Лекция № 6. Оборудование и элементы печей: топливосжигающие устройства

В большинстве металлургических печей необходим направленный теплообмен, который организуется благодаря сжиганию топлива непосредственно в рабочем пространстве печи. При этом теплоотдача на поверхность нагрева происходит одновременно с горением топлива, иначе говоря, процессы сжигания и теплоотдачи совмещаются вследствие переноса в той или иной мере горения в рабочее пространство печи.

Роль топливосжигающих устройств заключается не только в обеспечении полного сжигания топлива в пределах рабочего пространства, но и в обеспечении наивысшего уровня теплоотдачи, что достигается наилучшим образом, когда в топливосжигающем устройстве организуется устойчивый высокотемпературный факел.

Хорошо организованный факел горящего топлива характе­ризуется высокой радиацией, в несколько раз превышающей ра­диацию продуктов сгорания той же температуры.

На основе изучения закономерностей процесса горения (в ча­стности, факельного) можно найти средства, позволяющие так организовать процесс горения, чтобы он соответствовал предъ­являемым к нему требованиям.

Начнем это изучение с газового топлива, самого простого по своей структуре.

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И ДЕТОНАЦИЯ В ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

Горение сможет развиваться только тогда, когда молекулы газа войдут в тесное соприкосновение с молекулами кислорода воздуха, т. е. когда произойдет их смешение (физический процесс), а затем те и другие молекулы получат необходимую энергию для преодоления «химического барьера» и возможности осу­ществления акта химического соединения. Иначе говоря, смесь газа и воздуха должна нагреться до температуры воспламене­ния.

Эти процессы организуются в технике последовательно (в так называемых беспламенных горелках) и одновременно (в пламенных горелках).

Где бы ни сжигался газ - в печах, котлах или двигателях внутреннего сгорания - бывает опасность перехода горения во взрыв с теми или иными разрушительными последствиями.

Различают взрыв и, как его разновидность, детонацию. Ког­да говорят о взрыве, имеют в виду закрытый объем, наполнен­ный взрывчатой смесью. Под детонацией же подразумевают взрывной характер распространения пламени в открытых сосу­дах, например, в трубах, т. е. в условиях постоянного атмосфер­ного давления. В этом случае всегда возникает взрывная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью.

В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания взрывной ха­рактер горения называют тоже детонацией. В этом случае пламя от запала свечи распространяется со скоростью до 1500 м/сек вместо 5-10 м/сек при нормальном режиме горения.

Взрыв и детонация возникают не всегда, а только при опре­деленных условиях, а именно при наличии:

1) Хорошо перемешанной газовоздушной смеси определен­ного состава;

2) Запала;

3) Достаточно большого объема, заполненного газовоздуш­ной смесью;

4) Определенного состава газа, поскольку не все газы одина­ково способны к детонации; наиболее опасным в этом отношении является водород.

Закрытый объем, где, следо­вательно, возможно значитель­ное повышение давления, осо­бенно благоприятствует перехо­ду горения во взрыв; в очень малых объемах, например в трубках малого диаметра, дето­нация вообще невозможна; ме­тан, например, не дает детона­ции в трубках диаметром 3,5 мм и меньше.

Объясняется это тем, что ре­акция при взрыве носит цепной характер, а цепи на холодных стенках трубок или сосудов об­рываются и к тому же прогрев смеси до температуры воспламе­нения в узких проходах при хо­лодных стенках очень затруднен.

