Izgaranje krutog goriva. Izgaranje krutog goriva: značajke i karakteristike glavnih vrsta

Proces izgaranja krutog goriva može se predstaviti kao niz uzastopnih faza. Prvo, gorivo se zagrijava i vlaga isparava. Zatim, na temperaturama iznad 100°C, počinje pirogena razgradnja složenih visokomolekularnih organskih spojeva i oslobađanje hlapljivih tvari, dok temperatura početka oslobađanja hlapivih tvari ovisi o vrsti goriva i stupnju njegove ugljenisanosti ( kemijsko doba). Ako temperatura okoline prelazi temperaturu paljenja hlapljivih tvari, one se zapale, čime se osigurava dodatno zagrijavanje čestice koksa prije nego što se zapali. Što je veći prinos hlapljivih tvari, to je niža temperatura njihova paljenja, dok se oslobađanje topline povećava.

Čestica koksne peći se zagrijava zbog topline okolnih dimnih plinova i oslobađanja topline kao rezultat izgaranja hlapljivih tvari i pali se na temperaturi od 800 ÷ 1000 °C. Kod izgaranja krutog goriva u prahu mogu se preklapati oba stupnja (sagorijevanje hlapivih tvari i koksa), budući da se zagrijavanje najsitnije čestice ugljena događa vrlo brzo. U stvarnim uvjetima imamo posla s polidisperznim sastavom ugljene prašine, pa se u svakom trenutku neke čestice tek počinju zagrijavati, druge su u fazi oslobađanja hlapivih tvari, a treće su u fazi izgaranja. ostatak koksa.

Proces izgaranja čestica koksne peći igra odlučujuću ulogu u procjeni kako ukupnog vremena izgaranja goriva tako i ukupnog oslobađanja topline. Čak i za goriva s visokim prinosom hlapivih tvari (na primjer, mrki ugljen u blizini Moskve), koksni ostatak iznosi 55% po težini, a njegovo oslobađanje topline je 66% ukupne količine. A za gorivo s vrlo niskim prinosom hlapivih tvari (na primjer, DS), ostatak koksa može biti više od 96% težine suhe početne čestice, a oslobađanje topline tijekom njegovog izgaranja je oko 95% od ukupno.

Studije izgaranja koksnog ostatka otkrile su složenost ovog procesa.

Kada ugljik gori, moguće su dvije primarni izravne heterogene oksidacijske reakcije:

C + O 2 = CO 2 + 34 MJ / kg; (14)

2C + O 2 = 2CO + 10,2 MJ / kg. (15)

Kao rezultat stvaranja CO 2 i CO, dva sekundarni reakcije:

oksidacija ugljičnog monoksida 2CO + O 2 = 2CO 2 + 12,7 MJ / kg; (šesnaest)

redukcija ugljičnog dioksida SO 2 + S = 2SO - 7,25 MJ / kg. (17)

Osim toga, u prisutnosti vodene pare na vrućoj površini čestice, t.j. u području visokih temperatura dolazi do rasplinjavanja s oslobađanjem vodika:

C + H 2 O = CO + H 2. (osamnaest)

Heterogene reakcije (14, 15, 17 i 18) ukazuju na izravno izgaranje ugljika, praćeno gubitkom mase čestice ugljika. Homogena reakcija (16) odvija se u blizini površine čestice zbog difuzije kisika iz okolnog volumena i kompenzira smanjenje temperaturne razine procesa, koja nastaje kao rezultat endotermne reakcije (17).

Omjer između CO i CO 2 na površini čestice ovisi o temperaturi plinova u tom području. Tako, na primjer, prema eksperimentalnim studijama, na temperaturi od 1200 ° C, reakcija se nastavlja

4C + 3O 2 = 2CO + 2CO 2 (E = 84 ÷ 125 kJ / g-mol),

i na temperaturama iznad 1500°C

3C + 2O 2 = 2CO + CO 2 (E = 290 ÷ 375 kJ / g-mol).

Očito, u prvom slučaju se CO i CO 2 oslobađaju u približno jednakim količinama, dok je povećanjem temperature volumen oslobođenog CO 2 puta veći od CO 2.

Kao što je već spomenuto, brzina gorenja uglavnom ovisi o dva čimbenika:

1) ubrzati kemijska reakcija , koji je određen Arrheniusovim zakonom i brzo raste s porastom temperature;

2) brzina dodavanja oksidansa(kisika) u zonu izgaranja zbog difuzije (molekularne ili turbulentne).

U početnom razdoblju procesa izgaranja, kada temperatura još uvijek nije dovoljno visoka, brzina kemijske reakcije je također niska, a oksidansa je više nego dovoljno u volumenu koji okružuje česticu goriva i na njezinoj površini, t.j. postoji lokalni višak zraka. Nikakvo poboljšanje aerodinamike peći ili plamenika, što dovodi do intenziviranja opskrbe kisikom gorućoj čestici, neće utjecati na proces izgaranja, koji je inhibiran samo niskom brzinom kemijske reakcije, t.j. kinetika. ovo - područje kinetičkog izgaranja.

Kako se proces izgaranja odvija, oslobađa se toplina, povećava se temperatura, a time i brzina kemijske reakcije, što dovodi do brzog povećanja potrošnje kisika. Njegova koncentracija na površini čestice stalno opada, a u budućnosti će se brzina izgaranja određivati ​​samo brzinom difuzije kisika u zonu izgaranja, koja je gotovo neovisna o temperaturi. ovo - područje difuzijskog izgaranja.

V prijelazno područje izgaranja brzine kemijske reakcije i difuzije su istog reda veličine.

Prema zakonu molekularne difuzije (Fickov zakon), brzina difuzijskog prijenosa kisika s volumena na površinu čestice

gdje - koeficijent difuzijskog prijenosa mase;

i - parcijalni tlak kisika u volumenu i na površini.

Potrošnja kisika na površini čestice određena je brzinom kemijske reakcije:

, (20)

gdje k Je li brzina reakcije konstantna.

U prijelaznoj zoni u stabilnom stanju

,

gdje
(21)

Zamjenom (21) u (20) dobivamo izraz za brzinu izgaranja u prijelaznom području u smislu potrošnje oksidatora (kisika):

(22)

gdje
Je li efektivna konstanta brzine reakcije izgaranja.

U zoni relativno niskih temperatura (kinetičko područje)
, stoga, k eff = k, a izraz (22) ima oblik:

,

oni. koncentracije kisika (parcijalni tlakovi) u volumenu i na površini čestice malo se razlikuju jedna od druge, a brzina izgaranja gotovo je u potpunosti određena kemijskom reakcijom.

S porastom temperature konstanta brzine kemijske reakcije raste prema eksponencijalnom Arrheniusovom zakonu (vidi sliku 22), dok molekularni (difuzijski) prijenos mase slabo ovisi o temperaturi, tj.

.

Pri određenoj vrijednosti temperature T*, brzina potrošnje kisika počinje premašivati ​​intenzitet njegove opskrbe iz okolnog volumena, koeficijenti α D i k postaju usporedive količine istog reda, koncentracija kisika na površini počinje osjetno opadati, a krivulja brzine gorenja odstupa od teorijske krivulje kinetičkog izgaranja (Arrheniusov zakon), ali i dalje osjetno raste. Na krivulji se pojavljuje infleksija - proces ide u srednje (prijelazno) područje izgaranja. Relativno intenzivna opskrba oksidacijskim sredstvom objašnjava se činjenicom da se zbog smanjenja koncentracije kisika na površini čestice povećava razlika u parcijalnim tlakovima kisika u masi i na površini.

U procesu intenziviranja izgaranja koncentracija kisika na površini praktički postaje nula, dotok kisika na površinu slabo ovisi o temperaturi i postaje praktički konstantan, t.j. α D << k, i, sukladno tome, proces prelazi u područje difuzije

.

U području difuzije povećanje brzine izgaranja postiže se intenziviranjem procesa miješanja goriva sa zrakom (poboljšanje plamenika) ili povećanjem brzine puhanja zraka preko čestice (poboljšanje aerodinamike peći), kao rezultat od kojih se debljina graničnog sloja na površini smanjuje, a dotok kisika u česticu se intenzivira.

Kao što je već napomenuto, kruto gorivo se sagorijeva ili u obliku velikih (bez posebne pripreme) grudica (slojevito izgaranje), ili u obliku zdrobljenog kamenja (fluidizirani sloj i niskotemperaturni vrtlog), ili u obliku fine prašine ( metoda baklje).

Očito, najveći relativna brzina puhanje čestica goriva bit će tijekom izgaranja sloja. Kod vrtložnog i bakljičnog izgaranja čestice goriva su u struji dimnih plinova, a relativna brzina njihovog puhanja je znatno manja nego u stacionarnom sloju. Polazeći od toga, čini se da bi prijelaz iz kinetičkog područja u difuzijsko trebao prije svega nastupiti za male čestice, t.j. za prašinu. Osim toga, brojna su istraživanja pokazala da čestica ugljene prašine koja je suspendirana u strujanju mješavine plina i zraka toliko se slabo ispuhuje da nastali produkti izgaranja tvore oblak oko nje, što uvelike inhibira dotok kisika u nju. A intenziviranje heterogenog izgaranja prašine metodom baklje vjerojatno je objašnjeno iznimno značajnim povećanjem ukupne površine reakcije. Međutim, očito nije uvijek točno. .

Opskrba kisikom površine određena je zakonima difuzije. Istraživanja prijenosa topline male sferične čestice u laminarnom toku otkrila su generaliziranu ovisnost kriterija:

Nu = 2 + 0,33 Re 0,5.

Za male čestice koksa (kod Re< 1, что соответствует скорости витания мелких частиц), Nu → 2, т.е.

.

Postoji analogija između procesa prijenosa topline i mase, budući da su oba određena kretanjem molekula. Stoga i zakoni prijenosa topline (Fourierov i Newton-Richmanov zakon) i prijenosa mase (Fickov zakon) imaju sličan matematički izraz. Formalna analogija ovih zakona omogućuje nam da zapišemo u odnosu na procese difuzije:

,

gdje
, (23)

gdje je D koeficijent molekularne difuzije (slično koeficijentu toplinske vodljivosti λ u toplinskim procesima).

Kao što slijedi iz formule (23), koeficijent difuzijskog prijenosa mase α D obrnuto je proporcionalan polumjeru čestice. Posljedično, sa smanjenjem veličine čestica goriva, intenzivira se proces difuzije kisika na površinu čestice. Dakle, tijekom izgaranja ugljene prašine, prijelaz na difuzijsko izgaranje pomiče se prema višim temperaturama (unatoč prethodno uočenom smanjenju brzine puhanja čestica).

