Температура горения топлива

В теплотехнике различаются следующие температуры горения газов: жаропроизводительность, калориметрическую, теоретическую и действительную (расчетную).

Жаропроизводительность tж — максимальная температура продуктов полного сгорания газа в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха α = 1,0 и при температуре газа и воздуха, равной 0°C:

tж = Qн /(∑Vcp) (8.11)

где Qн — низшая теплота сгорания газа, кДж/м3; ∑Vcp — сумма произведений объемов диоксида углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 м3 газа (м3/м3), и их средних объемных теплоемкостей при постоянном давлении в пределах температур от 0°С до tж (кДж/(м3•°С).

В силу непостоянства теплоемкости газов жаропроизводительность определяется методом последовательных приближений. В качестве начального параметра берется ее значение для природного газа (≈2000°С), при α = 1,0 определяются объемы компонентов продуктов сгорания, по табл. 8.3 находится их средняя теплоемкость и затем по формуле (8.11) считается жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задается другая температура и расчет повторяется.

Жаропроизводительность распространенных простых и сложных газов при их горении в сухом воздухе приведена в табл. 8.4.

При сжигании газа в атмосферном воздухе, содержащем около 1 вес. % влаги, жаропроизводительность снижается на 25–30°С.

Калориметрическая температура горения tK — температура, определяемая без учета диссоциации водяных паров и диоксида углерода, но с учетом фактической начальной температуры газа и воздуха. Она отличается от жаропроизводительности tж тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха α принимаются по их действительным значениям. Определить tK можно по формуле:

tК = (Qн + qфиз)/(ΣVcp) (8.12)

где qфиз — теплосодержание (физическая теплота) газа и воздуха, отсчитываемое от 0°С, кДж/м3.

Природные и сжиженные углеводородные газы перед сжиганием обычно не нагревают, и их объем по сравнению с объемом воздуха, идущего на горение, невелик. Поэтому при определении калориметрической температуры теплосодержание газов можно не учитывать. При сжигании газов с низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.) их теплосодержание (в особенности нагретых до сжигания) оказывает весьма существенное влияние на калориметрическую температуру.

Теоретическая температура горения tT — максимальная температура, определяемая аналогично калориметрической tK, но с поправкой на эндотермические (требующие теплоты) реакции диссоциации диоксида углерода и водяного пара, идущие с увеличением объема:

СО2 ‹–› СО + 0,5О2 — 283 мДж/моль (8.13)

Н2О ‹–› Н2 + 0,5О2 — 242 мДж/моль (8.14)

При высоких температурах диссоциация может привести к образованию атомарного водорода, кислорода и гидроксильных групп ОН. Кроме того, при сжигании газа всегда образуется некоторое количество оксида азота. Все эти реакции эндотермичны и приводят к снижению температуры горения.

Теоретическая температура горения может быть определена по следующей формуле:

tT = (Qн + qфиз – qдис)/(ΣVcp) (8.15)

где qдис — суммарные затраты теплоты на диссоциацию СО2 и Н2О в продуктах сгорания, кДж/м3; ΣVcp — сумма произведения объема и средней теплоемкости продуктов сгорания с учетом диссоциации на 1 м3 газа.

Как видно из табл. 8.8, при температуре до 1600°С степень диссоциации может не учитываться, и теоретическую температуру горения может принять равной калориметрической. При более высокой температуре степень диссоциации может существенно снижать температуру в рабочем пространстве. На практике особой необходимости в этом нет, теоретическую температуру горения необходимо определять только для высокотемпературных печей, работающих на предварительно нагретом воздухе (например, мартеновских). Для котельных установок в этом нужды нет.

Действительная (расчетная) температура продуктов сгорания tд — температура, которая достигается в реальных условиях в самой горячей точке факела. Она ниже теоретической и зависит от потерь теплоты в окружающую среду, степени отдачи теплоты из зоны горения излучением, растянутости процесса горения во времени и др. Действительные усредненные температуры в топках печей и котлов определяются по тепловому балансу или приближенно по теоретической или калориметрической температуре горения в зависимости от температуры в топках с введением в них экспериментально установленных поправочных коэффициентов:

tд = tтη (8.16)

где η— т. н. пирометрический коэффициент, укладывающийся в пределах:

- для качественно выполненных термических и нагревательных печей с теплоизоляцией — 0,75–0,85;

- для герметичных печей без теплоизоляции — 0,70–0,75;

- для экранированных топок котлов — 0,60–0,75.