Когда не обеспечена совокуп­ность всех вышеупомянутых ус­ловий, то происходит нормаль­ное горение, которым и пользу­ются в технике. Детонация не возникает, например, при истече­нии газовоздушной смеси с до­статочной скоростью из холодной трубки. Подожженная смесь спо­койно горит в очень тонком слое коротким пламенем, образуя на конце трубки при ламинарном движении горящий конус. В этом случае вычисляют так называе­мую нормальную скорость распространения пламени. Ее сред­нее значение определяют как частное от деления количества истекающего газа V (м³/сек) на поверхность горящего кону­са F (м ²):

w = V/F м/сек (11)

В турбулентном потоке скорости распространения пламени могут быть значительно больше благодаря автотурбулизации фронта пламени. Поэтому скорости истечения смеси в промыш­ленных горелках берут более 10 м/сек, чтобы возможность хлоп­ка и проскока пламени внутрь горелки была бы исключена.

ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ

Для получения короткого факела и предотвращения чрезмер­ного развития процессов сажевыделения (т. е. чрезмерной само­карбюрации) газовоздушную смесь приготовляют заранее, когда газ и воздух относительно холодны (точнее, когда их температу­ра ниже температуры воспламенения смеси). Тогда в горящем факеле должны произойти только два процесса - дополнитель­ный нагрев смеси до температуры воспламенения и самовозго­рание. Факел в этом случае получается настолько коротким, что может уместиться в тоннелях в пределах толщины кирпичных стен, и поэтому сжигание газа в виде заранее-подготовленной смеси его с воздухом в свое время получило название беспла­менного.

Если же все процессы будут протекать одновременно, т. е. если зажечь предварительно неперемешанные потоки газа и воз­духа, то горение, конечно, займет большее пространство и фа­кел получится длиннее. В этом случае, решающим процессом бу­дет поступление воздуха в факел и его перемешивание с горю­чим газом (т. е. диффузия), поэтому такое горение называют диф­фузионным, а горелки пламенными. Эти два случая горения яв­ляются предельными. Большинством конструкций горелочных устройств обеспечиваются не эти предельные, а промежуточные формы горения. Это означает, что в них процесс приготовления газовоздушной смеси осуществляется только частично и завер­шается вне горелки.

Горелки с полным предварительным смешением газа и воздуха

Приготовление смеси. 1. В принципе возможно газовоздуш­ную смесь приготовлять в централизованном порядке и разво­дить ее по печам и горелкам. При использовании такой систе­мы особые меры должны быть приняты против проскакивания пламени в трубопроводы и против взрыва.

Рисунок 9 – Инжекционная горелка для подогретого газа и воздуха:

1 — патрубок горячего газа; 2 — патрубок горячего воздуха; 3 — смеситель; 4 — водоохлаждаемый носик горелки; 5 — тоннель в кладке печи; 6 — опора горелки

Из-за взрывоопасности и возможности хлопков эта система не получила распрост­ранения.

2. В инжекционных горелках смесь приготовляется в диффу­зоре (инспираторе) в процессе подсоса воздуха за счет кинети­ческой энергии сжатого газа. Кроме того, в инспираторе должно быть создано достаточное давление смеси, чтобы обеспечить ее дальнейшее движение по трубам и тоннелю до рабочего про­странства печи.

Один из вариантов инжекционной горелки конструкции показан на рисунке 9. Понятно, что чем больше теп­лота сгорания инжектирующего газа, тем больше воздуха он должен подсосать и тем большей кинетической энергией он дол­жен обладать при истечении в инспиратор; следовательно, тем выше должно быть его давление.

На рисунке 10 показан вариант многоструйной инжекционной го­релки, в которой устранены почти все сопротивления на пути газовоздушной смеси, диффузор отсутствует и конфигурация горелки получилась предельно простой.

Рисунок 10 - Многоструйная инжекционная горелка:

1 — сопло газовое; 2 — газовая коробка; 3 — корпус горелки; 4 — горловина (ин­спиратор); 5 — Заслонка, регулирующая подсос воздуха

Сжигание смеси. При сжигании холодных смесей скорости распространения пламени невелики, и для того чтобы горение протекало устойчиво, необходимы специальные нагревающие и зажигающие смеси устройства, например керамические поверх­ности (тоннели, тарелки, решетки и т.д.)

