в каком случае для подготовки газа необходимо смешение газов с различной теплотой сгорания

Горение газа

Горением называют быстро протекающую во времени химическую реак­цию соединения горючих компонентов топлива с кислородом воздуха, сопровож­дающуюся интенсивным выделением теплоты, света и продуктов сгорания.

Для метана реакция горения с воздухом:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q н

C 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 3H 2 O + Q н

Для СУГ:

C 4 H 10 + 6,5O 2 = 4CO 2 + 5H 2 O + Q н

Продуктами полного сгорания газов являются водяные пары (H 2 O), диоксид углерода (CO 2 ) или углекислый газ.

При полном сгорании газов цвет пламени, как правило, голубовато-фиолетовый.

Объемный состав сухого воздуха принимается: O 2 ≈ 21%, N 2 ≈ 79%, из этого след., что

1м 3 кислорода содержится в 4,76м 3 (≈5 м 3 ) воздуха.

Вывод: для сжигания

— 1м 3 метана необходимо 2м 3 кислорода или около 10м 3 воздуха,

— 1м 3 пропана – 5м 3 кислорода или около 25м 3 воздуха,

— 1м 3 бутана – 6,5м 3 кислорода или около 32,5м 3 воздуха,

— 1м 3 СУГ

6м 3 кислорода или около 30м 3 воздуха.

Практически при сжигании газа водяные пары, как правило, не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания. Поэтому технические расчеты ведут по низшей теплоте сгорания Q н.

Условия, необходимые для горения:

1. наличие топлива (газа);

2. наличие окислителя (кислорода воздуха);

3. наличие источника температуры воспламенения.

Неполное сгорание газов.

Причиной неполного сгорания газа является недостаточное количество воздуха.

Продуктами неполного сгорания газов являются оксид углерода или угарный газ (CO), несгоревшие горючие углеводороды (C n H m ) и атомарный углерод или сажа.

Для природного газа CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O + CO + CH 4 + C

Для СУГ C n H m + O 2 → CO 2 + H 2 O + CO + C n H m + C

Наиболее опасным является появление угарного газа, который действует на организм человека отравляюще. Образование сажи придает пламени желтую окраску.

Неполное сгорание газа опасно для здоровья человека (при содержании 1% СО в воздухе 2-3 вздоха для человека достаточно, чтобы отравиться со смертельным исходом).

Неполное сгорание неэкономично (сажа препятствует процессу передачи тепла, при неполном сгорании газа мы недополучаем тепло, ради которого сжигаем газ).

Для контроля полноты сгорания обращают внимание на цвет пламени, которое при полном сгорании должно быть голубым, а при неполном сгорании – желтовато-соломенным. Наиболее совершенный способ контроля полноты сгорания – анализ продуктов сгорания с помощью газоанализаторов.

Способы сжигания газа.

Понятие о первичном и вторичном воздухе.

Существуют 3 способа сжигания газа:

1) диффузионный,

2) кинетический,

3) смешанный.

Диффузионный способ или способ без предварительного смешения газа с воздухом.

Из горелки в зону горения поступает только газ. Воздух, необходимый для горения, смешивается с газом в зоне горения. Этот воздух называется вторичным.

Пламя вытянутое, желтого цвета.

a= 1,3÷1,5 t ≈ (900÷1000) о С

Кинетический способ – способ с полным предварительным смешением газа с воздухом.

В горелку подается газ и подается воздух дутьевым устройством. Воздух, необходимый для горения и который подается в горелку для предварительного смешения с газом, называется первичным.

Пламя короткое, зеленовато-синеватого цвета.

a= 1,01÷1,05 t≈ 1400 о С

Смешанный способ – способ с частичным предварительным смешиванием газа с воздухом.

Газ инжектирует первичный воздух в горелку. В зону горения из горелки поступает газовоздушная смесь с недостаточным для полного сгорания количеством воздуха. Остальной воздух – вторичный.

Пламя средних размеров, зеленовато-голубоко цвета.

a=1,1¸1,2 t ≈1200 о С

Всегда должен быть a>1, в противном случае будет недожог.

Lпр.=a∙Lтеор., т.е. коэффициент избытка воздуха показывает во сколько раз количество воздуха, необходимого для горения на практике больше количества воздуха, необходимого для горения и посчитанного теоретически.

Источник

Условия воспламенения и сгорания газового топлива

Горение газообразного топлива представляет собой сочетание следующих физических и химических процессов: смешение горючего газа с воздухом, подогрев смеси, термическое разложение горючих компонентов, воспламенение и химическое соединение горючих элементов с кислородом воздуха.

Устойчивое горение газовоздушной смеси возможно при непрерывном подводе к фронту горения необходимых количеств горючего газа и воздуха, их тщательном перемешивании и нагреве до температуры воспламенения или самовоспламенения (табл. 5).

Воспламенение газовоздушной смеси может быть осуществлено:

Для начала реакции горения газообразного топлива следует затратить определенное количество энергии, необходимой для разрыва молекулярных связей и создания новых.

Химическая формула сгорания газового топлива с указанием всего механизма реакции, связанного с возникновением и исчезновением большого количества свободных атомов, радикалов и других активных частиц, сложна. Поэтому для упрощения пользуются уравнениями, выражающими начальное и конечное состояния реакций горения газа.

Если углеводородные газы обозначить С_mН_n, то уравнение химической реакции горения этих газов в кислороде примет вид

В соответствии с формулой выводятся уравнения горения газов:

В практических условиях сжигания газа кислород берется не в чистом виде, а входит в состав воздуха. Так как воздух состоит по объему на 79 % из азота и на 21 % из кислорода, то на каждый объем кислорода требуется 100: 21 = 4,76 объема воздуха или 79: 21 = = 3,76 объема азота. Тогда реакцию горения метана в воздухе можно записать следующим образом:

Из уравнения видно, что для сжигания 1 м 3 метана требуется 1 м 3 кислорода и 7,52 м 3 азота или 2 + 7,52 = 9,52 м 3 воздуха.

В результате сгорания 1 м 3 метана получается 1 м 3 диоксида углерода, 2 м 3 водяных паров и 7,52 м 3 азота. В таблице ниже приведены эти данные для наиболее распространенных горючих газов.