В практике надо знать не только приведенные выше адиабатные температуры горения, но и максимальные температуры, возникающие в пламени. Их приближенные значения обычно устанавливают экспериментально методами спектрографии. Максимальные температуры, возникающие в свободном пламени на расстоянии 5–10 мм от вершины конусного фронта горения, приведены в табл. 8.9. Анализ приведенных данных показывает, что максимальные температуры в пламени меньше жаропроизводительности (за счет затрат тепла на диссоциацию Н2О и СО2 и отвода теплоты из пламенной зоны).

Топливо применяемое в металлургии

Твердое топливо

Каменный уголь (в том числе и бурый), кокс, нефтяной кокс, дрова, древесный уголь и торф — твердые топлива, которые применяют в разных странах. Дрова, древесный уголь и торф так редко применяют в качестве топлива для промышленных печей, что о них здесь не стоит упоминать. Подача твердого топлива к печи, за исключением угольной пыли, связана с рядом затруднений; при сгорании этого топлива остаются зола л шлак, которые приходится удалять, что является вторым недостатком. Горение твердого топлива на решетке нельзя так хорошо регулировать, как горение газообразного или жидкого топлива.

Даже регулирование горения тонкой угольной пыли только приближается к эффективности регулирования горения топлива описанных выше видов, однако не достигает ее.

ПРОИЗВОДСТВО КОКСА

Кокс – твердый, спекшийся, прочный, кусковый продукт, образующийся при нагревании (коксовании) коксующегося камeннoгo угля до температуры 1000 –1100 °С без доступа воздуха.

Для производства кокса наиболее важным свойством KaMeHHoro yrля является ero спекаемость, т. е. способность образовывать при Harpeвании прочный спек кокс.

Не все каменные угли способны при нагревании образовывать прочный кусковой кокс. На основании лабораторных исследований и промышленного опыта коксохимических заводов установлена определенная связь между выходом летучих веществ, толщиной пластического слоя и показателями механических свойств кокса. В большинстве случаев, если выход летучих превышает 40%, то после нагревания пробы TaKoro угля в тигле образуется неспекшийся порошкообразный кокс. При выходе летучих 35 – 40% коксовый королек (твердый остаток в тигле) получается спекшимся, нередко вспученным, рыхлым, не очень прочным. При coдержании летучих 26 – 35% королек оказывается более спекшимся, oплaвленным, но также вспученным и пористым. Наиболее плотный, сплавленный и прочный кокс получается при выходе летучих 20–25%. При дальнейшем снижении содержания летучих в угле до 15% и менее образуется неспекшийся порошкообразный королек.

Объем современной коксовой печи дoстиrает 40-42 м³ . В печь заrpужается один раз 22 т(и более) шихты и получают из нее около 20 т кокса. Для уменьшения потерь теплоты печи объединены в rpуппы по 70-80 шт., образуя коксовую батарею.

По одной из наиболее распространенных схем HarpeBa в отопительный простенок снизу из pereHepaTopoB поступают HarpeTbIe воздух и rаз. В простенке происходят rорение rаза и HarpeB стенок двух соседних кaмер. Продукты roрения поднимаются вверх, проходят по переходному каналу и опускаются вниз по дрyrому простенку, обоrpевая две дрyrие стенки камер. Далее продукты rорения проходят через соседнюю пару pereHepaтopoB, наrpевают их и с температурой 300-400 ос уходят в ДЫMOвую трубу. Периодически (через 20-30 мин) происходит смена направления движения rазов: через HarpeTbIe pereHepaTopbI подаются воздух и rаз, а через остывшие продукты rорения. Выделяющиеся в результате пиролиза уrля химические продукты (rpязный коксовый rаз) отсасывается в rазосборник 10 и по raзоотводу направляется в химические цехи. Продолжительность периода коксования составляет 15-17 ч. За это время происходит HarpeB шихты и образуюшеrося кокса до температуры 1000 1100 ос.

