Zgorevanje trdega goriva. Zgorevanje trdega goriva: značilnosti in značilnosti glavnih vrst

Proces zgorevanja trdega goriva lahko predstavimo kot niz zaporednih stopenj. Najprej se gorivo segreje in vlaga izhlapi. Nato se pri temperaturah nad 100 °C začne pirogena razgradnja kompleksnih visokomolekularnih organskih spojin in sproščanje hlapnih snovi, medtem ko je temperatura, pri kateri začnejo nastajati hlapne snovi, odvisna od vrste goriva in stopnje njegove karbonifikacije (kemijska starost). ). Če temperatura okolice preseže temperaturo vžiga hlapnih snovi, se le-te vžgejo in s tem zagotovijo dodatno segrevanje delcev koksa pred vžigom. Večji kot je donos hlapnih snovi, nižja je njihova temperatura vžiga, medtem ko se sproščanje toplote poveča.

Koksni delci se segrejejo zaradi toplote okoliških dimnih plinov in sproščanja toplote zaradi zgorevanja hlapnih snovi in ​​se vžge pri temperaturi 800÷1000 °C. Pri zgorevanju trdnih goriv v prahu se lahko obe fazi (zgorevanje hlapnih snovi in ​​koksa) prekrivata, saj pride do segrevanja najmanjšega premogovega delca zelo hitro. V realnih razmerah imamo opravka s polidisperzno sestavo premogovega prahu, zato se v vsakem trenutku nekateri delci šele začnejo segrevati, drugi so v fazi hlapnega sproščanja, tretji pa v fazi zgorevanja. ostanek koksa.

Proces zgorevanja delcev koksa ima odločilno vlogo pri ocenjevanju tako skupnega časa gorenja goriva kot celotnega sproščanja toplote. Tudi pri gorivu z visokim izkoristkom (na primer rjavi premog v bližini Moskve) je koksni ostanek 55 masnih odstotkov, njegovo toplotno sproščanje pa 66 odstotkov celotne količine. In za gorivo z zelo nizkim izkoristkom hlapnosti (na primer DS) je lahko ostanek koksa več kot 96 % teže suhega začetnega delca, sproščanje toplote med njegovim zgorevanjem pa je približno 95 % teže. skupno.

Študije zgorevanja ostankov koksa so razkrile kompleksnost tega procesa.

Ko ogljik zgori, sta možni dve primarni neposredne heterogene oksidacijske reakcije:

C + O 2 \u003d CO 2 + 34 MJ / kg; (štirinajst)

2C + O 2 \u003d 2CO + 10,2 MJ / kg. (petnajst)

Kot rezultat tvorbe CO 2 in CO, dva sekundarno reakcije:

oksidacija ogljikovega monoksida 2CO + O 2 \u003d 2CO 2 + 12,7 MJ / kg; (šestnajst)

zmanjšanje ogljikovega dioksida CO 2 + C \u003d 2CO - 7,25 MJ / kg. (17)

Poleg tega v prisotnosti vodne pare na segreti površini delca, t.j. v visokotemperaturnem območju pride do uplinjanja s sproščanjem vodika:

C + H 2 O \u003d CO + H 2. (osemnajst)

Heterogene reakcije (14, 15, 17 in 18) pričajo o neposrednem izgorevanju ogljika, ki ga spremlja zmanjšanje mase ogljikovega delca. Homogena reakcija (16) poteka v bližini površine delca zaradi razprševanja kisika iz okoliškega volumna in kompenzira znižanje temperaturnega nivoja procesa, ki nastane kot posledica endotermne reakcije (17).

Razmerje med CO in CO 2 na površini delca je odvisno od temperature plinov v tem območju. Tako, na primer, glede na eksperimentalne študije, pri temperaturi 1200 ° C reakcija poteka

4C + 3O 2 \u003d 2CO + 2CO 2 (E = 84 ÷ 125 kJ / g-mol),

in pri temperaturah nad 1500°C

3C + 2O 2 \u003d 2CO + CO 2 (E = 290 ÷ 375 kJ / g-mol).

Očitno se v prvem primeru CO in CO 2 sproščata v približno enakih količinah, medtem ko je s povišanjem temperature prostornina sproščenega CO 2-krat večja od CO 2 .

Kot smo že omenili, je hitrost gorenja odvisna predvsem od dveh dejavnikov:

1) hitrost kemijska reakcija , ki ga določa Arrheniusov zakon in hitro raste z naraščanjem temperature;

2) stopnja dobave oksidantov(kisika) v območje zgorevanja zaradi difuzije (molekularne ali turbulentne).

V začetnem obdobju procesa zgorevanja, ko temperatura še ni dovolj visoka, je tudi hitrost kemične reakcije nizka, oksidanta pa je več kot dovolj v volumnu, ki obdaja delce goriva in na njegovi površini, t.j. obstaja lokalni presežek zraka. Nobeno izboljšanje aerodinamike peči ali gorilnika, ki vodi v intenziviranje dobave kisika gorečemu delcu, ne bo vplivalo na proces zgorevanja, ki ga upočasni le nizka hitrost kemične reakcije, t.j. kinetika. To je - kinetično območje zgorevanja.

Ko se proces zgorevanja nadaljuje, se sprošča toplota, temperatura se poveča in posledično hitrost kemične reakcije, kar vodi do hitrega povečanja porabe kisika. Njegova koncentracija na površini delca se postopoma zmanjšuje, v prihodnosti pa bo hitrost izgorevanja določena le s hitrostjo difuzije kisika v območje zgorevanja, ki je skoraj neodvisna od temperature. To je - območje difuzijskega zgorevanja.

AT prehodno območje zgorevanja hitrosti kemične reakcije in difuzije sta količine istega reda.

Po zakonu molekularne difuzije (Fickov zakon) je hitrost difuzijskega prenosa kisika iz volumna na površino delcev

kje je koeficient difuzijskega prenosa mase;

in so parcialni tlaki kisika v volumnu in blizu površine.

Poraba kisika na površini delcev je določena s hitrostjo kemične reakcije:

, (20)

kje k je konstanta hitrosti reakcije.

V prehodnem območju v stabilnem stanju

,

kje
(21)

Če zamenjamo (21) v (20), dobimo izraz za hitrost zgorevanja v prehodnem območju glede na porabo oksidanta (kisika):

(22)

kje
je efektivna konstanta hitrosti reakcije zgorevanja.

V območju relativno nizkih temperatur (kinetična regija)
, torej, k ef = k in izraz (22) ima obliko:

,

tiste. koncentracije kisika (parcialni tlaki) v prostornini in na površini delca se med seboj malo razlikujejo, hitrost gorenja pa je skoraj v celoti določena s kemično reakcijo.

Z zvišanjem temperature konstanta hitrosti kemične reakcije raste po eksponentnem Arrheniusovem zakonu (glej sliko 22), medtem ko je molekularni (difuzijski) prenos mase šibko odvisen od temperature, tj.

.

Pri določeni temperaturni vrednosti T* stopnja porabe kisika začne presegati intenzivnost njegovega dovajanja iz okoliške prostornine, koeficienti α D in k postanejo primerljive vrednosti istega reda, se koncentracija kisika na površini začne opazno zmanjševati, krivulja hitrosti gorenja pa odstopa od teoretične kinetične krivulje zgorevanja (Arrheniusov zakon), vendar še vedno opazno narašča. Na krivulji se pojavi pregib - proces preide v vmesno (prehodno) območje zgorevanja. Relativno intenzivno oskrbo z oksidantom je mogoče razložiti z dejstvom, da se zaradi zmanjšanja koncentracije kisika blizu površine delca poveča razlika v parcialnih tlakih kisika v prostornini in blizu površine.

V procesu intenziviranja izgorevanja se koncentracija kisika na površini praktično izenači z nič, dovod kisika na površino je šibko odvisen od temperature in postane skoraj konstanten, tj. α D << k, in v skladu s tem proces preide v območje difuzije

.

V difuzijskem območju se povečanje hitrosti gorenja doseže z intenziviranjem procesa mešanja goriva z zrakom (izboljšanje gorilnih naprav) ali s povečanjem hitrosti pihanja delcev z zračnim tokom (izboljšanje aerodinamike peči) , zaradi česar se zmanjša debelina mejne plasti v bližini površine in okrepi se oskrba delca s kisikom.

Kot smo že omenili, se trdo gorivo zgoreva bodisi v obliki velikih (brez posebne priprave) kosov (stratificirano zgorevanje) bodisi v obliki zdrobljenega (utekočinjena plast in nizkotemperaturni vrtinec) ali v obliki najmanjšega prahu ( metoda flare).

Očitno največji relativno hitrost pihanje delcev goriva bo v stratificiranem zgorevanju. Pri vrtinčnem in bakelnem zgorevanju so delci goriva v toku dimnih plinov, relativna hitrost njihovega vpihovanja pa je precej nižja kot v stacionarni plasti. Izhajajoč iz tega se zdi, da bi se moral prehod iz kinetičnega v difuzijsko območje najprej zgoditi za majhne delce, t.j. za prah. Poleg tega so številne študije pokazale, da delček premogovega prahu, suspendiran v toku mešanice plina in zraka, piha tako šibko, da sproščeni produkti zgorevanja tvorijo okrog njega oblak, ki močno zavira dovajanje kisika do njega. Intenziviranje heterogenega izgorevanja prahu pri metodi sežiganja je bilo verjetno posledica izjemno pomembnega povečanja celotne reakcijske površine. Vendar očitno ni vedno res. .

Oskrbo s kisikom na površini določajo zakoni difuzije. Študije o prenosu toplote majhnega sferičnega delca v laminarnem toku so pokazale splošno odvisnost kriterijev:

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

Za majhne delce koksa (pri Re< 1, что соответствует скорости витания мелких частиц), Nu → 2, т.е.

.

Obstaja analogija med procesi prenosa toplote in mase, saj sta oba odvisna od gibanja molekul. Zato imajo zakoni prenosa toplote (Fourierjev in Newton-Richmannov zakon) in prenosa mase (Fickov zakon) podoben matematični izraz. Formalna analogija teh zakonov nam omogoča, da v zvezi z difuzijskimi procesi zapišemo:

,

kje
, (23)

kjer je D koeficient molekularne difuzije (podobno kot koeficient toplotne prevodnosti λ v toplotnih procesih).

Kot izhaja iz formule (23), je koeficient difuzijskega prenosa mase α D obratno sorazmeren s polmerom delca. Posledično se z zmanjšanjem velikosti delcev goriva intenzivira proces difuzije kisika na površino delca. Tako se pri zgorevanju premogovega prahu prehod v difuzijsko zgorevanje premakne proti višjim temperaturam (kljub prej opaženemu zmanjšanju hitrosti pihanja delcev).

