Твердое топливо и его сжигание

 

 

                                                      Введение

В зависимости от способа обработки твердое топливо можно разделить на две группы: природное и очищенное. К природному твердому топливу относятся уголь, бурый уголь, торф, древесина и солома. Уголь и торф являются осадком, образующимся в результате распада и разложения растений в древние времена под воздействием высокого давления и недостатка кислорода.

Каменный уголь является наиболее древним природным минеральным топливом, распространенном во всем мире, залежи которого находят на разной глубине.

Бурый уголь образовался гораздо позднее и содержит древесные остатки. Содержание воды в буром угле составляет 45 - 60%; добывается он, как правило, открытым способом. Бурый уголь имеет очень низкую энергетическую ценность и обычно не перевозится на большие расстояния.

Торф образуется из разложившихся растений и воды; по этой причине он содержит большое количество влаги. Поэтому на поверхности большие пласты добытого торфа разрезаются на блоки, которые высушиваются перед сжиганием.

В Европе древесина используется в качестве сжигаемого топлива в основном только в виде отходов лесной и лесопильной промышленности, обычно в виде древесной стружки или древесных опилок. Древесный уголь представляет собой эти отходы, переработанные в углевыжигательных или других специальных печах.

Кокс производится из каменного и бурого угля и угольных смесей в особых печах при температуре приблизительно 1200oС, при которой происходит их дегазация. Дегазацией называется процесс удаления газообразных копонентов из твердых материалов в герметичных нагревательных камерах.

Каменный уголь, брикеты бурого угля, кокс и древесный голь представляют собой очищенное твердое топливо. Брикеты изготавливаются из раздробленного и высушенного каменного или бурого угля в специальных прессах. Брикеты могут иметь различные формы.

Сжигаемые материалы должны пройти полный анализ, включающий в себя расчет необходимого для горения объема воздуха, определение объема выхлопных и отработанных газов, массы шлака и получаемого топлива. При оценке возможности применения установок для производства твердого топлива, необходимо определить, насколько они удовлетворяют экологическим требованиям, предъявляемым к таким печам в стране, где предполагается их использовать.

 

 

1.ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО И ЕГО СЖИГАНИЕ

1.1.Расчет горения твердого топлива.

 

Для расчета процессов горения твердого топлива составляют материальный баланс процесса горения.

Материальный баланс процесса горения выражает количественные соотношения между исходными веществами (топливо, воздух) и конечными продуктами (дымовые газы, зола, шлак), а тепловой баланс — равенство между приходом и расходом теплоты. Для твердого топлива материальный и тепловой балансы составляют на 1 кг топлива при нормальных условиях (0,1013 МПа, О °С).

При сжигании твердого топлива горючие вещества могут окисляться с образованием оксидов различной степени окисления. Стехиометрические уравнения реакций горения углерода, водорода и серы можно записать так:

а) С+О2=СО2;

б) С+(1/2)·О2=СО;

в) S+О2=SО2;

г) H2+(1/2)·О2=H2О;

 

1.2.Три стадии горения твердого топлива

Горение твердого топлива имеет ряд стадий: подогрев, подсушка топлива, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих и кокса. Из всех этих стадий определяющей является стадия горения коксового остатка, т. е. стадия горения углерода, интенсивность которой и определяет интенсивность топливосжигания и газификации в целом. Определяющая роль горения углерода объясняется следующим.

Во-первых, твердый углерод, содержащийся в топливе, является главной горючей составляющей почти всех натуральных твердых топлив. Так, например, теплота сгорания коксового остатка антрацита составляет 95% теплоты сгорания горючей массы. С увеличением выхода летучих доля теплоты сгорания коксового остатка падает и в случае торфа составляет 40,5% теплоты сгорания горючей массы.

Во-вторых, стадия горения коксового остатка оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения.

И, в третьих, процесс горения кокса имеет решающее значение в создании тепловых условий протекания других стадий. Следовательно, основой правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив является создание оптимальных условий для процесса горения углерода.

В некоторых случаях определяющими процесс горения могут оказаться второстепенные подготовительные стадии. Так, например, при сжигании высоко влажного топлива определяющей может быть стадия подсушки. В этом случае рациональным является усиление предварительной подготовки топлива к сжиганию, например, использованием технологического способа сжигания с подсушкой топлива газами, отбираемыми из топки.

В мощных парогенераторах расходуются большие количества топлива и воздуха. Например, для парогенератора 300 МВт расход топлива — антрацитового штыба составляет 32 кг/с, а воздуха 246 м3/с а в парогенераторе блока 800 МВт ежесекундно расходуется 128 кг березовского угля и 555 м3 воздуха. В ряде случаев в пылеугольных парогенераторах как резервное используется жидкое или газовое топливо.

