48316

Теплоенергетика. Курс лекцій

Конспект

Энергетика

Енергетичне паливо використовується для отримання теплової енергії в різних енергетичних установках. Технологічне паливо використовується з метою отримання цінних технічних продуктів (фарб, штучних волокон та інш.), і для переробки в різні види штучних палив (кокс, брикети, генераторний газ та інш.)

Украинкский

2015-01-27

3.74 MB

26 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Ю.Г. ПОРЖЕЗІНСЬКИЙ

КОТЕЛЬНІ УСТАНОВКИ

Ч.2 Паливо,теорія горіння та пальникові пристрої

КУРС ЛЕКЦІЙ

для студентів за напрямом 6.050601

Теплоенергетика

денної та заочної форм навчання

                                                                                                   

                                                                                                    

Всі цитати, цифровий та                                           

фактичний матеріал,бібліографічні

відомості перевірені.

Написання одиниць

відповідає стандартам

Підпис автора _____                                                                                                    20.06.2011

  СХВАЛЕНО

               на засіданні кафедри

            теплоенергетика та

                   холодильної техніки як

курс лекцій

     Протокол №22

        від 21.06.2011 р.

Київ НУХТ 2011

Поржезінський Ю.Г. Котельні установки Ч.2 Паливо,теорія горіння та пальникові пристрої . Курс лекцій для студентів за напрямом 6.050601 Теплоенергетика  усіх форм навчання.-К.:НУХТ.2011.- 94 с.

Рецензент М.О Масліков, канд. техн. наук

Ю.Г. ПОРЖЕЗІНСЬКИЙ, канд. техн. наук

                                                                            © Ю.Г. Поржезінський,2011

                                                                            © НУХТ

                                                                                 

Зміст

  1.  Лекція 1. Вступ …………………………………………….…………….….4
  2.  Лекція 2. Тверде паливо. Природний газ …………….…………………....6
  3.  Лекція 3. Рідке паливо. Умовне паливо ………………………………...9
  4.  Лекція 4. Технічні характеристики палива …………………….…..….…11
  5.  Лекція 5. Хімічна кінетика реакцій горіння ………………………….…..15
  6.  Лекція 6. Закон діючих мас. Закон Арреніуса …………………………...19
  7.  Лекція 7. Матеріальний баланс процесу горіння. Принцип Льє Шательє – Брауна, закон Гесса ………………………………………………….…….23
  8.  Лекція 8. Займання палива. Вплив фізичних факторів на процес горіння …………………………………………………………………...……..........26
  9.  Лекція 9. Поширення полум’я в ламінарних і турбулентних потоках …………………………………………………………………………….…29
  10.  Лекція 10. Процес сумішоутворення і аеродинаміки руху струмини ………………….............................................................................................32
  11.  Лекція 11. Спалювання газу ………………………………………….….36
  12.  Лекція 12. Умови раціонального спалювання газоподібних палив. Газові пальники ………………………………………….………..………….....40
  13.  Лекція 13. Горіння рідких палив …………………….…………..............44
  14.  Лекція 14. Мазутні пальники ………………………...….……………....48
  15.  Лекція 15. Спалювання мазуту в циклонних топках. Горіння твердого палива в пиловому факелі ………………………………........................52
  16.  Лекція 16. Спалювання твердого палива в шарі. Пиловугільні пальники ………………………………………………………………………..……...56

Лекція 1

Вступ.

  1.  Складові курсу та його призначення.

Паливо, теорія горіння та пальникові пристрої – це частина курсу Котельні установки. Це базова теоретично-практична дисципліна спеціальності 6.090500 Теплоенергетика, на якій ґрунтується подальше вивчення таких дисциплін, як Котельні установки, Високотемпературні теплотехнічні процеси та установки. Дисципліна базується на таких дисциплінах: Загальна хімія, Технічна термодинаміка, Тепломасообмін.

Мета вивчення розділу “ Паливо, теорія горіння та пальникові пристрої ” – отримання знань з проектування, експлуатації та налагодження роботи пальникових пристроїв котельних установок, для правильного зберігання та підготовки палива для спалювання. Після вивчення розділу курсу студент повинен:

Уміти аналізувати різні види палива з метою доцільного використання в парогенераторах; правильно зберігати і готувати до спалювання різні види палива; аналізувати процеси горіння різних видів палива; роботу пальникових пристроїв для забезпечення оптимальних умов їх експлуатації.

Знати природу, склад і особливості кожного виду палива; кінетику процесів горіння палива; теплові, гідродинамічні, фізико-хімічні процеси, що відбуваються під час роботи пальникових пристроїв; конструктивні схеми пальників.

Для вивчення курсу Паливо, теорія горіння та пальникові пристрої учбовим планом передбачено 32 лекційних години, 16 годин на лабораторні роботи і 16 годин на практичні заняття. На протязі чверті передбачено провести дві атестації студентів.

Розвиток паливно-енергетичної бази країни визначає її рівень економіки і обороноздатності.

  1.  Паливо, класифікація палива.

Паливом називаються горючі речовини, які використовуються з метою одержання теплової енергії.

Паливо поділяється на органічне і ядерне.

Для органічного палива теплова енергія виділяється при окисненні горючих елементів (вуглець С, водень Н, сірка S) киснем в процесі горіння. В свою чергу органічне паливо поділяється на природне (вуглець, торф, газ, нафта, сланці) і штучне, отримане завдяки переробці природного палива в різних технологічних процесах (мазут, кокс, доменний газ та інш)

Паливо поділяється на енергетичне і технологічне.

Енергетичне паливо використовується для отримання теплової енергії в різних енергетичних установках.

Технологічне паливо використовується з метою отримання цінних технічних продуктів (фарб, штучних волокон та інш.), і для переробки в різні види штучних палив (кокс, брикети, генераторний газ та інш.)

По агрегатному стану всі органічні палива поділяються на тверді, рідкі і газоподібні. На газ припадає 11,7% (681 млрд тон умовного палива) всіх ресурсів світових запасів газу, що прогнозується,  вистачить на 40-45 років; на нафту відповідно 13,2% (767 млрд т.у.п.), вистачить на 60-70 років і на вугілля 68,6% (3991 млрд т.у.п.), вистачить на 200-220 років. На інші види твердого палива (торф, сланці) приходиться 6-7% органічного палива.

Ядерне паливо – це таке паливо, при якому процеси з виділенням теплової енергії протікають на рівні атомів. Енергія виділяється при розпаді ядер атомів урану і плутонію . Найбільш багата на уран руда ураніт, в якій знаходиться 65-90% двоокису урану , в складі якого радіоактивного всього коло 0,72%, а решта – уран . Для реакторів типу ВВЕР, які стоять на Україні, потрібно збагачений уран до 5-6% . Збагачення урану відбувається на газодифузійних заводах.

Україна має великі поклади урану, які можуть, за прогнозами, забезпечити роботу українських АЕС на період не менше 100 років, але для збагачення руда відправляється в Росію. При використанні 1 кг  в атомному реакторі виділяється близько 85 млрд МДж теплоти, що дорівнює спалюванню 3500 т кам’яного вугілля з теплотою згоряння 24,5 МДж/кг.

  1.  Природа утворення органічних палив.

Всі викопні – тверді палива і нафта утворились в процесі перетворення рослинної маси і організмів під шаром води чи землі на протязі мільйонів років. Цей процес відбувався з різною швидкістю в напрямку повільної вуглефікації палива, тобто підвищення в ньому кількості вуглецю і зменшення кількості водню і кисню. Із рослинної маси утворились палива гумусового класу (вугілля, торф). Гумус це перегній, основа утворення цих палив.

Продукти розпаду органічних з’єднань, перетворення яких відбувається на значній глибині при високих тисках і температурах, що накопичувались у вигляді мула, який називається сапропелем,  утворили нафту і природний газ. Більшість видів нафти і газу, а також сланці мають сапропелітове походження.

  1.  Стадії утворення палива гумусового класу.

Перша стадія – торф’яна, це початкова стадія утворення вугілля. Завдяки біохімічним процесам розкладу клітчатки рослини і міжклітинної речовини легніна і їх окиснення киснем відбувається оторфянювання рослинної маси, зниження в ній кисню і водню і накопичення вуглецю. Торф – це пухка, бура маса, яка має високу вологість , невелику кількість вуглецю , великий вихід летких  і низьку теплоту згоряння , мають місце залишки рослин.

Друга стадія – буровугільна. Протікає процес подальшої вуглефікації маси палива, накопичення вуглецю, підвищення твердості і зменшення летких. Так утворюється буре вугілля. Вологість , вихід летких , , .

Третя стадія - кам’яновугільна. Кам’яне вугілля: , , , .

Четверта стадія – антрацитова. Антрацит – це найтвердіше , найстаріше паливо, яке має мало летких , тому тяжко займається, але має найбільшу кількість вуглецю  і високу теплоту згоряння .

Контрольні запитання.

  1.  Визначення поняття паливо.
  2.  Яке паливо називається штучним?
  3.  Які палива мають гумусове, а які сапропелітове походження?
  4.  Які палива називаються ядерними?
  5.  Як змінюються показники якості палива в процесі вуглефікації?
  6.  Дайте стислу характеристику кожному виду твердого палива.                                                                                            

Лекція 2

Тверде паливо. Природний газ.

2.1. Склад твердого палива.

Тверде паливо, як і мазут складаються із слідуючих елементів: С (вуглець), Н (водень), S (сірка), О (кисень),  N (азот), А (мінеральні домішки), W (волога). Горючі елементи палива: C,H,S.

Леткими паливами називаються газоподібні і пароподібні речовини, які виділяються із палива при його нагріванні без доступу повітря. Цей процес називається термічним розкладанням палива. Оскільки леткі речовини утворюються внаслідок нагрівання і розкладання палива при кількісному визначенні летких речовин мають на увазі їх вихід, а не вміст в паливі. До летких речовин відносяться: і сірка летка .

Загальна оцінка термічної стійкості твердого палива визначається виходом летких. Вихід летких з торфу починається від 100°С, для бурого і жирного кам’яного вугілля від 150-170°С, антрациту коло 400°С. В залежності від температури відбувається процес напівкоксування t - 800°С; коксування палива t~ 1000°C. Після виділення всіх летких із палива в залишку отримуємо кокс, який складається із вуглецю С і мінеральних домішок А.

2.2. Класифікація і маркування твердого палива.

В основу класифікації закладено значення виходу летких і характеристика коксового залишку. В залежності від виду палива кокс може бути порошкуватий, злиплий, спечений і сплавлений.

Кокс, як правило, порошкуватий у палив з малою ступеню метаморфози (вуглефікації). Це молоді палива (торф, буре і молоде кам’яне вугілля), вугілля з глубокою ступеню метаморфози (антрацит, пісне вугілля).

Вугілля із середньою ступеню метаморфози має кокс спечений або сплавлений. Це кам’яне вугілля, яке використовується для отримання коксу для потреб металургії.

В залежності від вмісту вуглецю тверді палива поділяються на торф, буре вугілля, кам’яне і антрацит.

Більше всього летких у торфі і бурому вугіллі, найменше у антрациті. Кам’яне вугілля займає проміжне положення.

По вмісту вологи буре вугілля поділяється на три групи: , ,.

Кам’яне вугілля на Україні, в основному, знаходиться в Донецькому і Львівсько-Волинському басейнах, буре вугілля – в Дніпровському басейні, антрацит – в Донецькому басейні. Основні запаси торфу зосереджені у Волинській, Рівненської і Чернігівській областях.

Згідно ДСТУ 3472-96 вугілля України поділяється на дев’ять марок.

Марка вугілля

Позначення

Вихід летких, %

Характеристика коксового залишку

Бурий

Довгополум’яний

Довгополум’яний газовий

Газовий

Жирний

Коксовий

Малоспечений

Пісний

Антрацит

Б

Д

ДГ

Г

Ж

К

МС

П

А

30-70

35 і >

35-48

33-46

28-36

18-28

14-22

8-18

>8

порошкоподібний

від порошкоподібного до малоспеченого

 малоспечений

 

спечений

-//-

-//-

від порошкоподібного до малоспеченого

порошкоподібний

Згідно ГОСТ 19242-73 прийнята слідуюча класифікація вугілля за крупністю.

Клас

Позначення

Розмір кусків, мм

Плитний

Крупний

Горіх (орех)

Дрібний (мелкий)

Насіннячко     (семечко)

Штиб

Рядовий

П

К
    Г (О)

Д (М)

Н (С)

Ш

Р

100-200(300)

5-100

25-50

13-25

6-13

0-6

0-200(300)

При маркуванні на першому місці стоїть марка вугілля, а потім клас. Наприклад АРШ (антрацит рядовий штиб), ЖГ (жирний горіх).

2.3. Природний газ.

Природний газ утворився одночасно з нафтою і має сапропелітове походження. Значна кількість більш тяжких складових газу розчинялась в нафті, а легкі компоненти збирались над її рівнем. Завдяки своїй особливості природні гази переміщувались в порах гірських пород на великі відстані від місця свого утворення і накопичувались в пустотах землі, утворюючи газові родовища. Тому при видобуванні нафти і газу отримують попутні види палива. В нафті зустрічаються розчинені газо-подібні вуглецеві з’єднання (метан, пропан), які виділяються з нафти при її добуванні за рахунок падіння тиску суміші. Утворюється попутний нафтовий газ – дуже цінна сировина для хімічної промисловості.

Природні гази бувають двох видів:

природні гази сухих родовищ і природні гази газо-конденсатних родовищ.

Природні гази сухих родовищ складаються із газоподібних вуглецевих з’єднань типу: метан , пропан , бутан  та інші. Основна складова природного газу це метан  до 80-98%, незначні домішки  і інш, сірка практично відсутня. Теплота згоряння сухого природного газу (8000-8500ккал/м³).

Природні гази газоконденсатних родовищ, крім газоподібних вуглецевих з’єднань, мають тяжкі вуглецеві з’єднання з більшою теплотою згоряння. Рідкі тяжкі сполуки видаляються при видобутку на переробних заводах і називаються газовим конденсатом, а споживач отримує газ із легких сполук таких, як газ сухих родовищ.

В 1956р. було введено в експлуатацію на Україні унікальне Шебелінське газо-конденсатне родовище. Україна бідна на газові родовища і не покриває споживання власним газом. Найбільші родовища газу знаходяться в східному регіоні (близько 58%). Нові родовища газу відкриті в Криму і на шлейфі Чорного моря. На території України діють 13 підземних газосховищ з об’ємом зберігання 43млрд.м³ газу для накопичення газу з метою використання в зимовий період. Україна планує добувати сланцевий газ з родовищ в західній Україні.

Контрольні запитання.

  1.  Із яких основних елементів складається тверде паливо?
  2.  Які елементи входять в леткі палива?
  3.  Як отримують кокс?
  4.  Що покладено в основу класифікації твердого палива?
  5.  Приведіть приклади марок палива.
  6.  На які класи за крупністю поділяється тверде паливо?

Лекція 3

Рідке паливо. Умовне паливо.

3.1. Переробка нафти.