В тоннеле, как правило, турбулентная струя смеси нагре­вается и зажигается главным образом в результате перемеши­вания с горячими продуктами сгорания и также в результате соприкосновения с горячими стенками тоннеля. Поэтому тоннель должен иметь форму, обеспечивающую подсос в корень струи горячих газов и образование факела внутри тоннеля.

Возможно; что некоторая часть газа сгорает на поверхности тоннеля, и тогда эта поверхность играет роль катализатора. Но как показала практика, все огнеупоры, из которых изготов­ляют тоннель, дают примерно один и тот же результат. Это объ­ясняется тем, что главная масса смеси сгорает в объеме, не со­прикасаясь со стенками тоннеля.

МАЗУТНЫЕ ФОРСУНКИ

Жидкое топливо (мазут, смола) при сжигании необходимо распыливать на мелкие капли, чтобы ускорить подогрев до температуры воспламенения, увеличить поверхность горения и наилучшим образом перемешать топливо с воздухом. Распыление осуществляют с помощью форсунок. Если мазут не распыливать, а сжигать на желобчатых колосниках, то горение будет проте­кать вяло и неполно, с большим выделением сажи. Кроме того, на колосниках останется кокс, который придется часто очищать, а самый процесс горения будет плохо поддаваться регулирова­нию.

Процесс сжигания жидкого топлива значительно сложнее, чем газа, так как в мазутном факеле присутствуют не только га­зообразные фракции (как результат испарения капель), но и самые капли жидкого топлива, которые горят и подвергаются пиролизу под действием излучения печи или топки с выделением сажистого углерода и кокса.

Чем тоньше распыливание жидкого топлива, тем ближе по характеру процесса его горение будет приближаться к горению газа, однако даже при распыливании топлива в форсунках вы­сокого давления капельки могут достигать размера 0,2-0,05 мм; в одной такой капле находится множество молекул. Очевидно, смесь этих капель с воздухом совсем не похожа на горючую газовую смесь.

Еще большая разница получается при сжигании жидких топлив при помощи форсунок низкого давления, когда размер ка­пель составляет 0,5 мм и более.

Чем крупнее капля мазута, тем труднее кислороду проник­нуть внутрь ее, где углеводороды будут подвергаться разложе­нию без доступа воздуха под тепловым воздействием факела и кладки печи. При хорошем распыливании это разложение про­исходит с выделением сажистого углерода в виде мельчайших частиц, которые хорошо сгорают, увеличивая степень черноты и тем самым радиацию пламени.

При грубом распыливании жидкого топлива (крупные кап­ли) сажистый углерод выделяется крупными хлопьями, которые горят очень медленно и приводят к химической неполноте сгорания. Чем больше в жидком топливе легких фракций (керосин, бензин), тем, при одном и том же диаметре капельки, меньше выделяется сажистого углерода, потому что легкие фракции очень быстро испаряются из капли и, смешиваясь с воздухом, сгорают, не успев подвергнуться пиролизу.

Тонкость распыливания определяется кинетической энергией распылителя и мазута и она пропорциональна степени турбу­лентности потоков. Скорость распылителя поэтому является ре­шающим фактором, обеспечивающим требуемую тонкость рас­пыливания.

Форсунки низкого давления

В форсунках низкого давления в качестве распылителя ис­пользуют воздух, подаваемый центробежным вентилятором вы­сокого давления. Это наиболее простой способ сжигания мазу­та, так как вентиляторы по сравнению с компрессорами - очень дешевое оборудование.

Однако верхний предел давления воздуха для одноступенча­тых вентиляторов обычно не превышает 800 мм вод. ст., и по­этому в форсунках низкого давления всегда наблюдается недо­статочная скорость истечения распылителя и недостаточная тонкость распыливания мазута.

В связи с этим через форсунку подается весь воздух, необ­ходимый для горения.