Prema brojnim eksperimentalnim studijama koje su sredinom dvadesetog stoljeća proveli sovjetski znanstvenici. (G.F. Knorre, L.N. Khitrin, A.S. Predvoditelev, V.V. Pomerantsev, itd.) difuziju, gdje je intenziviranje opskrbe kisikom od velike važnosti. U tom slučaju, s povećanjem difuzije kisika na površinu, usporavanje brzine izgaranja počinje na višoj temperaturi.

Vrijeme izgaranja sferične čestice ugljika u području difuzije ima kvadratnu ovisnost o početnoj veličini čestice:

,

gdje r o- početna veličina čestica; ρ h- gustoća čestice ugljika; D o , P o , T o- odnosno početne vrijednosti koeficijenta difuzije, tlaka i temperature;
- početna koncentracija kisika u volumenu peći na znatnoj udaljenosti od čestice; β - stehiometrijski koeficijent, koji utvrđuje korespondenciju težinske potrošnje kisika po jedinici težine spaljenog ugljika u stehiometrijskim omjerima; T m- logaritamska temperatura:

gdje T P i T G- temperature površine čestica i okolnih dimnih plinova.

Tema 15. ČVRSTA I TEKUĆA GORIVA I NJIHOVO IZGARIVANJE

15.1 Proračun izgaranja krutih i tekućih goriva

Za proračun procesa izgaranja krutih i tekućih goriva sastavlja se materijalna bilanca procesa izgaranja.

Materijalna bilanca procesa izgaranja izražava kvantitativne omjere između početnih tvari (gorivo, zrak) i konačnih proizvoda (dimni plinovi, pepeo, troska), a toplinska bilanca je jednakost između dolaska i potrošnje topline. Za kruta i tekuća goriva bilance materijala i topline su po 1 kg goriva, za plinovitu fazu - po 1 m 3 suhog plina u normalnim uvjetima (0,1013 MPa, O ° C). Zapremine zraka i plinovitih proizvoda također su izražene u kubičnim metrima, normalizirane.

Kada se izgaraju kruta i tekuća goriva, zapaljive tvari mogu se oksidirati u okside različitih oksidacijskih stanja. Stehiometrijske jednadžbe za reakcije izgaranja ugljika, vodika i sumpora mogu se napisati na sljedeći način:

Prilikom izračunavanja volumena zraka i produkata izgaranja, uobičajeno se pretpostavlja da su sve gorive tvari potpuno oksidirane uz stvaranje samo oksida s najvišim oksidacijskim stanjem (reakcije a, c, d).

Iz jednadžbe (a) slijedi da se za potpunu oksidaciju 1 kmol ugljika (12 kg) potroši 1 kmol, tj. 22,4 m 3 kisika i nastane 1 kmol (22,4 m 3) ugljičnog monoksida. Prema tome, za 1 kg ugljika potrebno je 22,4 / 12 = 1,866 m 3 kisika i nastaje 1,866 m 3 CO 2 . 1 kg goriva sadrži S p / 100 kg ugljika. Za njegovo izgaranje potrebno je 1.866 · S p / 100 m 3 kisika, a tijekom izgaranja nastaje 1.866 S p / 100 m 3 CO 2.

Slično, iz jednadžbi (c) i (d) za oksidaciju zapaljivog sumpora (μ s = 32) sadržanog u 1 kg goriva, potrebno je (22,4 / 32) S pl / 100 m 3 kisika i isti volumen SO 2 se formira... A za oksidaciju vodika () sadržanog u 1 kg goriva, bit će potrebno 0,5 (22,4 / 2,02) N p / 100 m 3 kisika i (22,4 / 2,02) 3 pare.

Zbrajanjem dobivenih izraza i uzimanjem u obzir kisika u gorivu (
), nakon jednostavnih transformacija dobivamo formulu za određivanje količine kisika koja je teoretski potrebna za potpuno izgaranje 1 kg krutog ili tekućeg goriva, m 3 / kg:

U procesu potpunog izgaranja s teoretski potrebnom količinom zraka nastaju plinoviti produkti koji se sastoje od CO 2, SO 2, N 2 i H 2 O - ugljični oksidi i sumpor su suhi troatomni plinovi. Obično se kombiniraju i označavaju s RO 2 = CO 2 + SO 2.

Kod izgaranja krutih i tekućih goriva, teoretski volumeni produkata izgaranja, m 3 / kg, izračunavaju se prema jednadžbama (15.1), uzimajući u obzir sadržaj odgovarajućih komponenti u gorivu i zraku.

Volumen troatomskih plinova u skladu s jednadžbama (15.1, a i b)

Teoretski volumen vodene pare , m 3 / kg, sastoji se od volumena dobivenog tijekom izgaranja vodika, jednakog (22,4 / 2,02) (H p / 100), volumena dobivenog tijekom isparavanja vlage u gorivu, jednakog , i volumen uveden zrakom:
,
- specifični volumen vodene pare, m 3 / kg; ρ in = 1,293 kg / m 3 - gustoća zraka, d in = 0,01 - sadržaj vlage u zraku, kg / kg. Nakon transformacija dobivamo:

Stvarni volumen zraka V može biti veći ili manji od teoretski potrebnog, izračunatog iz jednadžbi izgaranja. Omjer stvarnog volumena zraka V i teoretski potrebnog V 0 naziva se koeficijent protoka zraka α = V / V 0. Za α> 1 obično se naziva brzina protoka zraka omjer viška zraka.

Za svaku vrstu goriva optimalna vrijednost omjera viška zraka u peći ovisi o njegovim tehničkim karakteristikama, načinu izgaranja, dizajnu peći, načinu stvaranja zapaljive smjese itd.

Stvarni volumen produkata izgaranja bit će veći od teoretskog zbog dušika, kisika i vodene pare koji se nalaze u višku zraka. Budući da zrak ne sadrži troatomne plinove, njihov volumen ne ovisi o omjeru viška zraka i ostaje konstantan, jednak teoretskom, t.j.
.

Volumen dvoatomskih plinova i vodene pare (m 3 / kg ili m 3 / m 3) određuje se formulama:

Prilikom izgaranja krutih goriva, koncentracija pepela u dimnim plinovima (g / m 3) određuje se formulom

gdje - udio pepela goriva odnesen plinovima (njegova vrijednost ovisi o vrsti kruto gorivo te način njegovog izgaranja i uzima se iz tehničkih karakteristika peći).

Volumenski udjeli suhih troatomskih plinova i vodene pare, jednaki njihovim parcijalnim tlakovima pri ukupnom tlaku od 0,1 MPa, izračunavaju se po formulama

Sve formule za izračun volumena primjenjive su kada je došlo do potpunog izgaranja goriva. Iste formule, s dovoljnom preciznošću za proračun, primjenjive su i za nepotpuno izgaranje goriva, ako su standardne vrijednosti dane u tehničke karakteristike ložište.

15.2 Tri stupnja izgaranja krutog goriva

Izgaranje krutog goriva ima nekoliko faza: zagrijavanje, sušenje goriva, sublimacija hlapivih tvari i stvaranje koksa, izgaranje hlapivih tvari i koksa. Od svih ovih faza odlučujuća je faza izgaranja koksnog ostatka, odnosno faza izgaranja ugljika, čiji intenzitet određuje intenzitet izgaranja goriva i rasplinjavanja u cjelini. Odlučujuća uloga izgaranja ugljika objašnjava se kako slijedi.

Prvo, čvrsti ugljik u gorivima glavna je zapaljiva komponenta gotovo svih prirodnih krutih goriva. Tako, na primjer, toplina izgaranja koksnog ostatka antracita iznosi 95% topline izgaranja zapaljive mase. S povećanjem prinosa hlapivih tvari, udio topline izgaranja koksnog ostatka opada i, u slučaju treseta, iznosi 40,5% topline izgaranja gorive mase.

Drugo, pokazalo se da je faza izgaranja koksnog ostatka najduža od svih faza i može trajati do 90% ukupnog vremena izgaranja.

I treće, proces izgaranja koksa je od presudne važnosti u stvaranju toplinskih uvjeta za tijek ostalih faza. Stoga, osnovu ispravna konstrukcija tehnološke metode izgaranja krutih goriva je stvaranje optimalnih uvjeta za izgaranje ugljika.

U nekim slučajevima, sekundarne pripremne faze mogu biti odlučujuće za proces izgaranja. Tako, na primjer, kada gori visoko vlažno gorivo, faza predsušenja može biti odlučujuća. U ovom slučaju, racionalno je pojačati preliminarnu pripremu goriva za izgaranje, na primjer, korištenjem tehnološke metode izgaranja sa sušenjem goriva plinovima uzetim iz peći.

Snažni generatori pare troše velike količine goriva i zraka. Na primjer, za parogenerator od 300 MW potrošnja goriva - antracitni otpad je 32 kg / s, a potrošnja zraka je 246 m 3 / s, a u parogeneratoru od 800 MW 128 kg berezovskog ugljena i 555 m 3 zrak se troše svake sekunde. U nekim slučajevima, u generatorima pare s prahom od ugljena, tekuće ili plinovito gorivo koristi se kao rezerva.

Proces izgaranja praškastih goriva odvija se u volumenu komore za izgaranje u tokovima velikih masa goriva i zraka u koje se miješaju produkti izgaranja.

Osnova za izgaranje praškastih goriva je kemijska reakcija gorivih komponenti goriva s atmosferskim kisikom. Međutim, kemijske reakcije izgaranja u komori za izgaranje odvijaju se u snažnim strujanjima prah-plin-zrak u iznimno kratkom vremenu (1-2 s) boravka goriva i oksidatora u komori za izgaranje. Te se reakcije odvijaju u uvjetima snažnog međusobnog utjecaja uz istovremene fizikalne procese. Ovi procesi su:

Proces kretanja plinova i čvrstih dispergiranih tvari, dovedenih u komoru za izgaranje, tvoreći zapaljivu smjesu u sustavu mlaza, prelazeći u struju i šireći se u ograničenom prostoru komore za izgaranje s razvojem vrtložnih strujanja, koji zajedno čine složenu strukturu aerodinamike peći;

Turbulentna i molekularna difuzija i konvektivni prijenos polaznih materijala i produkta reakcije u struji plina, kao i prijenos plinovitih reagensa na dispergirane čestice;

Izmjena topline u strujama plina produkata izgaranja i početne smjese te između strujanja plina i čestica goriva sadržanih u njima, kao i prijenos topline oslobođene tijekom kemijske transformacije u reakcijskom mediju;

Radijacijska izmjena topline čestica s plinskim medijem i mješavinom prašine, plina i zraka sa zaslonskim površinama u komori za izgaranje;

Zagrijavanje čestica, sublimacija hlapivih tvari, njihov transport i izgaranje u plinskom volumenu itd.

