ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ В ТОПКЕ ПРИ СЛОЕВОМ СЖИГАНИИ
Локомобильные паровые котлы с паропроизводительностью 200 — 5000 кг’іЧас принадлежат к числу котельных установок малой мощности.
Малая мощность котла и применение почти исключительно твердого топлива обусловливают выбор топочного устройства в виде топки для слоевого сжигания.
Эти топки для локомобилей выполняются двух типов: 1)топки с неподвижным слоем топлива на плоской решетке и с ручной подачей топлива и 2) топки с движущимся под действием силы тяжести слоем топлива по неподвижной решетке (полумеханические топки). К первому типу принадлежат внутренние, удлиненные и приставные топки, ко второму — шахтные топки и топки с наклонными и ступенчатыми решетками.
Горение топлива в топке котла отличается рядом особенностей. В присутствии кислорода любое вещество подвергается окислению при любой температуре, но интенсивность окисления зависит от температуры и с ее возрастанием увеличивается.
По интенсивности окисления различают две области температур. В первой области (области низких температур) интенсивность окисления настолько незначительна, что выделяющееся тепло рассеивается и не может повысить температуру горючего вещества и окружающего воздуха. Во второй области (области высоких температур) окисление происходит настолько быстро и выделение тепла настолько велико, что температура горючего вещества и окружающего воздуха значительно повышается и поддерживается процессом окисления на этом высоком уровне.
Интенсивное окисление с быстрым выделением тепла во второй области температур называется горением, а температура, при которой происходит переход из первой области во вторую, называется температурой воспламенения горючего вещества.
Таким образом, горение топлива в топке возможно только при температурах выше температуры воспламенения.
Температура воспламенения зависит от физических и химических свойств топлива, от давления воздуха, а для твердого топлива еще от формы и размеров кусков.
Значения температур воспламенения для различных горючих веществ приведены в табл. 12.
|
Таблица 12 Температура воспламенения различных видов топлив и газов
|
Процесс горения твердого топлива условно может быть разделен на три стадии (фазы), протекающие в основном последовательно, а именно: стадию подготовки, стадию горения и стадию дожигания.
Первая стадия (стадия подготовки) включает в себя подогрев и подсушку топлива и начало выделения летучих. Подсушка топлив большой влажности, как, например, бурых углей, торфа и влажных дров, имеет очень большое значение для их воспламенения. При нагреве топлива до температуры 100—150° начинается интенсивное испарение влаги. Эта стадия не нуждается в кислороде, а следовательно, и в подводе воздуха. Высота температуры служит основным фактором, регулирующим ее развитие. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс. Первая стадия является потребителем тепла
При температурах порядка 300—400° процесс испарения влаги заканчивается и начинается интенсивное выделение летучих веществ и образование кокса.
По достижении летучими веществами температуры воспламенения начинается стадия основного горения. К стадии основного горения относится завершение выделения летучих веществ, их горение в топочной камере, т. е. в объеме топки между слоем топлива и поверхностью нагрева, воспламенение и горение кокса (наиболее важный процесс в стадии основного горения).
Эта стадия является основным потребителем воздуха, так как горение летучих веществ и кокса требует наиболее интенсивного подвода воздуха. Быстрота выгорания кокса зависит от возможности подвода кислорода к поверхности кусков топлива, где происходит реакция, и отвода от нее продуктов сгорания. При применении мелкораздробленного топлива поверхность кусков топлива будет больше и горение будет протекать быстрее. Интенсивность процесса горения достигается за счет увеличения скорости воздуха.
В этой основной стадии горения выделяется основная часть тепла топлива и достигаются наиболее высокие температуры.
В завершающей стадии дожигания топлива зола преобладает над оставшимся небольшим количеством коксовых частиц. В топочной камере может находиться еще незначительное количество недогоревших газов. Воздуха для этой стадии горения требуется значительно меньше, и выделение тепла также не велико. Температура ниже, чем во время предыдущей стадии. Большая зольность топлива затягивает развитие этой фазы, так как зола затрудняет доступ воздуха к частицам кокса. От степени завершенности стадии дожигания зависит величина потерь от механической неполноты сгорания.
|
Фиг. 66. Схема горения юплива на неподвижной колосниковой решетке при ручной загрузке. |
Эффективность сжигания топлива определяется ходом процесса горения во всех трех стадиях, находящихся в тесной взаимной связи.
Большая часть воздуха, необходимого для процесса горения, подается через слой топлива, лежащий на колосниковой решетке, и называется первичной. Вторичной частью воздуха называется дополнительная его часть, подаваемая непосредственно в топочную камеру.
Рассмотрим процесс горения, происходящий в топке с неподвижным слоем топлива на плоской решетке (фиг. 66) при ручной загрузке. Подача топлива производится периодически и ровным слоем по всей площади решетки так, что на колосниковой решетке находятся несколько его слоев.