Процесс горения пылевидных топлив совершается в объеме топочной камеры в потоках больших масс топлива и воздуха, к которым подмешиваются продукты сгорания.

Основой горения пылевидных топлив является химическое реагирование горючих составляющих топлива с кислородом воздуха. Однако химические реакции горения в топочной камере протекают в мощных пылегазовоздушных потоках за чрезвычайно короткое время (1—2 с) пребывания топлива и окислителя в топочной камере. Эти реакции совершаются в условиях сильного взаимного влияния с одновременно протекающими физическими процессами. Такими процессами являются:

–процесс движения подаваемых в топочную камеру составляющих горючую смесь газовых и твердых диспергированных веществ в системе струй, переходящих в поток и распространяющихся в ограниченном пространстве

топочной камеры с развитием вихревых течений, в совокупности составляющих сложную структуру аэродинамики топки;

–турбулентная и молекулярная диффузия и конвективный перенос исходных веществ и продуктов реакции в газовом потоке, а также перенос газовых реагентов к диспергированным частицам;

–теплообмен в газовых потоках продуктов сгорания и исходной смеси и между газовыми потоками и содержащимися в них частицами топлива, а также передача тепла, выделяющегося при химическом превращении в реагирующей среде;

–радиационный теплообмен частиц с газовой средой и пылегазовоздушной смеси с экранными поверхностями в топочной камере;

–нагрев частиц, возгонка летучих, перенос и горение их в газовом объеме и др.

Таким образом, горение угольной пыли является сложным физико-химическим процессом, состоящим из химических реакций и физических процессов, протекающих в условиях взаимной связи и взаимного влияния.

 

2.Способы сжигания  твердого топлива.

Слоевой, факельный и циклонный способы сжигания твердого топлива

 

Топочные устройства котлов могут быть слоевые - для сжигания крупнокускового топлива и камерные - для сжигания газообразного, жидкого и твёрдого пылевидного топлива.

Некоторые из вариантов организации топочных процессов представлены на рис.15.1.

 

2.1.Слоевой способ

Слоевые топки бывают с плотным и кипящим слоем

При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не нарушая его устойчивости, т.е. сила тяжести частиц топлива больше динамического напора воздуха.

При сжигании в кипящем слое из-за повышенной скорости воздуха нарушается устойчивость частиц в слое, они переходят в состояние «кипения», т.е. переходят во взвешенное состояние. При этом происходит интенсивное перемешивание топлива и окислителя, что способствует интенсификации процесса горения.

2.2.Факельный способ

При факельном сжигании топливо сгорает в объёме топочной камеры, для чего частицы твердого топлива должны иметь размер до 100 мкм.

2.3.Циклонный способ

При циклонном сжигании частицы топлива под влиянием центробежных сил отбрасываются на стенки топочной камеры и, находясь в закрученном потоке в зоне высоких температур, полностью выгорают. Допускается размер частиц больший, чем при факельном сжигании. Минеральная составляющая топлива в виде жидкого шлака удаляется из циклонной топки непрерывно.

 

3.Пылеприготовление

  При эксплуатации пылеприготовительных установок должна быть обеспечена бесперебойная подача к горелкам котла угольной пыли требуемой тонкости и влажности в количестве, соответствующем нагрузке котла.

Все исправные системы пылеприготовления с прямым вдуванием при нагрузке котла 100-60% номинальной, как правило, должны быть в работе. Режим работы систем пылеприготовления должен быть организован в соответствии с режимной картой, разработанной на основе заводских характеристик и испытаний пылеприготовительного и топочного оборудования.

От бесперебойной работы пылеприготовительных установок зависит надежная работа котла и поддержание номинальных параметров пара и необходимой нагрузки.

Бесперебойная подача к горелкам угольной пыли необходимой тонкости и влажности в количестве, соответствующем нагрузке котла, может быть обеспечена при соблюдении следующих условий:

— непрерывного истечения (пыли) из бункера, а так же стабильной дозировки количества топлива (пыли) каждым питателем;

— минимального различия в производительности параллельно работающих питателей пыли, подключенных к указанным в режимной карте котла горелкам (ко всем горелкам котла или группам горелок, расположенных в

каждом ярусе или на противоположных стенках топки.

— стабильного и равномерного распределения первичного воздуха по пылепроводам, исключающего забивание отдельных пылепроводов;

— стабильной, соответствующей производительности вентиляции систем пылеприготовления прямого вдувания с молотковыми (ММ) и среднеходными (СМ) мельницами.