Dakle, izgaranje ugljene prašine je složen fizikalno-kemijski proces koji se sastoji od kemijskih reakcija i fizikalnih procesa koji se odvijaju u uvjetima međusobne komunikacije i međusobnog utjecaja.

15.3 Slojno, baklji i ciklonsko izgaranje krutog goriva

Pećni uređaji kotlova mogu biti slojeviti - za sagorijevanje grudastog goriva i komorni - za izgaranje plinovitog, tekućeg i krutog praškastog goriva.

Neke od mogućnosti organiziranja procesa izgaranja prikazane su na slici 15.1.

Slojne peći su dostupne s gustim i fluidiziranim slojem, komorne peći se dijele na baklje i ciklonske.

Riža. 15.1. Dijagrami organizacije procesa izgaranja

Kada gori u gustom sloju, zrak za izgaranje prolazi kroz sloj bez utjecaja na njegovu stabilnost, t.j. gravitacija čestica goriva veća je od dinamičke glave zraka.

Prilikom izgaranja u fluidiziranom sloju, zbog povećane brzine zraka, narušava se stabilnost čestica u sloju, one prelaze u stanje "ključanja", t.j. prijeći u suspendirano stanje. U ovom slučaju dolazi do intenzivnog miješanja goriva i oksidansa, što pridonosi intenziviranju procesa izgaranja.

Prilikom izgaranja u baklji gorivo izgara u volumenu komore za izgaranje, za što čestice krutog goriva moraju imati veličinu do 100 mikrona.

Tijekom ciklonskog izgaranja, čestice goriva pod utjecajem centrifugalnih sila izbacuju se na stijenke komore za izgaranje i, nalazeći se u vrtložnom toku u zoni visoke temperature, potpuno izgaraju. Dopuštena je veličina čestica veća od baklje. Mineralna komponenta goriva u obliku tekuće troske kontinuirano se uklanja iz ciklonske peći.

15.4 Značajke izgaranja tekućeg goriva

Svako tekuće gorivo, kao i svaka tekuća tvar, na određenoj temperaturi ima određeni tlak pare iznad svoje površine, koji raste s porastom temperature.

Kada se tekuće gorivo sa slobodnom površinom zapali, njegova para sadržana u prostoru iznad površine se zapali, tvoreći goruću baklju. Zbog topline koju emitira baklja, isparavanje se dramatično povećava. Uz stacionarni režim prijenosa topline između baklje i tekućeg zrcala, količina isparavanja, a time i izgaranja goriva doseže maksimalnu vrijednost, a zatim ostaje konstantna tijekom vremena.

Eksperimenti pokazuju da pri izgaranju tekućih goriva sa slobodnom površinom dolazi do izgaranja u parnoj fazi; baklja je postavljena na određenoj udaljenosti od površine tekućine i jasno je vidljiva tamna traka koja odvaja baklju od ruba lonca s tekućim gorivom. Intenzitet zračenja od zone izgaranja do zrcala isparavanja ne ovisi o njegovom obliku i veličini, već ovisi samo o fizikalno-kemijskim svojstvima goriva i karakteristična je konstanta za svako tekuće gorivo.

Temperatura tekućeg goriva pri kojoj pare iznad njegove površine tvore smjesu sa zrakom koja se može zapaliti kada se izvor paljenja podigne naziva se plamenište.

Budući da tekuća goriva izgaraju u parnoj fazi, u ustaljenom stanju brzina izgaranja određena je brzinom isparavanja tekućine iz njenog zrcala.

Proces izgaranja tekućih goriva sa slobodnom površinom je sljedeći. U stalnom stanju izgaranja, toplina koju emitira baklja isparava tekuće gorivo. Zrak iz okolnog prostora difuzijom prodire u uzlazni tok goriva u parnoj fazi. Ovako dobivena smjesa tvori goruću baklju u obliku stošca na udaljenosti od 0,5-1 mm od zrcala za isparavanje. Stabilno izgaranje odvija se na površini, gdje smjesa postiže udio koji odgovara stehiometrijskom omjeru goriva i zraka. Ova pretpostavka proizlazi iz istih razmatranja kao u slučaju difuzijskog izgaranja plina. Kemijska reakcija se odvija u vrlo tankom sloju prednje strane baklje, čija debljina ne prelazi nekoliko frakcija milimetra. Volumen koji zauzima baklja podijeljen je na dva dijela zonom izgaranja: unutar baklje nalaze se pare zapaljive tekućine i produkti izgaranja, a izvan zone izgaranja - mješavina produkata izgaranja sa zrakom.

Izgaranje para tekućeg goriva koje se dižu unutar baklje može se predstaviti kao da se sastoji od dva stupnja: difuzijske opskrbe kisikom u zonu izgaranja i same kemijske reakcije koja se događa na fronti plamena. Brzine ova dva stupnja nisu iste; kemijska reakcija na visokim temperaturama koja se događa vrlo je brza, dok je difuzijska opskrba kisikom spor proces koji ograničava ukupnu brzinu izgaranja. Posljedično, u ovom slučaju se izgaranje događa u području difuzije, a brzina izgaranja određena je brzinom difuzije kisika u zonu izgaranja.

Budući da su uvjeti za dovod kisika u zonu izgaranja tijekom izgaranja različitih tekućih goriva sa slobodne površine približno jednaki, treba očekivati ​​da se brzina njihovog izgaranja odnosi na frontu plamena, odnosno na bočnu površinu plamena. plamen, također bi trebao biti isti. Duljina baklje će biti veća, što je veća brzina isparavanja.

Posebnost izgaranja tekućih goriva sa slobodne površine je veliko kemijsko izgaranje. Svako gorivo, koje je ugljični spoj kada se izgara sa slobodne površine, ima svoju karakterističnu kemijsku nedovoljnu izloženost, a to je, %:

za alkohol ......... 5,3

za kerozin ........ 17.7

za benzin ........ 12.7

za benzen ......... 18.5.

Slika pojave kemijskog nedogaranja može se prikazati na sljedeći način.

Paroviti ugljikovodici, kada se kreću unutar gorionika u obliku stošca prema fronti plamena, kada su u području visoke temperature u odsutnosti kisika, podliježu toplinskoj razgradnji do stvaranja slobodnog ugljika i vodika.

Sjaj plamena nastaje zbog prisutnosti slobodnih čestica ugljika u njemu. Potonji, zagrijani zbog topline koja se oslobađa tijekom izgaranja, emitiraju više ili manje jako svjetlo.

Dio slobodnog ugljika nema vremena za izgaranje i proizvodi se izgaranjem u obliku čađe, tvoreći dimnu baklju.

Osim toga, prisutnost ugljika uzrokuje stvaranje CO.

Visoka temperatura i nizak parcijalni tlak CO i CO 2 u produktima izgaranja pogoduju stvaranju CO.

Količine ugljika i CO prisutne u produktima izgaranja određuju količinu kemijskog nedovoljno izgaranja. Što je veći sadržaj ugljika u tekućem gorivu i što je manje zasićeno vodikom, to je veće stvaranje čistog ugljika, svjetlija je baklja i veće je kemijsko izgaranje.

Dakle, studije izgaranja tekućih goriva sa slobodne površine pokazale su da:

1) do izgaranja tekućih goriva dolazi nakon njihovog isparavanja u parnoj fazi. Brzina izgaranja tekućih goriva sa slobodne površine određena je brzinom njihovog isparavanja zbog topline koju emitira zona izgaranja, pri stacionarnom stanju izmjene topline između baklje i zrcala za isparavanje;

2) brzina izgaranja tekućih goriva sa slobodne površine raste s porastom njihove temperature zagrijavanja, s prijelazom na gorivo s većim intenzitetom zračenja zone izgaranja, manjom toplinom isparavanja i toplinskim kapacitetom i ne ovisi o veličini. i oblik zrcala za isparavanje;

3) intenzitet zračenja zone izgaranja na zrcalu isparavanja, koji gori sa slobodne površine tekućeg goriva, ovisi samo o njegovim fizikalno-kemijskim svojstvima i karakteristična je konstanta za svako tekuće gorivo;

4) toplinski stres prednjeg dijela difuzijskog plamena iznad površine isparavanja tekućeg goriva praktički ne ovisi o promjeru lončića i vrsti goriva;

5) izgaranje tekućih goriva sa slobodne površine karakterizira povećano kemijsko nedogaranje, čija je vrijednost karakteristična za svako gorivo.

Imajući u vidu da se izgaranje tekućih goriva događa u parnoj fazi, proces izgaranja kapi tekućeg goriva može se prikazati na sljedeći način.

Kap tekućeg goriva okružena je atmosferom zasićenom parama ovog goriva. Zona izgaranja uspostavlja se u blizini kapi na sfernoj površini. Kemijska reakcija mješavine para tekućeg goriva s oksidantom događa se vrlo brzo, stoga je zona izgaranja vrlo tanka. Brzina izgaranja određena je najsporijom fazom - brzinom isparavanja goriva.

Prostor između kapljice i zone izgaranja sadrži pare tekućeg goriva i produkte izgaranja. U prostoru izvan zone izgaranja - zrak i produkti izgaranja.

Pare goriva difundiraju u zonu izgaranja iznutra, a kisik izvana. Ovdje ove komponente smjese ulaze u kemijsku reakciju, koja je popraćena oslobađanjem topline. Iz zone izgaranja toplina se prenosi prema van i na kap, a produkti izgaranja difundiraju u okolni prostor i u prostor između zone izgaranja i kapi. Međutim, mehanizam prijenosa topline još nije jasan.

Brojni istraživači vjeruju da se isparavanje goruće kapljice događa zbog molekularnog prijenosa topline kroz ustajali granični film u blizini površine kapljice.

Kako kapljica izgara zbog smanjenja površine, ukupno se isparavanje smanjuje, zona izgaranja se sužava i nestaje kada kapljica potpuno izgori.

Tako teče proces izgaranja kapljice tekućeg goriva koje potpuno isparava, a koja miruje u okoliš ili se kreće s njim istom brzinom.

Količina kisika koji difundira na sfernu površinu, uz ostale jednake stvari, proporcionalna je kvadratu njenog promjera, stoga uspostavljanje zone izgaranja na određenoj udaljenosti od kapljice uzrokuje veću brzinu njenog izgaranja u usporedbi s istim čestica čvrstog goriva, tijekom čijeg izgaranja kemijska reakcija se praktički odvija na samoj površini ...

Budući da je brzina izgaranja kapi tekućeg goriva određena brzinom isparavanja, vrijeme njegovog izgaranja može se izračunati na temelju jednadžbe toplinske ravnoteže njegovog isparavanja zbog topline primljene iz zone izgaranja.