Glede na številne eksperimentalne študije, ki so jih izvedli sovjetski znanstveniki sredi dvajsetega stoletja. (G.F.Knorre, L.N. Khitrin, A.S.Predvoditelev, V.V.Pomerantsev in drugi), v območju normalnih temperatur peči (približno 1500÷1600 °C) se izgorevanje koksnih delcev premakne iz vmesnega območja v difuzijsko območje, kjer se v oskrba s kisikom je zelo pomembna. V tem primeru se bo s povečanjem difuzije kisika na površino začelo upočasnjevanje hitrosti gorenja pri višji temperaturi.

Čas zgorevanja sferičnega ogljikovega delca v difuzijskem območju ima kvadratno odvisnost od začetne velikosti delcev:

,

kje r o je začetna velikost delcev; ρ h je gostota ogljikovih delcev; D o , P o , T o so začetne vrednosti difuzijskega koeficienta, tlaka in temperature;
je začetna koncentracija kisika v prostornini peči na precejšnji razdalji od delca; β - stehiometrični koeficient, ki določa skladnost utežne porabe kisika na enoto teže zgorelega ogljika pri stehiometričnih razmerjih; T m– logaritemska temperatura:

kje T P in T G so temperature površine delcev in okoliških dimnih plinov.

Tema 15. TRDA IN TEKOČA GORIVA IN NJIHOVO ZGORENJE

15.1 Izračun zgorevanja trdnih in tekočih goriv

Za izračun procesov zgorevanja trdnih in tekočih goriv se izdela materialna bilanca procesa zgorevanja.

Materialna bilanca procesa zgorevanja izraža kvantitativno razmerje med začetnimi snovmi (gorivo, zrak) in končnimi produkti (dimni plini, pepel, žlindra), toplotna bilanca pa je enakost med dotokom in odtokom toplote. Za trdna in tekoča goriva sta materialna in toplotna bilanca na 1 kg goriva, za plinasto fazo - na 1 m 3 suhega plina v normalnih pogojih (0,1013 MPa, O ° C). Količina zraka in plinastih produktov je izražena tudi v standardnih kubičnih metrih.

Pri gorenju trdnih in tekočih goriv lahko gorljive snovi oksidirajo v okside različnih stopenj oksidacije. Stehiometrične enačbe za reakcije zgorevanja ogljika, vodika in žvepla lahko zapišemo takole:

Pri izračunu prostornine zraka in produktov zgorevanja pogojno predpostavljamo, da so vse gorljive snovi popolnoma oksidirane s tvorbo le oksidov z najvišjo stopnjo oksidacije (reakcije a, c, d).

Iz enačbe (a) sledi, da se za popolno oksidacijo 1 kmol ogljika (12 kg) porabi 1 kmol, to je 22,4 m 3 kisika in nastane 1 kmol (22,4 m 3) ogljikovega monoksida. V skladu s tem bo za 1 kg ogljika potrebnih 22,4 / 12 \u003d 1,866 m 3 kisika in nastane 1,866 m 3 CO 2. 1 kg goriva vsebuje С p /100 kg ogljika. Za njegovo zgorevanje je potrebno 1,866 C p /100 m 3 kisika, pri zgorevanju pa nastane 1,866 C p /100 m 3 CO 2 .

Podobno bo iz enačb (c) in (d) za oksidacijo gorljivega žvepla (μ s \u003d 32), ki ga vsebuje 1 kg goriva, potrebno (22,4 / 32) S p l / 100 m 3 kisika in enak volumen Nastane SO 2 . In oksidacija vodika (), ki ga vsebuje 1 kg goriva, bo zahtevala 0,5 (22,4 / 2,02) N p / 100 m 3 kisika in (22,4 / 2,02) N p / 100 m 3 vodne pare.

Če seštejemo dobljene izraze in upoštevamo kisik, ki je prisoten v gorivu (
), po preprostih transformacijah dobimo formulo za določanje količine kisika, ki je teoretično potrebna za popolno zgorevanje 1 kg trdnega ali tekočega goriva, m 3 / kg:

V procesu popolnega zgorevanja s teoretično potrebno količino zraka nastanejo plinasti produkti, ki so sestavljeni iz CO 2, SO 2, N 2 in H 2 O - ogljikovi in ​​žveplovi oksidi so suhi triatomski plini. Običajno so združeni in označeni z RO 2 \u003d CO 2 + SO 2.

Pri zgorevanju trdnih in tekočih goriv se teoretične količine produktov zgorevanja, m 3 /kg, izračunajo po enačbah (15.1), ob upoštevanju vsebnosti ustreznih komponent v gorivu in zraku.

Prostornina triatomskih plinov v skladu z enačbami (15.1, a in b)

Teoretični volumen vodne pare , m 3 /kg, je sestavljen iz volumna, pridobljenega z zgorevanjem vodika, enak (22,4 / 2,02) (H p /100), prostornine, pridobljene z izhlapevanjem vlage goriva, enak in prostornina, vnesena z zrakom:
,
- specifična prostornina vodne pare, m 3 /kg; ρ v \u003d 1,293 kg / m 3 - gostota zraka, d in \u003d 0,01 - vsebnost vlage v zraku kg / kg. Po transformacijah dobimo:

Dejanski volumen zraka V je lahko večji ali manjši od teoretično potrebnega, izračunanega v skladu z enačbami zgorevanja. Razmerje med dejanskim volumnom zraka V in teoretično zahtevanim V 0 se imenuje koeficient pretoka zraka α = V/V 0 . Za α > 1 se običajno imenuje koeficient pretoka zraka razmerje odvečnega zraka.

Za vsako vrsto goriva je optimalna vrednost koeficienta odvečnega zraka v peči odvisna od njegovih tehničnih značilnosti, načina zgorevanja, zasnove peči, načina tvorbe gorljive mešanice itd.

Dejanski volumen produktov zgorevanja bo večji od teoretičnega zaradi dušika, kisika in vodne pare, ki jih vsebuje presežek zraka. Ker zrak ne vsebuje triatomskih plinov, njihova prostornina ni odvisna od koeficienta presežka zraka in ostane konstantna, enaka teoretičnemu, t.j.
.

Prostornina dvoatomskih plinov in vodne pare (m 3 / kg ali m 3 / m 3) se določi s formulami:

Pri gorenju trdnih goriv se koncentracija pepela v dimnih plinih (g / m 3) določi po formuli

kje - delež pepela goriva, ki ga odnesejo plini (njegova vrednost je odvisna od vrste trdo gorivo in način njegovega zgorevanja in je vzet iz tehničnih značilnosti peči).

Volumenski delež suhih triatomskih plinov in vodne pare, enak njunemu parcialnemu tlaku pri skupnem tlaku 0,1 MPa, se izračuna po formulah

Vse formule za izračun prostornine so uporabne, ko pride do popolnega zgorevanja goriva. Iste formule z zadostno natančnostjo za izračun veljajo tudi za nepopolno zgorevanje goriva, če so standardne vrednosti podane v Tehnične specifikacije peči.

15.2 Tri stopnje zgorevanja trdega goriva

Zgorevanje trdnega goriva ima več stopenj: segrevanje, sušenje goriva, sublimacija hlapnih snovi in ​​tvorba koksa, zgorevanje hlapnih snovi in ​​koksa. Od vseh teh stopenj je odločilna stopnja zgorevanja koksnega ostanka, to je faza zgorevanja ogljika, katere intenzivnost določa intenzivnost zgorevanja goriva in uplinjanja kot celote. Odločilna vloga zgorevanja ogljika je razložena takole.

Prvič, trdni ogljik, ki ga vsebuje gorivo, je glavna gorljiva sestavina skoraj vseh naravnih trdnih goriv. Tako je na primer toplota zgorevanja ostankov antracitnega koksa 95% toplote zgorevanja gorljive mase. S povečanjem izkoristka hlapnih snovi pade delež toplote zgorevanja koksnega ostanka in pri šoti znaša 40,5 % toplote zgorevanja gorljive mase.

Drugič, stopnja zgorevanja koksnega ostanka je najdaljša od vseh stopenj in lahko traja do 90 % celotnega časa, potrebnega za zgorevanje.

In tretjič, proces zgorevanja koksa je odločilnega pomena pri ustvarjanju toplotnih pogojev za pretok drugih stopenj. zato osnova pravilna konstrukcija tehnološkega načina zgorevanja trdnih goriv je ustvarjanje optimalnih pogojev za proces zgorevanja ogljika.

V nekaterih primerih so lahko sekundarne pripravljalne faze odločilne za proces zgorevanja. Tako je na primer pri kurjenju zelo vlažnega goriva lahko odločilna faza sušenja. V tem primeru je smiselno izboljšati predhodno pripravo goriva za zgorevanje, na primer z uporabo tehnološke metode zgorevanja s sušenjem goriva s plini, odvzetimi iz peči.

Zmogljivi generatorji pare porabijo velike količine goriva in zraka. Na primer, za parni generator 300 MW je poraba goriva - antracitno blato 32 kg / s, zrak pa 246 m 3 / s, v parnem generatorju 800 MW pa 128 kg berezovskega premoga in 555 m 3 zraka. porabi vsako sekundo. V nekaterih primerih parni generatorji s prahom iz premoga uporabljajo tekoče ali plinasto gorivo kot rezervo.

Proces zgorevanja prašnih goriv poteka v volumnu zgorevalne komore v tokovih velikih množic goriva in zraka, kamor se mešajo produkti zgorevanja.

Osnova zgorevanja prašnih goriv je kemična reakcija gorljivih sestavin goriva z atmosferskim kisikom. Vendar pa kemične reakcije zgorevanja v zgorevalni komori potekajo v močnih prašnih plinsko-zračnih tokovih v izjemno kratkem času (1-2 s), da gorivo in oksidant ostaneta v zgorevalni komori. Te reakcije potekajo v pogojih močnega medsebojnega vpliva ob sočasnih fizikalnih procesih. Ti procesi so:

Proces gibanja gorljive mešanice plina in trdnih dispergiranih snovi, ki se dovajajo v zgorevalno komoro v sistemu curkov, prehajajo v tok in se širijo v omejenem prostoru zgorevalne komore z razvojem vrtinčnih tokov, ki skupaj sestavljajo zapletena struktura aerodinamike peči;

Turbulentna in molekularna difuzija ter konvektivni prenos začetnih snovi in ​​reakcijskih produktov v plinskem toku ter prenos plinskih reagentov na razpršene delce;

Izmenjava toplote v plinskih tokovih produktov zgorevanja in začetne mešanice ter med plinskimi tokovi in ​​delci goriva, ki jih vsebujejo, ter prenos toplote, ki se sprosti med kemično pretvorbo v reakcijskem mediju;

Sevalna toplotna izmenjava delcev s plinastim medijem in mešanico prah-plin-zrak z zaslonskimi površinami v zgorevalni komori;

Ogrevanje delcev, sublimacija hlapnih snovi, njihov prenos in zgorevanje v prostornini plina itd.