Для процесса горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы количество газа и воздуха в газовоздушной смеси было в определенных пределах. Эти пределы называются пределами воспламеняемости или пределами взрываемости. Различают нижний и верхний пределы воспламеняемости. Минимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выраженное в объемных процентах, при котором происходит воспламенение, называется нижним пределом воспламеняемости. Максимальное содержание газа в газовоздушной смеси, выше которого смесь не воспламеняется без подвода дополнительной теплоты, называется верхним пределом воспламеняемости.

Источник

2. СЖИГАНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

2.1. Подготовка газообразного топлива к сжиганию

Горючий газ (природный или искусственный) по своему фазовому состоянию наиболее подготовлен к сжиганию.

Доставляется газ к потребителю либо в сжиженном состоянии водным, железнодорожным или автомобильным транспортом, либо в газообразном по трубопроводу. Последний способ транспортировки является самым дешевым. Для увеличения количества перекачиваемого по трубопроводу газа требуется

повышение его давления. При этом требуемое давление газа перед горелочными устройствами может быть меньше, чем в транспортном газопроводе. Для приведения давления газа к паспортным значениям горелочных устройств применяют редуцирующие устройства: газорегуляторные пункты (ГРП) или газорегуляторные установки (ГРУ).

Значение температуры газа перед горелочным устройством также определено паспортом последнего. При подземной прокладке транспортных газопроводов температура газа постоянна, что удобно при автоматическом регулировании процесса горения. При наземной прокладке газопроводов температура газа имеет сезонные колебания, поэтому приходится прибегать либо к сезонной настройке регуляторов горения, либо к ручному регулированию горения с использованием сезонных режимных графиков.

Перед подачей газа в транспортные магистрали он осушается до значения, примерно, 10 г H 2 O в 1 м 3 газа. Водяные пары, содержащиеся в газе, при определенных условиях способствуют образованию гидратов, а при конденсации их и низких температурах образуются ледяные пробки. Поэтому перед сжиганием газов иногда требуется организовать их сушку или использовать регуляторные станции для сепарации влаги.

Если на предприятии используется низкоили высококалорийный газ, не соответствующий по теплоте сгорания установленным горелочным устройствам, то для подготовки газа необходимого качества производится смешение газов с различной теплотой сгорания.

Возможность использования установленных горелочных устройств для сжигания любого газа оценивается предварительно. В отечественной практике возможность взаимозаменяемости горючих газов в основном определяется расчетом с последующей реконструкцией и стендовыми исследованиями опытных образцов горелок. Это трудоемкий способ. В мировой практике оценка возможной взаимозаменяемости газов производится следующими способами:

1) экспериментально, путем сжигания газа в опытных эталонных горелках (Отто, Сако-Шака, Газ де Франс и др.), сравнивают характеристики пламени различных сжигаемых газов и оценивают влияние свойств этих газов на горение;

2) аналитически, путем определения и сопоставления шести критериев взаимозаменяемости: теплопроизводительности (число Воббе); уровней рабочих дав-

лений; пределов отрыва пламени; пределов проскока пламени; образования продуктов химического и механического недожогов. Иногда число Воббе включается в руководящие указания как самостоятельный показатель взаимозаменяемости газов. Определяют число Воббе из выражения:

= const ). С помощью числа Воббе удобно контроли-

ровать комплексное влияние теплоты сгорания и плотности газа на теплопроизводительность горелки (Приложение 1); 3) графически, при помощи диаграммы заменяемости Дельбурга, построенной

для большого количества уже исследованных горючих газов.

При переводе первых котлов на газ они либо подключались к газовым регуляторным пунктам бытового назначения, либо к собственным ГРП на такое же давление (р г = 0,002 МПа). На такое же давление проектировались горелки. С ростом мощности котлов, работающих на газе, давление газа повышали. В настоящее время топливоиспользующие установки работают на газе низкого и среднего давлений (промышленные и отопительные котельные) и среднего

(котлы ТЭС). Горелочные устройства спроектированы на соответствующее давление. Обеспечивается постоянное рабочее давление при помощи ГРУ или ГРП.

ГРУ монтируют непосредственно в помещениях, где расположены топливоиспользующие установки. ГРП размещают вне помещения в отдельном здании или в пристройке, в шкафах, закрепленных на стене снаружи помещения или на отдельной опоре, на несгораемой крыше помещения (например, здании котельной). Кроме поддержания давления газа в ГРУ и ГРП производятся: очистка газа и снижение его давления, контроль за входным и выходным давлением и температурой газа; учет расхода; предохранение от возможного повышения или понижения давления сверх допустимых значений. Основное оборудование ГРУ и ГРП: регулятор давления; предохранительный запорный клапан (ПЗК); предохранительный сбросной клапан (ПСК); фильтр; контрольноизмерительные приборы (КИП); импульсные трубопроводы, по которым подаются импульсы давления газа к регулятору, ПЗК, ПСК и КИП; сбросные трубопроводы, по которым газ отводится в атмосферу от ПСК, продувочных линий и т.п.; запорные устройства (задвижки, краны); обводной газопровод (байпас) для подачи газа к потребителю при ремонте основного оборудования ГРП (ГРУ).

ГРП (ГРУ) могут иметь две и более линий с установкой на них всего комплекта перечисленного оборудования. Прокладка всех газопроводов в пределах ГРП и до котлов выполняется наземной. Подвод газа от ГРП к коллектору котельного отделения (вне здания) производится по одной нитке. Принципиальная схема ГРП (ГРУ) с учетом расхода газа при помощи устройства «диа- фрагма-дифманометр» представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная схема ГРП (ГРУ):

Газовое хозяйство. На ТЭС природный газ поступает по одному магистральному газопроводу диаметром до 2м. Газохранилище для природного газа на ТЭС не сооружают. На рис. 2.2. приведена схема снабжения ТЭС природным газом.

Газ после газорегуляторной станции (ГРП) поступает в два общих газопровода (на рисунке показан один из них), каждый из которых обеспечивает 70% максимального расхода. К котельным установкам газ подводится газопроводами, ответвляющимися от общего газопровода. На линии подачи газа к котельной установке установлены устройства для регулирования и измерения расхода газа. Газовые линии продувают из тупиковых участков через свечи, выведенные за пределы здания в места, недоступные для пребывания людей. Через эти свечи удаляют воздух перед растопкой котлов и газ при остановке котлов. Газопроводы устанавливают с уклоном для удаления через конденсатоотводчики скапливающейся влаги.