Budući da do izgaranja tekućih goriva dolazi nakon njihovog isparavanja u parnoj fazi, njegovo intenziviranje je povezano s intenziviranjem isparavanja i stvaranja smjese. To se postiže povećanjem površine isparavanja raspršivanjem tekućeg goriva u sitne kapljice i dobrim miješanjem nastalih para sa zrakom uz jednoličnu raspodjelu fino raspršenog goriva u njemu. Ova dva zadatka izvode se pomoću plamenika s mlaznicama, koji raspršuju tekuće gorivo u strujama zraka koji se dovode u komornu peć kroz zračne kanale plamenika.

Zrak potreban za izgaranje dovodi se do otvora mlaznice, hvata fino raspršeno tekuće gorivo i stvara neizotermni plavljeni mlaz u komori za izgaranje. Mlaz, šireći se, zagrijava se zbog uvlačenja produkata izgaranja visoka temperatura... Najmanje kapljice tekućeg goriva zagrijavaju se konvektivnom izmjenom topline u mlazu i isparavaju. Raspršeno gorivo se također zagrijava zbog njihove apsorpcije topline koju emitiraju dimni plinovi i užarena obloga.

U početnom dijelu, a posebno u graničnom sloju mlaza, intenzivno zagrijavanje plamena uzrokuje brzo isparavanje kapljica. Pare goriva, miješajući se sa zrakom, stvaraju zapaljivu smjesu plin-zrak, koja, paljenjem, tvori baklju.

Dakle, proces izgaranja tekućeg goriva može se podijeliti na sljedeće faze: raspršivanje tekućeg goriva, isparavanje i stvaranje mješavine plina i zraka, paljenje zapaljive smjese i izgaranje potonje.

Temperatura i koncentracija mješavine plina i zraka mijenjaju se na poprečnom presjeku mlaza. Kako se netko približava vanjskoj granici mlaza, temperatura raste, a koncentracija komponenti zapaljive smjese opada. Brzina širenja plamena u smjesi para-zrak ovisi o sastavu, koncentraciji i temperaturi, a najveću vrijednost doseže u vanjskim slojevima mlaza, gdje je temperatura bliska temperaturi okolnih dimnih plinova, unatoč činjenici da zapaljiva smjesa je ovdje jako razrijeđena produktima izgaranja. Stoga paljenje u plamenu loživog ulja počinje u korijenu s periferije, a zatim se širi duboko u mlaz kroz cijeli dio, dosežući svoju os na znatnoj udaljenosti od mlaznice, jednakoj pomaku središnjih mlaza tijekom širenja plamen od periferije prema osi. Zona paljenja ima oblik izduženog stošca, čija se baza nalazi na maloj udaljenosti od izlaznog dijela otvora plamenika.

Položaj zone paljenja ovisi o brzini smjese; zona zauzima takav položaj u kojem se u svim njezinim točkama uspostavlja ravnoteža između brzine širenja plamena i brzine kretanja. Središnji mlazovi, koji imaju najveću brzinu, propadaju dok se kreću u prostoru peći, određujući duljinu zone paljenja prema mjestu gdje brzina pada na apsolutna vrijednost brzina širenja plamena.

Izgaranje glavnog dijela parnih ugljikovodika događa se u zoni paljenja, koja zauzima vanjski sloj baklje male debljine. Izgaranje ugljikovodika visoke molekularne mase, čađe, slobodnog ugljika i neisparenih kapljica tekućeg goriva nastavlja se izvan zone paljenja i zahtijeva određeni prostor, što određuje ukupnu duljinu plamena.

Zona paljenja dijeli prostor koji zauzima baklja na dva područja: unutarnje i vanjsko. U unutarnje područje teče proces isparavanja i stvaranja zapaljive smjese.

U unutarnjem dijelu zagrijavaju se paroviti ugljikovodici, što je popraćeno njihovom oksidacijom i razgradnjom. Proces oksidacije počinje na relativno niskim temperaturama - oko 200-300 ° C. Na temperaturama od 350-400 ° C i više počinje proces toplinske razgradnje.

Proces oksidacije ugljikovodika pogoduje kasnijem procesu izgaranja, jer se oslobađa nešto topline i temperatura raste, a prisutnost kisika u sastavu ugljikovodika doprinosi njihovoj daljnjoj oksidaciji. Naprotiv, proces toplinskog cijepanja je nepoželjan, budući da je rezultirajuće ugljikovodike visoke molekularne težine teško izgorjeti.

Od naftnih goriva samo se loživo ulje koristi u elektroprivredi. Lož ulje je ostatak destilacije ulja na temperaturi od oko 300°C, ali zbog činjenice da je proces destilacije nepotpun, lož ulje na temperaturama ispod 300°C još uvijek ispušta određenu količinu para lakših destilata. Stoga, kada raspršeni mlaz loživog ulja uđe u peć i postupno se zagrije, dio se pretvara u pare, a dio još uvijek može biti u tekućem stanju čak i na temperaturi od oko 400 °C.

Stoga je pri izgaranju loživog ulja potrebno na svaki mogući način poticati oksidativne reakcije i spriječiti toplinsku razgradnju na visokim temperaturama. Da biste to učinili, sav zrak potreban za izgaranje treba uvesti u korijen baklje. U tom slučaju, prisutnost velike količine kisika u unutarnjem području će, s jedne strane, pogodovati procesima oksidacije, as druge, sniziti temperaturu, što će uzrokovati simetričniju razgradnju molekula ugljikovodika bez stvaranja značajnu količinu teško spaljivih ugljikovodika visoke molekularne težine.

Smjesa koja nastaje izgaranjem loživog ulja sadrži pare i plinovite ugljikovodike, tekuće teže rezove, kao i čvrste spojeve koji nastaju kao rezultat razgradnje ugljikovodika (tj. sve tri faze - plinovita, tekuća i kruta). Pare i plinoviti ugljikovodici, miješajući se sa zrakom, tvore zapaljivu smjesu čije se izgaranje može dogoditi preko svih mogući načini plinovi izgaranja. Slično gori i CO koji nastaje pri izgaranju kapljica tekućine i koksa.

U baklji se kapljice zapaljuju konvektivnim zagrijavanjem; oko svake kapi uspostavlja se zona izgaranja. Kapljično izgaranje popraćeno je kemijskim izgaranjem u obliku čađe i CO. Kapi ugljikovodika velike molekularne mase tijekom izgaranja daju čvrsti ostatak – koks.

Čvrsti spojevi koji nastaju u baklji – čađa i koks – izgaraju se na isti način kao što dolazi do heterogenog izgaranja čestica krutog goriva. Prisutnost užarenih čestica čađe uzrokuje žarenje baklje.

Slobodni ugljikovodici i čađa u okruženjima s visokim temperaturama mogu izgorjeti ako ima dovoljno zraka. U slučaju lokalnog nedostatka zraka ili nedovoljno visoke temperature, ne izgaraju u potpunosti uz određenu kemijsku nepotpunost izgaranja, obojavajući produkte izgaranja u crno - dimnu baklju.

Zona naknadnog izgaranja plinovitih produkata nepotpunog izgaranja i čvrstih čestica, prateći zonu izgaranja, povećava ukupnu duljinu plamena.

Kemijsko nedogaranje, karakteristično za izgaranje tekućih goriva sa slobodne površine kada se izgaraju u baklji, može se i treba odgovarajućim režimskim mjerama svesti praktički na nulu.

Dakle, potrebna je dobra atomizacija za intenziviranje izgaranja teškog loživog ulja. Predgrijavanje zraka i loživog ulja doprinosi rasplinjavanju loživog ulja, stoga će pogodovati paljenju i izgaranju. Sav zrak potreban za izgaranje treba uvesti u korijen baklje. Istodobno, potrebno je osigurati dobro miješanje raspršenog goriva sa zrakom, kao i miješanje u gorućoj gorionici, a posebno u njenom završnom dijelu, racionalnim dizajnom vodilice zraka plamenika, pravilnom ugradnjom mlaznice i odgovarajuću konfiguraciju udubljenja plamenika. Temperatura u plamenu mora se održavati na dovoljno visokoj razini i, kako bi se osigurao intenzivan završetak procesa izgaranja, na kraju plamena mora biti najmanje 1000-1050 °C.

Gorionici mora biti osigurano dovoljno prostora za razvoj procesa izgaranja, jer u slučaju kontakta produkata izgaranja (prije završetka procesa izgaranja) s hladnim grijaćim površinama generatora pare temperatura može pasti toliko da neizgorele čestice čađe i slobodnog ugljika sadržane u plinovima, kao i ugljikovodici visoke molekularne težine neće moći izgorjeti.

Izgaranje uljne baklje u vrtložnom mlazu odvija se na sličan način kao u slučaju koji se razmatra u izravnom mlazu. Vrtložnim kretanjem stvara se zona razrjeđivanja na osi mlaza, što uzrokuje dotok vrućih produkata izgaranja u korijen plamenika. To osigurava stabilno paljenje.

Korištenje centrifugalnog učinka u mehaničkim i rotirajućim mlaznicama rezultira prekidom kontinuiranog protoka. Tekućina unutar izlaza mlaznice ima oblik šupljeg cilindra ispunjenog parama i plinovima. Iz mlaznice istječe emulzija, tvoreći tekući film u obliku hiperboloida koji se širi. U smjeru gibanja, poprečni presjek hiperboloida se povećava, a tekući film postaje tanji, počinje pulsirati i konačno se raspada u kapljice koje se brzo kreću, koje prolaze dalje mljevenje u toku.

U parnim mlaznicama primarno drobljenje se provodi zbog kinetičke energije pare koja istječe iz mlaznice mlaznice. Kapljice primarne fragmentacije dobivaju brzinu mlaza pare, koja obično odgovara kritičnoj brzini.

15.5 Izgaranje goriva i zaštita okoliša

15.5.1.Crna metalurgija kao izvor onečišćenja okoliša

Metalurški pogon, koji proizvodi milijun tona čelika godišnje, dnevno u atmosferu ispušta 350 tona prašine, 400 tona ugljičnog monoksida i 200 tona sumpor-dioksida. Iz ukupno emisije iz metalurških postrojenja čine 20% emisija prašine, 43% ugljičnog monoksida, 16% sumporovog dioksida i 23% dušikovih oksida. Najveće emisije imaju sintera i termoelektrana. Od ukupnih emisija metalurške tvornice, sintera daje 34% prašine, 82% sumpor-dioksida, 23% dušikovih oksida. CHP postrojenje ispušta 36% prašine. Dakle, sinter postrojenje i termoelektrana zajedno ispuštaju oko 70% emisije prašine iz cijelog postrojenja u atmosferu.

Razlikovati čišćenje plinova od suspendiranih čvrstih čestica (prašine) i hvatanje štetnih plinovitih tvari kemijskim metodama čišćenja plina. Pročišćavanje plinova koji se ispuštaju u atmosferu od štetnih plinovitih tvari trenutno se gotovo nikad ne koristi (i to ne samo u našoj zemlji), s izuzetkom proizvodnje koksa, gdje je takvo pročišćavanje široko rasprostranjeno zbog potrebe zahvatanja većeg broja vrijednih tvari. tvari.