Tako je zgorevanje premogovega prahu zapleten fizikalno-kemijski proces, sestavljen iz kemičnih reakcij in fizikalnih procesov, ki se pojavljajo v pogojih medsebojne povezanosti in medsebojnega vpliva.

15.3 Slojne, bakelne in ciklonske metode zgorevanja trdega goriva

Naprave peči kotlov so lahko plastne - za kurjenje grudastega goriva in komore - za kurjenje plinastih, tekočih in trdnih prašnih goriv.

Nekatere možnosti za organizacijo procesov v peči so prikazane na sliki 15.1.

Plastne peči imajo gosto in fluidizirano plast, komorne peči so razdeljene na bakrene in ciklonske.

riž. 15.1. Sheme organizacije procesov peči

Pri gorenju v gosti plasti zrak za zgorevanje prehaja skozi plast, ne da bi pri tem kršil njegovo stabilnost, t.j. sila teže delcev goriva je večja od dinamičnega tlaka zraka.

Pri zgorevanju v fluidizirani plasti se zaradi povečane hitrosti zraka moti stabilnost delcev v sloju, ti preidejo v stanje »vrelišča«, t.j. preide v suspendirano stanje. V tem primeru pride do intenzivnega mešanja goriva in oksidanta, kar prispeva k intenziviranju procesa zgorevanja.

Pri sežiganju gorivo gori v prostornini zgorevalne komore, za kar morajo imeti delci trdnega goriva velikost do 100 mikronov.

Med zgorevanjem v ciklonu se delci goriva pod vplivom centrifugalnih sil vržejo na stene zgorevalne komore in, ko so v vrtinčastem toku v visokotemperaturnem območju, popolnoma izgorejo. Dovoljene so večje velikosti delcev kot pri žganju. Mineralna komponenta goriva v obliki tekoče žlindre se nenehno odstranjuje iz ciklonske peči.

15.4 Značilnosti zgorevanja tekočega goriva

Vsako tekoče gorivo, kot tudi katera koli tekoča snov, ima pri določeni temperaturi določen parni tlak nad svojo površino, ki se z naraščajočo temperaturo povečuje.

Ko se tekoče gorivo s prosto površino vžge, se njegova para, ki je v prostoru nad površino, vžge in tvori gorečo baklo. Zaradi toplote, ki jo oddaja gorilnik, se izhlapevanje močno poveča. V stacionarnem načinu izmenjave toplote med gorilnikom in tekočim ogledalom količina izhlapevanja in posledično gorenja goriva doseže največjo vrednost in nato ostane v času konstantna.

Poskusi kažejo, da pri zgorevanju tekočih goriv s prosto površino zgorevanje poteka v parni fazi; gorilnik je nameščen na določeni razdalji od površine tekočine in jasno je viden temen trak, ki ločuje gorilnik od roba lončka s tekočim gorivom. Intenzivnost sevanja območja zgorevanja na zrcalu izhlapevanja ni odvisna od njegove oblike in velikosti, temveč je odvisna le od fizikalno-kemijskih lastnosti goriva in je značilna konstanta za vsako tekoče gorivo.

Temperatura tekočega goriva, pri kateri hlapi nad njegovo površino tvorijo mešanico z zrakom, ki se lahko vžge, ko se dvigne vir vžiga, se imenuje plamenišče.

Ker tekoči gorljivi materiali gorijo v parni fazi, je v ustaljenem stanju hitrost gorenja določena s hitrostjo izhlapevanja tekočine iz njenega zrcala.

Proces zgorevanja tekočih gorljivih snovi s prosto površino poteka na naslednji način. V ustaljenem stanju zgorevanja zaradi toplote, ki jo oddaja gorilnik, tekoče gorivo izhlapi. Zrak iz okoliškega prostora s pomočjo difuzije prodre v naraščajoči tok goriva, ki je v parni fazi. Tako pridobljena zmes tvori gorečo baklo v obliki stožca, ki je od izparilnega ogledala oddaljena 0,5-1 mm. Stabilno zgorevanje poteka na površini, kjer mešanica doseže razmerje, ki ustreza stehiometričnemu razmerju goriva in zraka. Ta predpostavka izhaja iz istih premislekov kot v primeru zgorevanja difuzijskega plina. Kemična reakcija poteka v zelo tanki plasti fronte plamena, katere debelina ne presega nekaj frakcij milimetra. Prostornina, ki jo zaseda gorilnik, je območje zgorevanja razdeljeno na dva dela: znotraj gorilnika so hlapi gorljive tekočine in produkti zgorevanja, zunaj območja zgorevanja pa mešanica produktov zgorevanja z zrakom.

Zgorevanje hlapov tekočega goriva, ki se dvigajo znotraj plamena, lahko predstavimo kot sestavljeno iz dveh stopenj: difuzijskega dovajanja kisika v območje zgorevanja in same kemične reakcije, ki se pojavi na fronti plamena. Hitrosti teh dveh stopenj nista enaki; kemična reakcija pri vključenih visokih temperaturah je zelo hitra, medtem ko je difuzijska dobava kisika počasen proces, ki omejuje celotno hitrost zgorevanja. Zato v tem primeru zgorevanje poteka v območju difuzije, hitrost zgorevanja pa je določena s hitrostjo difuzije kisika v območje zgorevanja.

Ker so pogoji za dovajanje kisika v zgorevalno območje med zgorevanjem različnih tekočih gorljivih snovi s proste površine približno enaki, je pričakovati, da je njihova hitrost gorenja povezana s fronto plamena, torej s stransko površino plamena, mora biti tudi enako. Dolžina gorilnika bo večja, večja je hitrost izhlapevanja.

Posebnost zgorevanja tekočih gorljivih snovi s proste površine je veliko kemično podgorevanje. Vsako gorivo, ki je ogljikova spojina, ko gori s proste površine, ima svojo kemično vrednost premajhnega izgorevanja, ki je, %:

za alkohol......... 5.3

za kerozin........ 17.7

za bencin ........ 12.7

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

Sliko pojava kemičnega pregorevanja lahko predstavimo takole.

Hlapi ogljikovodiki, ko se premikajo v notranjosti stožčaste bakle na fronto plamena, medtem ko so v visokotemperaturnem območju brez kisika, se toplotno razgradijo do tvorbe prostega ogljika in vodika.

Sijaj plamena je posledica prisotnosti delcev prostega ogljika v njem. Slednji, ki zaradi toplote, ki se sprosti med zgorevanjem, postanejo žareči, oddajajo bolj ali manj svetlo svetlobo.

Del prostega ogljika nima časa zgoreti in ga produkti zgorevanja odnesejo v obliki saj, ki tvorijo dimno baklo.

Poleg tega prisotnost ogljika povzroči nastanek CO.

Visoka temperatura in nizek parcialni tlak CO in CO 2 v produktih zgorevanja spodbujata nastajanje CO.

Količine ogljika in CO v produktih zgorevanja določajo količino kemičnega premajhnega izgorevanja. Višja kot je vsebnost ogljika v tekočem gorivu in manj ko je nasičeno z vodikom, večja je tvorba čistega ogljika, močnejši je plamen, večja je kemična izgorelost.

Tako so študije zgorevanja tekočih gorljivih snovi s proste površine pokazale, da:

1) do zgorevanja tekočih goriv pride po njihovem izhlapevanju v parni fazi. Hitrost gorenja tekočih goriv s proste površine je določena s hitrostjo njihovega izhlapevanja zaradi toplote, ki jo oddaja območje zgorevanja, v ustaljenem stanju izmenjave toplote med plamenom in izhlapevalnim ogledalom;

2) hitrost gorenja tekočih gorljivih snovi s proste površine narašča s povečanjem temperature njihovega segrevanja, s prehodom na goriva z večjo intenzivnostjo sevanja zgorevalnega območja, nižjo toploto uparjanja in toplotno kapaciteto ter ni odvisna od velikost in oblika ogledala za izhlapevanje;

3) intenzivnost sevanja območja zgorevanja na zrcalu izhlapevanja, ki gori s proste površine tekočega goriva, je odvisna samo od njegovih fizikalno-kemijskih lastnosti in je značilna konstanta za vsako tekoče gorivo;

4) toplotna napetost sprednjega dela difuzijskega plamena nad površino izhlapevanja tekočega goriva je praktično neodvisna od premera lončka in vrste goriva;

5) za izgorevanje tekočih gorljivih snovi s proste površine je značilno povečano kemično podgorevanje, katerega velikost je značilna za vsako gorivo.

Ob upoštevanju, da zgorevanje tekočih goriv poteka v parni fazi, lahko proces gorenja kapljice tekočega goriva predstavimo na naslednji način.

Kapljico tekočega goriva obdaja atmosfera, nasičena s hlapi tega goriva. Območje zgorevanja se vzpostavi v bližini kapljice vzdolž sferične površine. Kemična reakcija mešanice hlapov tekočega goriva z oksidantom poteka zelo hitro, zato je območje zgorevanja zelo tanko. Hitrost gorenja je določena z najpočasnejšo stopnjo - hitrostjo izhlapevanja goriva.

V prostoru med kapljico in območjem zgorevanja so hlapi tekočega goriva in produkti zgorevanja. V prostoru zunaj območja zgorevanja - zrak in produkti zgorevanja.

Hlapi goriva difundirajo v območje zgorevanja od znotraj, kisik pa od zunaj. Tukaj te komponente mešanice vstopijo v kemično reakcijo, ki jo spremlja sproščanje toplote. Iz zgorevalnega območja se toplota prenaša navzven in na kapljico, produkti zgorevanja pa difundirajo v okoliški prostor in v prostor med zgorevalnim območjem in kapljico. Vendar mehanizem prenosa toplote še ni jasen.

Številni raziskovalci verjamejo, da do izhlapevanja goreče kapljice pride zaradi molekularnega prenosa toplote skozi stagnirajoči mejni film blizu površine kapljice.

Ko kapljica izgoreva, se zaradi zmanjšanja površine zmanjša celotno izhlapevanje, območje izgorevanja se zoži in izgine, ko kapljica popolnoma izgore.

Tako poteka proces zgorevanja kapljice tekočega goriva, ki popolnoma izhlapi, ki miruje okolje ali se premikajo z isto hitrostjo.

Količina kisika, ki difundira na sferično površino, ob drugih enakih pogojih, je sorazmerna s kvadratom njenega premera, zato vzpostavitev območja zgorevanja na neki razdalji od kapljice povzroči višjo hitrost gorenja v primerjavi z istim delcem trdno gorivo, pri zgorevanju katerega kemična reakcija poteka praktično na sami površini. .

Ker je hitrost izgorevanja kapljice tekočega goriva določena s hitrostjo izhlapevanja, je čas njenega izgorevanja mogoče izračunati na podlagi enačbe toplotne bilance za njeno izhlapevanje zaradi toplote, ki jo prejme iz območja zgorevanja.

