Процессы горения. Способы сжигания топлива. Горелочные устройства

топлива, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты и значительным повышением температуры.
Особенности горения топлива: реакция горения протекает очень быстро. Поэтому для обеспечения непрерывности протекания процесса горения требуется обеспечить :
бесперебойный подвод окислителя к топливу и их интенсивное перемешивание
отвод образующихся продуктов горения.
Различают полное горение (реакция полного окисления горючих компонентов топлива) и неполное горение (эти реакции не завершены).
Для обеспечения полного горения этот процесс ведется с некоторым избытком воздуха сверх теоретического (стехиометрического) из-за несовершенства процесса смесеобразования топлива с окислителем.
По характеру протекающих при горении топлива физико-химических явлений различают гомогенное и гетерогенное горение.
Гомогенное – когда топливо и окислитель находятся в одинаковом фазном состоянии (газообразном). Гетерогенное – между веществами с разным агрегатным состоянием (горение твердых и жидких топлив).

веществ, температуры и давления.
Молекулы должны обладать энергией активации, достаточной для разрушения внутримолекулярных связей, которая должна быть не ниже некоторого предела Е (кДж/моль). Для каждой химической реакции существует своя энергия активации. Чем она меньше, тем легче начинается процесс горения.
Большинство горючих газов окисляется по схеме разветвленной цепной реакции. Их отличительной особенностью является то, что они происходят взрывоподобно со скоростями, значительно превосходящими скорости обычной химической реакции.

Схема разветвленной цепной реакции окисления (горения) водорода:

Активными центрами горения обычно являются свободные атомы (Н, О и др.) и радикалы (ОН), которые легко вступают в реакции. От их образования зависит скорость горения.

Окисление углеводородов С + О2 = СО2 протекает сложнее из-за их склонности к термическому разложению и идет с образованием промежуточных соединений.

двух частей: τп = τф + τх
τф – физическая стадия достижения контакта топлива с окислителем (смесеобразования); τф – химическая стадия процесса горения.
Различают две области процесса горения – диффузионную и кинетическую.

1 – кривая, ограничивающая кинетическую область; 2 … 4 – кривые, ограничивающие диффузионную область при различных скоростях потока и размерах частиц

Изменение скорости горения твердого топлива в зависимости от температуры

Кинетическое горение – при τф << τх. Оно возникает при предварительном смешении топлива с воздухом до подачи смеси в камеру сгорания.
Диффузионное горение – при τф >> τх. Оно наступает, когда топливо и окислитель поступают в камеру сгорания раздельно.

из ряда последовательных этапов:
тепловая подготовка топлива (прогрев частиц топлива, испарение влаги и выделение летучих веществ);
горение твердого углерода (кокса) – происходит с образованием на его поверхности двух газов: СО и СО2.

Схема взаимодействия твердого топлива с окислителем при горении:
1 – поверхность твердого топлива;
2 – диффузия молекул окислителя;
3 – окислитель (воздух);
4 – пограничный слой

Скорость реакции зависит не только от температуры, давления, концентрации реагирующих веществ, но и от размера площади поверхности топлива и скорости диффузии окислителя через
пограничный слой.

Эта скорость определяется коэффициентом газообмена β.
Ее увеличение приводит к уменьшению пограничного слоя. Скорость диффузионного горения растет с увеличением скорости газового потока и уменьшением размеров частиц топлива.

предварительного испарения. Горение происходит в парогазовой фазе.
Распыливание (пульверизация) жидкого топлива улучшает его нагрев за счет многократного увеличения площади его поверхности.
Жидкое топливо состоит из углеводородов, горение которых идет с образованием промежуточных соединений и зависит от содержания окислителя в горючей смеси и температуры:
простейших углеводородов, легко окисляющихся в СО2 и Н2О – при температурах до 500…600 °С;
трудносжигаемого сажистого углерода и тяжелых высокомолекулярных углеводородов.

Сжигание твердых и жидких топлив сопряжено с вредными выбросами продуктов сгорания: твердых остатков в виде мелкодисперсной золы (в котлоагрегатах и промышленных печах) и окислов серы (SO2) и азота (NOx) – во всех случаях.

установок на основании элементарного состава исходного (сжигаемого) топлива определяют характеристики и величины:
теоретический V0 и действительный Vд расходы воздуха, необходимые для сгорания 1 кг твердого и жидкого или 1 м3 газообразного топлива;
состав и объем продуктов сгорания VГ (дымовых газов);
калориметрическую tк, теоретическую tт и действительную tд температуры сгорания топлива;
коэффициент избытка воздуха αт;
энтальпию (теплосодержание) дымовых газов iг при требующихся температурах и коэффициентах избытка воздуха – для определения тепловых потерь с уходящими газами.
Для полного сгорания топлива требуется некоторый избыток воздуха против теоретического расхода. Он характеризуется коэффициентом избытка воздуха αт, который зависит от вида и способа сжигания топлива, качества смесеобразования топливо/воздух и др.
αт = Vд / V0 = 1,05 … 1,5

СО + Н2О + N2 + SO2 = 100%
При этом: О2 = 0 – если нет избытка воздуха; СО = 0 – при хорошем перемешивании; при высоких температурах образуются NO, NO2, NОx.
Объем продуктов сгорания определяется:
VГ = VСО2 + VSO2 + VH2O + VN2 + VO2
Для целей химического анализа содержание СО2 + SO2 = RO2.
Тогда: VГ = VRО2 + VN2 + VO2 + VH2O = Vс.г + VH2O
где Vс.г – объем сухих дымовых газов (Vс.г = VRО2 + VN2 + VO2 ).
При αт > 1 Vс.г = VRО2 + V0N2 + (αт – 1) V0
V0N2 – теоретический объем азота (при αт = 1); V0 – объем избыточного воздуха
Удельная энтальпия продуктов сгорания: i = i0г + (αт – 1) i0возд
Сумма энтальпий продуктов сгорания: i0г = сг • tг • Vс.г [кДж/м3]

служит для сжигания топлива наиболее экономичным способом и превращения его химической энергии в тепло.
В топочной технике – основные способы сжигания твердого топлива:

Слоевой
(в плотном слое)

Факельный (камерный)
(в пылевидном состоянии)

Вихревой
(в циклонной топке)

СКС
(в кипящем слое)

Каждый из этих способов имеет свои особенности, касающиеся основных принципов организации аэродинамических процессов, протекающих в топочной камере.
Для сжигания жидких и газообразных топлив применяется только факельный способ.