Для отримання різних видів рідкого палива сира нафта поступає на переробку. Відомі три способи переробки нафти:

  1.  Температурна або термічна разгонка нафти.
  2.  Крекірування мазута.
  3.  Коксовання мазута.

Найбільш простим способом переробки нафти є термічна разгонка, при якій відбувається розділення нафти на фракції по температурам кипіння вуглеводних з’єднань. При нагріванні нафти до 200° отримують пари найбільш легких фракцій – бензин, при 250-300° – газ, а потім більш важкі фракції (вища температура кипіння).  – газойль, солярове масло і в залишку остається 25-45% мазуту первинної гонки.

Крім мазуту інші фракції називаються моторними паливами.

Для отримання більшої кількості моторних палив мазут змішують з сирою нафтою в крекінг-установках при великих тисках 2-7 МПа і температурах 450-550°С без доступу повітря. Потім тиск знижують і завдяки дроселюванню високомолекулярні вуглеводи розщеплюються з утворенням моторних палив і в залишку отримують тяжкі крекінг- продукти. Для прискорення процесу і зниження параметрів використовують каталізатори.

Тяжкий нефтяний залишок піддається коксуванню при високій температурі. Знову отримують моторні палива і залишок – нефтяний кокс; це тверда корисна маса, що складається із чистого вуглецю і золи.

Крекінг-мазут змішують з мазутом первинної гонки для зниження в’язкості і використовують, як паливо вогнетехнічних установок.

  1.  Властивості і марки мазуту.

Мазути поділяються за величиною умовної в’язкості на флотські і паливні.

Умовна  в’язкість – це відношення часу витікання через сопло віскозиметра Енглера 200мл даної речовини при заданій температурі до часу витікання такої ж кількості дистильованої води при t=20°C. Флотські мазути мають марки: Ф5 (умовна в’язкість 5°УВ) і  Ф12(12°УВ). В’язкість міряється при температурі t=50°C. Флотські мазути представляють собою суміш мазуту первинної гонки з нефтяними дистилятами; вони використовуються для двигунів і газових турбін.

Паливні мазути мають марки:

М40 (8°УВ при t=80°C), M100 (16°УВ при t=80°C) і М200(6,5-9,5° УВ при t=100°C).

Паливні мазути використовують для вогнетехнічних установок. Густина мазуту при t=20°C наближається до густини води .

Зольність 0,1%, вологість 1-3% , але при зливі з цистерн (подається пара) може підвищуватись до 10%. Температура застигання М100 – 25-35°С, прилипання до стінок до 70°С. Пари мазуту в суміші з повітрям спалахують при контакті з відкритим полум’ям при t=90-140°C. Суміш мазутних парів з повітрям у визначеній пропорції при наявності іскри може вибухнути.

При роботі котельні мазут зберігається в наземних резервуарах при температурі 55-60°С. В мазуті знаходиться вуглецю 84-86%, водню 11-12%; тому мазут має високу теплоту згоряння  (9400-9600ккал/кг). По вмісту сірки поділяють мазути на малосірчасті  сірчасті і високосірчасті .

  1.  Шкідливі домішки мазуту.

До шкідливих домішок мазуту відносяться сірка і ванадій.

Сірка викликає низькотемпературну корозію хвостових поверхонь нагріву парогенератора (повітропідігрівника, економайзера), роз’їдає лопасті димососів, пошкоджує димову трубу. Якщо температура відхідних газів котла нижче за точку роси і в димових газах присутній триоксид сірки , то на трубках поверхонь нагріву випадає роса у вигляді сірчаної кислоти.

Точка роси для димових газів без сірки 60°С; при наявності в димових газах триоксиду сірки температура точки роси значно підвищується; тому мазут рекомендується спалювати за температурою відхідних газів Вміст сірки в мазуті >0,3% приводить до активізації низькотемпературної корозії поверхонь нагріву. Збільшення вмісту сірки  мало впливає на корозійну активність продуктів спалювання.

Методи боротьби з низькотемпературною корозією:

а) підігрів повітря до 80°С перед подачею в повітропідігрівник;

б) робота котла з низькими коефіцієнтами надлишку повітря ;

в) застосування присадок в мазут (наприклад молотий доломіт, доза 0,5% від ваги палива);

г) використання для рекуперативних повітропідігрівників скляних, або покритих емалью труб і інш.

До шкідливих домішок мазуту відноситься ванадій, якого в мазуті мало, до 0,5%; але він викликає високотемпературну корозію в зоні пароперегрівника котлів високого тиску і прямотечійних (). Боротьба – присадки, наприклад доломіт.

Крекінг-мазут вміщує всі домішки нафти. Це смолисті високомолекулярні речовини (асфальтени, карбени, карбоіди). Карбени і карбоіди відкладаються на дні посудин мазутосховищ, що викликає трудності при їх очищенні, транспортуванні та розпилу мазуту.

  1.  Умовне паливо.

Витрата палива в котельній установці певної продуктивності залежить від теплоти згоряння палива, яка для різних палив може змінюватись в широкому діапазоні.

Для порівнювання по енергетичній цінності і ефективності спалювання різних сортів палива,застосовується поняття – умовне паливо, що має теплоту згоряння  (7000ккал/кг). Звіти, планування, заявки на паливо роблять на умовне паливо. Реальне паливо на умовне перераховується за формулою:

    

Контрольні запитання.

  1.  Що таке мазут?
  2.  Які відомі методи переробки нафти і які отримуються види нафтопродуктів?
  3.  Що таке умовна в’язкість мазуту і в яких одиницях вона вимірюється?
  4.  Який вплив домішок сірки і ванадію на роботу вогнетехнічних установок?
  5.  Методи боротьби з низькотемпературною корозією.
  6.  З якою метою вводиться поняття – умовне паливо?
     

Лекція 4

Технічні характеристики палива.

4.1. Склад рідкого і твердого палива.

Склад рідкого і твердого палива складається із окремих елементів, (С,Н,S,N,O,A,W), а газоподібне паливо із окремих газів (метан, бутан, пропан і інш), що утворюють газоподібну суміш.

Вуглець С – сама цінна і основна горюча складова палива. В кам’яному вугіллі С – 45-60%, в антрацитах до 95%, в нафті до 85% теплота згоряння вуглецю .

Водень Н – газ, який горить бездимним полум’ям. Водню в твердому паливі 3-4%, в рідкому 10-11% від маси палива. Теплота згоряння 120,5 МДж/м³. Таким чином С і Н основні горючі елементи палива. В газах основна складова – метан , що і зумовлює високу теплоту згоряння 33,5-35,6 МДж/кг.

Сірка в паливі знаходиться в трьох видах: сірка органічна (), сірка пірітна і сірка сульфатна. Сірка органічна знаходиться в сполуках з вуглецем і воднем, а сірка пірітна зустрічається у вигляді колчедану ; ці сірки горять з виділенням теплоти.

Теплота згоряння сірки - . Сульфатна сірка знаходиться в мінеральних домішках палива , . Сірка небажаний елемент палива.

При згорянні сірки утворюється газ диоксид сірки , подальше окиснення сірки в триоксид відбувається при високій температурі і надлишку кисню.

 

Триоксид сірки  викликає низькотемпературну корозію в парогенераторах; а  з’єднується з парами води і при температурі димових газів менше за 100°С утворює сірчасту кислоту , яка викидається з димовими газами в навколишнє середовище і забруднює атмосферу. За кордоном використовують методи вилучення сірки із палива, але вони складні і дорогі.

Кисень  – приймає участь в горінні палива, але сам теплоту не виділяє. Належність кисню в паливі небажана, тому що його присутність викликає часткове окислення горючих елементів палива.

Азот  – інертна речовина. При високих температурах в топці котла (1900-2200°С).   вже не інертний газ, а окислюється з утворенням сильно токсичних оксидів азоту.

Волога знаходиться в паливі в чотирьох різних модифікаціях: кристалічна, колоїдна, капілярна, поверхнева.

Кристалічна або гідратна волога входить в склад мінеральних домішок (, ). Температура руйнування цих сполук не нижче 850-900°С. Кількість кристалічної вологи в паливі незначна – 1,5%.

Колоїдна волога входить в органічні складові палива, які знаходяться в паливі у вигляді маленьких частинок – колоїдів                  () . Колоїдна волога виділяється із палива при нагріванні t>100°C, а її кількість не більше 10%. Кристалічна і колоїдна волога утворюють зв’язану або внутрішню вологу палива.

Капілярна волога знаходиться в порах, щілинах палива і виділяється при натуральному сушінні палива.

Поверхнева волога утримується поверхнею куска палива і виділяється в процесі натуральної сушки.

Волога небажаний елемент палива, входить в об’єм палива і при випаровуванні 1 кг води витрачається 2500КДж/кг теплоти.

Зола  – мінеральні домішки палива , ,  і інш. Це баласт палива, який залишається при спалюванні палива. Визначити компоненти золи складно. Оксиди золи поділяються на 3 групи:

кислі –

основні –

амфотерні –  .

Відповідно оксидам золи шлак ділиться на кислий, основний і нейтральний.

Вогнетривкі матеріали по своїм хімічним властивостям, як зола і шлак, поділяються на кислі, основні і нейтральні. Якщо футеровка топки виконана із вогнетривких матеріалів, хімічний склад яких не відповідає хімічним властивостям золи і шлака, то може відбутися хімічна взаємодія між ними і в результаті – руйнування футеровки.

Стандартний метод визначення характеристик плавкості золи, рис 1, пов’язаний з поступовим нагріванням в муфельній печі спеціально спресованої із золи пірамідки висотою 13 мм з основою у вигляді рівнобічного трикутника із стороною 6 мм. В процесі нагрівання фіксують характерні значення температури в печі, при яких пірамідка міняє свої геометричні форми:  – температура початку деформації, коли вершина піраміди починає гнутись і закруглюється;  – температура розм’якшення золи, коли вершина пірамідки торкається основи або перетворюється в шар;  – температура рідкого стану, коли зола розтікається по поверхні.

Рис 1. Температури плавкості золи.

1 – пірамідка до нагрівання; 2 – початок деформації; 3,4 – початок розм’якшення; 5 – рідкий стан.

В залежності від температури початку рідкоплавкісного   стану тверді палива поділяються на три групи з легкоплавкісною золою t>1350°C, з золою середньої плавкістю 1350-1450°С і з тугоплавкісною золою t>1450°C. Температури плавкості золи для кожного палива приводяться в таблиці, [4].

4.2. Види мас палива.

Паливо, яке іде на спалювання називається робочим.

Робоча маса палива:

Всі теплові розрахунки виконуються на робочу масу палива.

Суха маса палива:

Суха маса характеризує газоподібне паливо.

Суха беззольна маса (горюча маса):

Горюча маса використовується для характеристики родовища.

Органічна маса:

В підручниках даються формули перерахування складу палива із одної маси на іншу.

4.3. Приведені характеристики палива.

Вміст вологи і золи не характеризує достатньо енергетичну цінність палива, бо різне паливо з однаковою кількістю золи або вологи може мати різну теплоту згоряння. Тому застосовуються приведені характеристики палива. Приведені характеристики палив   показують скільки на 1 МДж нижчої теплоти згоряння приходиться вологи, золи, сірки у відсотках до робочої маси.

кг/МДж

кг/МДж

кг/МДж

По величині приведеної вологості тверді палива поділяються на маловологі   (антрацит, кам’яне вугілля), середньо-вологі (буре вугілля, сланці), високо-вологі (фрезерний торф, буре вугілля українських родовищ).

4.4. Теплота згоряння.

Теплотою згоряння називається кількість теплоти, яка виділяється при повному згорянні одного кг твердого або рідкого палива чи одного м³ газу, кДж/кг, МДж/кг, кДж/м³. Розрізняють вищу і нижчу теплоту згоряння.

Вища теплота згоряння отримується калориметричним шляхом за допомогою калориметричної бомби. Температура води в калориметрі близька до температури навколишнього повітря, тому водяна пара, яка утворилась в бомбі при спалюванні палива, повністю конденсується з виділенням теплоти. В промислових установках димові гази викидаються в атмосферу при t>100°С і водяні пари, що знаходяться в газах, не конденсуються , тому для теплових розрахунків використовується нижча теплота згоряння. Нижча теплота згоряння менше вищої на величину теплоти конденсації водяної пари.

 

Теплота конденсації водяної пари визначається за формулою, кДж/кг:

;              

Контрольні запитання.

  1.  Які елементи входять до складу твердого та рідкого палива. Дайте технічну характеристику кожного елемента палива.
  2.  Які види сірки Вам відомі?
  3.  Види вологи палива та її вплив на процес горіння.
  4.  Яка різниця між різними масами палива? Галузі їх застосування.
  5.  Різновиди мінеральних домішок палива і їх вплив на вибір вогнетривких матеріалів для футеровки топки.
  6.  З якою метою використовуються приведені характеристики палива?
  7.  Вища та нижча теплота згоряння палива та відмінність між ними.

Лекція 5

Хімічна кінетика реакцій горіння

5.1 Поняття о хімічних системах і параметри їх стану.

    Горіння – це процес окислення горючих елементів палива киснем, який протікає при високій температурі і супроводжується інтенсивним виділенням теплоти. Горіння може бути повним,коли окислюються всі горючі елементи і не повним.

   Горіння – це складний фізико-хімічний процес для вивчення якого необхідно опанувати основні закони фізичної хімії.

Хімічна кінетика вивчає протікання процесів в хімічних системах. Хімічна система-це сукупність речовин, які приймають участь в хімічному процесі. В залежності від стану речовин хімічні системи поділяються на гомогенні і гетерогенні.

   Гомогенною називається така система, яка складається із однорідних речовин, які знаходяться в одній фазі і між ними відсутня поверхня розділу. Наприклад: повітря, газова суміш, горіння парів мазуту.

  Гетерогенною системою називається система, яка складається із речовин, які знаходяться в одній, або в різних фазах, але між ними є поверхня розділу. Наприклад,  суміш води з олією, горіння коксової частини палива.

  Хімічні системи поділяються на закриті і відкриті. Закриті  або замкнені  системи-це  системи без матеріального обміну з навколишнім середовищем. В кожній точці системи параметри стану речовини однакові і змінюються тільки в часі. Відкриті або розімкнені системи – це системи, які мають матеріальний обмін з навколишнім середовищем. Різновидом такої системи є проточні, коли хімічний процес відбувається в безперервному потоці з безперервним матеріальним обміном з навколишнім середовищем (процес в топці парового котла).

Основні положення і закони хімічної кінетики відповідають процесам,які відбуваються в закритій реагуючій системі. Щоб ці закони і положення застосувати до проточної системи, її умовно розглядають як систему нескінченного малих реагуючих об’ємів між якими відсутній масообмін і вся теплота підводиться чи відводиться від елементарних об’ємів. В цьому випадку кожний елементарний об’єм буде закритою системою.

Основні параметри системи: тиск P, температура Т, об’єм V і концентрація С.

Концентрація – це  кількісне співвідношення між речовинами системи, яка завжди змінюється при протіканні процесів в системі. В хімічній системі концентрація речовин виражається кількістю молів (кмолів) в одиниці об’єму системи, моль/м³:

, де – кількість молів в системі,  – об’єм системи.