В системах пылеприготовления с промежуточным бункером режим работы мельницы не связан так тесно с топочным режимом, как у систем прямого вдувания. Наличие бункера с готовой пылью и достаточного запаса производительности систем пылеприготовления позволяет останавливать при необходимости мельницы в резерв или на кратковременный ремонт без изменения количества работающих горелок или нагрузки котла. Допустимая продолжительность нахождения в резерве или ремонте одной из мельниц определяется в основном условиями обеспечения надежной работы питателей пыли при снижении уровня пыли в бункере. Система становится еще более гибкой при наличии шнековых связей между системами пылеприготовления соседних котлов. Однако опыт показывает, что по условиям взрывобезопасности шнековые связи могут быть рекомендованы при размоле только слабореакционных топлив типа антрацитового штыба (АШ) и тощих углей или высокозольных каменных углей (типа экибастузского) и промпродуктов с выходом летучих менее 30%.

Несмотря на известную автономность систем пылеприготовления с промежуточным бункером от режима работы котла, резкие нарушения режима мельниц и других элементов системы пылеприготовления могут отрицательно отразиться на топочном процессе. Так, при транспорте пыли к горелкам отработавшим (мельничным) сушильным агентом перегрузка мельницы топливом может привести к уменьшению давления в коробе первичного воздуха, снижению скоростей в пылепроводах и, как следствие, к возможному забиванию их пылью с нарушением нормальной работы котла. Забивание течки под циклоном или нарушение работы мигалки на этой течке приводит к забросу большого количества пыли в топку через сбросные горелки, помимо питателей пыли, что влечет за собой резкое увеличение паропроизводительности котла, если это барабанный котел, и недопустимые отклонения параметров пара от номинальных значений.

Для предупреждения забивания пылепроводов необходимо обеспечить постоянную скорость пылегазовоздушной смеси в каждом из них не ниже 25 м/с для систем с промежуточным бункером и 18 м/с для систем с прямым вдуванием. При этом следует иметь в виду, что чрезмерно высокие скорости также нежелательны из-за усиления интенсивности износа пылепроводов и увеличения расхода электроэнергии на транспорт пыли. При большой разнице в длине пылепроводов выравнивание скоростей в них осуществляется разной степенью открытия регулирующих шиберов или шайбованием наиболее коротких пылепроводов. При изменениях нагрузки котла поддержание необходимых скоростей в пылепроводах систем пылеприготовления с промежуточным бункером пыли обеспечивается соответствующей загрузкой вентиляторов первичного воздуха или мельничных вентиляторов, а при их отсутствии — перераспределением первичного и вторичного воздуха. Для контроля за расходом первичного воздуха в пылепроводах систем с промежуточным бункером на участках до пылесмесителя рекомендуется устанавливать измерительные устройства типа труб Вентури, сегментных шайб (на горизонтальном участке) или мультипликаторов.

Специальными испытаниями котла и его пылеприготовительных установок определяется оптимальное качество готовой пыли (тонкость помола и влажность), при котором обеспечивается длительная работа котла в допустимом диапазоне нагрузок с минимальными потерями тепла.

Известно, что с угрублением помола пыли уменьшается расход электроэнергии на пылеприготовление, но одновременно ухудшаются условия воспламенения и выгорания пыли, что приводит к росту потерь тепла от механической неполноты сгорания, нарушению устойчивости горения и выхода жидкого шлака. С другой стороны, переход на более тонкий помол уменьшает производительность мельниц, изменяет расход электроэнергии на пылеприготовление. Оптимальной тонкостью помола обычно считается такая, при которой сумма потерь от механической неполноты сгорания и расхода электроэнергии на пылеприготовление минимальна.

Влажность готовой пыли влияет на надежность работы системы пылеприготовления с промежуточным бункером и котла. При повышенной влажности пыли ухудшаются условия ее транспортирования по тракту пылеприготовления, происходит налипание и застревание ее в бункерах и питателях пыли. Одновременно ухудшается воспламенение пыли, нарушается устойчивость процесса горения, появляется пульсация факела.

В системах с промежуточным бункером пыли кратковременный (на 1 — 2 ч) выход из строя одной из мельничных установок не приводит обычно к нарушению нормальной работы котла. Более длительный останов мельницы приводит к необходимости разгрузки котла, а при наличии у котла одной системы пылеприготовления и отсутствии шнековых связей с системами пылеприготовления соседних котлов — к его останову.