Печи литейных цехов. Характеристика, анализ, классификация: Учебное пособие

В.Н. МОРГУНОВ

ПЕЧИ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ. ТЕПЛОВАЯ РАБОТА ПЕЧЕЙ (Учебное пособие)

Пенза 2009

УДК 621.745.4.5(075.8)

Рецензенты: Ученый совет Пензенского научного центра; Главный металлург ОАО «Пензадизельмаш» А.С. Белоусов Моргунов В.Н. Печи литейных цехов. Характеристика, анализ, классификация.: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во пенз. гос. ун-та, 2009 - 36с Проанализированы и изложены основные технологические, энергетические, экологические и иные задачи, которые поставлены современным производством отливок перед печными агрегатами, как технологическим оборудованием тепловой обработки материалов. Представлены классификация и основные конструктивно-технологические схемы современных печей литейного производства. Изложены основные вопросы тепло- и массообмена в печах при их тепловой работе. Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Машины и технология литейного производства» направления подготовки дипломированных специалистов «Машиностроительные технологии и оборудование».

2

1. ГЕНЕРАЦИЯ ТЕПЛОТЫ В ТОПЛИВНЫХ ПЕЧАХ В топливных печах генерация теплоты производится при превращении химической энергии топлива в процессе его горения. Горение – это химический процесс взаимодействия топлива с окислителем (воздухом или кислородом), который сопровождается интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания с обязательным воспламенением и выделением светового излучения. 1.1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА Топливом, точнее технологическим топливом, называется горючее вещество, способное при сжигании в воздухе выделять значительное количество тепловой энергии. К топливу предъявляются следующие требования: - они должны быть достаточно распространены в природе и их добыча должна иметь, по возможности, низкие затраты; - их сжигание не должно быть связано с выделением вредных и ядовитых веществ опасных для здоровья и жизнедеятельности человека, а также окружающей среды; - они должны обеспечивать легкость своего сжигания и регулирование процесса горения. По агрегатному состоянию виды топлива подразделяются на твердое, жидкое и газообразное, а по происхождению – на естественные и искусственные. Топливо, используемое в том виде в котором оно находится в природе, называется естественным. Однако непосредственное сжигание естественного топлива по целому ряду причин не всегда целесообразно. Поэтому в технике широко применяются методы переработки естественного топлива. Продукт переработки естественного топлива носит название искусственного топлива. Основные виды технологического топлива, которые используются в промышленности представлены в табл. 1.1. Таблица 1.1 Классификация топлива по агрегатному состоянию и происхождению

Агрегатное состояние Твердое Жидкое Газообразное

Происхождение искусственное

естественное

Дрова, торф, бурый уголь, Древесный уголь, кокс, полукокс, брикаменный уголь, антрацит, кеты, термоантрацит горючие сланцы Нефть Бензин, керосин, мазут и другие продукты переработки нефти, спирт, каменноугольная смола и др. Природный и нефтепромы- Газы: коксовый, доменный, светильный, словые газы водяной, генераторный, нефтезаводской и др. 3

Самый древний вид топлива – дрова. В настоящее время дрова используются в промышленности очень ограниченно. Нефть как топливо применяется со второй половины XIX века. В настоящее время нефть является одним из важнейших ископаемых. Нефть в основном напрямую не сжигают. Ее используют для изготовления искусственных топлив: мазута, керосина и т.п. С древнейших времен в металлургии в качестве топлива применялся древесный уголь, однако появившийся в более позднее время кокс вытеснил его. В последнее время очень широкое применение получили природные газы. Увеличивается добыча каменного угля, в том числе углей, годных для коксования. Кокс и термоантрацит в основном используется при плавке чугуна в вагранках. Природный газ нашел самое большое распространение в сушильных и нагревательных (термических) печах, а также в плавильных печах для производства алюминиевых и медных сплавов. Из жидких топлив наибольшее распространение получил мазут. Он по некоторым показателям превосходит другие топлива, в т.ч. и природный газ. Очень часто его используют в качестве резервного для печей, работающих на природном газе. В целом ряде случаев работа на комбинированном газомазутном топливе оказывается экономически более выгодной, чем на одном газообразном. 1.1.1. Основные параметры технологического топлива Все виды топлива, их качество, характеризуются и оцениваются своим составом, т.е. содержанием горючих и негорючих составляющих (негорючие составляющие называются балластом топлива), теплотой сгорания (или теплотворной способностью), жаропроизводительностью, содержанием вредных примесей, удобством сжигания и т.п. Кроме того технологическое топливо, в зависимости от агрегатного состояния, характеризуется следующими параметрами: плотностью; пористостью, вязкостью; температурой застывания; размерами кусков или дисперсностью частиц; температурой воспламенения; температурой вспышки; пределами воспламенения. Состав топлива определяют, в зависимости от агрегатного состояния топлива, по элементарным составляющим или по концентрации химических составляющих. Элементарный состав жидкого и твердого топлива Как горючее, так и негорючие составляющие жидкого или твердого топлив находятся в различных, часто сложных, химических соединениях. Поэтому для удобства определения горючих составляющих жидкого или 4