Моль – це кількість речовини,яка вміщує стільки структурних одиниць даної речовини, скільки атомів в 12 грамах вуглецю.

1 моль води - 6·10²³ молекул

1 моль сірки - 6∙10²³ атомів сірки

5.2. Прості і складні реакції, ланцюгові реакції гомогенного горіння.

 Хімічні  реакції в залежності від протікання процесу поділяються на прості і складні.

+O2↔2HO;  

C+O↔CO   - складні реакції.

H+H→H - проста реакція.

Всі реакції горіння-це складні ланцюгові реакції.

 На основі робіт академіків  М.М. Семьонова і Я.Б. Зельдовича була розкрита природа реакцій горіння. Поштовхом послужили експерименти із спалюванням окису вуглецю  CO. Сухий окис вуглецю практично з киснем не взаємодіє при любих температурах ( не відбувається процес горіння). Для займання CO треба обов’язкова присутність водню або водяних парів. Тільки в цьому випадку при t≥300⁰С починається гомогенне горіння.

 Для протікання реакцій горіння треба надати хімічній системі стільки теплоти,щоб частинки цієї системи володіли енергією достатньою для порушення внутрішньо молекулярних зв’язків при їх зіткненні. Кількість енергії необхідної для доведення частинок до активного енергетичного стану називається енергією активації, E . Чим вище рівень енергії активації, тим трудніше іде процес руйнування молекулярних зв'язків,тим повільніше іде реакція горіння.  Так енергія активації реакції  C+О↔CO     Есо=140 кДж/моль,а реакція C+⅟₂O→CO Есо=60 кДж/моль.

Тому при горінні вуглецю у його поверхні утворюється значна кількість CО. Так при t=1700⁰С  відношення газів складає CO до CO CO/CO =2.

Процес горіння протікає в 2 стадіях. Перша стадія - це утворення активних центрів за рахунок розщеплення молекул водню і води при подачі теплоти від зовнішнього джерела(факел,іскра і інш). Тобто системі треба надати енергію активації Еак. При цьому молекула води розкладається: ,, а молекула гомогенної системи, яка отримала енергію активації і стала швидко рухатись  при зіткненні з молекулою водню  розбиває його на атоми і стає не активною.  

Утворились активні центри: атомарний водень Η і група ОH

 Друга стадія-це ланцюгові реакції процесу горіння. З виділенням теплоти Qт

Наприклад, горіння окису вуглецю CO:

                                      CO2   

                OH⁻+CO          

H⁺+O2                     Qт      H

                               

                     O2+COCO2          

                                

                              Qт

                    CO2

OH⁻+CO                        

                   H⁺        Qт  

Атом водню при взаємодії з киснем повітря утворює атомарний кисень.

 Друга стадія горіння окису вуглецю – це нерозгалужена ланцюгова реакція, при якій атомарний кисень окислює CO в CO і виділяється теплота Qт і знову утворюється активний центр – атомарний водень, який починає нову ланцюгову реакцію окислення CO в CO.

 Таким чином основною вимогою протікання ланцюгових реакцій є безперервне утворення активних центрів.

Ланцюгова розгалужена реакція горіння водню:

1 стадія  

2 стадія    

                                        HO     

                     OH⁻+H           

 H⁺+O                                H⁺                        H

                     O⁻²+H              OH⁻+H          

                                             H⁺                    H2O 

                                                        Qт        

Горіння водню – це ланцюгова розгалужена реакція,яка протікає в трьох стадіях:

1 стадія – це утворення активних центрів  H і OH з поглинанням теплоти;

2 стадія – утворення парів води ΗO і активних центрів H з виділенням теплоти Qт;

3 стадія – обрив ланцюгів, активний центр може з’єднуватись з іншим активним центром  з виділенням теплоти: H+ HΗQт. Для активного протікання реакцій горіння необхідно, щоб швидкість розгалуження ланцюгів була більшою  швидкості  їх обриву. Тоді іде розгалужена реакція і із одного активного центра утворюється три і горіння водню відбувається миттєво.

 Час потрібний для утворення активних центрів і їх збільшення до максимального значення, коли наступає займання палива, називається індукцією.

 

5.3. Екзотермічні і ендотермічні реакції горіння.

 Процес горіння можна представити графічно слідуючим чином, рис2.

Рис 2. Зміна енергії в процесі активації і горіння.

Eаккількість енергії,яка підводиться до системи(енергія активації), ;

Qт – кількість енергії,яка виділяється, .

 Нехай молекули вихідної речовини знаходяться в початковому стані, точка А; поглинаючи певну кількість енергії (сірник,факел), що дорівнює енергії активації, система доводиться до стану займання, точка B. Утворюються продукти реакції; в процесі горіння виділяється енергія Qт, яка корисно використовується (утворення пари в котлі і інше.), лінія ВС.

 Якщо Qт > Eак, то хімічна реакція протікає з виділенням теплоти і реакція називається екзотермічна. Реакції горіння-екзотермічні реакції. C+0↔CO+ Qт, 2Н+O↔2HO+ Qт. Це зворотні реакції.

 Якщо Qт < Eак реакція протікає з поглинанням теплоти ,то вона називається ендотермічною. HO→OΗ⁻+OH⁺ - Qт,  C+CO↔ 2CO- Qт.

Контрольні запитання.

  1.  Яка різниця між гомогенною і гетерогенною системами?
  2.  Навести приклади складних і простих реакцій горіння?
  3.  Що таке енергія активації хімічних процесів?
  4.  Механізм утворення активних центрів і початку реакції горіння?
  5.  Які реакції горіння називають ланцюговими?  Розглянути ланцюгову реакцію горіння водню і CO.
  6.  Навести приклади екзотермічних і ендотермічних реакцій горіння.

Лекція 6

Закон діючих мас. Закон Арреніуса.

  1.  Закон діючих мас.

В однорідному середовищі при постійній температурі і тиску швидкість хімічних реакцій пропорційна концентрації реагуючих речовин.

Розглянемо гомогенну зворотну реакцію ідеального газу, що протікає при t=const, р=const.

aA+bBrR+sS

де a,b,r,s - стехіометричні коефіцієнти;

A,B- символи вхідних речовин;

R,S- символи вихідних речовин.

Згідно закону діючих мас швидкість прямої реакції, – , a оборотної реакції .

де K і K – константи швидкості реакцій ,які залежать від хімічних властивостей речовин,температури і тиску в системі, де протікають реакції;

С,С,С, С–  концентрації вхідних і вихідних речовин, кмоль/м³;

– порядки реакцій, які по величині не співпадають з стехіометричними коефіцієнтами. Сума порядків реакцій (n) не більша 3.

Розглянемо елементарні реакції: одномолекулярні  ΗO→OΗ⁻+Η⁺,  швидкість прямої реакції n=1; двохмолекулярні  OΗ⁻+CO→CO+Η⁺, , n=2.

Трьохмолекулярні  OΗ⁻+Η⁺+Η⁺ →ΗO+Η⁺, , n=3.

Розглянемо складні реакції горіння:

2Η+O↔2ΗO, ,

CCO , ,

Підсумкове  стехіометричне рівняння  складної реакції не відображає механізму його протікання. Тому коефіцієнти  – не відображають порядок реакції по окремим компонентам. Сума цих коефіцієнтів (n) для реакції не дорівнює кількості молекул і може бути, як цілою так і дробовою величиною.

Рис 3. Стан хімічної рівноваги.

На початку процесу горіння швидкість прямої реакції w максимальна і максимальна концентрація вхідних речовин. В точці А швидкість мінімальна і мінімальна концентрація вхідних речовин, рис 3.

В точці А наступає хімічна рівновага, коли швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної реакції w=w, а концентрації реагуючих речовин в системі не змінюються, хоч і ідуть реакції. Ця рівновага наступає при t=const і p=const для певних концентрацій реагуючих речовин в системі.

В точці А рівність швидкостей прямої і зворотної реакцій можна описати за слідуючим кінетичним рівнянням:

і  ;  (1)

K– константа рівноваги хімічних реакцій, K і K при t=const є величини постійні, то і константа рівноваги є постійною величиною, яка характеризує дану реакцію. Рівняння 1 є математичним описом закону діючих мас.

Концентрації газів пропорційні їх парціальним тискам,тому константу рівноваги можна виразити через парціальні тиски     

Дисоціація водяної пари і диоксиду вуглецю в димових газах пояснюється тим, що наступає стан рівноваги і іде зворотна реакція. Дисоційована кількість речовини, що виражена в частинах її початкової кількості, називається ступіню дисоціації, qдис %

В топках котла,де температура на виході перед фестоном не вище 1000-1200⁰С ступінь дисоціації мінімальна. При t ~1600-1700⁰С і атмосферному тиску ступінь дисоціації СО зростає і дорівнює 1.7 %,а вже при температурі більше 2100 ⁰С qдис СО підвищується до 8%.

  1.   Кінетичне рівняння для рідкого палива.

Температура займання для рідкого палива вища за температуру його кипіння,тому краплина рідкого палива спочатку випаровується,а потім горять пари палива,які знаходяться в стані насичення. Тому рівняння для гомогенного горіння буде справедливо і для рідкого палива, W=KCC. Для рідкого палива пари горять в насиченому стані, тому C=const і w1=KC при t=const і p=const. Звідси витікає,що швидкість горіння рідкого палива залежить від концентрації кисню в суміші паливо-повітря.

Витрата парів горючого під час реакції горіння буде безперервно поповнюватись завдяки випаровування з поверхні краплини рідкого палива.

Швидкість реакції горіння твердого палива зменшується завдяки холостихзіткнень молекул кисню з молекулами мінеральних домішок на поверхні твердого палива. Процес теж буде визначатися концентрацією кисню в одиниці об’єму, але кінетичне рівняння для гетерогенного горіння твердого палива визначається шляхом дослідів.

  1.  Закон Арреніуса.

Згідно закону діючих мас швидкість гомогенної і гетерогенної реакції при p=const залежить від температури і швидкість реакції можна представити, як w=K C·С, де K – константа швидкості хімічної реакції.

Рівняння для розрахунку константи швидкості було одержано вченим фізиком Арреніусом у вигляді: 

  

де К₀ – коефіцієнт,що відображає загальну кількість зіткнень молекул між собою активних і неактивних в одиниці об’єму  за одиницю часу і залежить від природи реагуючих речовин;

е-основа натурального логарифма;

Е –  енергія активації, ;

R– газова стала, R=8.32 ;

T – абсолютна температура, ⁰K.

На рис.4 показано, як з підвищенням температури горіння палива збільшується константа швидкості реакції  К і відповідно швидкість процесу горіння.

Рис 4. Залежність константи швидкості хімічної реакції від температури.                                               

                    

Контрольні запитання.

  1.  Сформулювати закон діючих мас і записати швидкість прямої і зворотної реакції для гомогенного горіння(навести приклади).
  2.  Які реакції називаються зворотними? Написати умови хімічної рівноваги.
  3.  Як записати швидкість реакції горіння рідкого палива згідно закону діючих мас?
  4.  Як температура впливає на швидкість реакції горіння? Закон Арреніуса.

Лекція 7

Матеріальний баланс процесу горіння.

Принцип Ле Шательє – Брауна, закон Гесса

 

  1.   Матеріальний баланс процесу горіння.

Матеріальний баланс  – це кількісне співвідношення між паливом, повітрям і продуктами згоряння, які утворюються в результаті окислювальних реакцій . Матеріальний баланс складається на 1 кг спаленого твердого або рідкого палива чи на 1м³ газу.

Розглянемо кількісні співвідношення між паливом, повітрям і продуктами згоряння при повному окисленні горючих речовин, для вуглецю:

C+OCO

Мольне співвідношення:

1к моль C+1к моль O1к моль CO

Вагове співвідношення, маса 1 кмоля речовини дорівнює його молекулярній масі:

12кг C+33кг  O = 44кг CO

1кг С+кг O = кг CO

Обємне співвідношення:

1к моль займає обєм 22,4м³

12кг C+22,4м³ O→ = 22,4м³ CO

1кг C +м³ O = м³ CO

Розглянемо реакцію горіння водню:

2H↔2HO

2кмоль H+1кмоль O = 2 кмоль HO

Вагове співвідношення:

4кг H+32кг O = 36кг HO

1кгH+8кг O = 9кг HO 

Обємне співвідношення:

2 ∙ 22,4м³H + 22,4м³O =2 ∙ 22,4м³HO

1м ³ H + 0,5м ³O = 1м³ HO

Для спалювання 1 м³ водню необхідно 0,5 кисню і утворюється 1 м³ водяних парів.  

  1.   Принцип Ле Шательє – Брауна.

Якщо на систему, що знаходиться в хімічній рівновазі вплинути зі сторони змінивши в ній температуру, тиск, або концентрації реагуючих речовин, то система вийде із стану рівноваги  і в ній пройдуть процеси (реакції), що приведуть систему до нового стану рівноваги. Напрямок цих процесів можливо визначити за допомогою принципу Ле Шательє – Брауна.

Сам принцип. Якщо на систему, яка знаходиться в стані рівноваги вплинути зі  сторони то в ній почнуться реакції, що намагаються послабити цей вплив. Кожна дія викликає протидію – закон природи. В результаті в системі встановлюється новий стан рівноваги, який зменшує дію зовнішнього впливу.

  1.   Вплив зміни тиску на швидкість хімічних реакцій.

Розглянемо реакції горіння окису вуглецю, метану і не повного горіння вуглецю.

2CO + O↔2CO

2кмоль + 1 кмоль = 2 кмоль

2∙22,4м ³CO + 22,4 м³O = 2∙22,4м ²CO

1м ³CO + 0,5м ³O = 1м ³CO

1,5м ³> 1м ³    w=КС∙С↑

З підвищенням тиску швидкість прямої реакції збільшиться , тому що система буде намагатись зменшити свій об’єм

CH + 2OCO + 2HO

1 кмоль + 2кмоль = 1кмоль + 2 к моль

1м ³CH + 2м ³O = 1м ³CO + 2м ³HO

Для реакції горіння водню зміна тиску не впливає на швидкість реакцій згоряння.

3м³ = 3м³

При не повному горінні вуглецю:

2C + O↔2CO

1кг С + м ³O = м ³CO

Збільшується швидкість зворотної реакції.

                                                  

  1.   Вплив змін концентрації на швидкість хімічних реакцій.

З підвищенням концентрації одної з регулюючих речовин, наприклад кисню, згідно принципу Ле Шательє – Брауна, система буде намагатись до зниження його концентрації в одиниці об’єму суміші,що збільшує швидкість реакції горіння. Виходячи з цього принципу було впроваджено кисневе дуття  в металургійній промисловості для прискорення плавлення сталі. Другий приклад, під час різки метала використовується кисень.

Якщо із системи яка-небудь речовина виводиться, то система сприяє збільшенню її концентрації . Це означає, що безперервне видалення димових газів з топки котла сприяє більш повному протіканню реакцій згоряння, збільшується швидкість прямої реакції горіння.

  1.   Вплив температури на швидкість реакцій горіння.    

