Процесс горения

Главная » Статьи »  Процесс горения

Процесс горения

Если горючие элементы, находящиеся в топливе, сгорают полностью, т. е. после реакции горения углерода получается С02, водорода - Н20 и серы - S02, то отходящие из топки газы в своем составе не будут иметь горючих элементов. Однако при неумелом конструировании топки или при неправильном ее обслуживании можно в результате реакции сгорания получить и горючие газообразные вещества; это указывает, что не вся химическая энергия выделилась в процесс горения, часть ее еще осталась в отходящих газах, и, следовательно, в дымовую трубу попадут не только газы полного сгорания, но и такие, которые еще могли бы сгореть и выделить тепло.

Конечно, подобная работа топки нежелательна, надо стараться полнее использовать химическую энергию топлива, а не выбрасывать ее частично в окружающую атмосферу. В дальнейшем будут рассмотрены причины, вызывающие потери от этой так называемой химической неполноты сгорания. В отличие от химической имеется еще механическая неполнота сгорания, происходящая вследствие того, что часть мелких частичек топлива проваливается в поддувало через щели колосниковой решетки (провал), а также выносится из слоя, осаждаясь затем в газоходах или вместе с отходящими газами рассеиваясь в окружающую среду (унос). При чистке топки от золы и шлаков неминуемо вместе со шлаками выбрасывается и некоторое количество горючего, составляя третью разновидность потери от механиче-ского недожога - потери в шлаках. При чистке топки шлаки вы-брасываются с высокой температурой, создавая дополнительную потерю с физическим теплом шлаков.

Чтобы ярче обрисовать картину сжигания топлива в топке, следует выделить основные факторы, опуская второстепенные, поэтому при рассмотрении процесс горения считается, что н а колосниках горит кокс топлива, а в топочном пространстве - горючие летучие вещества, хотя часть летучих, выделяясь, горит и в самом слое, а кокса -в топочной камере.

В топочном пространстве сгорают горючие летучие вещества, и в нем для возможности нормального развития процесса горения обеспечивается температура порядка 1000°. Важно, чтобы каждая молекула газа, выходя из куска топлива, загораясь и двигаясь к котлу, смогла бы сгореть до момента ее соприкосновения с относительно холодной стенкой котла. В противном случае получаются охлаждение и затухание конца пламени, соприкасающегося с котлом, часть горючих не сгорит и улетит в трубу, создавая потерю от химической неполноты сгорания, в состав которой могут входить различные углеводороды, водород и окись углерода.

Таким образом, молекула газа, увлекаемая тягой, летит и в то же время горит. Процесс горения требует время; следовательно, надо установить определенной длины путь от слоя до стенки котла. Этот путь в свою очередь обусловит некоторый объем топочного пространства, необходимый для полного сгорания. Сложность теоретических подсчетов скоростей горения различных по своему составу газов, выделяемых при накаливании кускового топлива и сгорающих в топочном пространстве, пока не позволяет расчетным путем решить вопрос о выборе должного объема топочного пространства Обыкновенно для различных по своему составу топлив, а также и применительно к определенным системам топок экспериментально выясняется допустимое тепловое напряжение объема топочного пространства. Имея подробный цифровой материал, им уже в дальнейшем пользуются при проектировании однотипных топок.

Тепловое напряжение объема топочного пространства выражается зависимостью

Q/Vt тыс ккал/м3час

где Q = BQрн - количество тепла, выделяющееся при сжигании В кг/час топлива с теплотворной способностью его рабочего состава Qрн ккал/кг;

Vт - объем топочного пространства в м3.

Для рассматриваемою случая сжигания топлива на колосниковой решетке объемом топочного пространства следует считать кубатуру, ограничиваемую снизу слоем топлива, сверху - трубами котла и с боков - стенами обмуровки. Но не всегда объем топочного пространства определяется таким образом. Соответствующие указания приводятся при рассмотрении топочных устройств. Значения при которых не получается сколько-нибудь Q/Vt при значительной потери от химической неполноты сгорания, приведены в табл 25. Изменяя числитель этого выражения, т. е изменяя В, одновременно надо соответственно изменить и VT. Таким образом, конфигурация выполненного топочного объема обусловливает предельное сжигание топлива за 1 час.

На колосниковой решетке горит кокс топлива. Тяговые и дутьевые устройства позволяют установить разность давлений под слоем и над слоем топлива, за счет которой воздух будет пронизывать слой.

Горение углерода в слое экспериментально изучалось многими исследователями, отечественными и зарубежными, но результаты исследований до последнего времени получались весьма разноречивыми.

Лауреатом Сталинской премии X И Колодцевым в результате применения очень точной и оригинальной методики экспериментирования изучена картина горения углерода в слое. Основные исследования были проведены при сжигании электродного угля, имеющего в своем составе 98,6% углерода. 

Дополнительно были исследованы условия горения углерода в слоях: подмосковного угля, древесного угля и антрацита. Течение процесса горения по высоте слоя топлива указано на рис. 13, 14, 15. Как это видно из приводимых графиков, качественно характер горения слоя остается неизменным для всех топлив.