Postrojenja crne metalurgije uglavnom provode mehaničko čišćenje plinova od prašine. Prema principu rada, primijenjene metode čišćenja dijele se na suhe i mokre. Mokri sakupljači prašine omogućuju, istovremeno sa sakupljanjem prašine, djelomično pročišćavanje plinova od sumporovog dioksida (SO 3). Međutim, ovi sakupljači prašine povećavaju potrošnju vode i zahtijevaju korištenje uređaja za pročišćavanje vode.

15.5.2 Uređaji za suho mehaničko čišćenje plinova

Dijele se na sakupljače prašine i filtere. Zauzvrat, sakupljači prašine se dijele na gravitacijske i inercijalne. Gravitacioni sakupljači prašine imaju komore za prašinu različitih dizajna. U ovim sakupljačima prašine taloženje prašine događa se uglavnom pod utjecajem gravitacije. Sile inercije ovdje malo utječu na proces izvlačenja prašine iz struje plina.

Na slici 15.2 prikazan je dijagram radijalnog sakupljača prašine. Plin napunjen prašinom ulazi u njega kroz središnji plinski kanal koji u bunkeru smanjuje brzinu njegovog kretanja i mijenja smjer kretanja za 180 0. Prašina sadržana u plinu, pod djelovanjem gravitacije i inercije, taloži se u bunkeru, a plin se uklanja u pročišćenom obliku.

Gravitacioni sakupljači prašine učinkoviti su u uklanjanju čestica prašine većih od 100 mikrona, t.j. dovoljno velike čestice.

U inercijskim (centrifugalnim) sakupljačima prašine (slika 15.3) na čestice prašine djeluje inercijska sila koja se javlja kada se struja plina okreće ili rotira. Budući da je ta sila mnogo veća od gravitacijske sile, tada se iz strujanja plina uklanjaju manje čestice nego tijekom gravitacijskog čišćenja.

Primjer takvog sakupljača prašine je ciklon koji uklanja čestice prašine veće od 20 mikrona iz struje plina. Prašnjava plinska struja se uvodi u gornji dio tijela ciklona kroz granu koja se nalazi tangencijalno u odnosu na tijelo. Protok dobiva rotacijsko gibanje, teške čestice prašine se odbacuju silama inercije na stijenke ciklona i pod djelovanjem gravitacije spuštaju se u spremnik, a očišćeni plin se uklanja iz ciklone.

Filtri (sl. 15.4) su uređaji koji osiguravaju fino čišćenje plina. Po vrsti filtarskog elementa dijele se na filtere s vlaknastim filtarskim elementom, s tkaninom, granuliranim, sinteriranim, keramičkim. Tipičan primjer su filteri s tkanim filtarskim elementom: od prirodnih i sintetičkih tkanina ili metalne tkanine, koji mogu izdržati temperature do 600 0 C.

Filter od tkanine regenerira se povratnim ispiranjem komprimiranim zrakom.

Prašnjavi plin prolazi kroz krpu crijeva, ostavljajući čestice prašine na njoj, te se uklanja iz filtera očišćenog. Prašina se taloži u spremnik dok se nakuplja na tkanini. Kada se otpor tkanine značajno poveća, rukavac tkanine se čisti od prašine iz povratnog ispiranja zrakom.

15.5.3 Elektrofiltri

Elektrostatski filteri (slika 15.5) su uređaji za fino pročišćavanje plinova. Princip rada ovih filtara temelji se na interakciji sile nabijenih čestica međusobno i s metalnim elektrodama. Znate da se čestice sličnog naboja odbijaju, a suprotno nabijene privlače. U elektrofilteru čestice prašine, padajući u električno polje, nabijaju se, a zatim se pod djelovanjem sila interakcije sa sabirnim elektrodama privlače, talože na njih i gube naboj. Kao primjer, razmotrite rad cjevastog elektrofiltera. Filter se sastoji od tijela i središnje elektrode, čiji dizajn nije prikazan na dijagramu. Kućište filtera je uzemljeno. Središnja elektroda sastoji se od ploča čiji je dio spojen na tijelo, a drugi dio je izoliran od njega.

Izmjenjuju se izolirane i spojene na tijelo elektrode. Između njih se stvara razlika potencijala reda 25-100 kV. Veličina razlike potencijala određena je geometrijom elektroda i što je veća to je veća udaljenost između njih. To je zbog činjenice da elektrostatički precipitator radi ako postoji koronsko pražnjenje između elektroda.

Plin koji prolazi između elektroda je ioniziran. Čestice prašine stupaju u interakciju s ionima, dobivaju negativan naboj i privlače se sabirnim elektrodama. Čestice prašine koje se talože na elektrodama gube naboj i djelomično padaju u bunker.

Filter se povremeno čisti protresanjem ili ispiranjem. Filter se isključuje tijekom čišćenja.

Kada se koristi plin iz visoke peći, filter se ispire svakih 8 sati tijekom 15 minuta. Maksimalna temperatura plina koji se čisti ne smije prelaziti 300 0 C. Radna temperatura plina koji se čisti je 250 0 C. Visina elektroda je do 12 m.

Elektrostatički precipitator čisti plin od čestica prašine manjih od 1 mikrona.

15.5.4 Mokro pročišćavanje plinova

U uređajima za mokro čišćenje prašnjavi plin se ispire vodom, što omogućuje odvajanje značajnog dijela prašine.

U crnoj metalurgiji najširu primjenu imaju prečistači različitih izvedbi i turbulentni plinski skruberi.

Scruberi (sl. 15.6) su jedinice u kojima se prašnjavi plin diže prema vodi za navodnjavanje. Radi zaštite od korozije, unutarnje površine perača obložene su keramičkim pločicama. Maksimalna temperatura plina u skruberu je 300 0 S. Dimenzije skrubera: promjer - 6-8 m, visina - 20-30 m. Potrošnja vode - 1,5-2 kg / m 3 plina. Polufino uklanjanje prašine provodi se u peračima.

Riža. 15.6. Krug perača

Brzi plinski scruber (slika 15.7) učinkovit je uređaj za fino čišćenje koji se koristi i samostalno i za pripremu plina ispred elektrofiltera. Sastoji se od cijevi za prskanje i ciklona za hvatač kapljica. Hvata čestice prašine veličine do 0,1 mikrona. Kapacitet plina 40.000 m 3 / h i više. Specifična potrošnja vode za navodnjavanje je 0,15-0,5 kg / m 3. Brzina plina u grlu cijevi za prskanje je 40-150 m / s.

Princip rada brzog plinskog pročivača temelji se na hvatanju u ciklonu malih čestica prašine utegnutih vodom koja ih vlaže. Čestice prašine se navlaže u cijevi za raspršivanje.

Zaključno, treba napomenuti da se prašina s česticama većim od 10-20 mikrona dobro hvata u većini uređaja za čišćenje plina. Za čišćenje od prašine s česticama manjim od 1 mikrona prikladni su samo uređaji za fino čišćenje: porozni filteri, elektrostatički taložnici, brzi plinski perači.

Stranica 1

Proces izgaranja krutog goriva također se sastoji od niza uzastopnih faza. Prije svega dolazi do stvaranja smjese i termičke pripreme goriva, uključujući sušenje i oslobađanje hlapivih tvari. Nastali gorivi plinovi i koksni ostatak u prisutnosti oksidacijskog sredstva dalje se spaljuju uz stvaranje dimnih plinova i krutog negorivog ostatka – pepela. Najduža je faza izgaranja koksa - ugljika, koji je glavna zapaljiva komponenta svakog krutog goriva. Stoga je mehanizam izgaranja krutih goriva u velikoj mjeri određen izgaranjem ugljika.

Proces izgaranja krutog goriva može se uvjetno podijeliti na sljedeće faze: zagrijavanje i isparavanje vlage, sublimacija hlapivih tvari i stvaranje koksa, izgaranje hlapivih tvari i koksa te stvaranje troske. Prilikom izgaranja tekućeg goriva ne nastaju koks i troska, a pri izgaranju plinovitog goriva postoje samo dvije faze - zagrijavanje i izgaranje.

Proces izgaranja krutog goriva može se podijeliti u dva razdoblja: razdoblje pripreme goriva za izgaranje i razdoblje izgaranja.

Proces izgaranja krutog goriva može se uvjetno podijeliti u nekoliko faza: zagrijavanje i isparavanje vlage, sublimacija hlapivih tvari i stvaranje koksa, izgaranje hlapivih tvari, izgaranje koksa.

Izgaranje krutog goriva u struji pri povišenim tlakovima dovodi do smanjenja dimenzija komora za izgaranje i do značajnog povećanja toplinskih naprezanja. Peći koje rade na povišenom tlaku nisu široko korištene.

Proces izgaranja krutog goriva nije dovoljno teoretski proučavan. Prva faza procesa izgaranja, koja dovodi do stvaranja međuspoja, određena je tijekom procesa disocijacije oksidansa u adsorbiranom stanju. Slijedi stvaranje kompleksa ugljik-kisik i disocijacija molekularnog kisika u atomsko stanje. Mehanizmi heterogene katalize primijenjeni na oksidacijske reakcije tvari koje sadrže ugljik također se temelje na disocijaciji oksidansa.

Proces izgaranja krutog goriva može se uvjetno podijeliti u tri stupnja, koji se sukcesivno nalažu jedan na drugi.

Proces izgaranja krutog goriva može se smatrati dvostupanjskim procesom s labavo definiranim granicama između dva stupnja: primarne nepotpune rasplinjavanja u heterogenom procesu, čija brzina ovisi uglavnom o brzini i uvjetima dovoda zraka, i sekundarne - izgaranju. evoluiranog plina u homogenom procesu, čija brzina ovisi uglavnom o kinetici kemijskih reakcija. Što je više hlapljivih tvari u gorivu, to više njegova brzina izgaranja ovisi o brzini kemijskih reakcija koje su u tijeku.

U ciklonskim pećima postiže se intenziviranje procesa izgaranja krutog goriva i značajno povećanje stupnja sakupljanja pepela. C, u kojem se pepeo topi, a tekuća troska se uklanja kroz otvore za slavine u donjem dijelu uređaja za izgaranje.

Temelj procesa izgaranja krutog goriva je oksidacija ugljika, koji je glavna komponenta njegove gorive mase.