Рис. 2.2. Схема газоснабжения ТЭС:

Схема газоснабжения котельной приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема газопроводов котельной и обвязочных газопроводов котельной установки:

Она применяется для газопроводов низкого и среднего давления, но после ГРП. Если в котельной предусмотрена установка ГРУ, то последняя монтируется в схему между задвижкой 23 и измерителем расхода 20. На этом же рисунке показана упрощенная схема обвязки газопроводами среднего давления котельной установки. В качестве отключающих устройств здесь использованы краны. Практика показывает, что по надежности отключения краны эффективнее задвижек, т.к. неплотности задвижек приводят к утечкам газа в топку, причем обнаружить их без специальных приборов невозможно, утечки же из кранов попадают в помещение котельной, и их легко обнаружить по запаху. В предложенной схеме обвязки перед каждой горелкой установлено по одному рабочему крану, а контрольный кран и трубопровод безопасности предназначены для котельной установки в целом.

Следует отметить, что схемы обвязочных газопроводов имеют много вариантов и зависят от типа горелочных устройств, вида применяемой автоматики и количества зон регулирования, типа отключающих устройств и давления

газа. Эксплуатация газового хозяйства ведется на основе «Правил безопасности в газовом хозяйстве» [9].

Максимальная глубина внедрения газовых струй в воздушный поток выбирается с учетом экономичности сжигания и исключения перегрева и обгорания элементов горелки и амбразуры. Качество смесеобразования обеспечивается равномерностью раздачи газа через трубки (отверстия). Для этого глубина проникновения, газовых струй должна быть различной, как это показано на рис. 2.4, а распределение газа по слоям должно соответствовать расходу воздуха в этих слоях.

Рис. 2.4. Схема развития газовых струй в воздушном потоке

При расчете глубины внедрения газовых струй в воздушный поток в зависимости от типа горелочного устройства рассматриваются следующие случаи.

1. Струя газа проникает в поперечно движущийся неограниченный плоскопараллельный поток:

Источник

С НИЗКОЙ И ВЫСОКОЙ ТЕПЛОТОЙ СГОРАНИЯ

В топочную камеру газ и окислитель подаются через горелки. Назначением горелки, кроме ввода в топку необходимых для достижения заданной производительности агрегата количеств газа и окислителя, является организация смесеобразование и создания у ее устья устойчивого фронта воспламенения для зажигания выходящей из горелки газовой смеси.

Для сжигания газов применяется большое число различных типов горелок, отличающихся как по принципу работы, так и по конструктивному оформлению.

По способу организации перемешивания компонентов горения можно разделить:

– без предварительного смешения;

– с полным предварительным смешением;

– с неполным предварительным смешением.

По способу подачи воздуха:

– с принудительной подачей воздуха ( прямоточные, вихревые );

– подача воздуха путем эжектирования его газовой струей.

По способу регулирования крутки потока применяют:

– горелки с изменением сечения входного патрубка;

– горелки с изменением живого сечения лопаточных завихрителей, с изменением угла наклона лопаток, с перепуском части воздушного потока мимо завихрителей.

– горелки низкого давления (перепад давления в горелке до 500 Па);

– среднего давления (до критического перепада давлений);

– высокого давления (сверхкритического перепада давлений).

По скорости истечения:

– горелки с низкой скоростью истечения (около 5 м/с);

– средней скоростью истечения (около 20 м/с);

– высокой скоростью истечения (около 100 м/с).

Для котлов малой производительности, а также для отопительных установок, находят применение однопроводные инжекционные горелки (атмосферные горелки) частичного и полного смешения. Инжекционные горелки, работающие на газе среднего давления, обеспечивают полное перемешивание газа и воздуха в смесителе и сжигание газа при небольших избытках воздуха. Недостатками таких горелок являются значительные их размеры и шум при работе.

Конструктивные особенности горелок зависит от характеристики сжигаемого газа (теплота сгорания, запыленность и др.) и располагаемых давлений газа и воздуха. Важным показателем, влияющим на предварительное смесеобразование и оформление горелки, является соотношение количества сжигаемого газа и необходимого для этого окислителя. Так, на 1 м 3 доменного газа с низкой теплотой сгорания при a_Т=1,05 требуется около 0,8 м 3 холодного или 1,6 м 3 горячего воздуха (t_в»270 0 С), а на 1 м 3 природного газа — 9,81 м 3 холодного или около 20 м 3 горячего воздуха.

7.1 Сжигание газообразного топлива с низкой теплотой сгорания

При сжигании доменного газа, как это было указано, газ и воздух поступают в горелку в соизмеримых количествах, этим облегчается организация смесеобразования. На практике при сжигании доменного газа нашли применение в основном факельные горелки.

На рис.7.1 показана диффузионная факельная горелка с послойной подачей доменного газа и воздуха.

Доменный газ является буферным топливом. Это означает, что в зависимости от режима работы технологических установок газ направляется для сжигания только тогда, когда он имеется в избытке.

7.2 Сжигание газообразного топлива с высокой теплотой сгорания

Характерной особенностью сжигания газов с высокой теплотой сгорания, является необходимость смешения больших объемов окисления с малым количеством газа.

Сжигание хорошо предварительно перемешанной смеси газа с высокой теплотой сгорания и воздуха затруднений не представляет. Этапом, определяющим интенсивность горения, является период смешения газа и воздуха. Интенсификация процесса смешения обеспечивается подачей газа тонкими струйками с большой скоростью (около 100 м/с) в массу воздуха, подаваемого со скоростью 15-40 м/с.

На рис.7.3а, газ поступает в центральную трубу и выходит в камеру смешения через ряд мелких отверстий. В другой горелке (рис.7.3б) газ из двух газоподводящих трубок выходит со скоростью 50 м/с через большое количество мелких отверстий, пересекая воздушный поток.