Слой, непосредственно лежащий на решетке, состоит из выгоревшего топлива, т. е. из шлака и золы, и носит название шлаковой подушки. Пористая шлаковая подушка не представляет большого сопротивления проходу воздуха, но в то же время защищает решетку от теплоотдачи из горящего слоя.
Нал шлаковой подушкой располагаете слой горящего топлива (кокс), а поверх него свежезаброшенное топливо.
В горящем слое (коксе) происходят основные реакции горения углерода и серы с образованием углекислоты С02, окиси углерода СО (при недостатке воздуха) и сернистого газа S02.
Горячие продукты сгорания и избыточный воздух, проходя сквозь слой свежезаброшенного топлива, подогревают его, вызывая сначала выделение влаги, а потом при повышении температуры выделение летучих. Нагрев верхнего слоя усиливается за счет теплопроводности нижележащего горящего топлива и излучения раскаленной обмуровки, если таковая имеется
Из свежезаброшенного слоя топлива при нагреве выделяется в топочную камеру сначала влага, а потом и летучие—водород Н2, метан СН4 и другие углеводороды.
В топочную же камеру попадают из среднего слоя С02, СО и S02, N2 и избыточный кислород.
При проходе газов в верхнем слое топлива происходят восстановительные реакции — часть углекислоты С02 в присутствии углероаа превращается в окись углерода СО с поглощением тепла.
В топочной камере происходит перемешивание горючих газов с избыточным кислородом и вторичным воздухом и почти полное догорание их.
В продуктах горения, идущих к поверхностям нагрева котла, содержатся углекислота С02, лишний кислород 02, азот N4, сернистый газ S02, водяные пары Н20 от сжигания водорода и испарения влаги топлива, уносимая из слоя мелочь Ау и О и, наконец, несюревшие летучие СО, СН4 и другие углеводороды.
Черная окраска дыма получается от присутствия свободного углерода Сд, полученного в результате реакции
СН4 + 02 = 2Н20 + Сд (дым),
происходящей из-за недостатка кислорода или плохого перемешивания газов.
Анализируя работу топки, можно отметить неблагоприятные условия, при которых протекает процесс горения топлива. В период каждой загрузки топлива через шуровочное отверстие в топку поступает значительное количество холодного воздуха, снижающего температуру в топочном пространстве, нарушающего процесс горения и увеличивающего избыток воздуха (в топках с ручной подачей а =1,4—1.8). Кроме того, свежезаброшенное холодное топливо закрывает горящее топливо и уменьшает его лучеиспускание.
В процессе, происходящем в топке с неподвижным слоем, можно наблюдать все три стадии горения топлива.
Первая стадия горения может быть отмечена в свежезаброшенном топливе, вторая — в среднем слое топлива, а третья — в нижней его части. Таким образом, все три стадии горения можно наблюди ь почти одновременно, но в различных слоях топлива на решетке.
По-иному происходит процесс горения в топках с наклонными решетками (фиг. 67). В этих топках колосники располагаются с наклоном в зависимости от угла естественного откоса топлива. Топливо загружается в воронку, расположенную у верхней ча^ти решетки и, постепенно сгорая, спускается вниз под действием собственного веса.
Топливо поступает в топку непрерывно и тем самым устраняется периодичность процесса с присущими ему недостатками, описанными
|
Фиг. 67. Схема горения топлива на наклонной решетке. |
вится тоньше. Это способствует увеличению притока воздуха, нужного для горения кокса в слое и летучих в топочной камере, а также для лучшего охлаждения решетки.
Аналогично протекает процесс горения в шахтной топке, предназначенной для сырых дров и торфа. Топливо загружается в вертикальную шахту, в которой уже начинается стадия подготовки.
В топках с наклонными решетками и шахтных желательно осуществлять зонный подвод воздуха, что позволяет более правильно вести процесс горения. Установившееся состояние процесса в указанных топках и отсутствие периодического поступления больших масс холодного воздуха при загрузках топлива ведут к тому, что реализуются небольшие величины избытка воздуха а = 1,25—=—1,35 и незначительные потери от химического недогорания.
В топках с наклонной решеткой имеется специальный подъемный механизм для некоторого регулирования угла наклона у решетки путем
Изменения величины расстояния между верхним концом решетки и опорой. На фиг. 67 это расстояние отмечено буквой I.
Величина угла наклона f решетки зависит от рода топлива. Например, при сжигании кускового кокса, торфа и опилок угол наклона f = 32-f-36°, при сжигании бурого угля f = 27 — f-32°, неспекающегося каменного угля f = 42-f-45° и спекающегося каменного угля f=45-s-50°.