Za izgaranje krutog goriva od apsolutnog su interesa reakcije izgaranja ugljičnog monoksida i vodika. Za kruta goriva bogata hlapljivim tvarima u nizu procesa i tehnološke sheme potrebno je poznavati karakteristike izgaranja ugljikovodičnih plinova. Mehanizam i kinetika homogenih reakcija izgaranja razmatrani su u Pogl. Pored navedenih sekundarnih reakcija, popis njih treba nastaviti s heterogenim reakcijama razgradnje ugljičnog dioksida i vodene pare, reakcijom pretvorbe ugljičnog monoksida s vodenom parom i obitelji reakcija stvaranja metana, koje se odvijaju uočljivom. stope tijekom rasplinjavanja pod visokim tlakom.

Značajke izgaranja krutih goriva

Zapaljivi plinovi i pare katrana (tzv. hlapljivi), koji se emitiraju tijekom toplinske razgradnje prirodnog krutog goriva u procesu zagrijavanja, miješajući se s oksidacijskim sredstvom (zrak), na visokim temperaturama, izgaraju prilično intenzivno, poput običnog plinovitog goriva. Iz tog razloga, izgaranje goriva s visokim otpuštanjem hlapljivih tvari (ogrijev, treset, uljni škriljevac) ne uzrokuje poteškoće, ako, naravno, sadržaj balasta u njima (vlaga plus sadržaj pepela) nije toliko visok da postane prepreka za postizanje temperature potrebne za izgaranje.

Vrijeme izgaranja goriva sa srednjim (smeđi i bitumenski ugljen) i niskim (mrki ugljen i antracit) hlapljivim tvarima praktički je određeno brzinom reakcije na površini koksnog ostatka koji nastaje nakon oslobađanja hlapljivih tvari. Izgaranje ovog ostatka također osigurava oslobađanje glavne količine topline.

Reakcija na granici između dvije faze(u ovom slučaju, na površini komada koksa) pozvao heterogena. Sastoji se od najmanje dva uzastopna procesa: difuzije kisika na površinu i njegove kemijske reakcije s gorivom (gotovo čisti ugljik koji ostaje nakon oslobađanja hlapljivih tvari) na površini. Rastući prema Arrheniusovom zakonu, brzina kemijske reakcije na visokim temperaturama postaje toliko velika da sav kisik doveden na površinu odmah reagira. Kao rezultat toga, pokazuje se da brzina izgaranja ovisi samo o intenzitetu isporuke kisika na površinu goruće čestice putem prijenosa mase i difuzije. Praktički prestaje biti pod utjecajem temperature procesa i reakcijskih svojstava koksnog ostatka. Ovaj način heterogene reakcije obično se naziva difuzijom. Izgaranje se u ovom načinu rada može pojačati samo pojačavanjem dovoda reagensa na površinu čestice goriva. To se postiže u različitim pećima različitim metodama.

Slojne peći. Kruto gorivo, napunjeno slojem određene debljine na distribucijskoj mreži, pali se i prodire (najčešće odozdo prema gore) zrakom (Sl. 28, a). Filtriran između komada goriva, gubi kisik i obogaćuje se ugljičnim oksidima (CO 2, CO) zbog izgaranja ugljena, redukcije vodene pare i ugljičnog dioksida ugljenom.

Riža. 28. Dijagrami organizacije procesa izgaranja:

a- u gustom sloju; b - u prašnjavom stanju; _v - u ciklonskoj peći;

G - u fluidiziranom sloju; V- zrak; T, B - gorivo, zrak; ZhSH - tekuća troska

Zona unutar koje kisik gotovo potpuno nestaje naziva se kisik; visina mu je dva do tri promjera komada goriva. Plinovi koji izlaze iz njega sadrže ne samo CO 2, H 2 O i N 2, već i zapaljive plinove CO i H 2, koji nastaju kako zbog redukcije CO 2 i H 2 O ugljenom, tako i iz hlapivih tvari koje se emitiraju iz ugljena. . Ako je visina sloja veća od visine kisikove zone, tada zonu kisika slijedi zona redukcije, u kojoj se odvijaju samo reakcije CO 2 + C = 2CO i H 2 O + C = CO + H 2 . Kao rezultat toga, koncentracija zapaljivih plinova koji napuštaju sloj raste kako se povećava njegova visina.

U slojevitim pećima visina sloja nastoji biti jednaka ili veća od visine zone kisika. Za naknadno izgaranje produkata nepotpunog izgaranja (N 2, SO) koji izlaze iz sloja, kao i za naknadno izgaranje prašine uklonjene iz njega, dodatni zrak se dovodi u volumen peći iznad sloja.

Količina sagorjelog goriva proporcionalna je količini dovedenog zraka, međutim povećanje brzine zraka iznad određene granice uništava stabilnost gustog sloja, budući da zrak probijajući sloj na nekim mjestima stvara kratere. Budući da se polidisperzno gorivo uvijek puni u ležište, povećava se prijenos sitnih tvari. Što su čestice veće, brže se zrak može upuhati kroz sloj bez narušavanja njegove stabilnosti. Ako za grube procjene uzmemo toplinu izgaranjaʼʼ 1 m 3 zraka u normalnim uvjetima s α in = 1 jednakim 3,8 MJ i srednjom w n smanjena na normalne uvjete potrošnje zraka po jedinici površine rešetke (m/s), tada će toplinski stres zrcala za izgaranje (MW/m 2) biti

q R = 3,8W n / α in(105)

Pećni uređaji za slojevito izgaranje klasificiraju se na temelju načina opskrbe, pomicanja i brušenja sloja goriva na rešetki. U nemehaniziranim pećima, u kojima se sve tri operacije izvode ručno, ne može se spaliti više od 300 - 400 kg / h ugljena. U industriji su najrasprostranjenije potpuno mehanizirane slojevite peći s pneumatsko-mehaničkim bacačima i reverznom lančanom rešetkom (sl. 29). Njihova značajka je izgaranje goriva na rešetki, koja se neprekidno kreće brzinom od 1-15 m / h, dizajnirana u obliku trake transportne trake, koju pokreće električni motor. Rešetka se sastoji od pojedinačnih rešetkastih elemenata pričvršćenih na beskonačne lančiće šarki, pokretanih "zvijezdama". Zrak potreban za izgaranje dovodi se ispod rešetke kroz praznine između elemenata rešetke.

Riža. 29. Shema ložišta s pneumatskim mehaničkim bacačem i reverznom lančanom rešetkom:

1 - krpa za rešetke; 2 - voziti "zvijezde"; 3 - sloj goriva i troske; 4 – 5 - rotor raspršivača; 6 - trakasti ulagač; 7 - bunker za gorivo; 8 - volumen peći; 9 - sitaste cijevi; 10 - 11 - obloga peći; 12 - stražnja brtva; 13 - prozori za dovod zraka ispod sloja

Peći na baklje... U prošlom stoljeću za izgaranje u slojevitim pećima (a u to vrijeme nije bilo drugih) koristio se samo ugljen koji nije sadržavao finoće (obično frakcija od 6-25 mm). Frakcija sitnija od 6 mm - koplje (od njemačkog staub - prašina) bila je otpad. Početkom ovog stoljeća razvijena je metoda u prahu za njeno spaljivanje, u kojoj se ugljen drobio na 0,1 mm, a teško zapaljivi antraciti bili su još manji. Takva zrna prašine odnose se strujanjem plina, relativna brzina između njih je vrlo mala. Ali vrijeme njihovog izgaranja je iznimno kratko - sekunde i djelići sekunde. Iz tog razloga, s okomitom brzinom plina manjom od 10 m / s i dovoljnom visinom peći (desetke metara u modernim kotlovima), prašina ima vremena da potpuno izgori u letu dok se kreće zajedno s plinom iz plamenika. do izlaza iz peći.

Ovaj princip je osnova bakljičnih (komornih) peći, u koje se kroz plamenike upuhuje fino mljevena zapaljiva prašina zajedno sa zrakom potrebnim za izgaranje (vidi sliku 28, b ) na isti način kao plinoviti ili tekuća goriva... Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, komorne peći su pogodne za sagorijevanje bilo kojeg goriva, što je njihova velika prednost u odnosu na slojevita. Druga prednost je mogućnost stvaranja peći za bilo koju praktički proizvoljno veliku snagu. Iz tog razloga komorne peći sada zauzimaju dominantan položaj u energetskom sektoru. Istodobno, prašina se ne može stabilno sagorijevati u malim pećima, osobito s promjenjivim načinima rada, u tom smislu se ne izrađuju peći na ugljen s toplinskom snagom manjom od 20 MW.

Gorivo se drobi u mlinskim uređajima i upuhuje u komoru za izgaranje kroz plamenike na prah. Prijenosni zrak koji se upuhuje zajedno s prašinom obično se naziva primarnim.

S komornim izgaranjem krutih goriva u obliku prašine hlapljive tvari oslobađajući se tijekom zagrijavanja, izgaraju u plamenici kao plinovito gorivo, što doprinosi zagrijavanju čvrstih čestica do temperature paljenja i olakšava stabilizaciju baklje. Količina primarnog zraka mora biti dovoljna za sagorijevanje hlapljivih tvari. Kreće se od 15 - 25% ukupne količine zraka za ugljene s malim iskorištenjem hlapljivih tvari (na primjer, antraciti) do 20 - 55% za goriva s velikim iskorištenjem ( mrki ugljen). Ostatak zraka potrebnog za izgaranje (naziva se sekundarnim) uvodi se u peć zasebno i miješa se s prašinom već tijekom procesa izgaranja.

Da bi se prašina zapalila, najprije se mora zagrijati na dovoljno visoku temperaturu. Zajedno s njim, naravno, potrebno ga je zagrijati i transportirati (tj. primarni) zrak. Ovo se uspijeva učiniti samo miješanjem užarenih produkata izgaranja u mlaz suspenzije prašine.

Dobra organizacija izgaranje krutih goriva (posebno teško za izgaranje, s malim otpuštanjem hlapljivih tvari) osigurava se korištenjem tzv. puževa plamenika (slika 30.).

Riža. 30. Plamenik sa zavojnicom za kruto gorivo u prahu: V- zrak; T, B - gorivo, zrak

Ugljena prašina s primarnim zrakom ulazi u njih kroz središnju cijev i, zbog prisutnosti razdjelnika, ulazi u peć u obliku tankog prstenastog mlaza. Sekundarni zrak se dovodi kroz "puž", snažno se vrti u njemu i ulazeći u peć stvara snažnu turbulentnu vrtložnu baklju, koja osigurava usis velike količine užarenih plinova iz jezgre plamenika do otvora plamenika. Time se ubrzava zagrijavanje mješavine goriva s primarnim zrakom i njeno paljenje, odnosno stvara se dobra stabilizacija plamena. Sekundarni zrak se zbog svoje jake turbulencije dobro miješa s već zapaljenom prašinom. Najveća zrna prašine izgaraju tijekom svog leta u struji plina unutar volumena peći.

