависимости от способа подачи воздуха, необходимого для горения, возможны следующие виды сжигания газов:

горение однородной газовой смеси, когда сжигаете» предварительно подготовленная горючая газовая смесь;

диффузионное горение газов, когда газ и воздух подаются раздельно;

горение смеси газов с недостаточным количеством воздуха, когда газ подается в смеси с воздухом, но количество·последнего недостаточно для полного сгорания.

Характерной особенностью сжигания природного газа является образование горючей смеси из резко различных по объему количеств газа и воздуха: на 1 м3 природного газа расходуется около 20 м3 горячего воздуха. Поэтому в горелке необходимое сечение для подвода газа невелико. Обеспечить хорошее перемешивание с воздухом в этих условиях можно только путем ввода газа в поток воздуха большим числом отдельных тонких струй с высокой проникающей способностью (скорость газа до 120 м/с при скорости основного потока воздуха 25÷40 м/с). Газовые горелки являются горелками с частичным внутренним смешением, поскольку в пределах горелки не достигается полное перемешивание газа и воздуха, оно завершается уже в топочной камере. В результате небольшая часть газа в зонах высоких температур при нехватке кислорода подвергается термическому разложению (пиролизу) с образованием сажистых частиц. Поэтому при работе газовой горелки также создается достаточно яркий факел в топке с максимумом температуры горения на определенном удалении от амбразуры горелки, что снижает опасность

ееобгорания.

Вбольшинстве случаев ввод газа в воздушный поток выполняют перпендикулярно направлению движения воздуха. Возможен ввод газа и под некоторым углом α к линии токов воздуха (рис.2.2). Для равномерного распределения газа в объеме воздуха глубина проникновения отдельных струй газа

23

должна быть различной. Определяющей характеристикой при расчете проникновения газовой струи является глубина внедрения h, определяемая соотношением количеств движения газовой струи и воздушного потока и характеризующая расстояние по нормали от устья струи до места, где она принимает спутное направление движения с воздушным потоком.

Рис.2.2. Проникновение газовой струи в сносящий поток воздуха.

α – одиночная струя при перпендикулярном вводе в поток; б – тο же при вводе под углом β<90°; в – внедрение в поток многорядных газовых струй; П – поток воздуха;h – глубина проникновения струи.

Глубина внедрения струи определяется главным образом ее диаметром и отношением скоростей струи газа и воздуха. При выполнении газовых отверстий вдоль потока воздуха в несколько (2÷3) рядов, равномерное распределение газа в воздушном потоке достигается путем уменьшения диаметра отверстий по направлению движения воздуха (рис.2.2, в). Определяющими параметрами газовой горелки являются:

1.Относительная длина зоны внутреннего смешения lсм=Lсм/Dа, где Dа

–диаметр выходной амбразуры горелки (рис.2.3). Она характеризует условия частичного внутреннего смешения потоков.