твердого топлива расчет производят по их элементарному составу. В полном виде элементарный состав жидкого или твердого топлив описывается уравнением массы рабочего топлива (рабочего – означает с учетом балласта и влажности):

Ср + Нр + Ор + Sр + Np + Vp + Ap + Wp + Рр = 100%, (1.1) р

р

р

р

p

где С ; Н ; О ; S ; N – содержание (по массе) соответствующих химических элементов в топливе (%); Vp; Ap; Wp; Рр – содержание (по массе) летучих, золы, влаги и пыли соответственно (%); Знак Р обозначает, что состав рассчитан на массу рабочего топлива. Состав газообразного топлива Состав газообразного топлива определяют по концентрации химических составляющих, как горючих, так и балласта. Очень часто концентрацию составляющих газообразного топлива выражают в объемных процентах (объемн.%), приведенных к нормальному состоянию. Так для природного газа состав рабочего топлива описывается следующим уравнением: CH 4p + ΣC n H mp + H 2p + CO p + CO 2p + N 2p + O2p + SO 2p + H 2 O p + NO xp =

=100(объемн.%),

(1.2)

где CH 4 иΣC n H m - содержание метана и других углеводородов в рабочем топливе (объемн.%); H 2p ; CO p ; CO 2p ; N 2p ; O2p ; SO2p ; H 2 O p ; NO xp - содержание различных газообразных составляющих рабочего топлива (объемн.%). p

p

Теплотворная способность топлива

кДж кДж ; 3 ) – это максимально кг м возможное количество теплоты, которое может выделиться при полном сжигании 1 кг или 1 м3 топлива в холодном воздухе (Тв = 273 К). От теплотворной способности зависит расход топлива на проведение заданной тепловой обработки материала в печи. Различают высшую и низшую теплотворную способность. Их значения зависят от содержания влаги в топливе. Теплотворная способность топлива (

р

Высшая теплотворная способность ( Q в ) – это максимально возможное количество теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива с образованием воды (все приведено к нормальным физическим условиям).

5

р

Низшая теплотворная способность ( Q н ) – это максимально возможное количество выделяемой теплоты при полном сжигании топлива с учетом поглощения теплоты на нагрев воды и ее парообразование. При нагреве воды и ее парообразовании происходит поглощение теплоты в количестве:

2512 кДж/кг(Н2О).

Значение низшей теплотворной способности топлива более реально, т.к. продукты сгорания выходят из печи с температурой не менее 373 К (1000С). р

р При нормальных физических условиях Q н и Q в связаны между собой следующим выражением:

Q нр = Q вр - q H 2O ⋅ m H 2O , где q H 2O - удельная теплота испарения влаги (q = 2512

(1.3)

кДж ); кг ⋅ Н 2О

mH 2O - удельное содержание влаги в продуктах сгорания, полученных при сжигании 1 м3 или 1 кг топлива, приведенное к нормальным условиям кг кг ( 3 ; ). м кг Содержание балласта уменьшает теплотворную способность топлива и, соответственно, его жаропроизводительность. В газообразном топливе в качестве балласта чаще всего встречается Н2О, N2 и СО2. В жидком топливе Н2О и сернистые соединения. В твердом топливе – вода, различные минеральные твердые и летучие соединения, оксиды и т.д. Летучая часть балласта топлива переходит в продукты сгорания, а твердая – образует золу при сжигании. Поэтому жидкие и твердые топлива характеризуются такими параметp p рами, как содержание влаги (W ) и летучих (V ), а также значением зольнор сти (А ). Низшую теплотворную способность газообразного топлива определяют по теплотворной способности горючих составляющих, входящих в их состав. Для этого необходимо знать объемный состав горючего газа и теплотворную способность горючих составляющих. Низшую теплотворную способность газообразного топлива определяют по формуле: n

QH( p ) =

∑ К i ⋅ QH( p ) i

i =1

100

(

кДж ), м3

(1.4)

где Кi – содержание i–го горючего компонента в газообразном топливе (объемн.%); 6

( p) QHi - низшая теплотворная способность i–го горючего компонента (

кДж ); м3

n – количество горючих компонентов в топливе. Низшую теплотворную способность твердого и жидкого топлива определяют исходя из теплотворной способности элементарных горючих составляющих входящих в их состав: n

QH( p ) =

( p) (∑ K i ⋅ QHi ) − 2512W ( p ) i =1

(

кДж ), кг

100 где Кi – содержание i–го горючего элемента в топливе (%);

( p) QHi - низшая теплотворная способность горючего элемента топлива (

W(p) – содержание влаги в топливе (%); n – количество горючих элементов в топливе.