Prilikom paljenja ugljene prašine, u svakom trenutku, u peći je neznatna količina goriva - ne više od nekoliko desetaka kilograma. To čini proces baklje vrlo osjetljivim na promjene u potrošnji goriva i zraka te omogućuje, kada je to iznimno važno, praktički trenutnu promjenu učinkovitosti peći, kao u slučaju sagorijevanja loživog ulja ili plina. Istodobno, to povećava zahtjeve za pouzdanost opskrbe peći prašinom, jer će najmanji (u nekoliko sekundi!) Prekid dovesti do gašenja baklje, što je povezano s opasnošću od eksplozije kada prašina ponovno se isporučuje. Iz tog razloga, u pravilu se u peći na prah ugrađuje nekoliko plamenika.

Tijekom izgaranja goriva u prahu u jezgri baklje koja se nalazi u blizini otvora plamenika razvijaju se visoke temperature (do 1400-1500 °C), pri kojima pepeo postaje tekući ili pastozan. Prianjanje ovog pepela na zidove peći može dovesti do njihovog prerastanja troskom. Iz tog razloga se izgaranje goriva u prahu najčešće koristi u kotlovima gdje su zidovi peći zatvoreni vodom hlađenim cijevima (zaslonima), oko kojih se plin hladi i čestice pepela suspendirane u njemu imaju vremena da se stvrdnu prije kontakta. zid. Pulverizirano izgaranje također se može koristiti u pećima za uklanjanje tekućeg pepela, u kojima su stijenke prekrivene tankim filmom tekuće troske i čestice rastaljenog pepela teku u tom filmu.

Toplinski napon volumena u pećima na prah ugljena obično je 150-175 kW / m 3, povećavajući se u malim pećima do 250 kW / m 3. Uz dobro miješanje zraka s gorivom, α u= 1,2 ÷ 1,25; q krzno= 0,5 ÷ 6% (veliki brojevi - kod spaljivanja antracita u malim pećima); q kem= 0 ÷ 1%.

U komornim pećima, nakon dodatnog mljevenja, moguće je spaljivati ​​otpad od ugljena koji nastaje tijekom njihovog obogaćivanja u koksarama (industrijski proizvod), prosijavanju koksa i još sitnijeg koksnog mulja.

Ciklonske peći. Specifična metoda izgaranja provodi se u ciklonskim pećima. Koriste prilično male čestice ugljena (obično sitnije od 5 mm), a zrak potreban za izgaranje dovodi se ogromnim brzinama (do 100 m/s) tangencijalno na ciklonsku generatricu. U peći se stvara snažan vrtlog koji uvlači čestice u kruženje, u kojem ih tok intenzivno puše. Kao rezultat intenzivnog izgaranja u peći, razvijaju se temperature bliske adijabatskim (do 2000 ° C). Pepeo od ugljena se topi, tekuća troska teče niz zidove. Iz više razloga odustalo se od korištenja ovakvih peći u elektroprivredi, a sada se koriste kao tehnološke - za sagorijevanje sumpora radi dobivanja SO 2 u proizvodnji H 2 SO 4, prženje ruda itd. Ponekad se požarna neutralizacija otpadnih voda provodi u ciklonskim pećima, tj. izgaranje štetnosti sadržanih u njima zbog opskrbe dodatnog (obično plinovitog ili tekućeg) goriva.

Peći s fluidiziranim slojem. Stabilno izgaranje baklje s prahom moguće je samo pri visokoj temperaturi u njenoj jezgri - ne nižoj od 1300-1500 ° C. Na tim temperaturama dušik u zraku počinje osjetno oksidirati prema reakciji N 2 + O 2 = 2NO. Od dušika sadržanog u gorivu također nastaje određena količina NO. Dušikov oksid͵ koji se ispušta zajedno s dimnim plinovima u atmosferu, u njoj se dalje oksidira u vrlo otrovni dioksid NO 2. U SSSR-u, najveća dopuštena koncentracija NO 2 (MPC), sigurnog za zdravlje ljudi, u zraku naselja iznosi 0,085 mg / m 3. Kako bi se to osiguralo, na velikim termoelektranama potrebno je izgraditi visoke dimnjake, raspršujući dimne plinove po što većoj površini. U isto vrijeme, kada je veliki broj postaja koncentriran blizu jedna drugoj, to ne pomaže.

U nizu zemalja nije reguliran MPC, već količina štetnih emisija po jedinici topline koja se oslobađa tijekom izgaranja goriva. Na primjer, u SAD-u, za velika poduzeća, dopuštene su emisije od 28 mg dušikovih oksida po 1 MJ kalorijske vrijednosti. U SSSR-u, standardi emisije za različita goriva su od 125 do 480 mg / m 3.

Kada se izgaraju goriva koja sadrže sumpor, nastaje otrovni SO 2, čiji se učinak na ljude, osim toga, dodaje učinku NO 2.

Ove emisije odgovorne su za nastanak fotokemijskog smoga i kiselih kiša, koje štetno utječu ne samo na ljude i životinje, već i na vegetaciju. U zapadnoj Europi, primjerice, od takvih kiša propada značajan dio crnogoričnih šuma.

Ako su kalcijevi i magnezijevi oksidi u pepelu goriva nedostatni da vežu sav SO 2 (obično je potreban njegov dvostruki ili trostruki višak u usporedbi s reakcijskom stehiometrijom), gorivu se dodaje vapnenac CaCO 3. Vapnenac na temperaturama od 850-950 °C intenzivno se razgrađuje na CaO i CO 2, a gips CaSO 4 se ne razgrađuje, odnosno reakcija ne ide s desna na lijevo. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, otrovni SO 2 veže se na bezopasni, praktički netopljiv gips, koji se uklanja zajedno s pepelom.

S druge strane, u procesu ljudske djelatnosti nastaje velika količina zapaljivog otpada, koji se ne smatra gorivom u konvencionalnom smislu: "jalovina" pripreme ugljena, odlagališta tijekom eksploatacije ugljena, brojni otpad iz celuloze i papira. industrije i drugih sektora nacionalnog gospodarstva. Paradoksalno je, na primjer, da se 'stijena', koja je nagomilana u ogromne deponije u blizini rudnika ugljena, često spontano zapali i dugo zagađuje okolni prostor dimom i prašinom, ali se ne može spaliti ni u sloju ni u komori. peći zbog visokog sadržaja pepela. U slojevitim pećima pepeo, koji se sinterira tijekom izgaranja, sprječava prodor kisika do čestica goriva, a u komornim pećima nije moguće postići visoku temperaturu potrebnu za stabilno izgaranje u njima.

Hitna, iznimno važna važnost razvoja tehnologija bez otpada, koja je nastala prije čovječanstva, postavila je pitanje stvaranja pećnih uređaja za spaljivanje takvih materijala. To su peći s fluidiziranim slojem.

Obično se naziva fluidizirano (ili kipuće). sloj sitnozrnatog materijala koji je odozdo prema gore upuhan plinom brzinom koja prelazi granicu stabilnosti gustog sloja, ali nedostatna da iznese čestice iz sloja. Intenzivna cirkulacija čestica u ograničenom volumenu komore stvara dojam tekućine koja brzo ključa, što objašnjava podrijetlo imena.

Gusti sloj čestica koji se fizički upuhuje odozdo gubi svoju stabilnost jer otpor plinu koji filtrira kroz njega postaje jednak težini stupca materijala po jedinici površine potporne rešetke. Budući da je aerodinamički otpor sila kojom plin djeluje na čestice (i, prema tome, prema trećem Newtonovom zakonu, na čestice na plin), kada su otpor i težina sloja jednaki, čestice (ako uzmemo u obzir idealan slučaj ) ne oslanjaju se na rešetku, već na plin.

Prosječna veličinačestice u pećima s fluidiziranim slojem obično su 2-3 mm. Oni odgovaraju radnoj brzini fluidizacije (uzima se 2-3 puta više od w to) 1,5 ÷ 4 m / s. To se određuje u skladu s površinom rešetke za distribuciju plina pri danoj toplinskoj snazi ​​peći. Toplinski napon volumena q v uzeti otprilike isto kao i za slojevite peći.

Najjednostavnije ložište s fluidiziranim slojem (slika 31) na mnogo načina nalikuje slojevitom i ima mnogo zajedničkih strukturnih elemenata. Temeljna razlika između njih leži u činjenici da intenzivno miješanje čestica osigurava konstantnu temperaturu u cijelom volumenu fluidiziranog sloja.

Riža. 31. Shema peći s fluidiziranim slojem: 1 - ispuštanje pepela; 2 - dovod zraka ispod sloja; 3 - fluidizirani sloj pepela i goriva; 4 - dovod zraka u raspršivač; 5 - rotor raspršivača; 6 - trakasti ulagač; 7 - bunker za gorivo; 8 - volumen peći; 9 - sitaste cijevi; 10 - oštro puhanje i povratak uvlačenja; 11- obloga peći; 12 - cijevi koje apsorbiraju toplinu u fluidiziranom sloju; V - voda; P- para.

Održavanje temperature fluidiziranog sloja unutar potrebnog raspona (850 - 950 °C) osigurava se na dva različita načina. U malim industrijskim pećima koje sagorevaju otpad ili jeftino gorivo, u ležište se dovodi znatno više zraka nego što je izuzetno važno za potpuno izgaranje, ugradnju α na ≥ 2.

S istom količinom oslobođene topline, temperatura plinova opada kao i α u, jer se ista toplina troši na zagrijavanje velike količine plinova.

U velikim jedinicama za generiranje energije, ovaj način smanjenja temperature izgaranja je neekonomičan, jer “višak” zraka koji izlazi iz jedinice također nosi toplinu koja se troši na zagrijavanje (povećavaju se gubici s ispušnim plinovima - vidi dolje). Iz tog razloga cijevi se postavljaju u peći s fluidiziranim slojem velikih kotlova 9 i 12 s radni fluid koji u njima cirkulira (voda ili para) koji percipira iznimno važnu količinu topline. Intenzivno "pranje" ovih cijevi česticama osigurava visok koeficijent prijenosa topline od sloja do cijevi, što u nekim slučajevima omogućuje smanjenje potrošnje metala kotla u usporedbi s tradicionalnim. Gorivo stalno gori kada je njegov sadržaj u fluidiziranom sloju 1% ili manje; ostalo 99% S suvišno - pepeo. Čak i pod takvim nepovoljnim uvjetima, intenzivno miješanje ne dopušta česticama pepela da blokiraju pristup zapaljivom kisiku (za razliku od gustog sloja). U ovom slučaju, koncentracija goriva je ista u cijelom volumenu fluidiziranog sloja. Za uklanjanje pepela unesenog gorivom, dio materijala sloja se kontinuirano uklanja iz njega u obliku sitnozrnate troske - najčešće se jednostavno "izlije" kroz rupe na dnu, budući da je fluidizirani sloj sposoban za teče poput tekućine.

