Теория и практика сжигания топлива к.т.н., доцент Перескок С.А.
Цель дисциплины – подготовить специалистов, способных эффективно решать задачи по организации сжигания топлива в цементных вращающихся печах. После изучения дисциплины студент должен иметь: - знания о свойствах различных видов топлива; - умение рассчитывать основные показатели процесса горения; - знания об особенностях сжигания различных видов топлива в цементных вращающихся печах и способах оптимизации процессов горения топлива при обжиге цементного клинкера; - знания проведения технологической, теплотехнической и экологической оценки различных видов топлива.
ТОПЛИВО I. Твердое Дрова Торф Бурый уголь Каменный уголь Антрацит Сланцы Производные полукокс С кокс С брикеты
ТОПЛИВО II.Жидкое Нефть t кип бензин 40…200 0 С лигроин - // - керосин - // - соляр.масло - // - мазут > С III. Газ П риродный газ
СВОЙСТВА ТОПЛИВ С – углерод Н – водород О – кислород S = Sк + Sо – сера N – азот A – зола Л – «летучие» W – влага С р – рабочая масса С с – сухая % по массе С т – горючая С р = С г 100 – (А р + W р ) 100 С р = С с W р 100 С г = С р ____100_____ 100– (А р + W р ) Твердое и жидкое
СВОЙСТВА ТОПЛИВ СН4: С2Н6 : С3Н8….СО2; Н2 : СО : N2 % по объему Газообразное
2. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ Q в – «высшая» (Q окисл + Q конд Н 2 О ) Q н р – «низшая» Q окисл Q б – «в бомбе» ( Q окисл + Q конд Н 2 О + Q раств SO2 : NO )
ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ Q н р = 339С р Н р – 109(О р – S р ) – 25 W р кДж/кг т Q н р = 358 СН С 2 Н С 3 Н С 4 Н С 5 Н СО + 108Н 2 кДж/кг т Газ Q н р = 35…42 МДж/м 3 Бурый уголь 10 – 17МДж/кг Мазут Q н р = 37…43 МДж/кг Каменный МДж/кг Уголь Q н р = 10…35 МДж/кг Антрацит МДж/кг Бензин Q н р = 44,3 МДж/кг Сланцы МДж/кг
УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО [Q н р ] усл. = 7000 ккал/кг 29,31 МДж/кг
С + О 2 СО 2 4 Н + О 2 2Н 2 О S + О 2 SО 2 СН 4 + 2О 2 СО 2 + 2Н 2 О α – 1,03...1,2 С 2 Н 6 + О 2 СО 2 + Н 2 О L o в =... L д в = L o в · α L п.г. = L СО2 + L Н2О + L SО2 + L N2 + L изб. О2 О 2 – 21 % N 2 – 79 % воздух 3. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
4. ТЕМПЕРАТУРА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ min t о возгорания на воздухе без огня Дрова о С Торф - // - Бурый уголь о С Каменный уголь о С Антрацит о С Мазут о С Газ о С СН о С С 2 Н о С
5. ТЕМПЕРАТУРА ВСПЫШКИ min t о воспламенения в присутствии огня мазут о С 6. ВЯЗКОСТЬ М 20, 40, 60, 80, 100 при t = 50 о С 7. ОГНЕУПОРНОСТЬ ЗОЛЫ 8. ВЛАЖНОСТЬ
9. ПОГОДОСТОЙКОСТЬ Склонность к воспламенению С + О 2 СО 2 + q FeS + О 2 Fe 2 O 3 + SO 2 + q
10. ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ Q н р + Q т ф + Q в гор = Q п.г. + Q дисс + Q пот Калориметрическая t к = Q н р +Q т ф +Q в L п.г. · С п.г.