Этот способ сжигания является устаревшим.
Слоевые топки получили широкое применение в котлах малой и средней мощности.

Топки для сжигания твердого топлива в плотном слое:
а – с ручной горизонтальной колосниковой решеткой; б – с наклонной решеткой; в – с забрасывателем топлива на решетку; г – с шурующей планкой; д – с цепной механической решеткой; 1 – зольник; 2 – колосниковая решетка; 3 – слой топлива; 4 – топочная камера; 5 – забрасыватель топлива; 6 – планка

а

б

в

г

д

В зависимости от способа обслуживания бывают топки с ручным обслуживанием, немеханизированные, полумеханизированные и механизированные.
Топки можно разделить на 3 группы: 1. с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим на ней плотным, фильтрующимся воздухом, слоем топлива (а, в); 2. с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива (б, г); 3. с движущимся вместе с цепной колосниковой решеткой слоем топлива (д).

– топочная камера; 3 – кипятильные трубы и нижний барабан; 4 – трубы заднего экрана; 5 – шлаковая воронка; 6 – устройство для удаления шлака и золы

Твердое топливо размалывается до пылевидного состояния до размеров менее 90 мкм. Жидкое топливо предварительно распыливается в форсунках в очень мелкие капли. Газообразное подается в топку через горелки и не требует особой подготовки.

Достоинства: возможность создания мощных топок; возможность экономичного сжигания зольных, влажных и отбросных топлив.
Недостатки: высокая стоимость оборудования системы пылеприготовления; расход э/э на размол; низкие удельные тепловые нагрузки и больший объем топочных пространств.

Процесс сжигания факельным способом характеризуется непрерывностью движения в топочном пространстве частичек топлива вместе с потоком воздуха и продуктов сгорания, в котором они находятся во взвешенном состоянии.

в виде пыли вдувается в топку.
Пылеприготовление из кускового топлива состоит из следующих операций:
удаление из топлива металлических предметов магнитными сепараторами;
дробление крупных кусков топлива в дробилках;
сушка и размол топлива в специальных мельницах.
Размол топлива – до пылинок размером 0 … 500 мк. Основная характеристика пыли – тонкость помола (по ГОСТ 3584 – 53): остаток на ситах с ячейками R90 и R200 (в %) .

Схемы пылеприготовления:
а – индивидуальная; б – с промежуточным бункером

1 – мельница; 2 – питатель сырого угля; 3 – весы; 4 – бункер сырого угля; 5 – сепаратор пыли; 6(а) – мельничный вентилятор; 7(а) – горелка; 8(а) – короб горячего воздуха;
6(б) – пылевой циклон; 7(б) – горелка; 8(б) – мигалка; 9 – промежуточ-ный бункер пыли; 10 – пылепитатель; 11 - короб горячего воздуха; 12 - мельничный вентилятор

в зависимости от размольных характеристик топлива, выхода летучих веществ и влажности топлива.

молотковые мельницы с аксиальным (ММА) или тангенциальным (ММТ) подводом сушильного агента – быстроходные, для бурых углей, сланцев, фрезерного торфа и каменных углей с выходом летучих более 30%;
мельница-вентилятор (МВ) - быстроходные, для высоковлажных бурых углей и фрезерного торфа, для котлов средней паропроизводительности с мелющим органом – массивной крыльчаткой (частота вращения 380…1470 об/мин)

Типы мельниц:
шаровые барабанные (ШБМ) – тихоходные, для антрацитов и каменных углей, для котлов средней и большой паропроизводительности;

для сжигания мелкодробленого топлива и грубой пыли (частицы до 5 мм). Воздух подают с огромной скоростью (до 100 м/с) по касательной к образующей циклона.
Вихревой способ характеризуется большими значениями коэффициентов массоотдачи между потоком и частицами, развитием температур, близких к адиабатным (до 2000 °С), расплавлением золы в жидкий шлак, получением тепловой мощности 40…60 МВт.
Используется в основном в технологических топочных камерах (для сжигания серы и получения SO2 и далее H2SO4; для плавления и обжига руд и нерудных материалов).
Способ сжигания в псевдоожиженном (кипящем) слое предназначен для сжигания мелкозернистого материала, продуваемый снизу вверх воздухом со скоростью не выше предела устойчивости плотного слоя, но недостаточной для выноса частиц из слоя.
СКС характеризуется интенсивностью циркуляции частиц и проходом воздуха в виде пузырей, что дает сходство с кипящей жидкостью. Его преимущество – сжигание довольно мелких кусочков пыли (5…10 мм) при скорости воздуха 0,1…0,5 м/с и при более низких температурах (750…950 °С), что уменьшает образование токсичного NO.
Используется в промышленности (для сжигания колчеданов и получения SO2; обжига различных руд и их концентратов (цинковых, медных, никелевых, золотосодержащих).

362-73-86; 8-925-524-11-39