Кожна екзотермічна реакція згоряння відбувається із виділенням теплоти, з підвищенням температури в системі.       

Реакції згоряння – це екзотермічні реакції, тому згідно принципу Ле Шательє – Брауна повинна збільшитись швидкість зворотної ендотермічної реакції з поглиненням теплоти, щоб зменшити температуру в системі і збільшити ступінь  дисоціації CO і HO .

Отже,з принципу витікає, що пониження температури в топці котла зменшує швидкість зворотної реакції, зменшує втрати теплоти з хімічною неповнотою згорання, але згідно закону Арреніуса швидкість реакцій горіння з підвищенням температури збільшується, а низька температура призводить до того , що окис вуглецю CO не встигає окислитись в топці до CO.

Тому питання, яку вибрати  температури процесу вирішується техніка – економічним шляхом.

Згідно принципу Ле Шательє – Брауна для багатьох горючих речовин: CO,H і інш, щоб підняти швидкість згоряння і не підвищити ступінь дисоціації CO і HO треба підняти тиск. Так підвищується тиск при згорянні палива в двигунах внутрішнього згоряння. Процес протікає при високих температурах з мінімальними втратами .

  1.   Закон Гесса.

Згідно першому закону термодинаміки внутрішня енергія системи залежить тільки від стану в даний момент, тому зміна енергії системи при переході з одного стану в інший залежить тільки від початкового і кінцевого стану і не залежить від шляху переходу.

Спираючись на перший закон термодинаміки, російський академік Гесс в 1940 році відкрив закон теплового ефекту реакцій горіння, згідно якого тепловий ефект реакції  залежить тільки від початкового і кінцевого стану, але не залежить від шляху по якому протікала реакція. Згідно закону Гесса стало можливим вичислити  теплові ефекти проміжних реакцій згоряння, теплоту яких неможливо визначити калориметричним  шляхом.

Наприклад, при згорянні вуглецю одночасно утворюються гази CO і CO.

                    CO

3С + 2O

                    2CO + O CO

 

 

Тому визначити теплоту згоряння C в CO калориметричним шляхом неможливо. Це стало можливим завдяки закону Гесса.

Відомо, що при згорянні вуглецю  C + OCO виділяється q кількість теплоти, а при згоранні CO     CO +  OCO виділяється q теплоти.

Згідно закону Гесса q = q + q і q = q - q.  q- кількість теплоти,яка виділяється при згорянні вуглецю в окис вуглецю, CO.

Контрольні запитання.

  1.  Що таке матеріальний баланс процесу горіння, наведіть приклади.
  2.  Дайте визначення принципу Ле Шательє – Брауна?
  3.  Як зміна тиску і концентрації реагуючих речовин впливає на стан рівноваги?
  4.  Як зміна температури впливає на швидкість екзотермічних реакцій горіння? Як вибирається оптимальна температура горіння в теплових установках?
  5.  Як визначити тепловий ефект  реакції згоряння вуглецю в окис вуглецю згідно закону Гесса?  

Лекція 8

Займання палива. Вплив фізичних факторів на процес горіння.

8.1. Два види займання палива.

Початковий процес горіння палива називається займанням. Є два види займання палива: самозаймання і запалення від зовнішнього джерела (відкритого полум’я)

При самозайманні вся горюча суміш (паливо - повітря) зовнішнім джерелом теплоти або внутрішнім хімічним процесом доводиться до температури при якій речовини, що входять в суміш, стають активними. Активні центри накопичуються рівномірно в кожній одиниці об’єму. Це миттєве займання всієї горючої суміші (тепловий вибух). Для водню температура вибуху 530-590°С, для метану 650-750°С.

При запалюванні від зовнішнього джерела (факел, іскра) загорається тільки частина горючої суміші, від якої горіння поширюється на весь її об’єм.

При тривалому зберіганні твердого палива під впливом атмосферних опадів,вологи та сонячного випромінювання якість його погіршується. Цей процес називається вивітрюванням. Вивітрювання буває фізичним і хімічним.

Фізичне вивітрювання відбувається під впливом різних змін температури, що викликає розтріскування частинок палива, їх роздрібнювання.

Хімічне вивітрювання викликає зміну в складі палива і знижується його теплота згоряння. Наприклад, при зберіганні донецького кам’яного вугілля в штабелі за 6 місяців його теплота згоряння знижується на 2-5%. Найбільше окиснення відбувається в паливі з пористою структурою (торф, буре і молоде кам’яне вугілля). При окисненні горючих палива виділяється теплота, що може накопичуватись в штабелі палива. Температура в штабелі підвищується, процес само прискорюється і може відбутися самозаймання твердого палива. Температура самозаймання палива називається критичною. Для бурого і кам’яного вугілля вона складає 60-70°С.

При зберіганні вугілля, крім антрациту, для запобігання проникнення повітря в середину штабеля його зовнішня поверхня ущільнюється катками. З метою зменшення нагріву штабеля від сонця його білять вапняним розчином. Температура в середині штабеля влітку контролюється і якщо підвищується до критичної величини, то штабель розбирають, охолоджують паливо і використовують для спалювання в першу чергу.

8.2. Температура спалаху і займання рідкого палива.

Для характеристики рідкого палива використовуються поняття – температура спалаху і температура займання. Температура спалаху –  це така температура, при якій суміш спалахує при піднесенні до неї відкритого полум’я (сірник, іскра і інш). Але процес горіння після цього припиняється.

Температура займання, це така температура, коли паливо загорілось і продовжує горіти. Температура спалаху і займання пов’язані з температурою кипіння фракцій палива. Чим більше легких фракцій у паливі тим нижче t спалаху і  t займання. Наприклад, для мазуту М-40 t спалаху 90°С, а для марки М-100 t спалаху -110°С. Температура спалаху для бензину нижче нуля. Температура займання нафтопродуктів на 50-70° вища за температуру їх спалаху. Температура самозаймання мазуту 500-600°.

8.3.  Влив концентрації газу в суміші з повітрям на температуру займання.

Максимальна швидкість горіння може бути досягнена тільки для стехіометричній суміші . При надлишку горючого (багата суміш) чи при малій його концентрації (бідна суміш) швидкість реакції горіння знижується за рахунок зменшення тепловиділень на одиницю об’єму. Якщо склад горючої суміші відхиляється від стехіометричної величини, то t займання збільшується.

Займання і відповідно горіння може відбуватись не при любій концентрації горючого в суміші , а тільки при визначеному співвідношенні з окиснювачем. Багата суміш і бідна суміш не горить.

На рис 5 показана залежність швидкості горіння від концентрації горючих в суміші з повітрям. В таблиці №1 приведені границі горіння різних видів горючих газів для бідної і багатої суміші при атмосферному тиску і t=20°С в залежності від їх концентрації.   

Таблиця №1

Найменування газу

Границі концентрації,% об’єму

Природний газ

Окис вуглецю, СО

Водень

Метан

нижня

верхня

5,15,8

1215,6

4,09,5

4,96,3

12,113,9

70,975

6575

11,915,9

Із збільшенням концентрації кисню, підвищенням температури і тиску в суміші границі стійкого горіння газу розширюються.

Рис 5. Залежність швидкості горіння газу від концентрації горючого в суміші з повітрям.

8.4. Вплив фізичних факторів на процес горіння.

Сумішеутворення чи утворення горючої суміші визначається двома фізичними процесами:

  1.  Турбулентною дифузією, що характеризується ступеню  турбулентності потоку.
  2.  Молекулярною дифузією, що визначається тепловим рухом молекул.

При турбулентній дифузії відбувається перемішування молей речовини, але не досягається ступені молекулярного контакту. Якщо між сусідніми ділянками газового середовища є градієнт концентрації і температури, то молекулярна дифузія і теплопровідність відбуваються одночасно і градієнт температур сприяє переносу молекул речовини, відбувається термодифузія.

Процес сумішоутворення завершується молекулярною дифузією, коли елементарні частинки горючої речовини взаємодіють з елементарними частинками окислювача. В процесі сумішоутворення завжди має місце турбулентна і молекулярна дифузія.

Із термодинаміки відомо, що теплота іде на зміну внутрішньої енергії і на виконання роботи. Для реакції горіння, що протікає при постійному об’ємі, робота розширення не виконується і тепловий ефект дорівнює зміні внутрішньої енергії  ; при постійному тиску p=const , тобто зміні ентальпії системи. Для реакції горіння різниця між  і не перевищує 1%.

Тому в практичних розрахунках можна прийняти, що .

Контрольні запитання.

  1.  Як протікає процес займання горючої суміші і від чого залежить температура займання?
  2.  Що таке самозаймання горючої суміші?
  3.  Причина самозаймання твердих палив?
  4.  Яка різниця між температурою спалаху і займання для рідкого палива?
  5.  Від яких факторів залежать межі займання. Навести приклади.
  6.  Які фізичні процеси протікають при сумішоутворенні?

Лекція 9

Поширення полум’я в ламінарних і турбулентних потоках.

9.1. Фронт полум’я. Нормальна швидкість поширення полум’я.

Процес хімічних реакцій горіння, як показали досліди, протікає в тонкому шарі, який називається фронтом полум’я, що відділяє незгорівшу суміш від продуктів згоряння. В нерухомій газовій суміші фронт полум’я рухається до свіжої суміші з швидкістю, яка називається швидкістю поширення полум’я  м/с, що спрямована по нормалі до фронту полум’я.

Якщо суміш рухається назустріч фронту пoлум’я з швидкістю W, що дорівнює  то спостерігається стаціонарне положення фронту полум’я. .

Якщо швидкість потоку суміші менше швидкості поширення полум’я, то полум’я проскакує в пальник топки і доходить до місця змішування палива з повітрям (пальник обгорає).

При збільшенні швидкості потоку можливо досягнути ситуації, що фронт полум’я відривається від пальника і займання переноситься в простір топки. Ця форма горіння дуже нестійка, можливий відрив факела з його погасанням.

При горінні в струмині, витікаючий із трубки, тобто в факелі (ламінарний режим), фронт полум’я стабілізується в просторі, утворюючи поверхню у вигляді конуса з основою, розташованою на обрізі трубки з якої витікає горюча суміш, рис 6. Подача кисню відбувається за рахунок молекулярної дифузії і натуральної тяги. Цей конус називається конусом Міхельсона.

Рис 6. Конус Міхельсона

1 – трубка подачі газу; 2 – фронт полум’я; 3 – горюча суміш; 4 – продукти згоряння.

9.2.  Залежність швидкості поширення полум’я від властивостей і параметрів стану горючої суміші.

Розглянемо схему поширення полум’я при горінні однорідної горючої суміші в ламінарному потоці. Фронт полум’я розділяє масу газу на дві частини: перед ним знаходиться свіжа горюча суміш з початковою температурою і концентрацією горючої речовини , а за ним продукти згоряння з температурою  і концентрацією  (при повному процесі горіння концентрація горючих речовин нульова), рис 7.

Теплова зона  фронту полум’я складається із зони підігріву суміші до температури займання і зони , де протікають хімічні реакції. Цю зону можна виразити за формулою: , де –  час протікання хімічних реакцій.

Чим більше  тим менше теплова зона і час розігріву суміші. Для ламінарного потоку  можна визначити за формулою: м/с; де – коефіцієнт температуропровідності газової суміші м²/с; –  густина горючої суміші кг/м³; –  середня питома теплоємність продуктів згоряння при постійному тиску, кДж/кгК; –  середній коефіцієнт теплопровідності свіжої суміші і продуктів згорання, Вт/м³К.

Глибина фронту полум’я залежить від фізичних і хімічних факторів; її визначення ускладнено.

визначається законами молекулярної теплопровідності і законами передачі речовини (дифузією). При цьому швидкість  не залежить від того знаходиться суміш в спокою чи рухається в ламінарному режимі.

При горінні можливі два види поширення полум’я: повільне і швидке (детонація). Детонація – взривне горіння характеризується великою швидкістю поширення фронту полум’я до тисячі метрів в секунду.

В струмені, витікаючому із труби чи пальника у вільний простір, відбувається повільне горіння.

Для гомогенної суміші вуглеводнів з повітрям  дорівнює 0,3÷1,2м/с, для суміші ацетилену з повітрям досягає 3 м/с. для гетерогенних систем .

Нормальну швидкість поширення полум’я можна представити, як функцію слідуючих параметрів:

де , – концентрації горючих елементів і кисню в суміші, моль/м3;  – температура і тиск в суміші, °С, кг/см2; Re – критерій Рейнольдса потока.

Рис 7. Розподіл температури і концентрації горючого в суміші по фронту полум’я.

Залежність  від концентрації горючих елементів в суміші має однаковий характер зміни, як для газів так і для різних зависей рідкого і твердого палива. Максимум при, по обидва боки від нього швидкість зменшується, тобто характер ідентичний зміні швидкості горіння палива, рис 5. Для кожного палива є максимальна і мінімальна концентрація горючого в повітрі, при яких швидкість поширення фронту полум’я різко падає до нуля.

З підвищенням концентрації кисню в повітрі , яке входить до паливно-повітряної суміші, границі стабільної  значно розширюються, підвищується температура і швидкість поширення полум’я. Так, наприклад, в суміші метану з киснем м/с, а в суміші метану з повітрям м/с.

Якщо швидкість хімічної реакції горіння залежить від тиску то, збільшується з підвищенням тиску в суміші.

Реакції горіння при турбулентному режимі, як і при ламінарному, залежать від температури суміші і концентрацій реагуючих речовин, але вони прискорюються завдяки турбулентної дифузії. Тому  залежить від Re потоку. В момент переходу режиму руху горючої суміші від ламінарного до турбулентного відбувається різке збільшення . Після досягнення сталого турбулентного руху  починає повільно збільшуватись, рис 8.

Рис 8. Залежність нормальної швидкості поширення полум’я від Рейнольдса потока Re.

1 – ламінарний режим горіння;

2 – турбулентний режим горіння.

9.3. Турбулентне горіння.

Фронт поширення полум’я турбулентного горіння відрізняється від фронту поширення полум’я ламінарного горіння, рис 9. Якщо фронт поширення полум’я ламінарного горіння представляє собою тонку смужечку, то при турбулентному горінні фронт хвилястий, сильно покривлений, має розмиті контури, значну товщину і пульсує.

             

Рис 9. Типи фронту полум’я при різних гідродинамічних режимах потоку.

а – ламінарний потік; б – турбулентний потік.

Турбулентне горіння представляє собою поширення пульсуючого самозаймання, тобто вибухів мікрооб’ємів, що виявляється в характерному шумі турбулентного полум’я. Дійсно в результаті перемішування утворюються мікрооб’єми з різним складом по вмісту горючої суміші і продуктів згорання. В мікрооб’ємах з високою концентрацією горючої суміші і високою температурою близькою до температури займання утворюється значна кількість хімічноактивних центрів, реакції горіння розвиваються значно швидше, ніж в інших мікрооб’ємах з меншими концентраціями і температурою. Таким чином при турбулентному горінні сумарна поверхня горіння сильно зростає і відповідно зростає тепловиділення, тому більшість пальників в парогенераторах мають турбулентний режим горіння.