10.2. Теоретическая t т = Q н р +Q т ф +Q в –Q дисс L п.г. · С п.г Действительная (практическая) t д = Q н р +Q т ф +Q в –Q дисс –Q о.с. L п.г. · С п.г. t д =η · t к η=0,6...0,9
11. ЖАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ (величина справочная) Максимальная температура при сжигании на воздухе при α = 1,0 r = Q н р ____ L п.г. · С п.г. r с – 2240 о С r газ – о С r Н2 – 2240 о С r мазут – о С r СО – 2378 о С r С2Н2 – 2620 о С r кам.уголь – 2190 о С
ВИДЫ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Вид газообразно- го топлива Состав, % ρ, кг/м 3 Q н р, МДж/ м 3 CН4CН4 С2Н6С2Н6 С3Н8С3Н8 С 4 Н 10 С 5 Н 12 N2N2 CO 2 H2SH2S Природный газ ,5-8,0 0,1- 4,0 0,1- 2,3 0-6,8 0,7- 3,8 0-0,6- 0,7- 0, Попутный газ ,5 - 10,7 0,9 - 2,7 0,2- 2,2 13, ,2– 0,8 0,5 0,97- 1, Н2Н2 СОСН 4 СnHmСnHm CO 2 N2N2 O2O2 ρ,кг/м 3 Q н р, МДж/ м 3 Коксовый газ57,06,014,03,0 7,0-0,34217,6 Сланцевый газ24,71016,2516,426,80,71,0413,4 Генераторный газ 13,027,60,6-6,053,20,21.145,15 Доменный газ3,0 --8,058,0-1,284,1
Основные характеристики и реакции горения газов ГАЗРЕАКЦИЯ ГОРЕНИЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ Ккал/м 3 РАСХОД ВОЗДУХА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗА 1 м 3 ГАЗА ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ НА 1 м 3 СГОРЕВШЕГО ГАЗА, м 3 ПРЕДЕЛЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ, % ОБЪЕМА ТЕМПЕРАТУРА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ °С ВЫСШАЯНИЗШАЯСО 2 Н2ОН2ОN2N2 ВСЕГОНИЖНИЙ ВЕРХНИ Й ВодородH 2 + 0,5O 2 = H 2 O ,38-1,01,882,884,075,0410 Окись углерода CO + 0,5O 2 = CO ,381,0-1,882,8812,574,0610 МетанCH 4 + 2O 2 = CO H 2 O ,521,02,07,5210,525,015,0545 ЭтанC 2 H 6 + 3,5O 2 = 2CO 2 + 3H 2 O ,662,03,013,1618,163,012,5530 ПропанC 3 H 8 + 5O 2 = 3CO 2 + 4H 2 O ,803,04,018,8025,802,29,5504 Бутан C 4 H ,5O 2 = 4CO 2 + 5H 2 O ,944,05,024,4433,441,98,5430 ПентанC 5 H O 2 = 5CO 2 + 6H 2 O ,085,06,030,0841,081,44,8284 ЭтиленC 2 H 4 + 3O 2 ® 2CO 2 + 2H 2 O ,282,0 11,2815,283,132,0510 ПропиленC 3 H 6 + 4,5O 2 = 3CO 2 + 3H 2 O ,423,0 16,9222,922,411,0455 БутиленC 4 H 8 + 6O 2 = 4CO 2 + 4H 2 O ,564,0 22,5630,562,09,6440 Пентилен C 5 H ,5O 2 = 5CO 2 + 5H 2 O ,705,0 28,2038, АцетиленC 2 H 2 + 2,5O 2 = 2CO 2 + H 2 O ,902,01,09,4012,402,581,0335
Теоретический расход воздуха на горение топлива - твердого и жидкого, м 3 /кг L в 0 = 0,0889 С р + 0,265 Н р – 0,0333(О р - S р ) - газообразного, м 3 / м 3 L в 0 = 0,0476 (2СН 4 +3,5С 2 Н 6 +5С 3 Н ,5С 4 Н 10 +8С 5 Н 12 +0,5Н 2 +0,5Н 2 ) Действительный расход воздуха L в д = L в 0 α, где α - коэффициент избытка воздуха
Выход продуктов сгорания Продукты сгорания Выход продуктов сгорания при сжигании топлива Твердого и жидкого топлива, м 3 на 1 кг топлива Газообразного, м 3 на 1 м 3 топлива Углекислы й газ LCO 2 = 0,0187 С р LCO 2 = 0,01(СО 2 +СН 4 +2С 2 Н 6 + 3С 3 Н 8 +4С 4 Н 10 +5С 5 Н 12 +СО) Водяной пар Lн 2 о = 0,112 Н р + 0,0124 W р Lн 2 о = 0,01(2СН 4 +3С 2 Н 6 + 4С 3 Н 8 +5С 4 Н 10 +6С 5 Н 12 +Н 2 ) Сернистый газ Lso 2 = 0,007 S р -- Азот LN 2 = 0,79 L в д α + 0,008 N р LN 2 = 0,79 L в д α + 0,01 N 2 КислородLО 2 = 0,21(α - 1) L в 0
ДИФФУЗИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ а – горелка ГВП; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение завихригеля; 6 – перемещение дросселя
ДИФФУЗИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ б – горелка ВРГ; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение завихригеля; 6 – перемещение дросселя
ДИФФУЗИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ в – горелка ГРЦ; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение завихригеля; 6 – перемещение дросселя
ДИФФУЗИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ г – горелка Южгипроцемента; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение завихригеля; 6 – перемещение дросселя
ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА ФИРМЫ Pillard 1 – завихритель; 2 – канал ввода мазутной форсунки; 3 – канал завихряемого потока газа; 4 – канал аксиального истечения газа; 5 – канал охлаждающего воздуха; 6 – жаростойкая изоляция; 7 – мембрана; 8 – узел регулирования щели аксиального канала; 9 – узел регулирования положения завихрителя
МАЗУТНАЯ ФОРСУНКА С ВИНТОВЫМ ИГОЛЬЧАТЫМ РАСПЫЛИТЕЛЕМ 1 – сопло; 2 – распылитель; 3 – шток; 4 – корпус форсунки; 5 – узел управления завихрителем
МАЗУТНАЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ ФОРСУНКА 1 – сопло; 2 – камера завихрения; 3 – поршень с перекрывающим стаканом; 4 – шток управления; 5 – корпус форсунки
ГАЗОМАЗУТНАЯ ВИХРЕВАЯ ГОРЕЛКА 1 – мазутное сопло; 2 – завихритель; 3 – корпус горелки; 4 – узел управления завихрителя
РЕГУЛИРОВАНИЕ ФАКЕЛА