От условий смесеобразования газа и воздуха при сжигании газообразного топлива можно получить продукты сгорания с различной степенью светимости. Улучшение процесса смешения приводит к интенсификации горения топлива, повышению эффективной температуры факела, при этом факел имеет малую светимость. Ухудшение смесеобразования замедляет горение и приводит к сажеобразованию, в связи с чем повышается светимость факела, снижается его температура. Применяют газовые горелки специальной конструкции, позволяющие изменять светимость факела. Изменение температурных характеристик по высоте топки может быть достигнуто применением реверсивных горелок, позволяющих изменять направления вращения газового потока.

а — при сжигании газа или газа совместно с жидким топливом;

б —при сжига­нии газа и угольной пыли.

вид со стороны выхода газа и воздуха из горелки).

9 СЖИГАНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА. СЛОЕВОЕ СЖИГАНИЕ.

КОНСТРУКЦИИ ТОПОК С НЕПОДВИЖНЫМИ РЕШЕТКАМИ

9.1 Классификация слоевых топок

Слоевые топки предназначены для сжигания твердого кускового топлива. Широкое распространение для котлов малой и средней мощности нашли топки с плотным слоем.

– пригодны для различных сортов топлив, просты в эксплуатации;

– могут работать со значительными колебаниями тепловой нагрузки;

– относительно небольшой расход энергии на собственные нужды;

– не требуют дорогостоящих пылеприготовительных устройств;

– не требуют больших объемов топки.

– ограниченная производительность котла вследствие значительного времени сгорания крупных частиц топлива.

Обслуживание топки, в которой топливо сжигается в слое, включает следующие операции:

– подачу топлива в топку;

– перемещение кусочков топлива относительно друг друга и колосниковой решетки (шурование слоя);

– удаление из топки шлака.

В зависимости от степени механизации указанных операций топочные устройства можно разделить на:

– немеханизированные (все три операции выполняются вручную);

– полумеханические (механизированы одна или две операции);

– механические (механизированы все три операции).

По режиму подачи топлива в плотный слой различают топочные устройства с периодической и непрерывной загрузкой топлива. Характер подачи топлива в топку оказывает решающее влияние на показатели работы топочного устройства.

По организации тепловой подготовки и воспламенения топлива в слое различают топки с нижним, верхним и смешанным воспламенением.

По способу смесеобразования топлива и воздуха в слое различают следующие схемы, отличающиеся друг от друга сочетанием направлений газовоздушного и топливно – шлакового потоков:

Эффективность и производительность слоевых топочных устройств зависят от рациональной организации тепловой подготовки топлива, его зажигания и горения.

9.2 Характеристика процессов горения твердого топлива в плотном слое

В верхней части слоя после загрузки находится свежее топливо. Под ним располагается горящий кокс, а непосредственно под решеткой – шлак. Указанные зоны слоя частично перекрывают друг друга. По мере выгорания топливо постепенно проходит все зоны. В первый период после поступления свежего топлива на горящий кокс происходит его тепловая подготовка, на что затрачивается часть выделяющейся в слое теплоты.

Образующийся при горении топлива шлак капельками стекает с раскаленных кусочков кокса навстречу воздуху. Постепенно шлак охлаждается и уже в твердом состоянии достигает колосниковой решетки, откуда он удаляется. Шлак, лежащий на решетке, защищает ее от перегрева, подогревает и равномерно распределяет воздух по слою.

Воздух, проходящий через решетку и поступающий в слой топлива, называется первичным. Если первичного воздуха для полного горения топлива не хватает и над слоем имеются продукты неполного горения, то дополнительно подают воздух в надслойное пространство. Такой воздух называют вторичным.

Первичные химические реакции между топливом и окислителем происходит в зоне раскаленного кокса.

В начале слоя, в кислородной зоне (к), в которой происходит интенсивное расходование кислорода, одновременно образуется оксид и диоксид углерода СО₂ и СО. К концу кислородной зоны концентрация О₂ снижается до 1 – 2%, а концентрация СО₂ достигает своего максимума. Температура слоя в кислородной зоне резко возрастает, имея максимум там, где устанавливается наибольшая концентрация СО₂.

В восстановительной зоне (В) кислород практически отсутствует. Диоксид углерода взаимодействует с раскаленным углеродом с образованием оксида углерода :

По высоте восстановительной зоны содержание СО₂ в газе уменьшается, а СО – соответственно увеличивается.

Соотношение СО / СО₂ зависит от температуры, которая в свою очередь зависит от концентрации окислителя, а также от степени подогрева воздуха.

Толщины кислородной и восстановительной зон зависят в основном от типа и размера кусков горящего топлива и температурного режима. С увеличением реакционной способности топлива, а также при уменьшении его зольности толщина зон сокращается.

Толщина кислородной зоны зависит от крупности топлива, то есть чем больше размер кусков, тем более толстым должен быть слой. Необходимая толщина слоя топлива зависит также и от его влажности. Чем больше влажность топлива, тем больше должен быть запас горящей массы в слое, чтобы обеспечить устойчивое восполнение и горение свежей порции топлива.

9.3 Немеханизированные и полумеханические топки для сжигания

твердого топлива в плотном слое

Простейшим немеханизированным топочным устройством, является топка с ручной периодической подачей топлива на колосниковую решетку. Колосниковая решетка поддерживает сжигаемое топливо и одновременно служит для распределения воздуха, поступающего через нее в слой. Решетка набирается из отдельных чугунных балочных или плиточных колосников.

Отношение площади всех зазоров R в колосниковой решетке, через которые поступает в слой воздух, ко всей площади решетки называют живым сечением решетки. Необходимый размер живого сечения решетки зависит от рода сжигаемого топлива и крупности кусков:

антрацит и бурый уголь F_cd =12 – 18 %.

Характерными особенностями тепловой работы топки с ручным обслуживанием является периодическая подача топлива и в связи с этим цикличность процесса горения. Периодическая загрузка топлива на решетку определяет ряд недостатков такой топки:

– чередование по времени фаз горения топлива;

– эксплуатация топки, связанная с тяжелым ручным трудом.

Учитывая серьезные недостатки ручных топок, их повсеместно заменяют полумеханизированными или полностью механизированными топочными устройствами.

Частичная механизация ручной топки может быть достигнута установкой поворотных или качающихся колосников.

Облегчения труда, а также улучшения условий работы слоя достигают механизацией загрузки топлива на решетку с применением различных забрасывателей. Используемые на практике забрасыватели топлива подразделяют на механические, пневматические (паровые) и пневмомеханические.