Ker do zgorevanja tekočih goriv pride po njihovem izhlapevanju v parni fazi, je njegovo intenziviranje povezano z intenziviranjem izhlapevanja in tvorbe mešanice. To dosežemo s povečanjem površine izhlapevanja z razprševanjem tekočega goriva v drobne kapljice in dobrim mešanjem nastalih hlapov z zrakom z enakomerno porazdelitvijo finega goriva v njem. Ti dve nalogi se izvajata s pomočjo gorilnikov s šobami, ki razpršijo tekoče gorivo v zračnih tokovih, ki se dovajajo v komorno peč skozi zračna vodila gorilnika.

Zrak, potreben za zgorevanje, se dovaja na ustju šobe, zajame fino razpršeno tekoče gorivo in v zgorevalni komori tvori neizotermično poplavljen curek. Curek, ki se širi, se segreje zaradi vnosa produktov zgorevanja visoka temperatura. Najmanjše kapljice tekočega goriva, ki se segrejejo zaradi konvektivnega prenosa toplote v curku, izhlapijo. Do segrevanja atomiziranega goriva pride tudi zaradi absorpcije toplote, ki jo oddajajo dimni plini in vroča obloga.

V začetnem odseku, predvsem pa v mejnem sloju curka, intenzivno segrevanje perjanice povzroči hitro izhlapevanje kapljic. Hlapi goriva, ki se mešajo z zrakom, ustvarijo gorljivo mešanico plina in zraka, ki ob vžigu tvori baklo.

Tako lahko proces zgorevanja tekočega goriva razdelimo na naslednje faze: atomizacija tekočega goriva, izhlapevanje in tvorba mešanice plina in zraka, vžig gorljive mešanice in zgorevanje slednje.

Temperatura in koncentracija mešanice plina in zraka se spreminjata vzdolž preseka curka. Ko se približa zunanji meji curka, se temperatura dvigne in koncentracija sestavin gorljive mešanice se zmanjša. Hitrost širjenja plamena v mešanici hlapov in zraka je odvisna od sestave, koncentracije in temperature ter doseže največjo vrednost v zunanjih plasteh curka, kjer je temperatura blizu temperature okoliških dimnih plinov, kljub temu, da tukaj je gorljiva zmes močno razredčena s produkti izgorevanja. Zato se vžig v oljnem plamenu začne pri korenu z obrobja in se nato razširi globoko v curek po celotnem odseku in doseže svojo os na precejšnji razdalji od šobe, ki je enaka gibanju osrednjih curkov med širjenjem plamena od obrobje do osi. Območje vžiga ima obliko podolgovatega stožca, katerega osnova se nahaja na majhni razdalji od izstopnega dela odprtine gorilnika.

Položaj vžigalne cone je odvisen od hitrosti mešanice; cona zaseda položaj, v katerem je na vseh svojih točkah vzpostavljeno ravnotežje med hitrostjo širjenja plamena in hitrostjo gibanja. Osrednji curki, ki imajo največjo hitrost, propadajo, ko se premikajo v prostoru peči, pri čemer določajo dolžino vžigalnega območja glede na mesto, kjer hitrost pade na absolutna vrednost hitrost širjenja plamena.

Zgorevanje glavnega dela parnih ogljikovodikov se pojavi v območju vžiga, ki zavzema zunanjo plast plamena majhne debeline. Zgorevanje ogljikovodikov z visoko molekulsko maso, saj, prostega ogljika in neuparjenih kapljic tekočega goriva se nadaljuje izven območja vžiga in zahteva določen prostor, kar povzroči celotno dolžino plamena.

Območje vžiga deli prostor, ki ga zavzema gorilnik, na dve področji: notranje in zunanje. V notranja regija poteka proces izhlapevanja in nastajanja gorljive mešanice.

V notranjosti se pari ogljikovodiki segrejejo, kar spremlja njihova oksidacija in cepitev. Proces oksidacije se začne pri relativno nizkih temperaturah - približno 200-300°C. Pri temperaturah 350-400°C in več pride do procesa toplotnega cepljenja.

Proces oksidacije ogljikovodikov daje prednost nadaljnjemu procesu zgorevanja, saj se sprosti določena količina toplote in temperatura naraste, prisotnost kisika v sestavi ogljikovodikov pa prispeva k njihovi nadaljnji oksidaciji. Nasprotno, proces toplotnega cepljenja je nezaželen, saj je nastale ogljikovodike z visoko molekulsko maso težko zgoreti.

Od naftnih goriv v energetskem sektorju se uporablja samo kurilno olje. Kurilno olje je ostanek destilacije olja pri temperaturi okoli 300°C, vendar zaradi dejstva, da proces destilacije ni končan, kurilno olje pri temperaturah pod 300°C še vedno sprošča nekaj hlapov lažjih destilatov. Ko torej razpršen curek kurilnega olja vstopi v peč in se postopoma segreje, se del le-tega spremeni v paro, del pa je lahko tudi pri temperaturi okoli 400°C še vedno v tekočem stanju.

Zato je treba pri zgorevanju kurilnega olja na vse možne načine spodbujati nastanek oksidativnih reakcij in preprečiti toplotno razgradnjo pri visokih temperaturah. Da bi to naredili, je treba ves zrak, potreben za zgorevanje, dovajati v koren gorilnika. V tem primeru bo prisotnost velike količine kisika v notranjem predelu po eni strani spodbudila oksidativne procese, po drugi strani pa znižala temperaturo, kar bo povzročilo bolj simetrično cepitev molekul ogljikovodikov brez nastajanje znatne količine težko gorljivih visokomolekularnih ogljikovodikov.

Mešanica, ki nastane pri zgorevanju kurilnega olja, vsebuje pare in plinaste ogljikovodike, tekoče težje rezine, pa tudi trdne spojine, ki nastanejo pri cepljenju ogljikovodikov (tj. vse tri faze - plinasta, tekoča in trdna). Hlapi in plinasti ogljikovodiki, ki se mešajo z zrakom, tvorijo gorljivo zmes, katere zgorevanje lahko poteka v vseh možne načine goreči plini. Podobno gori tudi CO, ki nastane pri zgorevanju tekočih kapljic in koksa.

V plamenu se kapljice vžgejo s konvektivnim segrevanjem; okoli vsake kapljice se vzpostavi območje zgorevanja. Zgorevanje kapljice spremlja kemično pregorevanje v obliki saj in CO. Kapljice visokomolekularnih ogljikovodikov med zgorevanjem dajo trden ostanek - koks.

Trdne spojine, ki nastanejo pri žganju - saje in koks - izgorevajo na enak način, kot pride do heterogenega zgorevanja delcev trdnega goriva. Prisotnost segretih delcev saj povzroči, da gorilnik sveti.

Prosti ogljikovodiki in saje v okolju z visoko temperaturo z zadostno količino zraka lahko gorijo. V primeru lokalnega pomanjkanja zraka ali nezadostno visoke temperature izgorejo nepopolno z določeno kemično nepopolnostjo zgorevanja in obarvajo produkte zgorevanja v črno - zadimljeno baklo.

Območje naknadnega zgorevanja plinastih produktov nepopolnega zgorevanja in trdnih delcev, ki sledi coni zgorevanja, poveča skupno dolžino gorilnika.

Kemično pregorevanje, ki je značilno za zgorevanje tekočih goriv s proste površine pri gorenju v gorilniku, se lahko in mora z ustreznimi režimskimi ukrepi zmanjšati skoraj na nič.

Tako je za intenzivnejše izgorevanje kurilnega olja potrebna dobra atomizacija. Predgretje zraka in kurilnega olja prispeva k uplinjanju kurilnega olja, zato bo pripomoglo k vžigu in zgorevanju. Ves zrak, potreben za zgorevanje, je treba dovajati v koren gorilnika. Hkrati je treba pri racionalni zasnovi naprave za vodenje zraka gorilnika, pravilni namestitvi šobe in ustrezne konfiguracije vrzeli gorilnika zagotoviti dobro mešanje razpršenega goriva z zrakom, pa tudi mešanje. v gorečem plamenu, predvsem pa v njegovem končnem delu. Temperaturo v gorilniku je treba vzdrževati na dovolj visoki ravni, za zagotovitev intenzivnega zaključka procesa zgorevanja na koncu gorilnika pa ne sme biti nižja od 1000-1050°C.

Plamenu mora biti zagotovljen dovolj prostora za razvoj procesa zgorevanja, saj v primeru, da produkti zgorevanja pridejo v stik (pred zaključkom procesa zgorevanja) s hladnimi grelnimi površinami parogeneratorja, lahko temperatura pade. toliko, da nezgorele saje in prosti ogljikovi delci, ki jih vsebujejo plini, pa tudi ogljikovodiki z visoko molekulsko maso ne morejo goreti.

Proces zgorevanja oljne gorilke v vrtinčastem curku poteka podobno kot v obravnavanem primeru z direktnim curkom. Z vrtinčastim gibanjem se na osi curka ustvari območje redčenja, kar povzroči dotok vročih produktov zgorevanja v koren plamena. To zagotavlja stabilen vžig.

Uporaba centrifugalnega učinka v mehanskih in vrtečih se šobah vodi do prekinitve neprekinjenega toka. Tekočina v izstopnem kanalu šobe ima obliko votlega valja, napolnjenega s hlapi in plini. Iz šobe teče emulzija, ki tvori tekoči film v obliki ekspandirajočega hiperboloida. V smeri gibanja se presek hiperboloida poveča, tekoči film pa se tanjša, začne utripati in se na koncu razpade na hitro premikajoče se kapljice, ki se v toku še dodatno drobijo.

V parnih šobah se primarno drobljenje izvede zaradi kinetične energije pare, ki teče iz šobe šobe. Kapljice primarnega drobljenja pridobijo hitrost parnega curka, ki običajno ustreza kritični hitrosti.

15.5 Zgorevanje goriva in varstvo okolja

15.5.1 Črna metalurgija kot vir onesnaževanja okolja

Metalurški obrat, ki proizvede 1 milijon ton jekla na leto, izpusti v ozračje 350 ton prahu, 400 ton ogljikovega monoksida in 200 ton žveplovega dioksida na dan. Od skupaj emisije iz metalurških obratov predstavljajo 20 % emisij prahu, 43 % ogljikovega monoksida, 16 % žveplovega dioksida in 23 % dušikovih oksidov. Največje emisije so iz sintrane in termoelektrarne. Od skupnih emisij metalurške tovarne sintrana proizvede 34 % prahu, 82 % žveplovega dioksida, 23 % dušikovih oksidov. SPTE oddaja 36 % prahu. Tako sintrarna in SPTE skupaj oddajata približno 70 % vseh emisij rastlinskega prahu.

Razlikovati čiščenje plina od suspendiranih trdnih delcev (prah) in zajemanje škodljivih plinastih snovi s kemičnimi metodami čiščenja plina. Trenutno se čiščenje plinov, ki se izpuščajo v ozračje iz škodljivih plinastih snovi, skoraj nikoli ne uporablja (pa ne samo pri nas), z izjemo proizvodnje koksa, kjer je tako čiščenje zelo razširjeno zaradi potrebe po zajemanju številnih dragocenih snovi. snovi.