По этой же причине получают распространение форсунки двойного распыливания, в которых для улучшения распылива­ния к корню струи мазута подводится компрессорный воздух, тогда как остальной воздух подается от вентилятора высокого давления.

В этом варианте легко осуществить автоматическое регули­рование соотношения мазут - воздух, так как в этом случае не требуется регулировать подачу компрессорного воздуха, и тон­кое распыливание мазута надежно обеспечивается на всех ре­жимах.

Таким образом, при конструировании форсунки необходимо:

1) обеспечивать тесный контакт струи и распылителя со струей мазута;

2) обеспечивать в процессе изменения производительности форсунки предельно высокую скорость распылителя;

3) добиваться минимальных аэродинамических сопротивле­ний внутри форсунки, чтобы пьезометрическое давление воздуха по возможности полностью превратить в динамическое, т. е. обеспечить высокую скорость распылителя - главный фактор распыливания.

В некоторых форсунках воздух на выходе в печь закручи­вается, поэтому факел получается значительно шире и короче, чем в конструкциях, описанных ранее.

СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА В ВИДЕ ПЫЛИ

Для сжигания угля в виде пыли в металлургических печах его предварительно размалывают до размера частиц порядка 0,07-0,05 мм, т. е. до меньшего размера, чем капли распылен­ного мазута. Это приходится делать потому, что в угле, содер­жащем наибольшее количество летучих, их все же раза в три меньше, чем в мазуте.

Выделение летучих из капельки мазута или из пылинки очень сильно интенсифицирует перемешивание топлива с воздухом, так как летучие с воздухом в турбулентном потоке смешивают­ся всегда очень хорошо. Остающийся после выделения летучих коксик получается при этом рыхлым и иногда распадается на кусочки. Вследствие этого уголь, бедный летучими, горит в пылеугольном факеле хуже, чем уголь, богатый летучими. Коксо­вая пыль в топках даже гаснет, и поэтому при сжигании, напри­мер, коксовой пыли устраивают непрерывно действующие под­жигающие горелки на газообразном и жидком топливе или до­полнительно на решетках сжигают кусковое топливо.

Существенные затруднения при сжигании угольной пыли в металлургических печах возникают вследствие большой зольно­сти углей. Зола не причиняет особого вреда нагреваемым слит­кам, но действует разрушительно на огнеупорную кладку печи и, главное, на подину и регенеративные насадки, которые сильно заносятся ею. Поэтому в регенеративных печах избегают вооб­ще применять угольные пыли, а при отоплении пылью других печей к топливу предъявляют определенные требования по золь­ности (7-8 %).

Организация пылеугольного факела и горение пыли

При высоком выходе летучих в топливе (35 %) и очень гонком помоле (преобладающий размер пылинок 0,05 мм) мож­но применять самые простые горелки в виде прямоугольных (щелевых) или даже круглых труб, в которые подается готовая смесь пыли с воздухом (аэросмесь), как это показано на рисунке 11. Поступая в печь со скоростью 15-20 м/сек, такая аэросмесь быстро воспламеняется и сгорает.

Аэросмесь

Рисунок 11 - Щелевая пылеугольная горелка нагревательной печи

Со всеми элементами сложного процесса пылеприготовления легче всего познакомиться на примере самой простой индивиду­альной схемы, изображенной на рис. 12.

Уголь из бункера через питатель, обеспечивающий равномер­ную подачу, и магнитный сепаратор, удаляющий из угля метал­лические предметы, поступает в мельницу ударного типа. Мель­ница напоминает центробежный вентилятор с очень массивным ротором и бронированным кожухом.

