Горение топлива - это процесс окисления горючих компонентов, происходящий при высоких температурах и сопровождающийся выделением тепла. Характер горения определяется множеством факторов, в том числе способом сжигания, конструкцией топки, концентрацией кислорода и т. д. Но условия протекания, продолжительность и конечные результаты топочных процессов в значительной мере зависят от состава, физических и химических характеристик топлива.
Состав топлива
К твердому топливу относят каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесину. Эти виды топлив представляют собой сложные органические соединения, образованные в основном пятью элементами - углеродом С, водородом Н, кислородом О, серой S и азотом N. В состав топлива также входит влага и негорючие минеральные вещества, которые после сгорания образуют золу. Влага и зола - это внешний балласт топлива, а кислород и азот - внутренний.
Основным элементом горючей части является углерод, он обуславливает выделение наибольшего количества тепла. Однако, чем больше доля углерода в составе твердого топлива, тем труднее оно воспламеняется. Водород при сгорании выделяет в 4,4 раза больше тепла, чем углерод, но его доля в составе твердых топлив невелика. Кислород, не будучи теплообразующим элементом и связывая водород и углерод, снижает теплоту сгорания, поэтому является элементом нежелательным. Особенно велико его содержание в торфе и древесине. Количество азота в твердом топливе небольшое, но он способен образовывать вредные для окружающей среды и человека оксиды. Также вредной примесью является сера, она выделяет мало теплоты, но образующиеся оксиды приводят к коррозии металла котлов и загрязнению атмосферы.
Технические характеристики топлива и их влияние на процесс горения
Важнейшими техническими характеристиками топлива являются: теплота сгорания, выход летучих веществ, свойства нелетучего остатка (кокса), зольность и влагосодержание.
Теплота сгорания топлива
Теплота сгорания - это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы массы (кДж/кг) или объема топлива (кДж/м3). Различают высшую и низшую теплоту сгорания. В высшую входит тепло, выделяемое при конденсации паров, которые содержатся в продуктах сгорания. При сжигании топлива в топках котлов уходящие дымовые газы имеют температуру, при которой влага находится в парообразном состоянии. Поэтому в этом случае применяют низшую теплоту сгорания, которая не учитывает теплоту конденсации водяных паров.
Состав и низшая теплота сгорания всех известных месторождений угля определены и приводятся в расчетных характеристиках.
Выход летучих веществ
При нагревании твердого топлива без доступа воздуха под воздействием высокой температуры сначала выделяются водяные пары, а затем происходит термическое разложение молекул с выделением газообразных веществ, получивших название летучих веществ.
Выход летучих веществ может происходить в интервале температур от 160 до 1100 °С, но в среднем – в области температур 400-800 °С. Температура начала выхода летучих, количество и состав газообразных продуктов зависят от химического состава топлива. Чем топливо химически старше, тем меньше выход летучих и выше температура начала их выделения.
Летучие вещества обеспечивают более раннее воспламенение твердой частицы и оказывают значительное влияние на горение топлива. Молодые по возрасту топлива - торф, бурый уголь - легко загораются, сгорают быстро и практически полностью. Наоборот, топливо с низким выходом летучих, например, антрацит, загорается труднее, горит намного медленнее и сгорает не полностью (с повышенной потерей тепла).
Свойства нелетучего остатка (кокса)
Твердая часть топлива, оставшаяся после выхода летучих, состоящая в основном из углерода и минеральной части, называется коксом. Коксовый остаток может быть в зависимости от свойств органических соединений, входящих в горючую массу: спекшимся, слабоспекшимся (разрушающимся при воздействии), порошкообразным. Антрацит, торф, бурые угли дают порошкообразный нелетучий остаток. Большинство каменных углей спекается, но не всегда сильно. Слипшийся или порошкообразный нелетучий остаток дают каменные угли с очень большим выходом летучих (42-45%) и с очень малым выходом (менее 17%).
Структура коксового остатка важна при сжигании угля в топках на колосниковых решетках. При факельном сжигании в энергетических котлах характеристика кокса не имеет большого значения.