Obrati črne metalurgije izvajajo predvsem mehansko čiščenje plinov iz prahu. Po načelu delovanja so uporabljene metode čiščenja razdeljene na suhe in mokre. Mokri zbiralniki prahu omogočajo sočasno z zbiranjem prahu tudi delno čiščenje plinov iz žveplovega dioksida (SO 3 ). Vendar pa ti zbiralniki prahu povečajo porabo vode in zahtevajo uporabo naprav za njeno čiščenje.

15.5.2 Naprava za suho mehansko čiščenje plinov

Delimo jih na zbiralnike prahu in filtre. Po drugi strani so zbiralniki prahu razdeljeni na gravitacijske in inercialne. Gravitacijski zbiralniki prahu imajo prašne komore različnih izvedb. V teh zbiralnikih prahu pride do odlaganja prahu predvsem pod delovanjem gravitacije. Inercialne sile tukaj malo vplivajo na proces ekstrakcije prahu iz toka plina.

Slika 15.2 prikazuje diagram radialnega zbiralnika prahu. Prašni plin vstopa vanj skozi centralni plinovod, ki v bunkerju zmanjša njegovo hitrost in spremeni smer gibanja za 180 0 . Prah, ki ga vsebuje plin, se pod delovanjem gravitacije in vztrajnosti usede v bunker, plin pa se odstrani v prečiščeni obliki.

Gravitacijski zbiralniki prahu so učinkoviti pri odstranjevanju prašnih delcev večjih od 100 µm, t.j. dokaj veliki delci.

V inercialnih (centrifugalnih) zbiralnikih prahu (slika 15.3) na prašne delce vpliva vztrajnostna sila, ki nastane, ko se tok plina vrti ali vrti. Ker ta sila bistveno presega gravitacijsko silo, se iz toka plina odstranijo manjši delci kot pri gravitacijskem čiščenju.

Primer takega zbiralnika prahu je ciklon, ki iz toka plina odstrani prašne delce, večje od 20 µm. S prahom obremenjen plinski tok se dovaja v zgornji del telesa ciklona skozi odcepno cev, ki se nahaja tangencialno glede na telo. Tok pridobi rotacijsko gibanje, težki prašni delci se po vztrajnosti vržejo na stene ciklona in pod delovanjem gravitacije padejo v bunker, očiščen plin pa se odstrani iz ciklona.

Filtri (slika 15.4) so ​​naprave, ki zagotavljajo fino čiščenje plina. Glede na vrsto filtrirnega elementa jih delimo na filtre z vlaknastim filtrirnim elementom, s tkanino, zrnate, kovinsko-keramične, keramične. Tipičen primer so filtri s tkanim filtrirnim elementom: iz naravnih in sintetičnih tkanin ali kovinsko tkanih, ki lahko prenesejo temperature do 600 0 C.

Regeneracija tkaninskega filtra se izvaja s povratnim pihanjem s stisnjenim zrakom.

Prašni plin prehaja skozi tkanino rokavov in na njej pušča prašne delce in se pri čiščenju odstrani iz filtra. Prah se usede v koš, ko se nabira na tkanini. Ko se odpornost tkanine znatno poveča, se tkaninski rokav očisti prahu s pihanjem nazaj z zrakom.

15.5.3 Elektrostatični filtri

Elektrostatični filtri (slika 15.5) - naprave za fino čiščenje plina. Načelo delovanja teh filtrov temelji na interakciji sile nabitih delcev med seboj in s kovinskimi elektrodami. Veste, da se enako nabiti delci odbijajo, nasprotno nabiti delci pa se privlačijo. V elektrostatičnem filtru se prašni delci, ki padejo v električno polje, napolnijo, nato pa se pod delovanjem sil interakcije z zbiralnimi elektrodami pritegnejo k sebi, nanesejo nanje in izgubijo naboj. Kot primer si oglejmo delovanje cevastega elektrostatičnega filtra. Filter je sestavljen iz ohišja in osrednje elektrode, katere zasnova v diagramu ni razkrita. Ohišje filtra je ozemljeno. Osrednjo elektrodo sestavljajo plošče, od katerih so nekatere povezane s telesom, drugi del pa je izoliran od njega.

Izolirane in priključene na ohišje elektrode se izmenjujejo. Med njimi se ustvari potencialna razlika reda 25-100 kV. Velikost potencialne razlike je določena z geometrijo elektrod in večja je, večja je razdalja med njima. To je posledica dejstva, da elektrostatični filter deluje, če med elektrodama pride do koronskega razelektritve.

Plin, ki prehaja med elektrodama, je ioniziran. Prašni delci medsebojno delujejo z ioni, pridobijo negativen naboj in jih privlačijo zbiralne elektrode. Ko se usedejo na elektrode, prašni delci izgubijo naboj in delno padejo v bunker.

Filter občasno očistite s stresanjem ali pranjem. Med čiščenjem je filter izklopljen.

Pri delovanju na plavžni plin se filter spere vsakih 8 ur 15 minut. Najvišja temperatura prečiščenega plina ne sme presegati 300 0 C. Delovna temperatura prečiščenega plina je 250 0 C. Višina elektrod je do 12 m.

Elektrostatični filtrir čisti plin od prašnih delcev, manjših od 1 mikrona.

15.5.4 Mokro čiščenje plinov

V mokrih čistilnikih se prašni plin spere z vodo, kar omogoča ločevanje pomembnega dela prahu.

Pralni stroji različnih izvedb in turbulentni čistilniki so našli največjo uporabo v črni metalurgiji.

Čistilniki (slika 15.6) so enote, v katerih se prašni plin dviga proti vodi za namakanje. Za zaščito pred korozijo so notranje površine čistilnika obložene s keramičnimi ploščicami. Maksimalna temperatura plina v čistilniku je 300 0 C. Dimenzije pralnika so: premer - 6-8 m, višina - 20-30 m Poraba vode - 1,5-2 kg/m 3 plina. V čistilnikih se izvaja polfino odstranjevanje prahu.

riž. 15.6. Shema čistilnika

Visokohitrostni plinski čistilnik (slika 15.7) je učinkovita naprava za fino čiščenje, ki se uporablja tako samostojno kot za pripravo plina pred elektrostatičnim filtrom. Sestavljen je iz pršilne cevi in ​​ciklona za lovljenje kapljic. Zajame prašne delce do velikosti 0,1 mikrona. Produktivnost na plin je 40000 m 3 /h in več. Specifična poraba vode za namakanje je 0,15-0,5 kg/m 3 . Hitrost plina v vratu pršilne cevi je 40-150 m/s.

Načelo delovanja hitrega čistilnika temelji na zajemanju v ciklon majhnih prašnih delcev, ki jih obteži voda, ki jih omoči. Omočenje prašnih delcev se izvaja v razpršilni cevi.

Za zaključek je treba opozoriti, da se prah z delci, večjimi od 10-20 mikronov, dobro ujame v večini naprav za čiščenje plina. Za čiščenje prahu z delci, manjšimi od 1 mikrona, so primerne samo naprave za fino čiščenje: porozni filtri, elektrofilterji, hitri čistilniki.

stran 1

Tudi proces zgorevanja trdega goriva je sestavljen iz več zaporednih stopenj. Najprej pride do tvorbe mešanice in toplotne priprave goriva, vključno s sušenjem in sproščanjem hlapnih snovi. Nastali gorljivi plini in koksni ostanek se v prisotnosti oksidanta dodatno zgorevajo, da nastanejo dimni plini in trden negorljiv ostanek – pepel. Najdaljša faza je zgorevanje koksa - ogljika, ki je glavna gorljiva sestavina katerega koli trdnega goriva. Zato je mehanizem zgorevanja trdnega goriva v veliki meri določen z izgorevanjem ogljika.

Proces zgorevanja trdnih goriv lahko pogojno razdelimo na naslednje stopnje: segrevanje in izhlapevanje vlage, sublimacija hlapnih snovi in ​​tvorba koksa, zgorevanje hlapnih snovi in ​​koksa ter nastajanje žlindre. Pri zgorevanju tekočih goriv se koks in žlindra ne tvorita, pri gorenju plinastih goriv sta le dve stopnji - segrevanje in zgorevanje.

Proces zgorevanja trdega goriva lahko razdelimo na dve obdobji: obdobje priprave goriva za zgorevanje in obdobje zgorevanja.

Proces zgorevanja trdnega goriva lahko razdelimo na več stopenj: segrevanje in izhlapevanje vlage, sublimacija hlapnih snovi in ​​nastajanje koksa, zgorevanje hlapnih snovi in ​​izgorevanje koksa.

Proces zgorevanja trdega goriva v toku pri povišanih tlakih vodi do zmanjšanja dimenzij zgorevalnih komor in do znatnega povečanja toplotnih obremenitev. Visokotlačne peči se ne uporabljajo široko.

Proces zgorevanja trdnega goriva ni dovolj teoretično raziskan. Prva stopnja procesa zgorevanja, ki vodi do tvorbe vmesne spojine, je določena s potekom procesa disociacije oksidanta v adsorbiranem stanju. Sledi tvorba kompleksa ogljik-kisik in disociacija molekularnega kisika v atomsko stanje. Mehanizmi heterogene katalize pri oksidacijskih reakcijah snovi, ki vsebujejo ogljik, temeljijo tudi na disociaciji oksidanta.

Proces zgorevanja trdega goriva lahko pogojno razdelimo na tri stopnje, ki se zaporedoma prekrivajo.

Proces zgorevanja trdega goriva lahko obravnavamo kot dvostopenjski proces z zamegljenimi mejami med dvema stopnjama: primarno nepopolno uplinjanje v heterogenem procesu, katerega hitrost je odvisna predvsem od hitrosti in pogojev dovoda zraka, in sekundarno - zgorevanje nastali plin v homogenem procesu, katerega hitrost je odvisna predvsem od kinetike kemijskih reakcij. Več ko je hlapnih snovi v gorivu, bolj je njegova hitrost zgorevanja odvisna od hitrosti tekočih kemičnih reakcij.

V ciklonskih pečeh se doseže intenziviranje procesa zgorevanja trdega goriva in znatno povečanje stopnje zajemanja pepela. C, pri kateri se pepel topi in tekoča žlindra se odstrani skozi luknje v spodnjem delu kurilne naprave.

Osnova procesa zgorevanja trdnega goriva je oksidacija ogljika, ki je glavna sestavina njegove gorljive mase.