Рисунок 12 - Индивидуальная пылеприготовительная

установка с мельницей:

1 — питатель; 2 — магнитный сепаратор; 3 — мельница; 4 — подвод горячего воздуха в мельницу;5 — течка для возврата недомолотого угля в мельницу; 6 — сепаратор; 7 — пылепровод;8 — пылевой вентилятор

Куски топлива, ударяясь в лопатки ротора и броню кожуха, разрушаются и потоком на­гретого воздуха (для облегчения подсушки и размола) выносят­ся в сепаратор. Здесь крупные (недомолотые до требуемого раз­мера) пылинки отделяются от пылевоздушного потока и по теч­ке возвращаются обратно в мельницу; по трубе (пылепроводу) пылинки необходимого размера с потоком воздуха поступают в центробежный пылевой вентилятор и далее - в горелку печи.

Сепаратор настраивают на пропуск пылинок определенного размера изменением направления и скорости воздушного пото­ка с помощью специальных лопаток. Направление потока по ка­сательной к корпусу сепаратора увеличивает центробежную си­лу, и даже относительно мелкие пылинки будут оседать в сепа­раторе и возвращаться обратно в мельницу. Лишь самые мелкие пылинки смогут пройти через сепаратор. Направление потока по радиусу кожуха сепаратора, наоборот, приводит к пропуску крупных пылинок, т. е. к укрупненному помолу.

СЖИГАНИЕ КУСКОВОГО ТОПЛИВА

Сжигание кусков топлива в слое - самый сложный про­цесс горения и по изобилию различных химических реакций, и по многообразию происходящих физических процессов.

На самом верху слоя происходит сушка топлива и его сухая перегонка. Смола - продукт сухой перегонки - испаряется и крекируется с выделением газов, кокса и сажи.

В нижние горизонты слоя поступают куски топлива, почти лишенные смол и других летучих компонентов; здесь они входят в соприкосновение с кислородом и влагой дутья и взаимодейст­вуют с ними, в результате чего образуются СО₂, СО, Н₂ и золь­ный остаток.

Присутствие между кусками горящего топлива, помимо уг­лекислоты, одновременно кислорода и оксида углерода, побудило многих исследователей считать, что СО является первичным продуктом химического взаимодействия углерода и кислорода.

В условиях реального слоя, где горят большие кус­ки топлива и где развиваются высокие температуры, преиму­щественное взаимодействие происходит при столкновении мо­лекул кислорода и углерода, в результате чего образуются как СО₂, так и СО.

В слое потоки СО от первого ряда кусков топлива частично сгорают за счет мощных потоков воздуха, протекающего меж­ду кусками.

Для практики слоевого сжигания самым важным является процесс восстановления углекислоты углеродом кокса, так как в одних случаях над слоем нужно получать как можно больше СО и Н₂ (генераторный процесс), а в других - минимум горю­чих (топочный процесс).

Топки с механической подачей топлива

В металлургических печах кусковое топливо применяют ред­ко, а если и применяют, то в печах небольшого размера; боль­шие печи, как правило, отапливают газообразным топливом или мазутом. Поэтому широко известные в котельной технике меха­нические топки (например, цепные, переталкивающие) в метал­лургических печах не нашли применения.

Топки с механическими забрасывателями. Из механизирован­ных топок наиболее целесообразными для металлургических пе­чей являются топки с верхней подачей. Здесь топливо подается питателем и забрасывается на поверхность слоя лопастями за­брасывателя, вращающегося на валу. Число оборотов вала из­меняется, благодаря чему регулируется подача и дальность полета кусочков и, следовательно, обеспечивается равномер­ность загрузки поверхности слоя топлива. Для обеспечения надежности действия и длительности срока службы механизмы питателя и разбрасывателя помещены в охлаждаемую водой арматуру.

При применении пневмозабрасывателей порции топлива по­даются питателем на специальную плиту и с нее сдуваются рас­плющенной струей воздуха, сжатого до 3925 н/м² или 400 мм вод. ст.