Контрольні запитання.

  1.  Що називається фронтом поширення полум’я і нормальною швидкістю поширення полум’я в газових сумішах?
  2.  Умови стійкості факела в топці котла.
  3.  Від яких факторів залежить швидкість нормального поширення полум’я?
  4.  Поясніть різницю між формами фронту полум’я в ламінарному і турбулентному потоках.
  5.  Чому віддається перевага турбулентному режиму горіння?

Лекція 10

Процеси сумішоутворення і аеродинаміки руху струмини

10.1. Три режими горіння газового факела.

Незалежно від схеми організації горіння повний час згоряння любого палива в топці котла складається із часу необхідного для подачі окислювача до палива , часу підігріву до температури займання і утворення необхідної кількості активних центрів і часу необхідного для протікання хімічних реакцій.

 

Етапи сумішоутворення і нагріву є фізичні стадії процесу ,а реакції горіння хімічні.

Швидкість хімічних реакцій може бути більше швидкості утворення горючої суміші, менше або дорівнювати цій величині. В залежності від цього розрізняють 3 види горіння газового факела.

1 вид. Якщо швидкість протікання хімічних реакцій визначається хімічною кінетикою і буде значно більше швидкості сумішоутворення і нагріву до температури займання, то такий вид горіння палива називається кінетичним.

Для такого виду стехіометрична суміш горючих елементів з повітрям готується заздалегідь до подачі в зону горіння.

2 вид. Якщо навпаки швидкість хімічних реакцій визначається дифузійними факторами сумішоутворення. , то такий вид горіння називається дифузійним. Для дифузійного виду горючі елементи і повітря поступають в зону горіння окремо. Приклад, горіння свічки, горіння сірника, папіроси – це дифузійні види горіння.

3 вид. Якщо швидкість хімічних реакцій близька до швидкості фізичних стадій процесу , то такий вид горіння називається проміжним. При проміжному виді горіння горючі речовини і повітря частково перемішуються до подачі в зону горіння.

10.2. Аеродинамічні характеристики ізотермічної затопленої турбулентної струмини.

Струмина газу називається вільною, якщо вона не обмежена твердими стінами і поширюється в середовищі з такими фізичними властивостями, що і струмина. Струмина називається затопленою, якщо вона поширюється в спокійному середовищі та ізотермічною, коли температура струмині не відрізняється від температури середовища.

Розглянемо прямотокову вільну затоплену ізотермічну струмину,    рис 10.

Рис 10. Схема прямотокової вільної   затопленої турбулентної ізотермічної струмини.

Зовнішні границі струмини утворюються прямими АВ і СD, точка перетинання яких (точка О) називається полюсом струмини. На границях струмини швидкість поступального руху дорівнює швидкості середовища; для нерухомого середовища вона дорівнює нулю;  – кут розширення струмини. Прямотокова струмина довга і вузька, .

Завдяки турбулентній дифузії в струмину втягуються все нові маси навколишнього середовища і струмина втрачає швидкість. Струмина приймає форму конусу, що розширюється. Швидкість поступального руху падає і досягає швидкості середовища; струмина розчиняється в середовищі і втрачає своє існування.

Після точки F подальше змішування струмини з газом із навколишнього середовища відбувається по всьому перерізу струмини, що викликає падіння швидкості по вісі. Лінії AF і CF являються границями проникнення зовнішнього середовища в струмину і кут , утворений цими лініями, – кутом звуження ядра струмини. – це початкова ділянка руху струмини, а –  основна ділянка.

На рис 11 показана схема такої струмини у спутному потоці.

В топочній камері димові гази рухаються і тому факел-струмина, яка поступає в топку буде струминою в спутному потоці, рис 2. Завдяки впливу швидкісного поля середовища довжина початкової ділянки збільшується, а швидкість на границі струмини буде дорівнювати швидкості димових газів. Після точки F утворюється перехідна ділянка, де швидкість газу на вісі практично не змінюється, а далі основна ділянка, на якій швидкість падає по всьому перерізу струмини і досягає швидкості димових газів. Кут розкриття основної ділянки спутної струмини відрізняється від початкового. При цьому полюс основної ділянки струмини зміщується по вісі на відстань  від зрізу сопла.

Рис 11. Схема прямотокової струмини в спутному потоці.

–  середня швидкість димових газів;  –  швидкість по вісі струмини.

Повітря і паливо, що поступає в топку, має значно нижчу температуру ніж температура топочного середовища. Завдяки різниці густин струмини і димових газів в струмині утворюються гравітаційні сили, що викликають відхилення вісі струмини вниз. На траєкторію руху струмини впливає напрямок і швидкість руху димових газів. Струмина скривлюється і нарешті приймає напрямок руху потоку димових газів. Неізотермічна струмина, що рухається в середовищі з меншою густиною, затухає повільніше і має більшу довжину, ніж ізотермічна.

Для зменшення довжини струмини і збільшення кута її розширення в котельній практиці широко застосовується закручення потоку струмини. Закручення потоку відбувається за рахунок вводу повітря в завитку по дотичній,або за рахунок лопаточних завихрювачів. При виході із пальника на вісі закрученої струмини утворюється зона розрідження, яка активно затягує в корінь факела димові гази, які мають більшу температуру ніж температура в струмині. Це покращує турбулізацію струмини, вона розширюється і втрачає швидкість. Підвищується температура в корні факела, що сприяє процесу горіння. Чим більше струмина закручується, тим більший кут розкриття факела, факел стає більш коротким і широким.

Закономірності розвитку закрученої струмини залежить від способу подачі струмини в камеру, форми об’єму, де відбувається розширення струмини, і інших факторів. Тому вони можуть бути встановлені лиш на основі експериментальних досліджень у визначених умовах.

Завдяки закручення потоку повітря в турбулентних пальниках стало можливим спалювати паливо в котлах з малими розмірами по довжині топки, наприклад в котлах ДКВр, ДЕ.

Контрольні запитання.

  1.  Які складові часу горіння палива?
  2.  Сумішоутворення та його значення для процесу горіння.
  3.  Які основні фактори визначають час горіння для кожного режиму (кінетичного, проміжного, дифузійного).
  4.  Яка струмина називається вільною, затопленою, ізотермічною, неізотермічною?
  5.  Види газових струмин, навести схеми цих струмин.
  6.  Які переваги має турбулентна, закручена струмина перед прямотоковою?
  7.  Вплив супутного потоку на рух струмини.

Лекція 11

Спалювання газу

11.1. Види горіння газоподібного палива.

Горіння газових палив відбувається згідно законів ланцюгових реакцій.

Повнота, інтенсивність і стійкість горіння в першу чергу залежать від фізичних факторів – температури і умов змішування горючого з окислювачем.

Якщо тепловтрати зони горіння, пов’язані з теплообміном в топці, перевищують тепловиділення, то горіння неможливо. Тому t в топці котла повинна бути більше t займання горючої суміші, в протилежному випадку горіння не буде стійким. Попередній нагрів повітря горючої суміші прискорює займання і інтенсифікує процес горіння.

В залежності від способу подачі в топку газу і повітря і умов їх змішування розрізняють три види горіння газового факела: кінетичний, дифузійний і проміжний.

11.1.1. Кінетичний вид горіння.

В залежності від характеру руху горючій суміші розрізняють ламінарне і турбулентне горіння. При кінетичному горінні факел прозорий, не світлий, тому що сажа не утворюється,а 3-х атомні гази мають малий коефіцієнт чорноти. При цьому фронт полум’я має блакитний колір і його часто називають блакитним конусом. Горіння безфакельне або коротко- факельне, рис 12. Процес горіння миттєвий.

Рис 12. Схема кінетичного ламінарного горіння газу.

1 – стехіометрична суміш газу з повітрям; 2 – суміш газу, повітря і продуктів згоряння; 3 – продукти згоряння СО2, SО2, Н2О, N2.

 

При ламінарному виді горіння процес протікає на поверхні конусоподібного факела, а основний факел залишається інертним. При турбулентному виді горіння фронт полум’я скривлюється, розмивається, розривається на окремі очаги горіння, але конусоподібна форма зберігається і займання відбувається на периферії струмини.

Кінетичний вид горіння має оптимальний коефіцієнт корисної дії, сажа не утворюється, , (втрати теплоти від механічної і хімічної неповноти згоряння), коефіцієнт надлишку повітря в суміші .

При горінні однорідної стехіометричної газової суміші факел не стійкий і короткий, безфакельне горіння. Це основний недолік кінетичного виду горіння. Для створення стійкового газового факела використовуються стабілізатори горіння, що забезпечують високу температуру у кореня факела.

Кінетичний вид горіння в парогенераторах не використовується через короткий, нестійкий факел, а має місце в пічній техніці, наприклад в тунельних пальниках, рис 13. Для спалювання використовують низькокалорійне паливо, тому що тунелі не витримують високих температур. В керамічні тунелі закладається ніхромовий дріт, який розжарюється для запалювання газу. Далі тунелі розжарюються і служать стабілізаторами горіння. В якості стабілізаторів горіння використовують керамічні раковини, насадки на пальники у вигляді керамічних решіток (стабілізатор Козанцева) та інш.

Рис 13. Тунельний пальник для низькокалорійних палив.

1 – стехіометрична суміш газу з повітрям; 2 – керамічні тунелі; 3 – короткофакельне горіння.

11.1.2. Дифузійний вид горіння.

Якщо газ і повітря поступає в топку окремо, наступає дифузійне горіння, рис 14.

Рис 14. Схема дифузійного ламінарного горіння газу.

1 – суміш газу і продуктів згоряння;
     2 – суміш продуктів згоряння (,,,,), сажистого вуглецю і повітря.

При дифузійному горінні факел густий, світлий, довгий, стійкий.

Термічний розклад метану при відсутності кисню починається при температурі приблизно 680÷700°С.  СН4→С+2Н2. При нагріву метану без доступу повітря до 950°С він розкладається до 26% з утворенням сажі.

При дифузійному горінні в корені факела відсутній кисень і висока температура, тому в факелі є сажистий вуглець і горіння відбувається з втратами теплоти від механічної і хімічної неповноти згоряння. Дрібно  дисперсні частинки сажі (десяті долі мікрона), розжарюються за рахунок теплоти виділеної при горінні і випромінюють яскраве світло, викликаючи світлення факела. Гетерогенне горіння сажі протікає порівняно з гомогенним горінням газу повільно. Частина сажі не встигає згоріти і  покидає котел, а потім осідає на поверхнях нагріву і знижує коефіцієнт теплопередачі; тому дифузійний режим горіння має низький коефіцієнт корисної дії і в парогенераторах не застосовується.

11.1.3. Проміжний вид горіння.

Рис 15. Схема проміжного ламінарного горіння газу.

1 – фронт кінетичного горіння; 2 – фронт дифузійного горіння; 3 – догоряння сажистих вуглеводнів.

При проміжному виді горіння газу повітря частково змішується з газом перед подачею в топку, . По довжині факел займає проміжне положення між довжиною дифузійного і кінетичного факела. Співвідношення первинного і вторинного повітря можна регулювати досягаючи повного згоряння палива. По виході із пальника частина газу згорає з’єднуючись з киснем по законам кінетичного горіння, утворюючи конусоподібний фронт кінетичного полум’я. Рештки незгорівшого газу і формальдегіди після змішування з вторинним повітрям згорають по законам дифузійного горіння. Факел стійкий, добре заповнює топку. Проміжний режим горіння газу має високий коефіцієнт корисної дії, тому застосовується для спалювання газу в парогенераторах. Довжина факелу залежить від вмісту повітря в суміші, що поступає в пальник.

11.2. Границі стійкості горіння ламінарного факелу.

Нестійка робота пальника пов’язана з можливими такими явищами, як відрив факела, або його затягування в пальник.

Рис 16. Границі стійкості горіння в пальниках атмосферного тиску.

Із рис 16 видно, що верхня границя стійкого горіння з підвищенням кількості повітря в суміші різко зменшується.  Таким чином ламінарне горіння є стійким в широкому діапазоні швидкостей суміші , лише при малій кількості в ній повітря, що пов’язано з дифузійним видом горіння;  – дифузійний вид горіння.

При  (кінетичне горіння суміші) горіння стійке тільки в надто вузьких границях швидкості потоку. Тому для забезпечення стійкості горіння необхідно використовувати стабілізатори горіння.

Для метану та для природних газів багатих метаном до області стійкого горіння відноситься суміш з коефіцієнтом надлишку повітря . Для спалювання природного газу в атмосферних пальниках суміш утворюють з добавкою 40÷70% повітря. Це дозволяє запобігти відриву і затягуванню факела в пальник і відповідно зменшує втрати від хімічної і механічної неповноти згоряння.

При збільшенні діаметра пальника зростає небезпека затягування полум’я в пальник. Рівняння критичної умови затягування полум’я в пальник має вигляд:

 

де  – радіус пальника;  – нормальна швидкість поширення полум’я;  –  середня швидкість газо-повітряної суміші.

Із рівняння виходить, що при збільшенні радіуса пальника необхідно збільшити швидкість потоку суміші для забезпечення стійкості горіння.

Із матеріалу лекції витікає, що попереднє змішування газу з окислювачем сильно впливає на характер горіння газового факела. Дифузійне горіння має довгий і стійкий факел, але низький коефіцієнт корисної дії. Кінетине горіння має високий коефіцієнт корисної дії, але не стійке при зміні швидкості потоку і має короткий факел, або безфакельне горіння.  Тому ці види горіння не підходять для спалювання газу в парогенераторах. А підходить проміжний режим горіння, який бере від дифузійного горіння стійкий довгий факел, а від кінетичного горіння високий коефіцієнт корисної дії.

Контрольні запитання.

 

  1.  Які застосовуються методи спалювання газоподібного палива?
  2.  Які особливості притаманні кінетичному виду спалювання газу?
  3.  Дифузійне горіння газу та особливості цього виду горіння.
  4.  Розгляньте схему факела при попередньому змішуванні газу з часткою повітря.
  5.  Чому для парогенераторів використовується проміжний вид спалювання газу?
  6.  Як залежить стійкість горіння факела при попередньому змішуванню газу з повітрям від величини коефіцієнта надлишку повітря в попередній суміші?

Лекція 12

Умови раціонального спалювання газоподібних палив. Газові пальники

12.1. Хімічні реакції горіння природного газу.

Якщо нагрівання природного газу відбувається в повітряному середовищі, то метан під впливом кисню легко розпадається з утворенням радикала СН3: СН4→СН3+Н*

Атомарний водень, реагує з молекулою кисню, утворюючи гідроксил і атомарний кисень.