Za proces zgorevanja trdnih goriv so nedvomno zanimive reakcije zgorevanja ogljikovega monoksida in vodika. Za trda goriva, bogata s hlapnimi snovmi, v številnih procesih in tehnološke sheme treba je poznati značilnosti zgorevanja ogljikovodikov. Mehanizem in kinetika homogenih reakcij zgorevanja sta obravnavana v pogl. Poleg zgornjih sekundarnih reakcij je treba njihov seznam nadaljevati s heterogenimi reakcijami razgradnje ogljikovega dioksida in vodne pare, reakcijo pretvorbe ogljikovega monoksida z vodno paro in družino reakcij tvorbe metana, ki potekajo z opazno hitrostjo. med visokotlačnim uplinjanjem.

Značilnosti zgorevanja trdnih goriv

Gorljivi plini in hlapi katrana (tako imenovani hlapni), ki se sproščajo med toplotno razgradnjo naravnih trdnih goriv med segrevanjem, se mešajo z oksidantom (zrak), pri visokih temperaturah precej intenzivno izgorevajo, kot navadna plinasta goriva. Zaradi tega zgorevanje goriv z visokim izkoristkom (les, šota, oljni skrilavec) ne povzroča težav, razen če seveda vsebnost balasta v njih (vlaga in vsebnost pepela) ni tako visoka, da bi postala ovira pri doseganju temperature, potrebne za zgorevanje.

Čas zgorevanja goriv s srednjimi (rjavi in ​​črni premog) in nizkimi (pusti premog in antraciti) hlapnimi snovmi je praktično določen s hitrostjo reakcije na površini koksnega ostanka, ki nastane po sproščanju hlapnih snovi. Zgorevanje tega ostanka zagotavlja tudi sproščanje glavne količine toplote.

Reakcija, ki poteka na vmesniku dveh faz(v tem primeru na površini kosa koksa) poklical heterogena. Sestavljen je iz vsaj dveh zaporednih procesov: difuzije kisika na površino in njegove kemične reakcije z gorivom (skoraj čisti ogljik, ki ostane po izhlapevanju) na površini. Hitrost kemične reakcije pri visoki temperaturi, ki narašča po Arrheniusovem zakonu, postane tako visoka, da ves kisik, ki je doveden na površino, takoj reagira. Posledično se izkaže, da je hitrost gorenja odvisna samo od intenzivnosti dovajanja kisika na površino gorečega delca z masnim prenosom in difuzijo. Nanj praktično ne vplivajo tako temperatura procesa kot reaktivne lastnosti koksnega ostanka. Takšen režim heterogene reakcije običajno imenujemo difuzija. Zgorevanje se v tem načinu lahko okrepi le z intenziviranjem dovajanja reagenta na površino delcev goriva. V različnih kuriščih se to doseže z različnimi metodami.

Plastična kurišča. Trdo gorivo, naloženo s plastjo določene debeline na razdelilni rešetki, se vžge in napihne (najpogosteje od spodaj navzgor) z zrakom (slika 28, a). Ko se filtrira med koščki goriva, izgubi kisik in se obogati z ogljikovimi oksidi (CO 2 , CO) zaradi zgorevanja premoga, redukcije vodne pare in ogljikovega dioksida s premogom.

riž. 28. Sheme organizacije procesov v peči:

a- v gosti plasti; b - v prašnem stanju; _in - v ciklonski peči;

G - v fluidizirani postelji; AT- zrak; T, V - gorivo, zrak; ZhSh - tekoča žlindra

Območje, znotraj katerega kisik skoraj popolnoma izgine, se imenuje kisik; njegova višina je dva ali tri premere kosov goriva. Plini, ki ga zapuščajo, ne vsebujejo le CO 2, H 2 O in N 2, temveč tudi gorljiva plina CO in H 2, ki nastaneta tako zaradi redukcije CO 2 in H 2 O s premogom, kot iz hlapnih snovi, ki se sproščajo iz premoga. Če je višina plasti večja od kisikove cone, potem kisikovi coni sledi redukcijska cona, v kateri potekata samo reakciji CO 2 + C = 2CO in H 2 O + C = CO + H 2. Posledično se koncentracija gorljivih plinov, ki izhajajo iz plasti, povečuje z večanjem njene višine.

V plastnih pečeh poskušajo ohraniti višino plasti enaka višini kisikove cone ali večjo od nje. Za naknadno zgorevanje produktov nepopolnega zgorevanja (H 2 , CO), ki zapustijo plast, kot tudi za naknadno zgorevanje prahu, ki se iz njega izvede, se v prostornino peči nad plastjo dovaja dodaten zrak.

Količina zgorelega goriva je sorazmerna količini dovedenega zraka, vendar povečanje hitrosti zraka nad določeno mejo krši stabilnost goste plasti, saj zrak, ki prebije plast, na nekaterih mestih tvori kraterje. Ker je polidisperzno gorivo vedno naloženo v plast, se odstranjevanje drobnih odpadkov poveča. Večji kot so delci, hitrejši zrak je mogoče pihati skozi plast, ne da bi pri tem kršili njeno stabilnost. Če vzamemo za grobe ocene toploto "izgorevanja" 1 m 3 zraka v normalnih pogojih pri α v \u003d 1 enak 3,8 MJ in razumemo z w n zmanjšan na normalne pogoje, bo pretok zraka na enoto površine rešetke (m / s), potem bo toplotna napetost zgorevalnega ogledala (MW / m 2) enaka

q R = 3,8 W n / α in(105)

Naprave peči za večplastno zgorevanje so razvrščene glede na način dovajanja, premikanja in posnemanja plasti goriva na rešetki. V nemehaniziranih pečeh, v katerih se vse tri operacije izvajajo ročno, je mogoče zgoreti največ 300 - 400 kg / h premoga. Najbolj razširjene v industriji so popolnoma mehanizirane slojevite peči s pnevmomehanskimi kolesi in reverzno verižno rešetko (slika 29). Njihova posebnost je zgorevanje goriva na rešetki, ki se neprekinjeno premika s hitrostjo 1-15 m/h, ki je zasnovana v obliki traku transportnega traku, ki ga poganja elektromotor. Mreža rešetke je sestavljena iz posameznih elementov rešetke, pritrjenih na neskončne verige z tečaji, ki jih poganja ʼʼʼʼʼ. Zrak, potreben za zgorevanje, se dovaja pod rešetko skozi reže med elementi rešetke.

riž. 29. Shema peči s pnevmomehanskim koleščkom in reverzno verižno rešetko:

1 - platnena rešetka; 2 - voziti ʼʼzvezdiceʼʼ; 3 - plast goriva in žlindre; 4 – 5 - metalni rotor; 6 - tračni podajalnik; 7 - bunker za gorivo; 8 - prostornina peči; 9 - zaslonske cevi; 10 - 11 - obloga kurišča; 12 - zadnje tesnilo; 13 - okna za dovod zraka pod plastjo

Peči za gorenje. V prejšnjem stoletju so za kurjenje v plastjestih pečeh (in takrat še ni bilo drugih) uporabljali le premog, ki ni vseboval drobnih odpadkov (običajno frakcije 6 - 25 mm). Frakcija, manjša od 6 mm - shtyb (iz nemškega staub - prah) je bila odpadek. V začetku tega stoletja je bila za njegovo zgorevanje razvita prašna metoda, pri kateri so premog zdrobili na 0,1 mm, težko žgeč antracite pa še bolj drobne. Takšne prašne delce odnese tok plina, relativna hitrost med njimi je zelo majhna. Toda čas njihovega zgorevanja je izjemno kratek - sekunde in delčki sekund. Zaradi tega ima prah pri navpični hitrosti plina manj kot 10 m / s in zadostni višini peči (deset metrov v sodobnih kotlih) čas, da se med premikanjem skupaj s plinom med letenjem popolnoma izgori. gorilnik do izhoda iz peči.

Ta princip je osnova bakelnih (komornih) peči, v katere se skozi gorilnike vpihuje fino mlet gorljiv prah skupaj z zrakom, potrebnim za zgorevanje (glej sliko 28, b ) na enak način kot plinasti oz tekoča goriva. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, komorne peči so primerne za kurjenje katerega koli goriva, kar je njihova velika prednost pred slojevimi. Druga prednost je možnost izdelave peči za vsako praktično poljubno veliko moč. Zaradi tega imajo zdaj komorne peči prevladujoč položaj v energetskem sektorju. Hkrati prahu v majhnih pečeh, zlasti s spremenljivimi načini delovanja, ni mogoče stabilno goreti, zato se peči na prah s toplotno močjo manj kot 20 MW ne izdelujejo.

Gorivo se zdrobi v mlinskih napravah in vpihuje v zgorevalno komoro skozi gorilnike za prah. Prenosni zrak, ki se vpiha skupaj s prahom, se imenuje primarni zrak.

Med komornim zgorevanjem trdnih goriv v obliki prahu hlapne snovi, ki se sprošča med segrevanjem, gorijo v gorilniku kot plinasto gorivo, kar prispeva k segrevanju trdnih delcev na temperaturo vžiga in olajša stabilizacijo gorilnika. Količina primarnega zraka mora zadostovati za izgorevanje hlapnih snovi. Ta se giblje od 15 - 25 % celotne količine zraka za premog z nizkim izkoristkom (na primer antraciti) do 20 - 55 % za goriva z visokim izkoristkom ( rjavi premog). Preostanek zraka, ki je potreben za zgorevanje (imenovan je sekundarni), se dovaja v peč ločeno in pomeša s prahom že v procesu zgorevanja.

Da se prah vname, ga je treba najprej segreti na dovolj visoko temperaturo. Skupaj z njim je seveda treba ogrevati zrak, ki ga prenaša (tj. primarni). Uspe se narediti samo z mešanjem produktov zgorevanja z žarilno nitko v tok prašne suspenzije.

dobra organizacija zgorevanje trdnih goriv (zlasti težko gorljivih, z nizkim hlapnim izkoristkom) zagotavljamo z uporabo tako imenovanih polževih gorilnikov (slika 30).

riž. 30. Ravni polž gorilnik za trdo gorivo v prahu: AT- zrak; T, V - gorivo, zrak

Premogov prah s primarnim zrakom se dovaja vanje skozi osrednjo cev in zaradi prisotnosti delilnika vstopi v peč v obliki tankega obročastega curka. Sekundarni zrak se dovaja skozi ʼʼʼʼʼ, se v njem močno zasuka in, ko gre v peč, ustvari močan turbulenten vrtinčen gorilnik, ki zagotavlja sesanje velikih količin vročih plinov iz jedra gorilnika do ustja gorilnika. To pospešuje segrevanje mešanice goriva s primarnim zrakom in njen vžig, torej ustvarja dobro stabilizacijo plamena. Sekundarni zrak se zaradi močne turbulence dobro meša z že vžganim prahom. Največji prašni delci med letom izgorejo v plinskem toku znotraj prostornine peči.

