ПОСОБИЕ по ФХОГТ

34

температур до точки 5. Температура горючей смеси в точке 4 называется температурой потухания. Потухание горения всегда происходит при более высокой температуре, чем воспламенение, так как концентрация исходных веществ в зоне активного горения ниже, чем начальная при воспламенении.

3.2.Механизм горения топлив

Экспериментально установлено, что скорости протекания реакций существенно превышают их расчетные значения, полученные с применением закона действующих масс и закона Аррениуса с учетом числа активных молекул исходных веществ, вступающих в реакцию. В действительности реакции протекают не непосредственно между исходными молекулами, а через ряд промежуточных стадий, в которых вместе с молекулами участвуют активные осколки молекул (радикалы и атомы Н, ОН, О и др.). В результате каждая из таких промежуточных реакций имеет невысокий уровень энергии активации Е, так как радикалы и отдельные атомы обладают свободной валентностью и создают затем частицы также со свободной валентностью. Такие реакции протекают с большой скоростью. Началу реакции между веществами предшествует период накопления активных центров реакции в виде заряженных частиц за счет разрушения части исходных молекул другими, обладающими энергией выше энергии связи атомов в молекулах. Этот период во времени называют периодом индукции.

3.2.1.Горение газовых топлив

Горение газовых топлив происходит по законам цепных разветвленных реакций (ЦРР), раскрытым академиком Н. Н. Семеновым и К. Хиншельвудом. Преобразование исходных веществ в конечные продукты совершаются через систему промежуточных звеньев реакции, последовательно связанных друг с другом и развивающихся в объеме горючей смеси наподобие ветвей, отходящих от ствола дерева. В итоге такой реакции наряду с конечными ее продуктами вновь образуется еще большее число активных центров, обеспечивающих дальнейшее развитие реакции в объеме.

Рассмотрим механизм цепной разветвленной реакции на примере горения водорода в воздухе. Согласно стехиометрическому уравнению

2Н2+О2=2Н2О

скорость реакции между молекулами горючего вещества не может быть достаточно большой.

35

Однако реально при температуре выше 500 °С горение водорода представляет собой взрывную цепную реакцию, идущую с очень большой скоростью. На самом деле, по Н. Н. Семенову, началу активной реакции предшест-

вует образование активных центров:Н2+Ма→2Н+М; Н2+Оа2→2ОН, где Ма,

Оа2 – активные молекулы, имеющие высокие уровни энергии в объеме. Образовавшиеся атомы и радикалы активно вступают в реакцию с ок-

ружающими их молекулами. Развиваются цепи последовательных реакций, итогами которых являются конечные продукты реакции и еще большее число активных центров.

На рис.3.3 схематично показан первый цикл этой реакции. Как видно, каждый из активных атомов водорода Н, послуживший началу цепной реакции, привел к образованию трех новых активных центров, благодаря чему реакция прогрессивно развивается в объеме газовой смеси. По мере накопления продуктов реакции и уменьшения концентрации исходных веществ уси-

ливается обрыв цепей в объеме и на стенках реактора: Н+Н→Н2;

ОН+Н→Н2О.

Действительная скорость реакции описывается уравнением

Определяющими скорость реакции являются концентрация атомов водорода (центров реакции) и молекул кислорода, а энергия активации реакции между ними Е’ значительно ниже, чем Е в уравнении (3.9). По аналогичным законам цепных реакций происходит горение окиси углерода СО, метана

СН4 и других горючих газов.

Из вышесказанного следует, что до начала активной реакции проходит небольшое время – период индукции – в течение которого в объеме накапливается достаточное количество активных центров в виде атомов и радикалов. В этот период реакция почти незаметна, а тепловой эффект ее незначителен. Далее происходит увеличение скорости реакции за счет развития большого числа параллельных цепей реакции на весь объем до тех пор, пока не наступит равновесие в возникновении и исчезновении активных центров. Реакция достигнет максимальной своей скорости и будет продолжаться на этом уровне, если постоянно будет идти доставка в зону горения свежих порций веществ.

36

Рис.3.3. Цикл цепной реакции горения водорода. О – возбудитель цепной реакции; П – конечный продукт.

Горение газового топлива в смеси с воздухом идет с очень большой скоростью (готовая смесь метана с воздухом объемом 10 м3 сгорает за 0,1 с). Поэтому интенсивность сжигания природного газа в топках паровых котлов определяется скоростью его смешения с воздухом в горелочном устройстве, т.е. физическими факторами. Трудность обеспечения полного смешения большого расхода газа с воздухом за короткий промежуток времени связан с большим различием объемных расходов газа и воздуха – на сжигание 1 м3 газа требуется 10 м3 воздуха. Для полноты перемешивания приходится вводить газ в поток воздуха внутри горелки большим количеством мелких струй малого диаметра и с большой скоростью. Воздушный поток также сильно турбулизируется в специальных завихривающих устройствах.