(1.5)

кДж ); кг

Значения низшей теплотворной способности горючих составляющих топлива представлены в табл. 1.2. Таблица 1.2 Низшие теплотворные способности основных горючих составляющих природного газа Горючие составляющие топлива Q ( p ) ( кДж ) горюче- Q ( p ) ( кДж ) горючеH Н м3 кг

Углерод (С) до СО2 Углекислый газ (СО) Водород (Н2) Сера (S) Метан (СН4) Этан (С2Н6) Пропан (С3Н8) Бутан (С4Н10) Пентан (С5Н12) Углерод (С) до СО

го составляющего 34,07 10,10 119,91 9,13 50,06 47,53 46,40 45,77 44,66 10,27

го составляющего 12,63 10,79 35,82 63,75 91,26 118,65 146,08 -

Жаропроизводительность Жаропроизводительность является основной температурной характеристикой топлива. Жаропроизводительность (Тж) – это максимально возможная температура, которая развивается при полном сжигании топлива в холодном воздухе, с учетом парообразования, но без учета диссоциации продуктов сгорания. Значение жаропроизводительности топлива показывает на его тепловые возможности при обработке материала в печах. 7

Сжигание топлива в современных печах часто производят с использованием подогрева воздуха и самого топлива. Несомненно, что физические теплоты топлива и "дутьевого" воздуха, вносимые в теплосодержание продуктов сгорания дополнительно, должны повысить их температуру (т.е. выше значения Тж). Температура воспламенения и вспышки Температура воспламенения топлива характеризует момент перехода реакции его окисления от медленного протекания к быстрому (т.е. горению). Для большинства горючих газов температура воспламенения находится в пределах 773-873 К (500-6000С). Для твердого топлива температура воспламенения находится в пределах 973-1073 К (700-8000С). Чем больше летучих веществ в твердом топливе, тем ниже его температура воспламенения. Жидкое топливо воспламеняется только в парообразном состоянии при 773-973 К (500-7000С). Кроме температуры воспламенения жидкое топливо характеризуется температурой вспышки. Это значение температуры, при которой над поверхностью жидкого топлива образуется взрывчатая газообразная смесь из паров топлива и воздуха. Температура вспышки значительно ниже температуры воспламенения. Например, у мазута температура вспышки имеет значение 353-373 К (80-1000С). Следует отметить, что присутствие балласта в топливе повышает температуру воспламенения, а водяной пар до определенной концентрации является катализатором горения топлива (без присутствия группы ОН по теории цепной реакции горения невозможно сжигание топлива). Пределы воспламенения Пределы воспламенения – это граничные концентрации горючего газа в горючей газовоздушной смеси, в пределах которых происходит ее воспламенение. Данный параметр характерен для газообразных топлив. Горючие газовоздушные смеси в пределах воспламенения взрывоопасны. Они могут взорваться от любого источника огня (спички, искры и т.п.). Повышение температуры среды расширяет пределы воспламеняемости среды. В качестве примера. Пределы воспламеняемости природного газа при температуре 293 К (200С) имеют следующие значения: - минимальная концентрация газа (объемн.) – 3% - максимальная концентрация газа (объемн.) – 17%. Удобство сжигания Удобство сжигания топлива характеризуется трудоемкостью подготовки топлива к сжиганию и затратами дополнительной энергии на его подготовку и розжиг. Кокс, например, перед сжиганием просеивают и сортируют 8

по размерам кусков (что важно для наведения холостой колоши вагранки). Розжиг кокса требует затрат дополнительного топлива (природного газа, дров) и длителен по времени. Мазут перед сжиганием необходимо подогреть, что требует специальных устройств для подогрева. Его сжигание связано с обязательным распылением сжатым воздухом, паром и др. дополнительными источниками кинетической энергии. Природный газ разжигается достаточно легко с помощью газового или электрического запальника. Вредные примеси Вредные примеси топлива оказывают существенное влияние на экологическую обстановку при его сжигании в печах. Чем больше вредных примесей в топливе, тем больше капитальных затрат на очистку продуктов сгорания. К часто встречающимся вредным примесям относятся сера и ее соединения, пылевидные частицы (оксиды, частицы самого топлива и пр.). Такая примесь, как сера, кроме экологической опасности, наносит вред качеству сплавов при их производстве (особенно при производстве чугуна и стали). Реакционная способность твердого топлива Реакционная способность – это способность топлива, содержащего углерод, участвовать, при высоких температурах, в реакции газификации углерода, при продувке его углекислым газом (СО2):