Зольность
Твердое топливо содержит наибольшее количество негорючих минеральных примесей. Это прежде всего глина, силикаты, железный колчедан, но также могут входить закись железа, сульфаты, карбонаты и силикаты железа, оксиды различных металлов, хлориды, щелочи и т.д. Большая часть их попадает при добыче в виде пород, между которыми залегают пласты угля, но присутствуют и минеральные вещества, перешедшие в топливо из углеобразователей или в процессе преобразования его исходной массы.
При сжигании топлива минеральные примеси претерпевают ряд реакций, в результате которых образуется твердый негорючий остаток, называемый золой. Вес и состав золы не идентичны весу и составу минеральных примесей топлива.
Свойства золы играют большую роль в организации работы котла и топки. Ее частички, уносимые продуктами сгорания, при высоких скоростях истирают поверхности нагрева, а при малых скоростях отлагаются на них, что ведет к ухудшению теплопередачи. Зола, уносимая в дымовую трубу, способна нанести вред окружающей среде, во избежание этого требуется установка золоуловителей.
Важным свойством золы является ее плавкость, различают тугоплавкую (выше 1425 °С), среднеплавкую (1200-1425 °С) и легкоплавкую (менее 1200 °С) золу. Зола, прошедшая стадию плавления и превратившаяся в спекшуюся или сплавленную массу, называется шлаком. Температурная характеристика плавкости золы имеет большое значение для обеспечения надежной работы топки и поверхностей котла, правильный выбор температуры газов около этих поверхностей позволит исключить шлакование.
Влагосодержание
Влага - нежелательная составляющая топлива, она наряду с минеральными примесями является балластом и уменьшает содержание горючей части. Помимо этого, она снижает тепловую ценность, так как дополнительно требуются затраты энергии на ее испарение.
Влага в топливе может быть внутренней и внешней. Внешняя влага содержится в капиллярах или удерживается на поверхности. С химическим возрастом количество капиллярной влаги сокращается. Поверхностной влаги тем больше, чем меньше куски топлива. Внутренняя влага входит в органическое вещество.
Содержание влаги в топливе снижает теплоту его сгорания, ведет к увеличению его расхода. При этом увеличиваются объемы продуктов сгорания, потери теплоты с уходящими газами и снижается КПД котлоагрегата. Повышенная влажность в зимнее время приводит к смерзанию угля, затруднениям при размоле и уменьшению сыпучести.
Способы сжигания топлива в зависимости от вида топки
Основные виды топочных устройств которые устанавливают в водогрейные котлы на твердом топливе для промышленых отопливтельных котельных:
- слоевые,
- камерные.
Слоевые топки предназначены для сжигания крупнокускового твердого топлива. Они могут быть с плотным и кипящим слоем. При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не влияя на его устойчивость, то есть сила тяжести горящих частиц превышает динамический напор воздуха. При сжигании в кипящем слое благодаря повышенной скорости воздуха частицы переходят в состояние "кипения". При этом происходит активное перемешивание окислителя и топлива, благодаря чему интенсифицируется горение топлива.
В камерных топках сжигают твердое пылевидное топливо, а также жидкое и газообразное. Камерные топки подразделяются на циклонные и факельные. При факельном сжигании частицы угля должны быть не более 100 мкм, они сгорают в объеме топочной камеры. Циклонное сжигание допускает больший размер частиц, под влиянием центробежных сил они отбрасываются на стенки топки и полностью выгорают в закрученном потоке в зоне высоких температур.
Горение топлива. Основные стадии процесса
В процессе горения твердого топлива можно выделить определенные стадии: подогрев и испарение влаги, возгонка летучих и образование коксового остатка, горение летучих и кокса, образование шлака. Такое деление процесса горения относительно условно, так как хотя эти этапы протекают последовательно, частично они налагаются друг на друга. Так, возгонка летучих веществ начинается до окончательного испарения всей влаги, образование летучих идет одновременно с процессом их горения, так же как и начало окисления коксового остатка предшествует окончанию горения летучих, а дожигание кокса может идти и после образования шлака.
Время течения каждой стадии процесса горения в значительной мере определяется свойствами топлива. Дольше всего длится стадия горения кокса, даже у топлив с большим выходом летучих. Существенное влияние на продолжительность стадий процесса горения оказывают разнообразные режимные факторы и конструктивные особенности топки.