Med sežiganjem premogovega prahu je v peči v vsakem trenutku neznatna zaloga goriva - ne več kot nekaj deset kilogramov. Zaradi tega je proces sežiganja zelo občutljiv na spremembe v porabi goriva in zraka in omogoča, če je to izjemno pomembno, skoraj takojšnjo spremembo delovanja peči, kot pri kurilnem olju ali plinu. Hkrati se s tem povečajo zahteve po zanesljivosti oskrbe peči s prahom, saj bo že najmanjši (v nekaj sekundah!) zlom povzročil ugasnitev gorilnika, kar je povezano z nevarnostjo eksplozije, ko se dovajanje prahu se nadaljuje. Zaradi tega je praviloma v pečeh na prah vgrajenih več gorilnikov.

Med zgorevanjem goriv v prahu v jedru gorilnika, ki se nahaja v bližini ustja gorilnika, se razvijejo visoke temperature (do 1400-1500 ° C), pri katerih pepel postane tekoč ali pastozen. Lepljenje tega pepela na stene peči lahko povzroči njihovo zaraščanje z žlindro. Zaradi tega se zgorevanje goriva v prahu najpogosteje uporablja v kotlih, kjer so stene peči zaprte z vodno hlajenimi cevmi (zasloni), v bližini katerih se plin ohladi in v njem suspendirani delci pepela se imajo čas, da se strdijo. pred stikom s steno. Zgorevanje v prahu se lahko uporablja tudi v pečeh z mokrim dnom, pri katerih so stene prekrite s tankim filmom tekoče žlindre in delci staljenega pepela tečejo v tem filmu.

Volumenski toplotni stres v pečeh na prašni premog je običajno 150-175 kW/m 3 , v majhnih pečeh pa se poveča do 250 kW/m 3 . Z dobrim mešanjem zraka z gorivom, α v=1,2÷1,25; q krzno= 0,5÷6% (velike številke - pri žganju antracitov v majhnih pečeh); q chem= 0 ÷1 %.

V komornih pečeh je po dodatnem mletju možno sežigati odpadke premoga, ki nastanejo pri obogatitvi v koksarnah (industrijski proizvod), koksnih presejah in še drobnejšem koksnem blatu.

Ciklonske peči. V ciklonskih pečeh se izvaja posebna metoda zgorevanja. Uporabljajo dokaj majhne delce premoga (običajno manjše od 5 mm), zrak, potreben za zgorevanje, pa se dovaja pri visokih hitrostih (do 100 m/s) tangencialno na generatriko ciklona. V peči nastane močan vrtinec, ki vključuje delce v cirkulacijsko gibanje, v katerem jih tok intenzivno piha. Zaradi intenzivnega zgorevanja se v peči razvijejo temperature blizu adiabatne (do 2000 °C). Pepelni premog se topi, tekoča žlindra teče po stenah. Zaradi več razlogov je bila uporaba takšnih peči v energetski industriji opuščena, zdaj pa se uporabljajo kot tehnološke - za sežiganje žvepla z namenom pridobivanja SO 2 pri proizvodnji H 2 SO 4, praženju rude itd. Včasih se požarno odstranjevanje odpadne vode izvaja v ciklonskih pečeh, to je zgorevanje škodljivih snovi, ki jih vsebujejo, zaradi dobave dodatnega (običajno plinastega ali tekočega) goriva.

Peči z utekočinjeno plastjo. Stabilno zgorevanje gorilnika s prahom je možno le pri visoki temperaturi v njegovem jedru - ne nižji od 1300-1500 °C. Pri teh temperaturah začne zračni dušik opazno oksidirati glede na reakcijo N 2 + O 2 \u003d 2NO. Določena količina NO nastane tudi iz dušika, ki ga vsebuje gorivo. Dušikov oksid, ki se izpusti skupaj z dimnimi plini v ozračje, se v njem dodatno oksidira v zelo strupen NO 2 dioksid. V ZSSR je največja dovoljena koncentracija NO 2 (MAC), ki je varna za zdravje ljudi, v zraku naselij 0,085 mg / m 3. Da bi to zagotovili, je pri velikih termoelektrarnah treba zgraditi visoke dimnike, ki razpršijo dimne pline po največji možni površini. Hkrati, ko je veliko število postaj koncentrirano blizu ena druge, to ne prihrani.

V številnih državah ni urejen MPC, temveč količina škodljivih emisij na enoto toplote, ki se sprosti pri zgorevanju goriva. Na primer, v ZDA je velikim podjetjem dovoljeno oddajati 28 mg dušikovih oksidov na 1 MJ toplote zgorevanja. V ZSSR se emisijski standardi za različna goriva gibljejo od 125 do 480 mg/m 3 .

Pri zgorevanju goriv, ​​ki vsebujejo žveplo, nastaja strupen SO 2, katerega učinek na človeka se pridružuje tudi učinku NO 2.

Te emisije povzročajo nastanek fotokemičnega smoga in kislega dežja, kar negativno vpliva ne le na ljudi in živali, ampak tudi na vegetacijo. V zahodni Evropi, na primer, zaradi takšnega dežja odmre pomemben del iglavcev.

Če v pepelu goriva ni dovolj kalcijevih in magnezijevih oksidov, da bi vezali ves SO 2 (običajno je potreben dva- ali trikratni presežek v primerjavi z reakcijsko stehiometrijo), se apnenec CaCO 3 zmeša z gorivom. Apnenec pri temperaturah 850-950 ° C se intenzivno razgradi na CaO in CO 2, mavec CaSO 4 pa se ne razgradi, torej reakcija ne poteka od desne proti levi. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, strupeni SO 2 se veže na neškodljivo, praktično v vodi netopno sadro, ki se odstrani skupaj s pepelom.

Po drugi strani pa v procesu človekove dejavnosti nastaja velika količina gorljivih odpadkov, ki se ne štejejo za gorivo v splošno sprejetem smislu: jalovina za obogatitev premoga, odlagališča pri pridobivanju premoga, številni odpadki iz industrije celuloze in papirja in drugih sektorjih nacionalnega gospodarstva. Paradoksalno je na primer, da se ʼʼskalaʼʼ, ki je nakopičena v ogromnih odlagališčih odpadkov v bližini premogovnikov, pogosto spontano vname in dlje časa onesnažuje okoliški prostor z dimom in prahom, vendar ga ni mogoče zažgati ne v plasti ne v komori. peči zaradi visoke vsebnosti pepela. V večplastnih pečeh pepel, ki se sintranje med zgorevanjem, preprečuje prodiranje kisika do delcev goriva, v komornih pečeh ni mogoče doseči visoke temperature, potrebne za stabilno zgorevanje v njih.

Nujni pomen razvoja tehnologij brez odpadkov, ki se je pojavil pred človeštvom, je sprožil vprašanje ustvarjanja naprav peči za kurjenje takšnih materialov. Bile so peči s fluidizirano plastjo.

Imenuje se utekočinjeno (ali vrelo). plast drobnozrnatega materiala, ki ga od spodaj navzgor piha plin s hitrostjo, ki presega mejo stabilnosti goste plasti, vendar ne zadostuje za prenašanje delcev iz plasti. Intenzivno kroženje delcev v omejenem volumnu komore ustvarja vtis hitro vrele tekočine, kar pojasnjuje izvor imena.

Gosta plast delcev, ki se fizično vpihne od spodaj, izgubi svojo stabilnost, ker postane odpornost proti filtriranju plina skozi njo enaka teži materialnega stebra na enoto površine nosilne mreže. Ker je aerodinamični upor sila, s katero plin deluje na delce (in s tem po Newtonovem tretjem zakonu na delce na plin), potem, če sta upor in teža plasti enaka, delci (če upoštevamo idealno primeru) ne temeljijo na rešetki, ampak na plinu.

Povprečna velikost delcev v pečeh z vrtinčeno plastjo je običajno 2-3 mm. Ustrezajo delovni hitrosti fluidizacije (vzamemo jo 2-3 krat več kot w do) 1,5 ÷ 4 m/s. S tem se v skladu s tem določi površina rešetke za distribucijo plina za dano toplotno moč peči. Volumen toplotni stres qv vzemite približno enako kot za večplastne peči.

Najpreprostejša peč z vrtinčno plastjo (slika 31) v mnogih pogledih spominja na plastno peč in ima z njo veliko skupnih strukturnih elementov. Temeljna razlika med njima je v tem, da intenzivno mešanje delcev zagotavlja konstantno temperaturo po celotnem volumnu fluidizirane plasti.

riž. 31. Shema peči s fluidizirano plastjo: 1 - raztovarjanje pepela; 2 - dovod zraka pod plastjo; 3 - fluidizirana plast pepela in goriva; 4 - dovod zraka do kolesca; 5 - metalni rotor; 6 - tračni podajalnik; 7 - bunker za gorivo; 8 - prostornina peči; 9 - zaslonske cevi; 10 - oster udarec in vrnitev vnosa; 11- obloga kurišča; 12 - cevi, ki zaznavajo toploto v fluidizirani postelji; AT - voda; P- para.

Ohranjanje temperature fluidizirane plasti v zahtevanih mejah (850 - 950 °C) je zagotovljeno z dvema različnima metodama. V majhnih industrijskih pečeh, ki kurijo odpadke ali poceni gorivo, se v plast dovede bistveno več zraka, kot je bistvenega za popolno zgorevanje, strjevanje α v ≥ 2.

Z enako količino sproščene toplote se temperatura plinov zniža kot α v, saj se ista toplota porabi za ogrevanje velike količine plinov.

Pri velikih pogonskih enotah je ta način zniževanja temperature zgorevanja neekonomičen, saj "odvečni" zrak, ki zapusti enoto, odnaša tudi toploto, porabljeno za njeno ogrevanje (izgube z izpušnimi plini se povečajo - glej spodaj). Zaradi tega so cevi nameščene v peči z vrtinčeno plastjo velikih kotlov. 9 in 12 s delovna tekočina, ki kroži v njih (voda ali para), ki zaznava izjemno pomembno količino toplote. Intenzivno "pranje" teh cevi z delci zagotavlja visok koeficient prenosa toplote od plasti do cevi, kar v nekaterih primerih omogoča zmanjšanje porabe kovine kotla v primerjavi s tradicionalnim. Gorivo stabilno gori, če je njegova vsebnost v vrtinčeni plasti 1 % ali manj; ostalo 99% z odveč - pepel. Tudi v tako neugodnih razmerah intenzivno mešanje ne omogoča, da bi delci pepela preprečili dostop gorljivih snovi do kisika (za razliko od goste plasti). V tem primeru se izkaže, da je koncentracija gorljivih snovi enaka v celotnem volumnu vrtinčne plasti. Za odstranitev pepela, ki ga vnesemo z gorivom, se del sloja materiala nenehno odstranjuje iz njega v obliki drobnozrnate žlindre - najpogosteje se preprosto "odcedi" skozi luknje na dnu, saj je fluidizirana plast sposobna teče kot tekočina.