Механический забрасыватель (рис.11.а) подачу топлива на решетку осуществляет непрерывно вращающимся (550 – 800 об/мин) лопастным метателем, к которому топливо поступает из дозирующего устройства.

В пневматическом забрасывателе (рис.12,б) топливо с разгонной плиты сдувается на решетку воздухом ( паром ), выходящим из сопл круглой или щелевидной формы.

Механические забрасыватели подают более крупные куски топлива на заднюю половину решетки, а более мелкие- на переднюю. Пневматические забрасыватели, наоборот, загружают более крупное топливо ближе к фронту топки, а более мелкое – в заднюю ее часть.

В пневматическом забрасывателе (рис.12,в) сочетают механическое и пневматическое воздействие на кусочки топлива. Воздух здесь способствует более равномерному распределению мелочи по длине решетки.

Механизация подачи топлива и очистки слоя от шлака позволяет значительно уменьшить затрату физического труда и повысить экономичность топочного устройства. Топка относится к факельно–слоевым устройствам с неподвижной горизонтальной колосниковой решеткой, непрерывным забросом топлива на неподвижный горящий слой и периодическим удалением шлака.

Интенсивность выгорания топлива в слое зависит от скорости подвода окислителя. Для обычных слоевых топок пределом дутьевой форсунки слоя является нарушение его устойчивости. При более высокой скорости воздуха мелкие частицы начинают выноситься из слоя. В местах выноса сопротивления слоя падает. Чрезмерное повышение расхода воздуха через слой приводит к расстройству процесса горения.

1 — дозирующее устройство; 2 — метатель; 3 — разгонная плита;

10 КОНСТРУКЦИИ СЛОЕВЫХ ТОПОК С ЦЕПНЫМИ РЕШЕТКАМИ.

ТОПКИ С «КИПЯЩИМ» СЛОЕМ

В механической топке с чешуйчатой цепной решеткой прямого хода (рис.10,а) полотно решетки 1 состоит из отдельных колосников, укрепленных на бесконечных шарнирных цепях, надетых на две пары звездочек 2. Скорость движения решетки можно измерять в широких пределах (1–18 м/с). Топливо из загрузочного ящика 3 поступает на движущуюся решетку. Толщину слоя топлива устанавливают шибером 4, который может перемещаться по вертикали. Воздух для горения подводится под решетку. По мере продвижения решетки топливо выгорает. Образующийся шлак сбрасывается с решетки шлакоснимателем 5 в шлаковый бункер 6.

Секционное дутье. Процесс горения в топке с цепной решеткой в отличие от топки с периодической загрузкой топлива протекает непрерывно. По длине решетки процесс горения разделяется на следующие этапы:

– подготовка топлива (прогрев, подсушка, выделение летучих);

– горение кокса и летучих;

– выжиг ( догорание топлива ) и удаление шлака.

Так как для различных этапов горения требуется различное количество воздуха, применяют позонное (секционное) дутье. На рис.10.2 кривая 1 характеризует потребное количество воздуха для горения топлива по длине решетки прямого хода. При отсутствии позонного дутья поступление воздуха в топку характеризуется штриховой линией 2, а при секционном дутье – ломаной линией 3. Через последнюю, шлаковую зону, имеющую слой малой толщины, воздух подают в большем количестве, чем это необходимо для догорания топлива, чтобы обеспечить охлаждение шлака и решетки. Позонное дутье улучшает горение топлива, одновременно снижается и потеря теплоты с уходящими газами в связи с понижением общего для всей топки коэффициента избытка воздуха.

Зажигание слоя. Особенностью горения топлива в топке с цепной решеткой прямого хода является одностороннее верхнее его зажигание, т.к. свежее топливо из загрузочного ящика ложится на относительно холодные колосники. В данном случае получается схема поперечного движения топливного и газовоздушных потоков. Основным источником теплоты является излучение газов из топочного объема. Скорость распространения в слое горения направлена поперечно движению слоя.

Зажигание топлива от непосредственного его соприкосновения с горящими частицами играет небольшую роль в общем процессе воспламенения топлива. Скорость распространения горения от непосредственного контакта частиц составляет всего 0,2–0,5 м/ч, в то время как перемещение слоя вместе с решеткой имеет скорость, в десятки раз большую. В связи с указанной особенностью прогрева и воспламенения топлива при сжигании малореакционных и влажных топлив значительная часть цепной решетки может оказаться занятой предварительной подготовкой топлива.

Для интенсификации зажигания антрацита –топлива с малым выходом летучих применяют топочную камеру с сильно развитым и низко расположенным задним сводом, благодаря чему горячие газы, образующиеся в зоне наиболее активного горения, направляются к начальному участку слоя, способствуя зажиганию свежего топлива. Свод выполняют из кирпича, раскаляющегося во время работы, что способствует более полному выгоранию горючих из шлака.

При сжигании кускового торфа, имеющего значительную влажность (W Р = 40÷50% ), для интенсификации подготовительных этапов применяют специальные предтопки. Торф подается в кирпичную шахту – предтопок, где частично подсушивается и затем поступает на цепную решетку.

Характерной особенностью горения топлива в топке с цепной решеткой обратного хода является нижнее неограниченное зажигание топлива. Топливо подается на решетку при помощи пневмомеханических забрасывателей.

«Острое дутье» в слоевых топках. Газы, выходящие из горящего на цепной решетке слоя топлива, наряду с инертными продуктами полного горения содержат горючие составляющие, а также кислород.

Во избежание значительных потерь теплоты от химического недожога продукты горения, содержащие горючие компоненты и кислород, необходимо в топочной камере хорошо перемешать для завершения горения. Эффективным способом интенсификации процесса перемешивания газов в топке является применение «острого дутья», т.е. ввод в топочную камеру относительно тонких струй воздуха с большой скоростью 50÷70 м/с для перемешивания продуктов сгорания. Расход воздуха на острое (вторичное) дутье составляет 5÷10 % общего количества воздуха.