3.2.2.Горение жидких топлив

При сжигании жидкого топлива (нефть, мазут) температура воспламенения, а тем более горения оказывается выше температуры кипения отдель-

37

ных фракций, входящих в состав жидкого топлива. Поэтому вначале происходит испарение топлива с поверхности за счет подводимой теплоты, а затем пары топлива смешиваются с воздухом, подогреваются до температуры воспламенения и горят. Факел устанавливается на некотором удалении от поверхности жидкости (0,5…1 мм и более).

Рис.3.4. Механизм характеристики горения капли жидкого топлива.

На рис.3.4 показана схема горения капли жидкого топлива в неподвижной среде воздуха. Вокруг капли образуется облако паров, которое диффундирует в окружающую среду. Навстречу происходит диффузия кислорода воздуха. В результате на некотором удалении от капли rстех устанавливается стехиометрическое соотношение между горючими газами и кислородом. Здесь и находится фронт горения паров топлива, образующий сферу вокруг капли. Величина rстех=4…10rк, где rк – радиус капли, и сильно зависит от размера капли и температуры зоны горения.

В зоне r < j < rстех преобладают пары топлива, концентрация которых

снижается по мере удаления от поверхности. В зоне r > rстех находятся продукты сгорания в смеси с диффундирующим к зоне горения кислородом. В зоне реакции устанавливается максимальная температура горения, которая затем снижается в обе стороны, но более интенсивно по мере приближения к капле ввиду затраты теплоты на нагрев паров топлива.

38

Таким образом, скорость горения капли жидкого топлива определяется скоростью испарения капли с поверхности, скоростью химической реакции в зоне горения и скоростью диффузии кислорода к зоне горения. Скорость реакции в газовой среде, как установлено ранее, очень велика и не может тормозить общую скорость горения. Количество кислорода, диффундирующего через шаровую поверхность, пропорционально квадрату ее диаметра и поэтому небольшое удаление зоны горения от поверхности капли (в случае недостатка кислорода) заметно увеличивает массовый подвод кислорода. Следовательно, скорость горения капли в основном определяется ее испарением. В целях повышения скорости горения жидкого топлива необходимо обеспечить его тонкое распыливание перед сжиганием для увеличения суммарной поверхности испарения. Кроме того, с уменьшением размера капли интенсивность ее испарения с единицы поверхности возрастает. Движение мелких капель жидкого топлива, взвешенных в потоке воздуха, характеризуется малыми числами Рейнольдса Re << 1 В этом случае поток теплоты через шаровую поверхность определяется только теплопроводностью λ через пограничный слой, толщина которого значительно больше диаметра капли. Для этого условия коэффициент теплоотдачи α выражается формулой Сокольского

Откуда

где Nu – число Нуссельта.

Из формулы (3.12) следует, что теплообмен капли с окружающей средой усиливается с уменьшением ее размера. Одновременно уменьшается и ее масса. В итоге оказывается, что время испарения капли пропорционально квадрату ее начального диаметра.

3.2.3.Горение твердого топлива

Угольная пыль, поступающая вместе с воздухом в топочную камеру, вначале проходит стадию термической подготовки (рис.3.5). Она заключается в испарении оставшейся влаги и выделении летучих веществ. Процесс нагрева частицы топлива до температуры интенсивного выхода летучих веществ (400–600 °С) происходит за десятые доли секунды. Затем летучие вещества воспламеняются, отчего температура вокруг коксовой частицы быст-

ро увеличивается, а ее прогрев ускоряется (III')• Интенсивное горение лету-

39

чих веществ (II) занимает 0,2–0,5 с. При большом выходе летучих (бурые и молодые каменные угли, сланцы, торф) выделяющейся теплоты их горения достаточно для воспламенения коксовой частицы, а при малом выходе летучих возникает необходимость дополнительного прогрева коксовой частицы от внешнего источника (III") Завершающим этапом является горение коксовой частицы при ее температуре выше 800–1000 °С (IV). Это гетерогенный процесс, скорость которого определяется подводом кислорода к реагирующей поверхности. Горение коксовой частицы имеет наибольшую длительность во времени и составляет от 0,5 до 0,666… всего времени, необходимого для сгорания частицы. В зависимости от начального размера частицы, вида сжигаемого топлива полное время сгорания может составлять от 1 до 2,5 с.

Рис.3.5. Температурный режим при горении отдельной частицы твердого топлива.

1 – температура газовой среды вокруг частицы; 2 – температура частицы; I –

зона термической подготовки; II – зона горения летучих веществ; III' – про-

грев коксовой частицы за счет горения собственных летучих; III" – прогрев коксовой частицы от внешнего источника; IV – горение коксовой частицы

4.ГОРЕЛОЧНЫЕ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

4.1.Топочные камеры пылеугольных паровых котлов. Характеристики камерных топок

Назначение топочного устройства состоит в превращении химической энергии топлива в теплоту продуктов сгорания. Этот процесс обеспечивается сжиганием угольной пыли во взвешенном состоянии в объеме топочной камеры. За счет радиационного теплообмена с настенными поверхностями нагрева продукты сгорания должны частично охладиться на выходе из топки до

40

температур, безопасных в отношении шлакования последующих плотных конвективных поверхностей.