Peči s krožno vrtinčeno plastjo. AT zadnji čas pojavile so se peči druge generacije s tako imenovano krožečo fluidizirano plastjo. Za temi pečmi je nameščen ciklon, v katerem se vsi nezgoreli delci ujamejo in vrnejo nazaj v peč. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, so delci ʼʼzaklenjeniʼʼ v sistemu peč-ciklon-peč, dokler popolnoma ne izgorejo. Te peči imajo visoko učinkovitost, ki niso slabše od komorne metode zgorevanja, hkrati pa ohranjajo vse okoljske koristi.

Peči z utekočinjeno plastjo se pogosto uporabljajo ne le v energetskem sektorju, ampak tudi v drugih panogah, na primer za sežiganje pirita za pridobivanje SO2, praženje različnih rud in njihovih koncentratov (cink, baker, nikelj, zlatonosni) itd. (Z vidika teorije zgorevanja praženje, na primer, cinkove rude po reakciji 2ZnS + 3O 2 \u003d 2ZnO + 2SO 2 je zgorevanje tega specifičnega ʼʼgorivaʼʼ, ki poteka, tako kot vse reakcije zgorevanja, s sproščanjem velikih količin toplote.) Peči z utekočinjeno plastjo so našle široko razširjenost, zlasti v tujini, za nevtralizacijo ognja (tj. zgorevanje) različnih nevarni proizvodni odpadki (trdni, tekoči in plinasti) - blato za čiščenje odplak, smeti itd.

Tema 12. Peči kemična industrija. diagram vezja peč na gorivo. Razvrstitev peči v kemični industriji. Glavne vrste peči, značilnosti njihove zasnove. Toplotna bilanca peči

Peči za kemično industrijo. Shematski diagram peči na gorivo

Industrijska peč je energetsko-tehnološka enota, zasnovana za toplotno obdelavo materialov, da bi jim dali potrebne lastnosti. Vir toplote v kurilnih (plamenskih) pečeh so različne vrste ogljikovo gorivo (plin, kurilno olje itd.). Sodobne peči so pogosto velike mehanizirane in avtomatizirane visoko zmogljive enote.

Za izbiro tehnološkega načina procesa je največjega pomena optimalna temperatura. tehnološki proces, ki je določena s termodinamičnimi in kinetičnimi izračuni procesov. Optimalni temperaturni režim postopka se imenuje temperaturni pogoji, pod katerimi je zagotovljena največja produktivnost ciljnega izdelka v tej peči.

Ponavadi delovna temperatura v peči je nekoliko nižja od optimalne, odvisno je od pogojev zgorevanja goriva, pogojev toplotne izmenjave, izolacijskih lastnosti in trajnosti obloge peči, termofizičnih lastnosti predelanega materiala itd.
Gostuje na ref.rf
dejavniki. Na primer, pri pečeh je delovna temperatura v območju med temperaturo aktivnega poteka oksidativnih procesov in temperaturo sintranja produktov praženja. Toplotni režim peči razumemo kot niz procesov toplotne vztrajnosti, toplote prenosa mase in mehanike medijev, ki zagotavljajo porazdelitev toplote v procesnem območju. Toplotni režim procesne cone določa toplotni režim celotne peči.

Na način delovanja peči močno vpliva sestava plinske atmosfere v peči, ki je potrebna za pravilen potek tehnološkega procesa. Za oksidacijske procese mora plinasti medij v peči vsebovati kisik, katerega količina se giblje od 3 do 15 % ali več. Za redukcijsko okolje je značilna nizka vsebnost kisika (do 1-2 %) in prisotnost redukcijskih plinov (CO, H 2 itd.) 10-20 % ali več. Sestava plinske faze določa pogoje za zgorevanje goriva v peči in je odvisna od količine zraka, ki se dovaja za zgorevanje.

Gibanje plinov v peči pomembno vpliva na proces, zgorevanje in prenos toplote, v pečeh, pečeh z vrtinčno plastjo ali vrtinčastih pečih pa je gibanje plinov pomemben dejavnik trajnostnega delovanja. Prisilno gibanje plinov izvajajo dimniki in ventilatorji.

Na hitrost tehnološkega procesa vpliva gibanje materiala, ki je podvržen toplotni obdelavi.

Shema namestitve peči vključuje naslednje postavke: naprava peči za kurjenje goriva in organizacijo izmenjave toplote; delovni prostor peči za izvajanje ciljnega tehnološkega načina; naprave za izmenjavo toplote za rekuperacijo toplote dimnih plinov (plin, ogrevanje zraka); uporabne naprave (kotli na odpadno toploto) za izrabo toplote dimnih plinov; vlečna in pihalna naprava (dimniki, ventilatorji) za odstranjevanje zgorevanja goriva in plinastih produktov toplotne obdelave materialov in dovod zraka do gorilnikov, šobe za rešetke; čistilne naprave (filtri itd.).

Značilnosti zgorevanja trdnih goriv - koncept in vrste. Razvrstitev in značilnosti kategorije "Značilnosti zgorevanja trdih goriv" 2017, 2018.

Zgorevanje trdega goriva, ki nepremično leži na rešetki, z zgornjim polnjenjem goriva je prikazano na sl. 6.2.

Na vrhu plasti po nakladanju je sveže gorivo. Pod njim gori koks, neposredno nad rešetko pa žlindra. Te cone plasti se med seboj delno prekrivajo. Ko gorivo izgoreva, postopoma prehaja skozi vse cone. V prvem obdobju po dovajanju svežega goriva v goreči koks poteka njegova toplotna priprava (segrevanje, izhlapevanje vlage, sproščanje hlapnih snovi), ki porabi del toplote, ki se sprosti v plasti. Na sl. 6.2 prikazuje približno zgorevanje trdnega goriva in porazdelitev temperature po višini plasti goriva. Območje najvišje temperature se nahaja v coni zgorevanja koksa, kjer se sprosti glavna količina toplote.

Žlindra, ki nastane pri zgorevanju goriva, teče v kapljicah iz razgretih kosov koksa proti zraku. Postopoma se žlindra ohladi in že v trdnem stanju doseže rešetko, od koder jo odstranimo. Žlindra, ki leži na rešetki, jo ščiti pred pregrevanjem, segreje in enakomerno porazdeli zrak po sloju. Zrak, ki prehaja skozi rešetko in vstopa v plast goriva, se imenuje primarni. Če primarnega zraka ni dovolj za popolno zgorevanje goriva in so nad plastjo produkti nepopolnega zgorevanja, se zrak dodatno dovaja v nadslojni prostor. Takšen zrak se imenuje sekundarni.

Ko se gorivo dovaja od vrha do rešetke, se izvede spodnji vžig goriva in prihajajoče gibanje tokov plin-zrak in goriva. To zagotavlja učinkovit vžig goriva in ugodne hidrodinamične pogoje za njegovo zgorevanje. Primarne kemične reakcije med gorivom in oksidantom potekajo v območju vročega koksa. Narava tvorbe plina v plasti gorečega goriva je prikazana na sl. 6.3.

Na začetku plasti, v kisikovi coni (K), v kateri se kisik intenzivno porablja, hkrati nastajata ogljikov oksid ter ogljikov dioksid CO 2 in CO. Do konca kisikove cone se koncentracija O 2 zmanjša na 1-2 %, koncentracija CO 2 pa doseže svoj maksimum. Temperatura plasti v kisikovi coni se močno dvigne in doseže maksimum, kjer se vzpostavi najvišja koncentracija CO 2 .

V redukcijskem območju (B) kisika praktično ni. Ogljikov dioksid reagira z vročim ogljikom in tvori ogljikov monoksid:

Vzdolž višine redukcijske cone se vsebnost CO 2 v plinu zmanjša, CO2 pa se temu ustrezno poveča. Reakcija interakcije ogljikovega dioksida z ogljikom je endotermna, zato temperatura pada vzdolž višine redukcijskega območja. V prisotnosti vodne pare v plinih v redukcijski coni je možna tudi endotermna reakcija razgradnje H 2 O.

Razmerje dobljenih količin CO in CO 2 v začetnem delu kisikove cone je odvisno od temperature in se spreminja glede na izraz

kjer sta E co in E CO2 aktivacijski energiji tvorbe CO oziroma CO 2; A - številčni koeficient; R je univerzalna plinska konstanta; T je absolutna temperatura.
Temperatura ležišča pa je odvisna od koncentracije oksidanta, pa tudi od stopnje segrevanja zraka, v redukcijskem območju pa zgorevanje trdnega goriva in temperaturni faktor odločilno vplivata tudi na razmerje med CO. in CO 2 . S povečanjem reakcijske temperature CO 2 + C \u003d P 2 se CO premakne v desno in vsebnost ogljikovega monoksida v plinih se poveča.
Debeline kisikovih in redukcijskih con so odvisne predvsem od vrste in velikosti kosov gorljivega goriva in temperaturni režim. Ko se količina goriva poveča, se debelina območij poveča. Ugotovljeno je bilo, da je debelina kisikove cone približno tri do štiri premere gorečih delcev. Območje okrevanja je 4-6 krat debelejše od cone kisika.

Povečanje intenzivnosti eksplozije praktično ne vpliva na debelino con. To je razloženo z dejstvom, da je hitrost kemične reakcije v plasti veliko višja od hitrosti tvorbe mešanice in ves vhodni kisik takoj reagira s prvimi vrstami vročih delcev goriva. Prisotnost kisikovih in redukcijskih con v plasti je značilna za zgorevanje tako ogljika kot naravnih goriv (slika 6.3). S povečanjem reaktivnosti goriva, pa tudi z zmanjšanjem njegove vsebnosti pepela, se debelina con zmanjša.

Narava tvorbe plina v plasti goriva kaže, da se glede na organizacijo zgorevanja na izstopu iz plasti lahko dobijo bodisi praktično inertni bodisi gorljivi in ​​inertni plini. Če je cilj čim bolj povečati pretvorbo toplote goriva v fizično toploto plinov, je treba postopek izvesti v tanki plasti goriva s presežkom oksidanta. Če je naloga pridobivanje gorljivih plinov (uplinjanje), se postopek izvaja s plastjo, razvito vzdolž višine s pomanjkanjem oksidanta.

Zgorevanje goriva v kotlovski peči ustreza prvemu primeru. In zgorevanje trdega goriva je organizirano v tanki plasti, kar zagotavlja največji potek oksidativnih reakcij. Ker je debelina kisikove cone odvisna od velikosti goriva, večja kot je velikost kosov, debelejša mora biti plast. Torej, pri gorenju v plasti majhnih stvari rjave in črni premog(drobnost do 20 mm) debelina nosilnega sloja približno 50 mm. Pri enakem premogu, vendar v kosih, večjih od 30 mm, se debelina plasti poveča na 200 mm. Zahtevana debelina sloja goriva je odvisna tudi od njegove vsebnosti vlage. Večja kot je vsebnost vlage v gorivu, večja mora biti količina gorenja v plasti, da se zagotovi stabilen vžig in zgorevanje svežega dela goriva.