Kružne peći s fluidiziranim slojem. V U posljednje vrijeme pojavile su se peći druge generacije s takozvanim cirkulirajućim fluidiziranim slojem. Iza ovih peći je instaliran ciklon u kojem se sve neizgorele čestice hvataju i vraćaju natrag u peć. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, čestice su „zarobljene“ u sustavu ložište-ciklona-peć dok potpuno ne izgore. Ove peći imaju visoku učinkovitost, koja nije inferiorna u odnosu na metodu izgaranja u komori, uz zadržavanje svih prednosti za okoliš.

Peći s fluidiziranim slojem naširoko se koriste ne samo u energetskom sektoru, već iu drugim industrijama, na primjer, za spaljivanje pirita kako bi se dobio SO 2, prženje raznih ruda i njihovih koncentrata (cink, bakar, nikal, zlato) itd. (S gledišta teorije izgaranja, prženje npr. cinkove rude prema reakciji 2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2 je izgaranje ovog specifičnog "goriva", koje se odvija, kao i sve reakcije izgaranja, uz oslobađanje velike količine topline.) Rasprostranjene, posebno u inozemstvu, peći s fluidiziranim slojem su pronađene za neutralizaciju vatre (tj. tekućina i plinovita) - mulj za bistrenje otpadnih voda, smeće itd.

Tema 12. Peći kemijska industrija. Shematski dijagram peć na gorivo. Klasifikacija peći u kemijskoj industriji. Glavne vrste peći, značajke njihovog dizajna. Toplinska bilanca pećnica

Peći za kemijsku industriju. Shematski dijagram peći za gorivo

Industrijska peć je energetsko-tehnološka jedinica namijenjena toplinskoj obradi materijala kako bi im se dala potrebna svojstva. Izvor topline u pećima za gorivo (izgaranje) su različite vrste ugljično gorivo (plin, loživo ulje, itd.). Suvremene instalacije peći često su velike mehanizirane i automatizirane jedinice visoke produktivnosti.

Za odabir tehnološkog načina procesa od najveće je važnosti optimalna temperatura. tehnološki proces, što je određeno termodinamičkim i kinetičkim proračunima procesa. Optimalni temperaturni režim procesa naziva se temperaturnim uvjetima pod kojima se osigurava maksimalna produktivnost ciljanog proizvoda u danoj peći.

Obično radna temperatura u peći je nešto niža od optimalne, ovisi o uvjetima izgaranja goriva, uvjetima izmjene topline, izolacijskim svojstvima i trajnosti obloge peći, termofizičkim svojstvima obrađenog materijala itd.
Objavljeno na ref.rf
čimbenici. Na primjer, za peći, radna temperatura je u rasponu između temperature procesa aktivne oksidacije i temperature sinteriranja pečenih proizvoda. Pod toplinskim režimom peći podrazumijeva se skup procesa inercije topline, prijenosa topline i mehanike medija koji osiguravaju distribuciju topline u zoni tehnološkog procesa. Toplinski režim procesne zone određuje toplinski režim cijele peći.

Na način rada peći uvelike utječe sastav plinske atmosfere u peći koja je neophodna za pravilan tijek tehnološkog procesa. Za oksidacijske procese, plinsko okruženje u peći mora sadržavati kisik, čija se količina kreće od 3 do 15% ili više. Redukcijski okoliš karakterizira nizak sadržaj kisika (do 1-2%) i prisutnost redukcijskih plinova (CO, H2, itd.) 10-20% ili više. Sastav plinske faze određuje uvjete za izgaranje goriva u peći i ovisi o količini zraka koji se dovodi za izgaranje.

Kretanje plinova u peći značajno utječe na tehnološki proces, izgaranje i prijenos topline, a u pećima, pećima s "vrelim slojem" ili vrtložnim pećima, kretanje plinova je glavni čimbenik održivog rada. Prisilno kretanje plinova provode se dimovodima i ventilatorima.

Na brzinu tehnološkog procesa utječe kretanje materijala koji je podvrgnut toplinskoj obradi.

Dijagram postrojenja za peć uključuje sljedeće stavke: uređaj za izgaranje za izgaranje goriva i organiziranje izmjene topline; radni prostor peći za ispunjavanje ciljanog tehnološkog režima; izmjenjivači topline za povrat topline dimnih plinova (grijanje plina, zraka); postrojenja za korištenje (kotlovi na pečenu otpadnu toplinu) za iskorištavanje topline dimnih plinova; uređaj za vuču i puhanje (dimne cijevi, ventilatori) za uklanjanje izgaranja goriva i plinovitih produkata toplinske obrade materijala i dovod zraka u plamenike, mlaznice ispod rešetke; uređaji za čišćenje (filteri i sl.).

Značajke izgaranja krutih goriva - koncept i vrste. Klasifikacija i značajke kategorije "Značajke izgaranja krutih goriva" 2017., 2018.

Izgaranje čvrstog goriva koje leži nepomično na rešetki s gornjim punjenjem goriva prikazano je na Sl. 6.2.

Svježe gorivo je u gornjem dijelu sloja nakon punjenja. Gorući koks nalazi se ispod njega, a troska neposredno iznad rešetke. Ove se zone sloja djelomično preklapaju jedna s drugom. Kako gorivo izgara, ono postupno prolazi kroz sve zone. U prvom razdoblju nakon što svježe gorivo stigne u gorući koks, odvija se njegova termička priprema (zagrijavanje, isparavanje vlage, oslobađanje hlapivih tvari), za što se troši dio topline oslobođene u sloju. Na sl. 6.2 prikazuje približno izgaranje krutog goriva i raspodjelu temperature po visini sloja goriva. Područje najviše temperature nalazi se u zoni izgaranja koksa, gdje se oslobađa glavna količina topline.

Troska nastala tijekom izgaranja goriva teče u kapljicama iz usijanih komada koksa prema zraku. Postupno se troska hladi i već u čvrstom stanju dolazi do rešetke, odakle se uklanja. Troska koja leži na rešetki štiti je od pregrijavanja, zagrijava i ravnomjerno raspoređuje zrak po sloju. Zrak koji prolazi kroz rešetku i ulazi u sloj goriva naziva se primarni zrak. Ako nema dovoljno primarnog zraka za potpuno izgaranje goriva, a iznad sloja postoje produkti nepotpunog izgaranja, tada se zrak dodatno dovodi u nadslojni prostor. Taj se zrak naziva sekundarni zrak.

S gornjim dovodom goriva na rešetku, vrši se donje paljenje goriva i protupokret tokova plin-zrak i goriva. Time se osigurava učinkovito paljenje goriva i povoljni hidrodinamički uvjeti za njegovo izgaranje. Primarne kemijske reakcije između goriva i oksidacijskog sredstva odvijaju se u zoni vrućeg koksa. Priroda stvaranja plina u sloju gorućeg goriva prikazana je na Sl. 6.3.

Na početku sloja, u zoni kisika (K), u kojoj dolazi do intenzivne potrošnje kisika, istovremeno nastaju ugljični monoksid i ugljični dioksid CO 2 i CO. Pri kraju zone kisika koncentracija O 2 opada na 1–2 %, a koncentracija SO 2 doseže svoj maksimum. Temperatura sloja u zoni kisika naglo raste, imajući maksimum gdje se uspostavlja najveća koncentracija CO 2.

U redukcijskoj zoni (B) kisik praktički nema. Ugljični dioksid reagira s vrućim ugljikom i nastaje ugljični monoksid:

Po visini redukcijske zone sadržaj CO 2 u plinu opada, dok se sadržaj CO u skladu s tim povećava. Reakcija interakcije ugljičnog dioksida s ugljikom je endotermna, pa temperatura pada po visini redukcijske zone. U prisutnosti vodene pare u plinovima u redukcijskoj zoni moguća je i endotermna reakcija razgradnje N 2 O.

Omjer količina CO i CO 2 dobivenih u početnom dijelu zone kisika ovisi o temperaturi i varira prema izrazu

gdje je E s i E SO2 - energije aktivacije stvaranja SO i SO 2, respektivno; A je brojčani koeficijent; R je univerzalna plinska konstanta; T je apsolutna temperatura.
Temperatura sloja pak ovisi o koncentraciji oksidacijskog sredstva, kao io stupnju zagrijavanja zraka.U redukcijskoj zoni, izgaranje krutog goriva i temperaturni faktor također imaju odlučujući utjecaj na omjer između CO i CO2. S povećanjem temperature reakcije, CO 2 + C = P 2, CO se pomiče udesno i povećava se sadržaj ugljičnog monoksida u plinovima.
Debljine kisikovih i redukcijskih zona ovise uglavnom o vrsti i veličini komada gorućeg goriva i temperaturni režim... S povećanjem veličine goriva povećava se debljina zona. Utvrđeno je da je debljina zone kisika približno tri do četiri promjera gorućih čestica. Zona oporavka je 4-6 puta deblja od zone kisika.

Povećanje intenziteta eksplozije praktički nema utjecaja na debljinu zona. To je zbog činjenice da je brzina kemijske reakcije u sloju mnogo veća od brzine stvaranja smjese i sav dovedeni kisik trenutačno reagira s prvim redovima čestica užarenog goriva. Prisutnost kisika i redukcijskih zona u sloju tipična je za izgaranje i ugljika i prirodnih goriva (slika 6.3). S povećanjem reaktivnosti goriva, kao i smanjenjem njegovog sadržaja pepela, debljina zona se smanjuje.

Priroda stvaranja plina u sloju goriva pokazuje da se, ovisno o organizaciji izgaranja, na izlazu iz sloja mogu dobiti ili praktički inertni ili zapaljivi i inertni plinovi. Ako je cilj maksimizirati pretvorbu topline goriva u fizičku toplinu plinova, tada se proces treba provesti u tankom sloju goriva s viškom oksidansa. Ako je zadatak dobiti zapaljive plinove (rasplinjavanje), tada se proces provodi sa slojem razvijenim u visini s nedostatkom oksidatora.

Izgaranje goriva u kotlovskoj peći odgovara prvom slučaju. A izgaranje krutog goriva organizirano je u tankom sloju, što osigurava maksimalan tijek oksidativnih reakcija. Budući da debljina zone kisika ovisi o veličini goriva, što je veća veličina komada, to bi sloj trebao biti deblji. Dakle, pri izgaranju u sloju sitno smeđe i ugljen(veličina zrna do 20 mm) debljina sloja se održava na oko 50 mm. S istim ugljenom, ali u komadima većim od 30 mm, debljina sloja se povećava na 200 mm. Potrebna debljina sloja goriva također ovisi o njegovom sadržaju vlage. Što je veći sadržaj vlage u gorivu, to mora biti veća rezerva mase gorenja u sloju kako bi se osiguralo stabilno paljenje i izgaranje svježeg dijela goriva.