Н*+О2→ОН+О*

В подальшому можливо з’єднання радикала СН3 з гідроксилом з утворенням метилового спирту: СН3+ОН→СН3ОН

при окисленні якого утворюється формальдегід СН3ОН+О→НСНО+Н2О

Можливе подальше розпадання радикала СН3 з утворенням групи СН, яка з’єднується з гідроксилом і утворює також формальдегід СН+ОН→НСНО

При наявності кисню формальдегіди згоряють повністю

НСНО+О2 →СО22О

При відсутності кисню формальдегіди розкладаються на водень і оксид вуглецю

НСНО→СО+Н2,

які згорають при подальшому контакті з киснем:

СО+О2 →СО2             2Н22→2Н2О

Таким чином для раціонального спалювання газу без утворення сажі необхідно в корінь факела подати стільки повітря, щоб кисню було достатньо для утворення формальдегідів. При недостатній кількості кисню і високій температурі іде процес термічного розкладання метану з утворенням сажі:

СН4→С+2Н2 

12.2. Сумішеутворення і турбулізація газоповітряного потоку.

Процес горіння складається із ряду фізичних, теплових та хімічних стадій: утворення горючої суміші, її нагрівання, займання і хімічної взаємодії горючих елементів з окислювачем. Тому швидкість горіння залежить від інтенсивності протікання окремих стадій процесу.

Інтенсивність утворення горючої суміші визначається процесами молярної і молекулярної дифузії в пальнику і в факелі. Ефективне змішування газу з повітрям відбувається:

а) при збільшенні різниці між швидкостями газу і повітря,(швидкість газу м/с, а повітря м/с);

б) при подачі потоків газу і повітря під кутом один до одного;

в) при дробленні потоків газу на окремі струмочки;

г) при закручуванні повітря. Для закручування повітря використовують лопаточний апарат, або подачу повітря в завитку по дотичній.

12.3. Висновки.

Для стабілізації факела і раціонального спалювання палива важливе значення мають процеси підігріву і займання горючої суміші. Займання повинно бути безперервним, стійким, без затягування полум’я в пальник і відриву факела. Факел повинен бути коротким і широким. Сажа не повинна утворюватись. Для раціонального спалювання газоподібного палива в парогенераторах необхідно:

  1.  Підвищення температурного рівня процесу горіння (підігрів повітря, зменшення до можливих границь коефіцієнта надлишку повітря, рециркуляція частини топочних газів в корінь факела).
  2.  Добре перемішування газу з окиснювачем.
  3.  Збільшення поверхні факела (турбулентний режим горіння, закручування повітря).
  4.  Стабілізація горіння (стабілізатори, рециркуляція частини топочних газів в корінь факела).
  5.  Проміжний режим горіння, подача такої частини повітря в корінь факела, щоб утворились формальдегіди і факел був стійкий і широкий.

12.4. Класифікація пальників.

Пальники поділяються на безполум’яні (кінетичне горіння) і факельні (проміжне горіння).

Пальники з примусовою подачею повітря від вентилятора і інжекційні  пальники, коли повітря інжектується в пальник чи топку струминою газу.

Пальники з примусовою подачею повітря поділяється на прямотечійні (щілинні), коли повітря не закручується, і вихрові.

По тиску газу пальники поділяються на пальники низького тиску, до р=500Па (50 мм вод. стовпчика), середнього, р – 2÷70кПа (0,02-0,7бар) і високого, р – 2÷7бар.

12.5. Конструктивні схеми пальників.

Для опалювального обладнання застосовуються пальники низького тиску.

При роботі інжекційного пальника на газі середнього тиску забезпечується необхідне перемішування газу з повітрям, але утворюється сильний шум, тому такі пальники зараз не використовуються. На рис 17 приводиться конструктивна схема пальника низького тиску.

                                                                   Рис 17. Кухонний пальник.

1 – інжектор; 2 – отвори для подачі первинного повітря; 3 – кришка з щілинами для виходу газо-повітряної суміші.

Пальник працює з проміжним видом горіння. Вторинне повітря підсмоктується до кришки пальника завдяки самотяги.

В котлоагрегатах малої потужності іноді застосовують дифузійні підові пальники, рис 18. Підовий пальник представляє собою трубчасту систему 1 із труб ø45-60мм. Труби мають отвори ø1,3-2,8мм, розміщені в шаховому порядку з кроком 15-25мм. Труби розміщуються під щілинами піду топки 2, викладеного із вогнетривкої цегли. Повітря для горіння поступає знизу від вентилятора.

Щілинні пальники прямотечійні, мають довгий, не закручений факел, рис 19г.

     Рис 18. Підовий пальник.

1 – труби подачі газу;

2 – під топки.

На рисунку 19 представлені газові пальники (проміжний вид горіння)

Рис 19. Турбулентні газові пальники

а) 1 – завитка; 2 – труба подачі газу з отворами;

б) 1 – колектор газу; 2 – отвори в колекторі; 3 – регістри;

в) 1 – трубка подачі газу; 2 – регістри;

г) щілинний пальник.

Із рис 19 видно, що повітря може закручуватись за допомогою завитки 1(а), або лопаточного апарату (регістрів) 2 (б,в). В закрученому потоці утворюються відцентрові сили, завдяки яким після виходу із пальника потік розходиться в сторони утворюючи усічений конус. В привісьовій частині конусу утворюються дільниці пониженого тиску, куди і підсмоктуються розпечені топочні гази. Потік газу розбивається на струмочки, які під кутом пересікають потік повітря (рис 19 а,б,в). Ці умови забезпечують добре перемішування газу з повітрям, факел стає стійким, широким, добре заповнює топку.

На рис 13 , лекція 11, представлений тунельний пальник (кінетичний вид горіння).

12.6. Установка пальників і визначення їх продуктивності.

Загальна продуктивність пальника (пальників) повинна бути на 10-20% вища за продуктивність котла. Для запобігання затягування полум’я в пальник швидкість для природного газу повинна бути більша за 20÷30м/с. Пальники розміщуються на фронтовій і бокових стінках топки. Відстань між вісями газових пальників повинна бути не менше 2,5-3 діаметрів амбразури пальника. Від піду топки і від бокових стін вісь пальника розміщується на відстані не менше 3 діаметрів амбразури пальника.

Для котлів згідно правил Госгіртехнагляду повинно бути основне і резервне паливо. Для котлів працюючих на газу резервним паливо є мазут. Тому більшість пальників газо-мазутні.

Продуктивність пальника регулюється тиском газу і відповідно до кількості газу подають повітря. При розтопці котла спочатку включають газ, а потім подають повітря. Для підвищення продуктивності пальника спочатку добавляють газ, а потім повітря. При зменшенні продуктивності зменшують газ,а потім повітря. При зупинці спочатку закривають газ, а потім повітря.

Контрольні запитання.

  1.  Які хімічні реакції протікають при спалюванні газу?
  2.  Які заходи треба вживати, щоб сажа при горінні газу не утворювалась і факел був стійкий, широкий і короткий?
  3.  Які необхідні умови для раціонального спалювання газу?
  4.  Класифікація газових пальників. Конструктивні схеми підових, інжекційних і вихрових пальників.
  5.  Як необхідно розміщувати газові пальники в топці котла?

 

Лекція 13

Горіння рідких палив.

13.1. Горіння краплі рідкого палива.

Температура займання для рідкого палива значно вища за температуру випаровування окремих фракцій палива. Тому при горінні рідкого палива спочатку іде процес випаровування з поверхні краплини за рахунок підведеної теплоти, а потім пари з’єднуютья з киснем повітря, догріваються до t займання і горять. Горіння рідкого палива, це гомогенне горіння. Нагрів краплі рідкого палива відбувається за рахунок конвективного теплообміну і променистого теплообміну від випромінювання топочних газів і розжареної обмуровки.  

На мал. 20 представлена схема горіння краплі в нерухомому середовищі.

Навкруг краплі утворюються пари, які дифундують в навколишнє середовище. Назустріч дифундує кисень повітря. На відстані від краплі r  утворюється стехіометричне співвідношення між горючими парами і киснем, , і відбувається займання палива. Зона стійкого горіння (фронт полум’я) буде тільки на поверхні, де горючі і суміш буде в стехіометричному співвідношенні.

Рис 20. Схема горіння краплі рідкого палива.

Величина радіусу стехіометричній поверхні і сильно залежить від радіуса краплини і температури. В зоні хімічних реакцій температура максимальна, а потім вона знижується інтенсивно в бік краплі за рахунок втрат теплоти на випаровування і прогрів краплі, а в бік продуктів реакції знижується повільно. При горінні краплі утворюються дві зони: внутрішня і зовнішня. В зоні знаходяться пари палива, які дифундують до фронту горіння і продукти реакції, які дифундують в протилежну сторону. В зоні продукти згорання в суміші з дифундуючим до краплі киснем.

Швидкість процесу горіння краплі визначається трьома факторами: швидкістю хімічних реакцій окиснення, швидкістю дифузії кисню до зони горіння і швидкістю випаровування. Швидкість гомогенної реакції велика, а кількість кисню, що дифундує через кульову поверхню пропорційна квадрату діаметра цієї поверхні; тому ці фактори не можуть суттєво вплинути на швидкість процесу горіння краплі. Тяжкі вуглеводневі палива (мазуту) мають малу швидкість випаровування, тому цей процес буде визначальним при горінні палива. Інтенсифікація випаровування досягається збільшенням площі випаровування шляхом розпилу. При розпилу утворюються частинки, розмір яких складає від кількох мікронів   ()  до десятих долей міліметра. Такі маленькі краплинки швидко прогріваються і випаровуються, а час випаровування окремої краплі тим менше, чим менше її розмір.

13.2. Хімічна реакція горіння рідкого палива.

Хід термічного перетворення і попереднього окислення парів палива залежить від кількості кисню, що приймає участь в процесі. На початковій стадії окислення рідких палив утворюється спирт, наприклад CH3OH, CH3CH2OH, і альдегіди, наприклад CH3СHО.

При відсутності вільного кисню спирт і альдегіди розщеплюються з утворенням метану:

CH3СHО→СН4+СО

CH3CH2OH →СН4+СО+Н2

При температурі 350-400° і вище і відсутності кисню починається процес термічного розщеплення метану з утворенням сажі і коксових частинок, СН4→С+2Н2, які для спалювання потребують простір і час і згорають по законам гетерогенного горіння. Наявність розжарених частинок сажі і коксу в факелі викликають його освітлення і утворення горящих “мух” . Для рідких палив інтенсивність утворення сажі значно вище, ніж для газоподібних палив, це пояснюється високим значенням відношення вуглецю до водню в складі палива. Так для мазуту С/Н=7,58 проти С/Н=33,2 для природних палив.

При наявності вільного кисню спирти і альдегіди окислюються до формальдегідів.

CH3ОH+O2HCHO+H2O

CH3CH2OH+O22HCHO+H2O

CH3СHО+O2 HCHO+CO+H2O

Як було показано вище, окислення або термічне розщеплення формальдегідів не супроводжується утворенням сажі.

13.3. Спалювання рідких палив в факелі.

Рис 21. Схема прямотечійного факела рідкого палива.

1 – мазутна форсунка; 2 – пальник; 3 – внутрішня зона; 4 – фронт горіння; 5 – зовнішня зона.

Факельне спалювання рідкого палива може відбуватись в прямотечійному (незакрученому) і в вихровому (закрученому) потоках. Розглянемо найбільш простий для вивчення прямотечійний факел,      рис 21. Із пальника 2 в топку поступає повітря і за допомогою форсунки 1 мазут розпилюється. Горіння основної частинки горючої суміші протікає на поверхні 4, що називається фронтом горіння.

Для ламінарного горіння фронт має чітку границю і малу товщину. В турбулентному факелі утворюється пульсуючий, розмитий, місцями розірваний фронт горіння, його товщина залежить від степені турбулентності і може досягнути значних розмірів (до кількох сантиметрів).

Фронт горіння поділяє факел на дві зони: внутрішню 3 і зовнішню 5.

У внутрішній зоні відбувається процес випаровування рідкого палива, утворюється горюча суміш повітря з парами палива і його краплинами, відбувається її нагрів, процеси газифікації і термічного розщеплення складових палива. У внутрішню зону поступають продукти згоряння, які дифундують із фронту горіння.

Зовнішня зона факела 5 заповнена продуктами згоряння, повітрям, невипарившимися краплинами, газоподібними продуктами неповного горіння, твердими частинками сажі і коксу. Тут продовжується процес горіння, що потребує значного простору і визначає загальну довжину факела, . Між фронтом горіння і зоною догорання 5 не існує чітко визначеної границі.

Розглянутий вище механізм горіння окремої краплини і мазутного факела показує, що горіння рідкого палива є складним процесом взаємопов’язаних фізичних і хімічних стадій: випаровування горючого, дифузії кисню і продуктів згоряння в зону свіжої суміші, хімічних реакцій в фронті горіння і в зоні догорання.

Розглянемо, які використовують методи для інтенсифікації процесів горіння мазуту на прикладі роботи пальника з форсункою механічного розпилу, рис 22.

Рис 22. Схема пальника з форсункою механічного розпилу.

1 – мазутна форсунка; 2 – подача первинного повітря; 3 – завитка вторинного повітря.

Повітря для спалювання поділяється на первинне і вторинне. Первинне повітря не закручується і подається в корінь факела. Його кількість повинна забезпечити утворення формальдегідів в центрі факела і охолодження мазутної форсунки. Вторинне повітря закручується в завитці, що забезпечує добре перемішування повітря з незгорівшими частинками палива.

Мазут в форсунці закручується і виходить у вигляді обертаючого конуса рідкої плівки мазуту з формою гіперболоїда, який при великих швидкостях витікання взаємодіє з потоком повітря, що обертається, і розпадається на дрібні краплини. Добре перемішування повітря з мазутом буде, коли кут розкриття мазутної струмини буде більше кута розкриття потоку повітря.

На вісі факела при виході із пальника утворюється зона розрідження, що спонукає руху в факел горючих газів з топки. Температура в факелі піднімається, що сприяє процесу випаровування краплин мазуту.

Для забезпечення інтенсивного завершення процесу горіння в кінці факела температура повинна бути не нижче 1000°С, факел не повинен лизати екранні труби; в протилежному випадку в місцях зіткнення факела з відносно холодними поверхнями нагріву - екранними трубами температура значно знижується і сажисті частинки, кокс і високомолекулярні вуглеводневі з’єднання, які не встигли згоріти, відкладаються на трубах у вигляді липких відкладень.

Таким чином ефективність спалювання рідкого палива в значній степені залежить від якісної роботи пальника і попереднього підігріву палива і повітря. Пальник повинен забезпечити добрий розпил, інтенсивне перемішування повітря з паливом і подачу  повітря в корінь факела для утворення формальдегідів. Факел повинен бути закручений, тоді він буде коротким і широким.

Зростаня температури в зоні горіння підвищує інтенсивність розщеплення молекул надлишкового кисню з утворенням атамарного кисню, який може вступати в реакцію з азотом повітря і палива, а також з SO2, що утворюється при спалюванні сірки палива. При цьому утворюються токсичні оксиди азоту (NOx) і сірки SO3. Оксиди SO3 вступають в реакцію з водяним паром; отримуєм сірчану кислоту. Сірчана кислота викликає сірчанокислу корозію метала низькотемпературних поверхонь нагріву котельної установки. Перспективними методами боротьби з утворенням оксидів азоту і сірки є зменшення надлишкового повітря, зниження температури і використання присадок до мазуту.

 

Контрольні запитання.