С + СО2 → 2СО

(1.6)

Эта реакция эндотермическая. Для ее прохождения требуется затраты теплоты: Qэнд = 13548 кДж/кг(С) Реакционная способность (R) характеризует степень прохождения реакции газификации и определяется соотношением количества (СО2) и (СО) в продуктах сгорания, выраженных в объемных процентах (объемн.%) и приведенных к нормальным условиям:

R=

CO (объемн.%) СО (объемн.%) + СО2 (объемн.%)

(1.7)

Чем больше реакционная способность топлива, тем больше СО выделяется в продукты сгорания, тем меньше температура продуктов сгорания. На реакционную способность большое влияние оказывает пористость топлива. Чем выше пористость топлива, тем выше его реакционная способность. Одной из важных характеристик ценности топлива является его стоимость. Однако следует отметить, что стоимость топлива должна всегда рас9

сматриваться в комплексе с транспортными расходами, хранением, затратами на обеспечение безопасности и т.п. Условное топливо и эквивалентный коэффициент Для сопоставления различных технологических топлив введено понятие «Условное топливо». Условное топливо – это такое предполагаемое топливо, у которого низшая теплотворная способность принята равной:

Qр н.усл.т = 29350 кДж/кг. Для сравнения различных технологических топлив, при расчетах их расхода, производят перерасчет количества реального топлива (тр.т.) в количество условного топлива (тусл.т.). Перерасчет производится с помощью эквивалентного коэффициента (Э):

тусл.т = Э · тр.т

(1.8)

Эквивалентный коэффициент связывает между собой низшие теплор р творные способности реального топлива (Q н.р.т.) и условного топлива (Q н.усл.т.): Qнр. р.т. 1 = ⋅ Qнр. р.т. = 34ּ 10-6 ּ Q р н. р.т. , Э= р (1.9) Qн. усл.т. 29350 где

Q р н. р.т. - низшая теплотворная способность реального топлива, кДж/кг. 1.1.2. Характеристики основных видов технологического топлива

Топочный мазут Мазут это жидкое искусственное топливо. Он получается в результате переработки нефти. Мазут в качестве горючих составляющих содержит тяжелые углеводороды. Основной недостаток мазута – это сложность его подготовки к сжиганию и высокое содержание серы. Топочный мазут в зависимости от условной вязкости выпускается трех марок: 40; 100; 200. В литейном производстве используется мазут с наименьшей вязкостью (Марки 40). В табл.1.3 представлены основные характеристики мазута данной марки. Следует отметить, что по содержанию серы мазут подразделяется на три группы: малосернистый (до 0,5% S); сернистый (0,5 – 2,0% S); высокосернистый (2,0 – 3,5% S). В литейном производстве для сжигания в печах используется только малосернистый мазут.

10

Таблица 1.3 Основные характеристики мазута

Показатели

Единица измерений МДж/кг К(0С) К(0С) К(0С) К(0С) кг/м3 % %

Теплотворная способность, Qрн Жаропроизводительность, Тж(tж) Температура вспышки, Твсп(tвсп) Температура воспламенения Температура застывания Плотность, ρ Влажность, Wр Зольность, Ар

Количественное значение 35,6-39,8 2383(2110) 363-383(80-90) 773-873(500-600) 283-293(10-20) 890-998 0,5-2,0 0,1-0,4

Кокс Кокс это твердое искусственное топливо. Его получают спеканием измельченного каменного угля при нагреве до температуры 1173-1373 К (900-11000С) без доступа воздуха в специальных коксовальных печах. Кокс обладает большой механической прочностью, прочностью на истирание, а также высокой пористостью. По пористости кокс подразделяется на металлургический (доменный) и литейный. Металлургический кокс имеет пористость выше 42%, а литейный – менее 42%. Пористость кокса определяет одну из важных характеристик, как реакционная способность. В доменном процессе содержание СО в продуктах сгорания необходимо для восстановления оксидов металлов из руды. Поэтому доменный кокс имеет реакционную способность 0,25-0,5. В ваграночном процессе специально создавать условия образования СО в продуктах сгорания нет необходимости. Повышение СО в продуктах сгорания ведет к снижению их температуры. Потребуются дополнительные устройства для последующего дожигания СО до СО2. В ваграночном процессе в большей степени требуется повышенная температура продуктов сгорания для более высокого перегрева жидкого чугуна. поэтому литейный кокс имеет меньшее значение реакционной способности (R = 0,20 ÷ 0,25). Следует отметить, что водород в коксе приводит к резкому повышению его реакционной способности. В ваграночном процессе важную роль играют размеры кусков литейного кокса. Так уменьшение размера кусков кокса до 25-30 снижает температуру перегрева жидкого чугуна, увеличивает реакционную способность кокса, создает благоприятные условия для насыщения чугуна углеродом и серой из кокса. При работе на слишком крупном коксе сильно растягивается «кислородная» зона. Это приводит к нежелательному окислению чугуна. В зависимости от основного диаметра вагранки рекомендуется применять следующие размеры кусков кокса: 11