Рис. 13, 14, 15

Частицы кислорода воздуха, входя в слой топлива, вступают в реакцию с углеродом с образованием С02 и СО. Количество углекислоты довольно быстро нарастает, достигая максимума, после чего начинает резко увеличиваться количество окиси углерода, а С02 падает. Необходимо отметить, что реакция с образованием СО называется неполным горением, так как тепла выделяется меньше, чем при сгорании в С02. Углерод, сгорая в СО, выделяет лишь 2179 ккал/кг.

Весь процесс горения слоя подразделяется на две зоны: окислительную, в которой имеется свободный кислород, и восстановительную, где происходит реагирование С02 и С по уравнению С02 +С = 2СО.

Эта реакция идет с поглощением тепла.

Детально изучая при различных условиях горение углерода в слое, X. И. Колодцев сделал ряд выводов, которые могут быть использованы в практических условиях при слоевом сжигании твердого топлива.

Главнейшие из этих выводов, освещающие характер горения слоя топлива, следующие:

  1. при увеличении скорости дутья размер кислородной зоны остается неизменным, равным для антрацита примерно 2,5 диаметра, а на древесном и подмосковном углях - порядка 1,5 диаметра частиц сжигаемого топлива;
  2. при заданном режиме процесса максимальное значение температуры в слое соответствует наибольшей концентрации СО2, т. е. относится к концу кислородной зоны;
  3. при нагревании воздуха размеры обеих зон - кислородной и восстановительной - заметно сокращаются.

Режим работы топки при слоевом сжигании топлива может быть двояким.

Можно держать на решетке толстый слой топлива, с тем чтобы захватить и восстановительную зону, тогда через слой не будет проходить избыточный воздух, кислород которого требуется для сжигания горючих летучих веществ в топочном пространстве. В таком случае в топочное пространство приходится вводить вторичный воздух. Необходимо отметить, что в подобном случае перегружается работа топочного пространства, что вызывает необходимость увеличивать его размеры. В слое при отсутствии транзитного воздуха, направляющегося через слой в топочное пространство, развиваются более высокие температуры, вызывающие при сжигании антрацита на простых решетках коробление и перегорание колосников, а также плавление шлака; кочегару приходится выгребать из топки не спекшуюся, а тестообразную массу.

При сжигании высококалорийных топлив на простой решетке следует рекомендовать второй метод сжигания, когда весь требующийся для горения топлива воздух проводится через слой, что облегчает эксплуатационные условия по обслуживанию топки и разгружает работу топочного пространства.

В таком случае толщину слоя нужно ограничивать пределами кислородной зоны примерно на максимальных значениях С02.

Увеличение толщины слоя топлива за пределы указанных максимальных значений С02 будет повышать потерю от химической неполноты сгорания (см. изменение процентов СО на рис. 13, 14, 15).

В практических условиях при эксплуатации топки из-за неровности слоев топлива и шлака в различных пунктах колосниковой решетки, а также вследствие неодинаковых размеров кусков топлива не все частицы кислорода воздуха, идущие по слою, принимают участие в реакции горения. Значительная часть воздуха проходит через слой, не вступая вообще в реакцию; в дальнейшем уже в топочном пространстве кислород этого воздуха, смешавшись с горючими летучими веществами, используется для их сжигания, но все же в отходящих газах всегда имеется свободный кислород даже и при неполноте сгорания, так как для реакции сгорания нужно хорошее взаимное перемешивание горючих газов и воздуха в топочном пространстве, часто практически осуществляемое в недостаточной степени.

Если слой топлива будет тоньше нормального, то хотя неполнота сгорания и уменьшится, но зато сильно увеличится в отходящих газах количество ненужного, избыточного воздуха, так как уже чересчур много частичек кислорода воздуха пройдет через слой, не успев вступить в реакцию. Лишний воздух войдет в топку, нагреется и затем достаточно еще горячим будет выброшен в в дымовую трубу, повышая потерю тепла с отходящими газами. Кроме того, избыточный воздух, увеличивая объем топочных газов, будет снижать их температуру и тем самым тепловую эффективность. Следовательно, и чрезмерно тонкий слой топлива, несмотря на уменьшение неполноты сгорания, также ухудшает тепловую работу топочного устройства. Чем ровнее при правильно выбранной толщине кочегар держит слой топлива, чем равномернее куски этого топлива, чем, наконец, лучше завихривание факела в топочном пространстве, тем меньше пройдет излишнего воздуха, однако работа колосниковой решетки считается очень хорошей, если к воздуху, требующемуся для сжигания, добавляется только 30 % избыточного.

Подыскать правильный размер слоя топлива можно, постепенно увеличивая его толщину, снижая тем самым количество ненужного и вредного излишнего воздуха; но это можно делать только до известного предела, иначе в топочном пространстве не смогут выгореть все продукты неполного сгорания, что будет вызывать потерю тепла от неполноты сгорания.

Поэтому хорошо работающая топка должна характеризоваться минимально возможным избытком воздуха при одновременном полном сгорании.

Таким образом, правильно выбранная толщина слоя топлива и соответственно развитый объем топочного пространства гарантируют хорошее качество процесса горения. При изменении количества сжигаемого в единицу времени топлива следует, пользуясь приспособлениями, увеличивающими или уменьшающими тягу или дутье под решетку, подавать втопку болыше или меныше воздуха, причем слой топлива в соответствии с выводами X. И. Колодцева должен оставаться неизменным пов ысоте.