 

  1.  Як горить крапля мазуту в нерухомому середовищі?
  2.  Намалюйте схему горіння краплі рідкого палива.
  3.  Як протікає окисне розщеплення вуглеводневих з’єднань рідкого палива?
  4.  Причини утворення сажі і коксових частинок. Як можна запобігти цьому процесу?
  5.  За рахунок чого інтенсифікується горіння в закрученому мазутному факелі?
  6.  Назвіть умови раціонального спалювання мазуту.

Лекція 14

Мазутні пальники.

14.1. Способи розпилювання мазуту.

Спалювання мазуту може бути факельним в камерних топках і спалювання в циклонних топках.

Під пальником мазуту розуміють пристрій включаючий розпилюючий пристрій, повітронаправляючий апарат і амбразуру. Для мазуту  кут розкриття амбразури 30-60°С.

Способи розпилювання мазуту:

  1.  Механічний розпил з використанням енергії попередньо стиснутого мазуту.
  2.  Пневматичний з використанням енергії струмені пари чи повітря.
  3.  Ротаційний розпил з використанням кінетичної енергії обертання циліндра з мазутом в середині.

14.2. Механічний розпил, парамеханічний розпил.

Якість механічного розпилу залежить від попереднього нагріву палива і його фізичних властивостей. Зараз використовують мазути марок М-100 та М-200, які рекомендується підігрівати до 150°С з тиском мазуту Р~2МПа. Вихідні отвори головки мазутної форсунки мають діаметр      1,53,5 мм, тому мазут потребує якісної фільтрації. Продуктивність форсунок 200-300 кг/год.

Конструкція пальника механічного розпилу і принцип його роботи приводиться на рис 19 і в кінці лекції 12.

Продуктивність пальника регулюється тиском . Зниження тиску нижче 1МПа не рекомендується, тому що погіршується розпил мазуту. Із формули витікає, що при зменшенні тиску в 3 рази продуктивність падає в 1,73 рази. Тому продуктивність пальника можливо регулювати в межах 80-100%. Подальше зменшення продуктивності котла регулюється відключенням форсунок. Пальники дають короткий факел із значним кутом розкриття, тоніна розпилу .

Головка мазутної форсунки, рис 23, складається із трьох шайб; можливо завихрювач і розпилювач об’єднувати в одну шайбу. Шайби повинні бути відшліфовані і герметично установлені в головці форсунки.

Розміщення мазутної форсунки в амбразурі показано на рис 24; конус рідкої плівки мазуту не повинен торкатись стінок амбразури і мазут в головці форсунки коксуватись.

Переваги механічного розпилу: відносно висока економічність спалювання, добрий розпил, простота конструкції, низька витрата електроенергії на власні потреби (не більше 1кВт/год на тону мазуту).

Недоліки: малий діапазон регулювання продуктивності, високоякісна очистка мазуту (необхідні фільтри грубої і тонкої очистки).

Рис 23. Головка мазутної форсунки.

1 – головка форсунки; 2 – шайба – роздрібнювач; 3 – шайба – завихрювач; 4 – шайба – розпилювач; 5 – прижимна гайка.

Рис 24. Установка мазутної форсунки.

1 – головка мазутної форсунки; 2 – амбразура.

Більший діапазон регулювання продуктивності допускають парамеханічні форсунки (20-100%) і форсунки з відливом мазуту.

Зараз поширені парамеханічні форсунки, це комбіновані двухканальні форсунки. По внутрішньому каналу рухається мазут, який розпилюється завдяки головки, а по зовнішньому каналу пара, яка включається при зниженні продуктивності нижче 60%. Пара проходить систему отворів в корпусі форсунки і поступає в паровий завихрювач, далі, зустрічається з   потоком мазуту і розпилює його при виході із головки.

14.3. Пневматичний розпил.

Пневматичний розпил відбувається за рахунок енергії пари чи повітря, що рухається з високою швидкістю. В форсунках високого тиску застосовується пара з тиском Р=0,5-2,5 МПа і мазут з температурою 85-110°С і тиском 0,2-0,5МПа. На розпил витрачається 3-5% пари від продуктивності котла, форсунки працюють з сильним шумом. Тому такі форсунки використовуються при розтопці котла на пилу і в аварійних ситуаціях (обрив і погасання пильового факела).

Недоліки – великі втрати пари на власні потреби, втрата конденсату, шум, збільшення втрати теплоти з відхідними газами. Переваги – простота конструкції, низький тиск мазуту, значний діапазон регулювання продуктивності 20-100%.

Повітряні форсунки низького тиску мають дуже обмежене використання, в основному в промислових печах. В них розпил мазуту відбувається завдяки тиску повітря від вентилятора.

14.4. Ротаційні пальники.

Ротаційні газо-мазутні пальники РГМП використовуються для парових котлів малої потужності і низького тиску і для водогрійних котлів.

Рис 25. Схема розпилу мазуту в ротаційному пальнику.

1 – порожнистий вал; 2 – паливна трубка; 3 – гайка – живильник; 4 – полірована чаша; 5 – донишко; 6 – завихрювач первинного повітря; 7 – завихрювач вторинного повітря.

Розглянемо принцип роботи ротаційного пальника. На порожнистому валу 1 знаходиться робоче колесо вентилятора первинного повітря і чаша 4, які обертаються з швидкістю n=5-7тис об/хв., рис 25. В центральному порожнистому валу розміщена паливна трубка 2, по якій мазут поступає в порожнину гайки – живильника 3, що має чотири радіальних каналів, через які під дією відцентрових сил мазут витікає на стінки чаші 4. Під дією тертя і відцентрових сил частинки мазуту рухаються на вихід чаші у вигляді плівки. Первинне повітря в кількості 20% поступає в чашу для її охолодження через отвори в гайці –живильнику; решта, для кращого розпилювання мазуту, поступає в топку котла через завихрювач 4. Вторинне повітря подається в пальник через завихрювач 7 від основного вентилятора, який розміщується на фундаменті.

Переваги ротаційного розпилу: продуктивність регулюється в діапазоні 15-100%, мазут не треба фільтрувати і стискати, температура мазуту 80-95°С, тиск 0,2МПа.

Недоліки: складність конструкції, високошвидкісні мотори працюють в тяжких умовах.

Маркування – РГМП-10, ротаційний газо-мазутний пальник, номінальною тепловою потужністю 10гкал/год.

14.5. Газо-мазутні пальники.

При роботі котлів на мазуті резервним паливом служить газ. Тому на котлах широко використовують газо-мазутні пальники типу ГМП, рис 26, і ГМУ, рис 27, з широким діапазоном продуктивності.

В пальниках первинне повітря не закручується, воно необхідне для подачі повітря в корінь факела для утворення формальдегідів і забезпечення охолодження головки форсунки. Вторинне повітря закручується для утворення зони розрідження в корені факела, що сприяє підсосу топочних газів у факел, кращому перемішуванню палива з повітрям, розширенню факела і зниженню його вісьової швидкості.

Рис 26. Газо-мазутний пальник типу ГМП.

1 – гловка паромеханічної форсунки; 2 – паромеханічна форсунка; 3 – короб подачі повітря; 4 – вісьовий завихрювач вторинного повітря; 5 – шибер первинного повітря; 6 – шибер вторинного повітря; 7 – подача газу; 8 – отвори для виходу газу.

Рис 27. Газо-мазутний пальник ГМУ-10.

1 – гловка парамеханічної форсунки; 2 – паромеханічна форсунка; 3 – короб подачі повітря; 4 – тангенційний завихрювач; 5 – вісьовий завихрювач; 6 – шибер первинного повітря; 7 – шибер вторинного повітря; 8 – подача газу; 9 – отвори виходу газу.

У пальнику ГМУ вторинне повітря поділяється на два потоки. Один потік має завихрювач тангенційний 4, що складається із лопаток розташованих під кутом в 60° до радіусу завихрювача. Другий потік має вісьовий завихрювач 5 з лопатками під кутом 40° до вісі пальника.

Контрольні запитання.

  1.  Які існують способи розпилювання мазуту?
  2.  Як побудована головка пальника механічного розпилу? Переваги і недоліки механічного розпилу.
  3.  Чому застосовують паромеханічний розпил? Принцип роботи форсунки паромеханічного розпилу.
  4.  Чому пневматичні пальники не знайшли широкого застосування?
  5.  Поясність принцип роботи ротаційного пальника. Переваги і недоліки ротаційного розпилу.
  6.  Які конструктивні особливості властиві газомазутним пальникам типу ГМП і ГМУ. Чому ці пальники є типовими для промислових котлів?    

Лекція 15

Спалювання мазуту в циклонних топка. Горіння твердого палива в пилевому факелі.

15.1. Спалювання мазуту в циклонних топках.

На ряду із спалюванням мазуту в камерних топках в останній час стали його сплювати в циклонних топках, рис 28 а.

На рис 28 б,в представлений циклон продуктивністю 6-8 т/год. До 80% повітря подається в циклон по дотичній. Повітря відкидає і наматує поступаючий мазут на стінки циклона. Завдяки високій температурі в циклоні, біля 2000°С, мазут швидко випаровується; в циклоні згорає до 90% палива. Продукти згоряння з залишками парів мазуту через амбразуру поступають в камеру топки, де догорає близько 10% палива.

При циклонному спалюванні мазуту не треба розпилювати і очищати мазут. Можливо працювати з низьким коефіцієнтом надлишку повітря, . Значно збільшується напруга топочного об’єму , що зменшує габарити топки.

До недоліків треба віднести високу температуру димових газів в циклоні. Особливо в тяжких умовах знаходиться амбразура циклона, що викликає потребу в частому ремонті. Це обмежує застосування циклонних топок.

Рис 28. Схема циклонної топки для спалювання мазуту:

а) циклонна топка; б) конструкція циклона; в) розріз циклона по А-А;

1 – циклон; 2 – амбразура циклона; 3 – вікна подачі повітря.

15.2. Стадії горіння твердого палива.

Горіння твердого палива має ряд стадій: підігрів, підсушування палива, возгонка  летких і утворення коксу, горіння летких, горіння коксу, рис 29.

Підігрів частинок палива до інтенсивного виходу летких (400-600°С) відбувається за десяті долі секунди. Підігріву і підсушуванні пилоповітряного потоку сприяє передача теплоти випромінюванням від розжареного навколишнього середовища і теплопровідністю від газового потоку. Струмина, витікаючи в топку, розширюється, що сприяє залученню в струмину топочних газів і підвищує середню температуру потоку. Прогрів і займання суміші поліпшується при подачі гарячого повітря (300-400°С); особливо доцільно використовувати повітря з високою температурою біля 400°С при спалюванні мало реакційного вугілля (антрациту та пісного вугілля).

Виділення летких і займання починається з найбільш прогрітого пограничного шару струмини і розповсюджується в глубину струмини, утворюючи факел. Чим більше летких в паливі, тим легше воно займається.

Час необхідний для займання пилоповітряної суміші залежить від багатьох факторів: тонини помелу, виходу летких, початкової температури пилоповітряної суміші, концентрації в ній пилу, будови пальника і інш.

Мілкі пилинки швидко прогріваються і займаються. Тепло, яке при цьому виділяється, інтенсифікує прогрів і займання більш крупних частинок. Інтенсивне горіння летких відбувається за 0,2-0,5 с. Чим більше летких, тим легше і раніше займається паливо. Горіння летких – це гомогенне горіння.

Рис 29. Схема горіння пилинки твердого палива.

І – стадія – підігрів, підсушка і виділення летких; ІІ – горіння летких і розігрів коксової частинки; ІІІ – горіння коксової частинки.

Основна стадія горіння твердого палива – це горіння коксової частинки при t > 800-1000°C. Це гетерогенний процес найбільш довгий за часом. Він складає від 1/2 до 2/3 всього часу горіння палива. В залежності від початкового розміру пилинок, виду спалювання палива і організації процесу горіння час спалювання коксової частки може скласти від 1 до 2,5 сек.

Таким чином основою правильно побудованого технологічного методу спалювання твердого палива є забезпечення оптимальних умов спалювання вуглецю. Вуглець є головною горючою речовиною всіх твердих органічних палив.

15.3. Процес хімічного реагування вуглецю з киснем.

Із пилоповітряного потоку кисень дифундує до поверхні частинки і вступає в хімічне з’єднання з вуглецем, утворюючи оксид СО і діоксин СО2 вуглецю за рівнянням:

С + О2       СО2

                 СО+О2=СО2   

З підвищенням температури горючої суміші співвідношення СО/СО2 швидко зростає.

При більш виcоких температурах, t > 1400°C, швидкість хімічних реакцій настільки збільшується, що кисень, який постачається дифузією миттєво вступає в хімічну реакцію із збільшеною кількістю оксиду вуглецю в потоці і не доходить до коксової частинки. Диоксид вуглецю, що знаходиться навколо коксової частинки реагує з вуглецем за реакцією: С+СО2→2СО – 162,5 МДж/моль. Відбувається ендотермічна реакція з поглиненням теплоти.

При з’єднанні кисню з оксидом вуглецю за реакцією: 2СО+О2=2СО2+2ּ285,8 МДж/моль, відбувається виділення теплоти, що перекриває її  поглинання і підвищує температуру горіння.

15.4. Кінетичне рівняння гетерогенного горіння.

Швидкість хімічної реакції визначається, як кількість кисню, що

споживає одиниця реакційної поверхні паливної частинки за одиницю часу, г кисню/см2с:

 (1)

де К – константа швидкості хімічної реакції см/с; Сs – концентрація кисню у поверхні частинки, г/см3.

З іншого боку швидкість горіння буде визначатись питомим потоком кисню, дифундуючим із шару повітрогазової суміші навкруг частинки палива до одиниці її поверхні.

За законом Фіка швидкість горіння буде:

 (2)

де  – коефіцієнт масообміну, який характеризує швидкість переносу речовини, тобто кількість речовини в грамах, що передається через см2 поверхні розділу фаз за 1 секунду, при різниці концентрацій речовини на поверхні розділу і в ядрі потоку .

Со – концентрація кисню в шарі повітрогазової суміші навкруг частинки, г/см3, рис 30.

Підставивши значення Сs із рівняння (1) , в рівняння (2) отримаєм кінетичне рівняння швидкості гетерогенного горіння:   (3)  (4)  де .

За своєю структурою рівняння (4) подібне кінетичному рівнянню гомогенного горіння. Але в ньому константа швидкості хімічної реакції К замінена на коефіцієнт Куявне , що залежить від реакційних властивостей паливної частинки і від законів дифузійного переносу. Тому цей коефіцієнт називається уявною константою горіння твердого вуглецю.

Рис 30. Схема горіння вуглецевої частинки.

1 – поверхня частинки; 2 – шар повітрогазової суміші навкруг частинки; 3 – зона турбулентного потоку.

При відносно невисоких температурах (для коксової частинки менше 1000°С) хімічна реакція на поверхні частинки протікає досить повільно і потреба кисню значно менше його доставки. Це кінетичний вид горіння, тому в рівнянні (3) можливо величиною 1/ нехтувати і швидкість горіння буде визначатись за формулою:  (5).