Производительность современной коксовой батареи составляет примерно 1500 т кокса в сутки.

Коксотушильный BaroH отвозит раскаленный кокс в тyшильную башню, rдe он по традиционной технолоrии заливается водой (4-5 м 3 /т кокса). Затем кокс выrpужается на специальной наклонной площадке рампе 4, rдe в течение 30-40 мин охлаждаются крупные кycки вследствие испарения влаrи. Затем транспортером 3 кокс подается на коксосортировку.

Сущность процессов, про исходящих при коксовании в коксовой печи, можно представить следующим образом (рис. 8.6). При »аrpевании yrольной шихты от стенок печи в поперечном сечении спекаемоro слоя имеет место rpадиент температурноro поля. Поэтому в ходе коксования на различном расстоянии от стенок в спекаемом материале образуются зоны, в которых шихта HarpeTa до различных температур, а следователь но, находится на различных стадиях превращения в кокс. При HarpeBa нии щихты до 100-120 ос в зоне сущки 1 происходит испарение влаrи; последующее наrpевание до 300-350 ос в зоне 2 сопровождается потерей адсорбированных yrлем rазов и леrколетучих продуктов разложения opraнической массы. Начиная с температур 350-380 ОС, в зоне 3 появляется жидкая фаза, образующаяся в результате rтавления леrкоrтавКИХ COCTaBляющих yrля; со временем и при дальнейшем повышении температур pacrтaB растворяет в себе остальную массу уrля. В этот период из размяrченной массы шихты интенсивно выделяются летучие, меняется состав спекаемоrо вещества, которое начинает заryстевать. Фиксируется пористая структура материала, образовавшаяся ранее при бурном выделении raзообразных продуктов разложения yrля. При температуре 450-500 ос в печи из размяrченной rтастической массы вновь образуется твер!ый продукт полукокс 4. Дальнейший HarpeB приводит к образованию кокса 5. В этот период заканчивается вьщеление летучих и усадка пироrа, приводящая к образованию в нем большоro количества трещин, По мере повышения температуры до 1000-1100 ос происходит стабилизаuия кристаллической решетки yrлерода кокса, что блаrоприятно отражается на ero качестве, в частности снижается ero реакционная способность. Отдельные зоны непрерывно движутся навстречу друr дрyry и к оси печи до тех пор, пока весь слой не превратится в кокс, а все промежуточные зоны не исчезнут.

Следует отметить, что такой способ HarpeBa коксовой шихты не обеспечивает paBHoMepHoro качества кокса по всей толшине KOKCOBOro пироra вследствие неодинаковоro температурновременн6rо режима ero обра ботки. Наиболее высокими свойствами обладает кокс, находившийся у стенок камеры, который наибольшее время подверrался воздействию максимальных температур.

Подготовка к коксованию – дробление и обогащение.Стадии образования кокса из угольной шихты:

Сушка (до 200 °С)

Начальная стадия разложения (200 – 350 °С)
Пластификация шихты (появление смолы 350 – 500)
Образование полукокса (500 – 600)
Образование кокса (600 – 1000)

При получении кокса отбирают коксовый газ:

46 – 60% H₂

21 – 28% СН₄

2 – 4% тяжелые углеводороды

4 – 8% СО

2 – 3% СО₂

3 – 7% N₂

Q_н^р = 16,5 – 18,5 МДж/м³

Жидкое топливо

Жидкое топливо характеризуется рядом достоинств. Оно легко может сохраниться над или под землей и в отдаленных от печи местах. Для жидкого топлива некоторых видов не тре- буется подогрев и они всегда готовы к употреблению, подобно природному или городскому газам, но с тем дополнительным преимуществом, что жидкое топливо можно подавать из храни- лища в самую холодную погоду, в то время как природный газ в холодные дни часто отключают. Использование жидкого топли- ва не связано с теми потерями при хранении, которые неизбежны при употреблении генераторного, водяного и некоторых других газов. Регулирование температуры и атмосферы в печи не зави- сит от обстоятельств, находящихся в-не контроля обслуживаю- щего персонала, что имеет место при пользовании газогенера- торными установками. Жидкое топливо легко подается из хра- нилища к печи и сжигается без заметных остатков золы. Вязкость жидкого топлива меняется в зависимости от его химического состава и температуры. Жидкое топливо некоторых видов можно перекачивать и сжигать без предварительного по- догрева, др5^ие виды нуждаются в подогреве. В зависимости от свойств жидкого топлива подбирают оборудо(вание для подго- товки и подачи этого топлива к печи.

Нефтетопливо

Единственное естественное жидкое топливо – нефть.

Состав: 84-86%С, 2% Н, 0,5-5%S

Но в сыром виде почти не используется, а идет на переработку.

При перегонке нефти получают

Бензин (95-200 °С)
Лигроин (200 - 250)
Керосин (250 - 300)
Газойль (300 – 350)

Остатком является мазут первичный.

После второй перегонки – крекинг мазут. Его и используют.

По содержанию серы мазуты делят на 3 класса:

a. Малосернистый S<0.5%

b. Сернистый S = 0.5 – 1.0%

c. Высокосернистый S>1.0%

Основные показатели мазута – вязкость, температура вспышки, температура воспламенения.

Мазу́т (возможно, от арабского мазхулат — отбросы), жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350—360°С. Мазут- это смесь углеводородов (с молекулярной массой от 400 до 1000 г/моль), нефтяных смол (с молекулярной массой 500—3000 и более г/моль), асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства мазута зависят от химического состава исходной нефти и степени отгона дистиллятных фракций и характеризуются следующими данными : вязкость 8—80 мм²/с (при 100 °C), плотность 0,89—1 г/см³ (при 20 °C), температура застывания 10—40°С, содержание серы 0,5—3,5 %, золы до 0,3 %, низшая теплота сгорания 39,4—40,7 МДж/моль.

Мазуты применяются в качестве топлива для паровых котлов, котельных установок и промышленных печей (см. Котельные топлива), для производства флотского мазута, тяжелого моторного топлива для крейцкопфных дизелей и бункерного топлива. Выход мазута составляет около 50 % по массе в расчете на исходную нефть. В связи с необходимостью углубления ее дальнейшей переработки мазут во все большем масштабе подвергают дальнейшей переработке, отгоняя под вакуумом дистилляты, выкипающие в пределах 350—420, 350—460, 350—500 и 420—500°С. Вакуумные дистилляты применяют как сырье для получения моторных топлив, в процессах каталитического крекинга, гидрокрекинга, и дистиллятных смазочных масел. Остаток вакуумной перегонки мазута используют для переработки на установках термического крекинга и коксования, в производстве остаточных смазочных масел и гудрона, затем перерабатываемого на битум.

Примерный компонентный состав товарного мазута может включать в себя:

1. Мазут атмосферной перегонки нефти

2. Гудрон

3. Вакуумные газойли

5. Экстракты масляного производства

6. Керосино-газойлевые фракции (первичные и вторичные)

7. Тяжелые газойли каталитического крекинга и коксования

8. Битумы

9. Остатки висбрекинга

10. Тяжелая смола пиролиза

Основные потребители мазута — промышленность, флот и жилищно-коммунальное хозяйство.

Газообразное

Ещё более транспортабельны, при этом ещё большие потери, а также при нормальных условиях ниже энергетическая плотность.

Нормальные условия – 1 атм = 760мм, 0 градС

Стандартные 1 бар = 750 мм, 25 град С

Преимущества: Не требует дополнительной подготовки, хорошо смешивается с кислородом, низкая зольность, возможность составлять смеси с различной калорийной способностью.

Недостатки: Взрывоопасен, низкий удельный вес (неудобно хранить)

Естественное газовое топливо – природный газ

Искусственное – доменный, коксовый

⇐ Предыдущая 1 23