Топки с нижней подачей топлива. В такие топки (рисунок 13) топливо из бункера подается с помощью шнека. Воздух подводят в толщу подымающегося кверху топлива, тоже снизу. Воз­дух и топливо взаимодействуют как бы в параллельном потоке, что очень затрудняет зажигание слоя и сохранение устойчивости горения. Поэтому в топках с нижней подачей нельзя сжигать неподсушенные бурые угли.

Рисунок 13 - Топка с нижней подачей:

1 — бункер для угля;2 - шнек;3 — горящий слой угля;4 — воздушная коробка; 5 — подвод воздуха

При сжигании в таких топках антрацита и каменного угля с малым выходом летучих (менее 20%) колосники сильно нагре­ваются и срок их службы сокращается. Но, если топливо подо­брано удачно, топка с нижней подачей может работать хорошо и надежно без надзора в течение целой смены. Подача воздуха в этих топках автоматически регулируется по подаче топлива.

Иногда вместо шнекового ставят поршневой питатель, кото­рый позволяет сжигать более крупный уголь, чем в топке со шнеком.

Топки с нижней подачей строят производительностью от 8 до 100 кг/ч.

Расчет топок

Прежде всего нужно правильно, в соответствии со свойства­ми топлива, выбрать высоту слоя, затем выбрать основной ра­счетный параметр слоевых топок—тепловое напряжение зеркала горения или напряжение колосниковой решетки, показываю­щее, сколько тепла производится в течение часа на 1 м² ре­шетки.

Процесс горения протекает в диффузи­онном режиме, и поэтому в слое небольшой толщины можно получить очень высокое напряжение зеркала горения, если сжи­гается беззольное топливо. При этом предел будет определяться только уносом кусков топлива с поверхности слоя, а также по­явлением прогаров и выразится очень большой цифрой - поряд­ка 800 кг/(м²ч). Чем меньше в топливе золы, тем она более тугоплавка, тем большие напря­жения колосниковой решетки достигаются. Поэтому ясна перс­пективность конструкций топок с жидким шлакоудалением. В них шлакование слоя как тормоз интенсификации горения исчезает.

Площадь колосниковой решетки рассчитывают по формуле

R=ВQ^P_нφ/r м² (11)

гдеВ — расход топлива, кг/ч

Q^P_н— теплота сгорания топлива, кдж/кг;

φ — полнота топливовыделения в топке; обычно провал не превышает 4 %; унос также составляет 4 %. Следова­тельно φ ~ 0,92;

r — тепловое напряжение зеркала горения, кдж/(м²ч), которое берется по справочным данным.

Главной задачей остается обеспечение топки необходимым коли­чеством воздуха (дутья). Это можно сделать после того, как будет правильно установлено требуемое давление дутья, опре­деляемое сопротивлением горящего слоя, шлаковой подушки и самих колосников.

Обычно вполне достаточное давление дутья под решеткой составляет 687—981 н/м².

Объем топок рассчитывают в зависимости от того, в какой мере факел надо переносить в рабочее пространство печи.

Для плавильных и, как правило, для нагревательных печей желательно весь факел выносить в рабочее пространство печи. Это можно осуществить полностью лишь тогда, когда сжигают газ, мазут, угольную пыль.

При отоплении печей кусковым топливом перенос факела в рабочее пространство тоже необходим. Желательно, чтобы в этом случае объем топки был наименьшим. Поэтому объем то­пок рассчитывают по напряжениям топочного объема, значи­тельно превышающим напряжения объема котельных топок. Объем печных топок для твердого топлива рас­считывается по формуле

V=ВQ^P_нφ/ρ м³ (12)

где ρ — тепловое напряжение топочного объема, в/м³.

Литература: 4 осн. [54-140].

Контрольные вопросы:

1. Конструкции топливосжигающих устройств (газообразное топливо, горелки).

2. Топливосжигающие устройства сжигания жидкого топлива.

3. Сжигание топлива в виде пыли (устройства)

4. Сжигание кускового топлива.

5. Расчет топок.

Дата добавления: 2014-12-10