В області проміжних температур (1000-1400°С) швидкість хімічної реакції горіння визначається двома процесами: дифузійним (доставкою кисню до поверхні частинки) і кінетичним (швидкістю реакцій горіння). Ця область буде з проміжним процесом горіння і швидкість горіння визначається за формулою (3) .

Чим менше розмір коксової частинки, тим при біль високій температурі починається проміжна область горіння.

При температурах t > 1400°C швидкість хімічної реакції настільки зростає, що доставлений дифузією кисень миттєво вступає в хімічну реакцію і на поверхні частинки він дорівнює нулю, що спонукає протіканню ендотермічної реакції. Це дифузійна область горіння (6).

Контрольні запитання.

  1.  Чому мазутні циклоні топки не мають широкого застосування в котельних промислових підприємств?
  2.  Назвати стадії горіння твердого палива.
  3.  Написати окисні реакції для всіх стадій горіння коксової частинки.
  4.  Які фактори визначають швидкість процесу горіння для кожної стадії горіння коксової частинки?
  5.  Написати рівняння швидкості горіння коксової частинки для кінетичної, проміжної і дифузійної областей горіння.

Лекція 16

Спалювання твердого палива в шарі. Пиловугільні пальники .

  1.  Спалювання твердого палива на нерухомій колосниковій решітці.

Структура шару твердого палива, що горить, представлена на рис 31.

Рис 31. Структура спалювання шару твердого палива.

1 – надшарове полум’я; 2 – свіже паливо; 3 – відновна зона; 4 – окисна зона; 5 – шлак; 6 – колосникова решітка.

Товщина шару палива h включає ту частину шару, де протікають активні процеси.

Первинне повітря проходить через колосникову решітку 6 і шлак палива 5 нагрівається і поступає в окисну зону 4. Шлак творений при горінні палива і стікає краплинами з кусків палива назустріч повітрю. Він охолоджується і вже в твердому стані досягає колосникової решітки, звідки і удаляється. Шлак, що лежить на решітці захищає її від перегріву і сприяє рівномірному розподілу повітря.

В окисній зоні відбувається екзотермічна реакція горіння коксу і утворюється СО і СО2.

                СО

С+О2

                СО2

Відношення СО до СО2 визначається за формулою:

Де А – коефіцієнт; е – основа натурального логарифму; і – енергії активації; Т – абсолютна температура в градусах кельвіна; R – універсальна газова стала.

В окисній зоні концентрація кисню різко зменшується до 1-2 %; а концентрація СО і температура різко збільшуються досягаючи максимуму,рис 31.  Утворений окис вуглецю частково окислюється:

СО+О2→СО2

У відновній зоні 3 кисень практично відсутній, тому відбувається ендотермічна реакція взаємодії диоксиду вуглецю з розжареним коксом з утворенням оксиду вуглецю: СО2+С→2СО

По висоті відновної зони кількість СО збільшується, а СО2 зменшується, температура понижується.

Розжарені гази проходять через шар свіжого палива 2, паливо розігрівається; виділяються леткі і утворюється кокс. Леткі і оксид вуглецю згорають утворюючи надшарове полум’я.

Повітря, що проходить через решітку і поступає в шар палива називається первинним. Вторинне повітря подається в надшаровий простір для спалювання летких і продуктів неповного згорання.

Висота шару палива сильно залежить від розміру кусків палива, наявності летких і вологості палива. Чим більше розмір кусків палива тим шар палива на колосниках вище. При розмірах кусків кам’яного чи бурого вугілля  висота шару палива h~50 мм, а для вугіллі при  h~200 мм. З підвищенням кількості летких висота шару палива зменшується. При наявності вологи в паливі більше теплоти треба забрати із шару для її випаровування, тому треба більший шар палива для підтримання в ньому необхідної температури процесу горіння.

Висота окисної зони практично не залежить від швидкості дуття. Вона пропорційна розміру частинок палива і складає 2-3 діаметра частинок. При спалюванні палива в шарі, треба намагатись, щоб висота шару палива була менше окисної зони. Тоді кисню, що поступає в окисну зону, буде достатньо для спалювання летких палива.

  1.  Спалювання твердого палива в механічних топках з колосниковими решітками.

Для спалювання твердого палива широко застосовують механізовані топки з ланцюговими колосниковими решітками прямого і зворотного ходу, рис 32.

В механічній топці з ланцюговою решіткою прямого ходу, рис 32 (а), полотно решітки 1 складається із окремих нахилено розміщених безпровальних лускуватих колосників закріплених на нескінченних шарнірних ланцюгах, що надіті на дві пари зірочок 2. Передня пара ведуча; обертається електродвигуном через редуктор. Швидкість руху решітки 1-18 м/год.

Рис 32. Механічні топки з колосниковими решітками.

а – прямого ходу; б – зворотного ходу.

1 – ланцюгова колосникова решітка;

2 – зірочка; 3 – бункер палива; 4 – шибер;     5- шлакознімач; 6 – шлаковий бункер; 7 – переднє склепіння; 8 – заднє склепіння; 9 – подача повітря; 10 – дозуючий пристрій; 11 – механічний закидач палива.

Паливо із бункера поступає на рухаючу решітку. Висота шару палива регулюється шибером 4, що може переміщуватись по вертикалі. Необхідна кількість повітря подається через вікна 4 і поступає в шар через зазори між колосниками. Шлак згорівшого палива скидається з решітки шлакознімачем 5 в шлаковий бункер 6. Паливо запалюється зверху завдяки променистій енергії газового об’єму і відбиття енергії від переднього склепіння 7. Заднє склепіння 8 направляє залишкове гаряче повітря і з зони шлаку до центру топки, в зону горіння.

При спалюванні антрациту з малим виходом летких заднє склепіння сильно розвинуто і має низьке розміщення по відношенню до решітки. Завдяки цьому горючі гази із зони горіння направляються до початкової дільниці шару і сприяють займанню палива.

На рис 32 (б) представлена факельно-шарова топка зворотного ходу для  спалювання кам’яного і бурого вугілля. Паливо поступає в топку через дозатор палива 9 і закидається на решітку механічним закидачем (лопатевим ротором) 10. Пил згорає в об’ємі топки, а частинки палива на решітці. Частинки більшої величини закидаються в кінець решітки.

По довжині решітки, рис 33, процес горіння має ті ж самі зони, що при горінні палива  в нерухомому шарі, рис 31: це підготовка палива (підсушка, виділення летких), горіння коксу (окисна і відновна зони), вижиг шлаку і його вилучення.

Для різних етапів горіння необхідна різна кількість повітря, тому застосовується позонна (секційна) подача повітря, рис 34.

Рис 33. Схема горіння шару палива на ланцюговій решітці прямого ходу.

На рис 34 крива 1 характеризує потрібну кількість повітря для спалювання палива по довжині решітки прямого ходу. Лінія 2 характеризує реальне позонне дуття.

Рис 34. Подача повітря в топку при позонному дутті.

В окисну зону поступає максимальна кількість повітря. Через останню зону, де знаходиться шлак малої товщини, повітря подається з більшою кількістю, чим потрібно для допалювання палива в шлаку. Воно охолоджує шлак і направляється заднім склепінням в центр топки. Позонне дуття покращує горіння палива, знижує загальний коефіцієнт надлишку повітря. Позонне дуття застосовується і в решітках зворотного ходу.

  1.  Пиловугільні пальники.

Пиловугільні пальники повинні забезпечити:

  1.  добре перемішування пилу з повітрям;
  2.  швидке займання і стійке горіння пилу без відриву факела;
  3.  повне заповнення топки факелом.

Пальники поділяються на турбулентні (вихрові) і з паралельними струменями. Окреме місце займають пальникові пристрої топок з молотковими млинами.

    16.3.1 Турбулентні пальники.

До турбулентних пальників відносяться однозавиткові пальники типу ОРГРЕС, рис 35а, і двозавиткові ТКЗ рис 35б.

Рис 35. Турбулентні пальники.

а – однозавиткові типу ОРГРЕС; б – двозавиткові ТКЗ.

1 – подача пилоповітряної суміші; 2 – завитка вторинного повітря;

3 – конус – розсікач; 4 – чавунина; 5 – штурвал керування.

Пальники призначені для спалювання антрациту, пісного і кам’яного вугілля і застосовуються з кульковими барабанними млинами (КБМ).

В цих пальниках пилоповітря суміш входить в топку у вигляді конуса, що забезпечує утворення ділянок пониженого тиску в привісьовій зоні конуса, куди направляються розжарені топочні гази, що інтенсифікує прогрівання і займання пилоповотряної суміші. Чим більше кут розкриття конуса пилоповітряної суміші, тим більше теплоти отримує корінь факела, тому в пальниках для палив з малим виходом летких (АШ, пісне вугілля) необхідний більший кут розкриття. В пальниках типу ОРГРЕС це досягається зміною положення конуса – розсікача 3 за допомогою штурвала керування 5 і збільшенням крутки вторинного повітря. В  двозавиткових пальниках за допомогою чавунин 4, що одягаються на трубки і збільшенням крутки потоків.

Для інтенсифікації процесу сумішеутворення кут розкриття конуса пилоповітряної суміші робиться більше кута розкриття конуса вторинного повітря, а швидкість виходу пилоповітряної суміші із пальника (w1=15-20м\с) менше швидкості вторинного повітря (w2=20-30м\с), що забезпечує перетинання потоків і їх швидке перемішування. В двозавитковому пальнику потоки повинні закручуватись в один бік; в іншому випадку вони будуть гасити швидкість закручування один одного.

Умови займання пилоповітряної суміші, інтенсивність горіння і довжина факела в значній мірі залежать від співвідношення первинного і вторинного повітря і їх швидкостей на виході із пальника. Так для прискорення займання палива кількість первинного повітря зменшують (антрацит, півантрацит) до 20%, швидкість первинного повітря для 2-х завиткового пальника w1=14-16 м/с, вторинного w2=18-21 м/с; а для кам’яного вугілля 30-35% і відповідно  w1=20-22м/с,  w2=26-28м/с.

Для розпалювання використовують мазутні форсунки, розміщують для однозавиткового пальника внизу пальника, а для двозавиткового по центру.

  1.  Схеми пальникових пристроїв топок з молотковими млинами.

При спалюванні кам'яного, бурого вугілля і фрезерного торфу для пилоготування застосовують молоткові млини. В цьому випадку вугільний пил вводиться в топочну камеру черех спеціальні пальники – амбразури, рис 36.

Рис 36. Схеми пальникових пристроїв в схемах з молотковими млинами.

а – топка з відкритою амбразурою; б – ежекційна амбразура;

в –амбразура з горизонтальним розсікачем.

1 – шахта – сепаратор; 2 – амбразура; 3 – сопла вторинного повітря (верхні); 4 – сопла вторинного повітря (нижні); 5 – сопла вторинного повітря в ежекційних амбразурах ЦКТІ; 6 – розсікач; 7 – молотковий млин; 8 – подача палива.

В установках малої продуктивності подача готового вугільного пилу з первинним повітрям іноді виконується за допомогою відкритих амбразур рис 36а. Сопла для подачі вторинного повітря розміщують над і під амбразурою; первинне повітря подається в млин.

При спалюванні бурого вугілля і фрезерного торфу швидкість із амбразури пилоповітряної суміші 4-5 м/с, а швидкість виходу вторинного повітря із сопел 20-25 м/с. Для забезпечення розкриття факелу виконують амбразури з горизонтальним розсікачем, рис 36б. Розкриття факелу поліпшує займання пилу, але топка все ж таки працює з підвищеними втратами від механічного недопалу.

Значно поліпшує аеродинаміку топки застосування ежекційних амбразур ЦКТІ, рис 36б. Подача основної частини вторинного повітря за допомогою щілинних насадок – сопел через амбразуру інтенсифікує процес перемішування пилу з повітрям. Частина вторинного повітря з швидкістю 35-45 м/с подається через сопла, що розміщуються на задній стінці топки. Це забезпечує положення ядра горіння в центральній частині топки.

Контрольні запитання.

  1.  На схемі спалювання твердого палива в шарі показати зони горіння і написати реакції, що в них відбуваються.
  2.  Від яких факторів залежить висота шару палива?
  3.  Як змінюється температура, кількість кисню, СО і СО2 по висоті шару палива, що горить?
  4.  Намалюйте конструктивні схеми механічних топок з колосниковими решітками прямого і зворотного ходу і поясніть принцип їх роботи.
  5.  Яку роль виконують переднє і заднє склепіння механічної топки?
  6.  Як забезпечується інтенсифікація займання і горіння пилу в турбулентних пальниках?
  7.  Які пальникові пристрої застосовуються в топках з молотковими млинами? Як в них інтенсифікується процес горіння?

  

Література

  1.  Частухин В.И., Частухин В.В. Топливо и теория горения . -К.:Вища школа,1989.
  2.  Хзмалян Д.М., Каган М.А. Теория горения и топочные устройства. -М.: энергия, 1976
  3.  Сидельковський Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленых предприятий. – М.: Энергоиздат, 1988.
  4.  Частухин В.И. Тепловой расчет промышленных парогенераторов. – К.: Вища школа, 1980.
  5.  Масліков М.О., Поржезінський Ю.Г. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни Основи хімії палива та води. – К.: УДУХТ, 1997.  


  

                 

                                                                                                                                                                                                 

PAGE   \* MERGEFORMAT 63


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77471. Понятие, способы, формы и особенности защиты прав предпринимателей 30.46 KB
  Под защитой прав предпринимателей понимается совокупность нормативно установленных мер механизмов по восстановлению или признанию нарушенных или оспариваемых прав и интересов их обладателей которые осуществляются в определенных формах определенными способами в законодательно определенных границах с применением к нарушителям мер юридической ответственности а также механизма по практической реализации исполнимости этих мер. Понятие защита права следует отличать от понятия охрана права которое обычно трактуется более широко так как...
77472. Правовое регулирование рекламной деятельности 36.5 KB
  Участниками рекламной деятельности являются рекламодатели рекламо-производители распространители рекламы. Ситуация когда отсутствие правового регулирования рекламы имеет неблагоприятные последствия наблюдалась в период становления рыночных отношений. Основные направления государственного регулирования рекламы...
77473. Субъекты рекламной деятельности 43.5 KB
  У частникам так же относят потребителей рекламы и государственные органы которые осуществляют контроль в этой сфере. Саморегулируемые организации в сфере рекламы Саморегулируемой организацией в сфере рекламы признается объединение рекламодателей...
77477. Правовой статус предпринимателя 19.88 KB
  Правовой статус. Малько – понятие правовой статус и правовое положение понимается данными авторами как равнозначные. Правовой статус это – сложная собирательная категория которая отражает весь комплекс связей субъекта с обществом государством и иными субъектами. Термины правовой статус и правовое положение являются разными по содержанию т.
77479. Приватизация государственного и муниципального имущества 50.5 KB
  Сокращение гос сектора экономики в том числе и за счёт инвестиционно привлекательных компаний. Создание базы для справедливой конкуренции Стимулирование инвестиционной, предпринимательской инновационной деятельности частных лиц. Обеспечение доп финансирования бюджетом.