Выжиг и удаление шлака. Для уменьшения потери химически связанной теплоты догорающего топлива необходимо всемерно интенсифицировать его выжег на шлаковом участке решетки. Эффективными в этом отношении являются низко расположенные горячие кирпичные своды. При налаженном процессе горения на решетке должно полностью заканчиваться примерно на расстоянии 0,3÷0,5м от места сброса шлака с решетки. В месте схода шлака устанавливают шлакосниматель, который несколько замедляет движение шлака, способствуя его выжигу, а также защищает решетку от оголения.

Применение горячего дутьевого воздуха способствует интенсификации горения топлива в слое. Предел подогрева воздуха лимитируется условиями работы решетки. При сжигании на решетке антрацита – топлива с малым выходом летучих, для которого тепловыделение происходит в основном в слое, подогрев воздуха применяют до 150÷170 °С. При сжигании топлив с большим выходом летучих, для которых тепловыделение в значительной степени переносится в топочный объем, применяют воздух, подогретый до 200÷250 °С.

Топки с кипящим слоем. Эффективное сжигание твердого мелкозернистого топлива (0÷20 мм) может быть достигнуто при использовании принципа кипящего (псевдосжиженного) слоя. Кипящий слой характеризуется скоростью первичного воздуха, превышающий предел устойчивости плотного слоя, но далеко не достигающей скорости витания средних частиц. При этих условиях все частицы в слое интенсивно перемешиваются, двигаясь колебательно вверх и вниз, причем в целом слой имеет относительно четкую верхнюю границу. Для кипящего слоя твердого топлива характерны повышенная его концентрация в объеме камеры горения, а также повышенная относительная скорость в слое, что создает благоприятные условия для скоростного горения топлива. В отличие от плотного (неподвижного) слоя, аэродинамическое сопротивление которого с увеличением интенсивности дутья возрастает по степенному закону, в кипящем слое сопротивление от этого фактора не зависит.

При малой скорости дутья слой остается неподвижным и работает как фильтрующий. При достижении критической скорости дутья сила давления газового потока в слое становится равной силе тяжести частиц. Слой начинает расширяться, и при дальнейшем увеличении скорости воздуха частицы приходят в движение. Объем слоя увеличивается в 1,2÷1,8 раза в зависимости от интенсивности дутья, формы и размеров частиц. Сопротивление кипящего слоя с изменением интенсивности дутья не изменяется, потому что при этом увеличивается расстояние между частицами, т.е. увеличивается проходное сечение для газа. При дальнейшем увеличении скорости дутья весь слой переходит во взвешенное состояние и может быть вынесен из рабочей камеры.

Для кипящего слоя подобно жидкости характерен линейный закон падения давления по его высоте. Давление (сопротивление) в кипящем слое пропорционально его высоте и плотности «кипящего» материала. В отличие от аэровзвеси, где относительная скорость частиц и газа приближается к нулю, для кипящего слоя в отдельные периоды (при падении частиц) она доходит до нескольких метров в секунду.

Впервые использование принципа кипящего слоя в топочном устройстве было начато в 1944 г. Работами Московского энергетического института.

Характерной отличительной особенностью топок МЭИ является двухступенчатая схема организации процесса горения. В первой ступени топки используется кипящий слой, где проводится интенсивная и глубокая тепловая подготовка топлива: прогрев, подсушка и выделение высокотемпературных горючих газов. Второй ступенью топки является камера дожигaния горючего газа, выдаваемого кипящим слоем, и содержащихся в нем частиц термически подготовленного уноса.

При работе таких топок на АШ в слой подают около трети воздуха, необходимого для полного сгорания топлива. Газообразование в кипящем слое происходит подобно газообразованию в плотном слое, однако кислородная и восстановительная зоны имеют увеличенные толщины. Температуру кипящего слоя поддерживают на уровне, исключающем плавление золы, во избежание шлакования слоя. Это может быть достигнуто установкой в слое охлаждающих поверхностей, рециркуляцией дымовых газов и др.

Более простой схемой является двухступенчатая однократерная схема с размещением второй ступени нeпосредственно под cлоем.

Нижняя часть котла включает:

Преимуществом такой топки является снижение выбросов окислов азота (из-за относительно низкой температуры в слое).

В котлах с кипящим слоем может сжигаться также жидкое и газовое топливо. В этом случае топливо сжигается в слое из инертного материала. В качестве инертного материала используется песок, кирпичная крошка и т.д. За счет повышения коэффициента теплопередачи уменьшаются поверхность теплообмена и габариты котла.

Установки с кипящим слоем могут быть использованы для горения различных топлив.

По действующим нормам слоевые топки целесообразно применять для котлов паропроизводительностью до 10 кг/с (35 т/ч). Для установок большей производительности часто оказывается применение как слоевых, так и камерных топок.

Для сжигания в слое рекомендуются сортированные антрациты (АС и АМ) и полуантрациты, а также грохоченые и рядовые каменные и бурые угли с содержанием мелочи от 0÷6 до 60% с выходом летучих более 20%, кусковой торф, сланец, древесные отходы. Слоевые топки не рекомендуется применять для сжигания антрацитового штыба и рядовых антрацитов, тощих и бурых высоковлажных углей с W П > 3,35%·кг/МДж, отходов углеобогащения и фрезерного торфа. Слоевые топки с ручным обслуживанием допускаются для небольших паровых и водогрейных котлов паропроизводительностью до 0,3 кг/с (1 т/ч).

Для котлов паропроизводительностью до 1,8 кг/с (6,5 т/ч) при сжигании сортированных антрацитов АС и АМ, каменных и бурых углей можно применять топки с неподвижной решеткой с опрокидными колосниками и пневмомеханическим забросом топлива.

Для сжигания кускового торфа в котлах паропроизводительностью до 1,8 кг/с и древесных отходов в котлах паропроизводительностью до 2,8 кг/с рекомендуются простейшие шахтные топки с наклонной неподвижной решеткой, а для агрегатов большей производительности – шахтно-цепные топки с предтопками.

Для выбранного способа сжигания топлива принимают значения

, ,

после чего по расходу B и его теплоте сгорания находят необходимые площадь зеркала горения R и топочный объем V_T .

а — прямого хода; 6— обратного хода.

а — продольный разрез; б — беспровальные колосники;

1 — фронтовой кожух; 2 — передний вал; 3 — угольный ящик; 4 — рама; 5 — колосниковое полотно; 6 — опорный рольганг; 7 —задний вал; 8 — шлакосниматель

а — зависимость сопротивления слоя от скорости дутья;

б — изменение давления по высоте кипящего слоя.