ТЕПЛООБМЕН В ФАКЕЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ t ф =X T +Q н р –Q пот /V п.г. С п.г. при а= 1 t ф =max, но топливо не сгорает полностью. Рекомендуется держать а=1.05~1,1 (О 2 =1-2%) а=1 С+О 2 CO кДж/кг 2240°С а=0,5 С+1/2O 2 СО+10000кДж/кг 1340°С а=1 СО+1/2O 2 СО кДж/кг 2310°С Чтобы повысить теплообмен необходимо: 1. поднять t ф ; 2. сконцентрировать факел и снизить потери в окружающую среду (создать хорошую обмазку); 3. увеличить степень черноты факела - Еф (Еф=0,25-0,85)
ТЕПЛООБМЕН В ФАКЕЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ Тепловой поток; лучистой энергии : Q луч=5.67Ем [Е г (Т ф /100) 4 - А г.м. (Т м /100) 4 ] F, Ем- степень черноты материала Е г - степень черноты факела А г.м –поглощающая способность газа при температуре равной температуре материала Т ф и Т м - температура факела и материала
При Т ф 1550 ºС– 1650 ºС Δt=100 Q луч возрастает на 23% При Т ф 2050°С–2150°С Δt =100°С Q луч возрастает на 47% С понижением Т ф с 1800 °С–1680°С Δt =120°С производительность печи снижается на 17%. Температура определяет скорость химического взаимодействия и синтез минералов Kc 3 s=Ко е -E/RT Kc 3 s –коэффициент скорости химической реакции Е- энергия активации процесса R- газовая постоянная Т- абсолютная температура
Поэтому с понижением температуры следует учитывать необходимость более длительного обжига материала. В зависимости от температуры увеличивается время пребывания материала в зоне: е 2300/T1 /е 2300/T2 =1,53 раза Т1=2100°С Т2=2000°С Снижение температуры на 100°С требует увеличение продолжительности обжига в 1,5 раза Но высокая температура и концентрация ее на ограниченном участке снижает стойкость футеровки.
Скорость горения определяется: 1. скоростью химического взаимодействия (окисления) К=А е -Е/RТ Скорость горения при T>1000 ºС уже не лимитируется кинетическим фактором. 2. В факельном пространстве скорость молекулярной диффузии настолько велика, что этот фактор можно не учитывать. Скорость молекулярной диффузии определяется уравнением Д=Д 0 (T/T 0 ) 2
3.При высоких температурах скорость горения определяется макродиффузией, т.е скоростью подвода окислителя к топливу и интенсивностью их смешения, и определяется критерием Пекле P e =P r R e =0.7 R e Критерий Рейнольдса R e = (w·d)/ν где: d- опред. диаметр (Д печи); w- скорость газового потока; ν –кинематическая вязкость газов. С повышением скорости вылета газа из горелки интенсивность смешения и горения возрастает, с повышением температуры вторичного воздуха скорость смешения и горения - замедляется - поскольку значительно возрастает вязкость воздуха.
Конфигурация факела определяется точкой воспламенения. Раннее воспламенение в диффузионных горелках ухудшает подвод окислителя и несколько удлиняет факел, который должен быть оптимальной конфигурации. 4. Степень черноты гранулированного материала - Е м на 30% выше, чем пылевидного и лучше теплообмен с газом вследствие обновления поверхности при перекатывании гранул. Для интенсификации теплообмена при обжиге пылевидного материала следует: -использовать мощные цепные завесы для нагрева материала до °С -использовать технические приемы, позволяющие перемешивать движущийся по печи материал.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛА НА ОБЖИГ КЛИНКЕРА ПО СОСТАВУ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ Важнейшей информацией о процессе горения топлива является состав сухих отходящих газов, по данным которого можно: - судить о полноте сгорания топлива; - определять подсосы воздуха по запечному тракту; - оценивать степень подготовки материала в наиболее энергоемкой части печи (зона декарбонизации), снижение и увеличение слоя материала на подходе к зоне спекания; - рассчитывать расход тепла на обжиг цементного клинкера.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛА НА ОБЖИГ КЛИНКЕРА ПО СОСТАВУ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ Для расчета необходимы следующие данные: состав используемого топлива; – процентное содержание СО 2 в сухих продуктах горения при полном сжигании топлива с коэффициентом избытка воздуха α = 1; р – теплота сгорания топлива, приходящаяся на 1м 3 сухих продуктов горения, рассчитываемая в теоретически необходимом количестве воздуха; состав сухих отходящих газов, %;
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛА НА ОБЖИГ КЛИНКЕРА ПО СОСТАВУ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ Для расчета необходимы следующие данные: – процентное содержание СO 2 в сухих отходящих газах, пересчитанное для условий, когда коэффициент избытка равен 1; состав сырьевой смеси; количество углекислоты, выделяющейся из сырьевой смеси при декарбонизации, приходящейся на 1 кл клинкера.