1. Подготовка топлива до воспламенения
Топливо, поступающее в топку, подвергается нагреванию, в результате чего при наличии влаги происходит ее испарение и подсушка топлива. Время, необходимое на подогрев и подсушку, зависит от количества влаги и температуры, с которой топливо подается в топочное устройство. Для топлив с большим содержанием влаги (торф, влажные бурые угли) стадия прогрева и подсушивания сравнительна продолжительна.
В слоевые топки топливо подают с температурой, приближенной к окружающей среде. Только в зимнее время в случае смерзания угля его температура ниже, чем в котельном помещении. Для сжигания в факельных и вихревых топках топливо подвергают дроблению и размолу, сопровождаемому сушкой горячим воздухом или дымовыми газами. Чем выше температура поступающего топлива, тем меньше времени и тепла необходимо на подогрев его до температуры воспламенения.
Подсушка топлива в топке происходит за счет двух источников тепла: конвективного тепла продуктов сгорания и лучистого тепла факела, обмуровки, шлака.
В камерных топках подогрев осуществляется преимущественно за счет первого источника, то есть подмешивания к топливу продуктов сгорания в месте его ввода. Поэтому одно из важных требований, предъявляемых к конструкции устройств для ввода топлива в топку, - обеспечение интенсивного подсоса продуктов сгорания. Уменьшению времени нагрева и подсушки также способствует более высокая температура в топке. С этой целью при сжигании топлив с началом выхода летучих при высоких температурах (более 400 °С) в камерных топках делают зажигательные пояса, то есть закрывают экранные трубы огнеупорным теплоизоляционным материалом, чтобы снизить их тепловосприятие.
При сжигании топлива в слое роль каждого вида источников тепла определяется конструкцией топки. В топках с цепными решетками нагревание и подсушка осуществляются преимущественно лучистым теплом факела. В топках с неподвижной решеткой и подачей топлива сверху подогрев и подсушивание происходят за счет движущихся через слой снизу вверх продуктов сгорания.
В процессе нагревания при температуре выше 110 °С начинается термическое разложение органических веществ, входящих в состав топлив. Наименее прочными являются те соединения, которые содержат значительное количество кислорода. Эти соединения распадаются при сравнительно невысоких температурах с образованием летучих веществ и твердого остатка, состоящего преимущественно из углерода.
Молодые по химическому составу топлива, содержащие много кислорода, имеют низкую температуру начала выхода газообразных веществ и дают их больший процент. Топлива с малым содержанием соединений кислорода имеют небольшой выход летучих и более высокую температуру их воспламенения.
Содержание в твердом топливе молекул, которые легко подвергаются разложению при нагревании, оказывает влияние и на реакционную способность нелетучего остатка. Сначала разложение горючей массы происходит преимущественно на наружной поверхности топлива. По мере дальнейшего прогревания пирогенетические реакции начинают происходить и внутри частиц топлива, в них повышается давление и внешняя оболочка разрывается. При сжигании топлив с большим выходом летучих коксовый остаток становится пористым и имеет большую поверхность по сравнению с плотным твердым остатком.
2. Процесс горения газообразных соединений и кокса
Собственно горение топлива начинается с воспламенения летучих веществ. В период подготовки топлива происходят разветвленные цепные реакции окисления газообразных веществ, сначала эти реакции протекают с малыми скоростями. Выделяющееся тепло воспринимается поверхностями топки и частично накапливается в виде энергии движущихся молекул. Последнее приводит к возрастанию скорости цепных реакций. При определенной температуре реакции окисления идут с такой скоростью, что выделяющееся тепло полностью покрывает теплопоглощение. Эта температура является температурой воспламенения.
Температура воспламенения не является константой, она зависит как от свойств топлива, так и от условий в зоне воспламенения, в среднем составляет 400-600 °С. После воспламенения газообразной смеси дальнейшее самоускорение реакций окисления вызывает повышение температуры. Для поддержания горения необходим непрерывный подвод окислителя и горючих веществ.