а — топка с тангенциальным подводом вторичного воздуха;

б — топка с турбулентной горелкой; в — топка с циклонной горелкой.

испарительных и пароперегревательных поверхностей в слое

1 — топочная камера; 2 — конусная часть топки; 3 — дутьевая решетка; 4 — дутьевая коробка; 5 — камера дожигания выпавших частиц; 6 — шнек золоудаления; 7 —топливный шнек; 8 — шуровочный вал; 9 — экранные трубы; 10 — коллектор; 11 — барабан; 12 — конвективный пучок; 13 —топливная течка; 14 — фурмы вторичного дутья; 15 — бак с гидрозатвором для золы; 16 — подвод сетевой воды; 17 — подвод первичного дутья; 18 — подвод воздуха в камеру дожигания; 19 — зажигательный пояс.

11 СХЕМЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ.

СЖИГАНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В КАМЕРНЫХ ТОПКАХ КОТЛОВ. СПОСОБЫ ТВЕРДОГО И ЖИДКОГО ШЛАКОУДАЛЕНИЯ

Система пылеприготовления характеризуется приготовлением пыли непосредственно у котельной установки с использованием для сушки топлива и его пневмотранспорта горячего воздуха или продуктов сгорания, образующихся в котле. Различают индивидуальные системы пылеприготовления с 11.1 Основные схемы пылеприготовления

Приготовление угольной пыли из кускового топлива производится в системе специальных устройств, в которых последовательно осуществляются первоначальное грубое дробление топлива на куски размером в несколько десятков миллиметров, сушка и, наконец, его размол до пылевидного состояния с размером частиц в несколько десятков или сотен микрометров. Часто размол и сушку топлива совмещают в одном устройстве.

Крупность топлива после предварительного грубого дробления (в валковых и молотковых дробилках) влияет на последующие этапы его сушки и размола. С увеличением крупности топлива возрастает расход энергии на приготовление пыли, увеличивается износ мелющих органов, а производительность мельницы снижается.

ВТИ и ИДТИ рекомендуют следующие характеристики дробления топлива;

Для влажных топлив в случае замазывания дробильного оборудования максимальный размер куска может быть до 25 мм.

После грубого дробления сырого топлива из него удаляются металлические предметы и щепа, могущие попасть в топливо при добыче и транспортировании.

Для размола топлива применяют центральные и индивидуальные системы пылеприготовления.

Схема центральной системы пылеприготовления показана на рис. 11.1, а. Предварительно подготовленное топливо из бункера сырого дробленого угля поступает в сушилку, далее — в мельницу, а затем в центральный бункер готовой пыли. Пылевым насосом пыль подается в расходные пылевые бункера котлов. Из бункеров пыль поступает в топочную камеру, куда также подается воздух вентилятором.

Положительной особенностью центральной системы пылеприготовления является независимость размольных установок от работы котла. Мельница может работать периодически, но с полной нагрузкой, когда удельный расход электроэнергии на пылеприготовление получается наименьшим. В топку котла подается пыль, подсушенная до заданной влажности. Вместе с тем центральное пылеприготовление (пылезавод) отличается сложностью, высокой начальной стоимостью и значительными эксплуатационными затратами. При такой схеме пылеприготовления вместе с подсушивающим агентом в атмосферу выбрасывается и некоторое количество топлива. Центральная система пылеприготовления применяется сейчас для блоков более 500—800 МВт. Целесообразность ее применения должна решаться на основе технико-экономических соображений.

Индивидуальная системапрямым вдуванием и с промежуточным пылевым бункером.

Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием (рис. 11.1б) отличается жесткой связью мельничного оборудования с котлом. Изменение нагрузки котла требует и изменения режима работы мельничного оборудования. При работе котла со сниженной нагрузкой мельница (если она одна) оказывается недогруженной. В то же время при уменьшении производительности мельничного оборудования снижается и нагрузка котла.

Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным пылевым бункером показана на рис. 11.1(в). В этом случае работа пылеприготовительного оборудования независима от работы котла, что является основным достоинством этой системы пылеприготовления. Наличие промежуточного пылевого бункера повышает надежность установки. Этому способствует также связь мельничных устройств отдельных котлов с помощью пылевых шнеков, позволяющих передавать пыль в случае необходимости от одного котла к другому. В индивидуальной системе пылеприготовления с промежуточным бункером также имеется возможность полностью загружать мельничное оборудование. Мельничный вентилятор находится здесь в значительно более благоприятных условиях в связи с тем, что основная масса пыли через вентилятор не проходит. К недостаткам схемы с промежуточным пылевым бункером относится, в частности, увеличение затрат на оборудование.

Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием находит применение при сжигании высокореакционных бурых и каменных углей, допускающих грубый помол. Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным бункером применяется для мощных котлов при работе на тощих и малореакционных углях, требующих тонкого помола.

11.2 Топки для факельного сжигания угольной пыли с гранулированным

В пылеугольных топках поведение шлакозолового остатка оказывает решающее влияние на производительность, надежность и экономичность топочного устройства. Развитие и совершенствование пылеугольных топок в основном были связаны с решением вопроса улавливания и удаления шлака. В отличие от слоевого сжигания твердого топлива, при котором 80 % золы остается в слое и только незначительная ее часть выносится в объем топочной камеры, а затем уносится газовым потоком в газоходы, при факельном сжигании вся зола проходит через топочный объем. Основная масса золы (85—95 %) уносится вместе с газовым потоком, а меньшая часть (5—15%) выпадает в топочной камере.

Температура пылеугольного факела, особенно его ядра, превышает температуру плавления золы: t_ф>t₃.

В связи с этим при выгорании горючего зола топлива плавится и в виде мельчайших капелек в жидком состоянии перемещается с газообразными продуктами сгорания. Следует подчеркнуть, что частицы топлива, выносимые в небольшом количестве в топочный объем при слоевом сжигании, имеют размер 200÷300 мкм, в то время как при факельном сжигании средний размер частиц составляет 15÷30 мкм. Поступление в топочный объем всего количества золы топлива при пылесжигании и малый размер самих пылинок предопределяют большую суммарную поверхность оплавленных частиц золы. Расплавленный шлак, попадая на кирпичные стенки топочной камеры, зашлаковывает их и способствует их износу. При попадании на холодные конвективные поверхности нагрева котла расплавленный шлак оседает на трубах, постепенно образуя шлаковые наросты. При этом резко возрастает сопротивление газового потока, а также ухудшается передача теплоты поверхностям нагрева.