Геометрически топочная камера характеризуется линейными размера-

ми: шириной фронта а, глубиной b и высотой hт (рис.4.1), расчет которых определяется количеством сжигаемого топлива, его тепловыми и физико– химическими характеристиками. Произведение fт = ab, м2 – сечение топочной камеры, через которое с достаточно большой скоростью (7–12 м/с) проходят раскаленные топочные газы. На уровне расположения горелок в сечении топки выделяется огромное количество теплоты и резко растет температура топочной среды.

Основной тепловой характеристикой топочных устройств паровых котлов является тепловая мощность топки, кВт,

характеризующая количество теплоты, выделяющейся в топке при сжигании расхода топлива В, кг/с, с теплотой сгорания Qнр кДж/кг. Если отнести все тепловыделение в зоне горения топлива к сечению топки, то получим важную расчетную характеристику – тепловое напряжение сечения топочной камеры

Максимально допустимые значения qf нормируются в зависимости от вида сжигаемого топлива, расположения и типа горелок и составляют от 3500 кВт/м2 для шлакующих каменных и бурых углей до 6400 кВт/м2. Увеличение qf ведет к росту расхода газов и температур в сечении топки, увеличению тепловосприятия экранных поверхностей.

При многоярусном расположении горелок важной характеристикой топки является тепловое напряжение сечения на один ярус горелок

где Qяр– тепловыделение всех горелок одного яруса, кВт.

Для разных видов топлива qяf составляет 1200–2300 кВт/м2. Увеличе-

ние значений qf и qяf выше предельных ведет к усиленному шлакованию экранов, прежде всего в зоне расположения горелок, и к опасному росту темпе-

42

Высота топочной камеры hт = 15…65 м, должна обеспечить практически полное сгорание топлива по длине факела в пределах топочной камеры и размещение на ее стенах поверхности экранов, необходимых для охлаждения продуктов сгорания до заданной температуры. По условиям сгорания топлива необходимая высота топки может быть установлена из выражения

где г – средняя скорость газов в сечении топки, м/с; τпреб – время пребыва-

ния единичного объема газа в топке, с.

При этом необходимо, чтобы τпреб ≥ τгор где τгор – время полного сгорания наиболее крупных фракций топлива, с.

Характеристикой, определяющей условия тепловой работы топочного объема, является допустимое тепловое напряжение, кВт/м3, или энерговыделение

где Vт –объем топочной камеры, м3.

Значения допустимых тепловых напряжений топочного объема также нормируются. Они изменяются от 120 кВт/м3 при сжигании углей с твердым шлакоудалением до 210 кВт/м3 при жидком шлакоудалении. Значение qv определяет среднее время пребывания газов в топочной камере. С увеличением теплового напряжения qv время пребывания газов в топочной камере умень-

шается (рис.4.2). Условию τпреб = τгор соответствует максимально допусти-

мое значение qv, и согласно (6) при этом получается минимально допусти-

мый объем топочной камеры V минт.

Как указано выше, экранные поверхности топочной камеры должны обеспечить охлаждение продуктов сгорания до заданной температуры на выходе из топки т , что достигается выбором необходимых размеров стен и,

следовательно, объема топочной камеры.

Поэтому нужно сопоставить минимальный объем топки из условия сгорания топлива V минт и объем топки из условия охлаждения газов V охлт до заданной температуры т , Как правило, для всех твердых топлив V охлт > V

минт поэтому высота топочной камеры определяется условиями охлаждения газов до заданной температуры т . Во многих случаях необходимая высота топки существенно превосходит ее минимальное значение, найденное по

43

объему V минт (особенно при сжигании углей с повышенным внешним балластом), что ведет к утяжелению и удорожанию котла. В то же время с ростом производительности парового котла увеличение объема топки происходит относительно быстрее, чем площади ограждающих стен. Следовательно, снижается удельная поверхность охлаждения, приходящаяся на 1 м3 объема топки, а это определяет повышение температуры с ростом производительности котла. т

Рис.4.2. Связь теплонапряжения топочного объема со временем пребывания газов.

Увеличения поверхностей охлаждения без изменения геометрических размеров топки можно достигнуть применением двусветных экранов (рис.4.3), т.е. дополнительных экранных поверхностей нагрева, размещенных непосредственно в объеме топочной камеры и делящих ее на две–три секции. В топочных камерах мощных паровых котлов при сильно развитой ширине фронта топки применение такого экрана делает сечение каждой секции в плане близким к квадрату, что значительно лучше для организации сжигания топлива и получения более равномерного поля температур газов и тепловых напряжений экранов. Такой экран в отличие от настенного воспринимает интенсивный тепловой поток с обеих сторон (отсюда и название – двусветный) и отличается более высокими тепловыми напряжениями, что требует тщательного обеспечения охлаждения металла труб.