Воспламенение газообразных веществ приводит к окутыванию коксовой частицы огневой оболочкой. Горение кокса начинается, когда к концу подходит горение летучих. Твердая частица прогревается до высокой температуры, и по мере уменьшения количества летучих веществ снижается толщина пограничного горящего слоя, кислород достигает раскаленной поверхности углерода.
Горение кокса начинается при температуре 1000 °С и является самым длительным процессом. Причина в том, что, во-первых, снижается концентрация кислорода, во-вторых, гетерогенные реакции протекают более медленно, чем гомогенные. В итоге длительность горения частицы твердого топлива определяется в основном временем горения коксового остатка (около 2/3 общего времени). Для топлив с большим выходом летучих, твердый остаток составляет менее ½ начальной массы частицы, поэтому их сжигание происходит быстро и возможность недожога невысока. Химически старые топлива имеют плотную частицу, горение которой занимает почти все время нахождения в топке.
Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для некоторых видов - целиком состоит из углерода. Горение твердого углерода происходит с образованием окиси углерода и углекислого газа.
Оптимальные условия для тепловыделения
Создание оптимальных условий для процесса горения углерода - основа правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив в котельных агрегатах. На достижение наибольшего тепловыделения в топке могут оказывать влияние следующие факторы: температура, избыток воздуха, первичное и вторичное смесеобразование.
Температура. Тепловыделение при сжигании топлива существенно зависит от температурного режима топки. При относительно низких температурах в ядре факела имеет место неполнота сгорания горючих веществ, в продуктах сгорания остаются окись углерода, водород, углеводороды. При температурах от 1000 до 1800-2000 °С достижимо полное сгорание топлива.
Избыток воздуха. Удельное тепловыделение достигает максимального значения при полном сгорании и коэффициенте избытка воздуха, равном единице. С уменьшением коэффициента избытка воздуха выделение тепла падает, так как недостаток кислорода приводит к окислению меньшего количества топлива. Понижается температурный уровень, снижаются скорости реакций, что приводит к резкому уменьшению тепловыделения.
Повышение коэффициента избытка воздуха больше единицы снижает тепловыделение еще сильнее, чем недостаток воздуха. В реальных условиях сжигания топлива в топках котлов предельные значения тепловыделения не достигаются, так как присутствует неполнота сгорания. Она во многом зависит от того, как организованы процессы смесеобразования.
Процессы смесеобразования. В камерных топках первичное смесеобразование достигается подсушкой и перемешиванием топлива с воздухом, подачей в зону подготовки части воздуха (первичного), созданием широко раскрытого факела с широкой поверхностью и высокой турбулизацией, применением подогретого воздуха.
В слоевых топках задача первичного смесеобразования состоит в том, чтобы подавать необходимое количество воздуха в разные зоны горения на решетке.
С целью обеспечения догорания газообразных продуктов неполного горения и кокса организуют процессы вторичного смесеобразования. Этим процессам способствуют: подача вторичного воздуха с высокой скоростью, создание такой аэродинамики, при которой достигается равномерное заполнение факелом всей топки и, следовательно, вырастает время пребывания газов и коксовых частичек в топке.
3. Образование шлака
В процессе окисления горючей массы твердого топлива происходят значительные изменения и минеральных примесей. Легкоплавкие вещества и сплавы с низкой температурой плавления растворяют тугоплавкие соединения.
Обязательным условием нормальной работы котлоагрегатов является бесперебойный отвод продуктов сгорания и образующегося шлака.
При слоевом сжигании шлакообразование может приводить к механическому недожогу - минеральные примеси обволакивают недогоревшие частиц кокса либо вязкий шлак может перекрывать воздушные проходы, преграждая доступ кислорода к горящему коксу. Для снижения недожога применяют различные мероприятия - в топках с цепными решетками увеличивают время нахождения шлака на решетке, производят частую шуровку.
В слоевых топках вывод шлака производится в сухом виде. В камерных топках шлакоудаление может быть сухим и жидким.
Таким образом, горение топлива является сложным физико-химическим процессом, на который оказывает воздействие большое количество различных факторов, но все они должны быть учтены при проектировании котлов и топочных устройств.