Пылеугольные топки, в которых выпадающая зола удаляется в твердом (гранулированном) виде, называют топками с твердым шлакоудалением (рис. 11.2).

Для охлаждения оседающих в топке жидких шлаковых частиц нижнюю часть топки выполняют в виде холодной шлаковой воронки, имеющей сплошное экранирование стен.

Наклон стенок воронки к горизонту составляет около 60° для обеспечения сползания гранулированного шлака в шлаковую шахту. Последняя находится под холодной воронкой.

Серьезнымнедостатком пылеугольных топок с твердым шлакоудалением является вынос из топочной камеры в газоходы агрегата основной массы золы топлива. Последнее определяет невозможность сколько-нибудь значительной интенсификации конвективной передачи теплоты во избежание истирания труб золой при увеличении скорости потока. При твердом шлакоудалении холодная воронка неблагопрятно влияет на процесс горения, так как зона низкой температуры оказывается при этом в непосредственной близости от горелок. В связи с этим стремятся отдалить горелки от холодной воронки, что приводит к увеличению высоты топки. Повышение температуры в области холодной воронки может привести к получению не гранулированного (сыпучего) шлака, а вязкой массы, что вызовет шлакование холодной воронки.

При значительном экранировании топочной камеры воспламенение топлива вообще затрудняется; особенно это относится к малореакционным углям типа АШ. Для интенсификации зажигания, а также повышения устойчивости горения малореакционных углей применяют зажигательный пояс, представляющий собой часть топочных экранов, утепленную огнеупорным покрытием в области горелок (рис. 11.3). Применяют два типа зажигательных поясов: покрытие гладких экранных труб фасонными кирпичами (рис. 11.3, а) и обмазку ошипованных труб огнеупорной карборундовой или хромитовой массой (рис. 11.3,6).

При фронтальном расположении горелок зажигательный пояс располагают обычно на фронтальной и боковых стенках. При встречном и угловом расположении зажигательный пояс размещается по всему периметру топки. Высота пояса зависит от производительности котла и доходит до 3—4 м.

Для более полного выгорания пыли в хвостовой части факела необходимо иметь высокую температуру. Это особенно важно при сжигании малореакционных углей, для которых здесь требуется температура порядка 1250÷1300 °С. Такое требование, однако, всегда приходит в противоречие с необходимостью охладить газы в топочной камере до температуры, исключающей шлакование конвективных поверхностей нагрева. Это противоречие, так же как и ряд других недостатков, присущих топкам с твердым шлакоудалением, устраняется при переходе на жидкое шлакоудаление.

11.3 Топки для факельного сжигания угольной пыли с жидким

В топках с жидким шлакоудалением температуру в нижней части топочной камеры поддерживают такой, чтобы обеспечить не только полное расплавление шлаков, но и надежное удаление их в жидком виде из топки. Схемы пылеугольных факельных топок с жидким шлакоудалением показаны на рис. 11.4.

В однокамерной открытой топке (рис. 11.4, а) пылевидное топливо через горелку поступает в камеру, стенки которой покрыты ошипованными футерованными экранными трубами. В связи с этим в камере при горении топлива развивается достаточно высокая температура, обеспечивающая плавление шлака. Расплавленный и уловленный здесь шлак через летку стекает в ванну (на рисунке не показана), где гранулируется водой и затем удаляется.

В камере охлаждения, имеющей открытые экранные поверхности и являющейся непосредственным продолжением камеры плавления, происходит охлаждение газа и содержащегося в нем расплавленного шлакового уноса. На выходе из камеры охлаждения при поступлении в последующие конвективные поверхности унос золы должен быть в твердом состоянии и иметь температуру, исключающую его налипание на поверхности нагрева.

В отличие от топок с твердым золоудалением, где в топочной камере оседает около 5% золы, а остальная зола уносится газообразными продуктами горения, в однокамерной открытой топке с жидким шлакоудалением улавливается и удаляется 15—30 % общего количества золы. Следует, однако, отметить, что для такой открытой топки в области перехода от «горячей» к «холодной» зоне, где температура снижается и шлак теряет текучесть, наблюдается интенсивное шлакование экранных поверхностей нагрева. Это усложняет эксплуатацию и снижает эффективность поверхностей нагрева.

В двухкамерной топке с жидким шлакоудалением (рис. 11.4, в) камера горения топлива с жидким шлаком и камера охлаждения разделены шлакосепарационной решеткой, выполненной из разведенных ошипованных экранных труб, имеющих огнеупорную обмазку. Основное количество расплавленного шлака улавливается в камере горения. Дополнительно уловленный в шлакосепараторе шлак стекает на подину топки, откуда через летку шлак поступает в водяную ванну для грануляции. В двухкамерной топке улавливается до 70 % всей золы. Еще большего улавливания золы (80÷95%) в пределах топочной камеры достигают при применении рассматриваемых ниже циклонных топок.

Улавливание значительного количества золы в пределах топочной камеры уменьшает загрязнение поверхностей нагрева, а также их износ летучей золой. При этом возможно повышение скорости дымовых газов, что интенсифицирует передачу теплоты конвективным поверхностям нагрева. При жидком шлакоудалении благодаря высокой температуре в топочной камере снижаются потери теплоты от механического недожога q_м.н. Так, при сжигании АШ, при переходе от твердого шлакоудаления к жидкому потери теплоты от механического недожога снижаются с 6÷7 до 3-4 %.

К недостаткам топок с жидким шлакоудалением можно отнести повышенные потери с физической теплотой шлака. При многозольном топливе эти потери могут достигать 2÷3 %. Однако следует отметить, что теплота жидких шлаков и сами шлаки могут использоваться для различных технологических процессов.

Топки с жидким шлакоудалением применяют для низкореакционных топлив, имеющих благоприятные температурные и вязкостные характеристики золы и шлака, и топлив с относительно легкоплавкой золой.

Источник