Диаметр вагранки (мм):

600

900

1200

1700

Размер куска кокса (мм):

65

100

125

150

Промышленность выпускает три марки литейного кокса: КЛ-1; КЛ-2 и КЛ-3. они отличаются друг от друга в основном содержанием серы. в табл.1.4 даны основные характеристики литейного кокса. Повышение содержания серы в коксе всего на 1% ведет к увеличению расхода флюсов при плавке в вагранке на 15%, а расхода кокса на сжигание на 15-20%. Увеличение зольности кокса на 1% повышает расход кокса при плавке в вагранке на 2,0-2,5%. Таблица 1.4 Основные характеристики литейного кокса

№ п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Показатели Содержание серы, Sр (%) Зольность, Ар (%) Влажность, Wр (%) Содержание летучих, Vр (%) Кислород, Ор2 (%) Водород, Нр2 (%) Теплотворная способность, Qрн(кДж/кг) Жаропроизводительность, Тж, К(0С) Насыпная масса, (кг/м3)

Количество КЛ-1 КЛ-2 КЛ-3 0,45-0,6 11,0-12,5

0,8-1,0 9,5-11,0

1,2-1,4 10,5-12,0

До 4,0 1,2 1-3 0,3 -1,0 23000-29000 2453-2493(2180-2220) 400-500

Природный газ Природный газ – это естественное газообразное топливо, состоящее из углеводов, в основном группы алканов. В табл.1.5 представлены основные параметры природного газа. Таблица 1.5 Основная характеристика природного газа (усредненная)

СН4 81-99

Состав(объемн.%) Плотность. Qрн*, Тж(К) 3 3 ρ(кг/м ) (МДж/м ) ΣСnHm СО2 N2 2273-2283 0,3-15,0 5,0-0,1 14,0-0,2 0,73-0,79 30-38 р 3 * - часто для расчетов принимают Q н = 35000 кДж/м

Температура воспламенения природного газа – 803К (5300С). Природный газ, как любой другой горючий газ, взрывоопасен в смеси с воздухом при определенных соотношениях (3,0-17,0%).

12

1.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Горение должно сопровождаться смесеобразованием (образованием горючей смеси), диффузионными процессами, теплообменом и другими процессами, протекающими в условиях тесной взаимосвязи. По своей сущности горение является совокупностью нескольких одновременно протекающих физических и химических процессов: - подвод топлива и окислителя к месту горения с определенной скоростью; - смешение топлива и окислителя в определенных пропорциях; - нагрев топлива и топливо-воздушной смеси (горючей смеси) в зоне горения до температуры воспламенения; - термическое разложение топлива на границах раздела фаз ( частичная газификация твердого или жидкого топлива в поверхностном слое, диссоциация и пр.); - воспламенение горючей смеси в зоне горения (образование пламени); - образование продуктов сгорания; - теплообмен между продуктами сгорания и горючей смесью в зоне горения; - воспламенение последующих порций (слоя) горючей смеси; - отвод продуктов сгорания из зоны горения. Эти процессы могут проходить по различным схемам, но все они в комплексе в той или иной мере определяют характер горения. Процессы горения подразделяют на гомогенные и гетерогенные. При гомогенном горении тепло- и массообмен протекают между телами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии. Гомогенное горение происходит в объеме (это объясняется цепным характером гомогенного горения). Данный вид горения характерен для газового топлива. При гетерогенном горении тепло- и массообмен происходят между телами, находящимися в разных агрегатных состояниях. Такое горение характерно для жидкого и твердого топлив. Гомогенное горение может протекать в кинетической и диффузной областях. При кинетическом горении полное перемешивание топлива с воздухом осуществляется предварительно, и в зону горения попадает заранее подготовленная топливно-воздушная смесь. При этом скорость реакции окисления топлива определяет скорость горения. При диффузионном горении процессы перемешивания и горения не разделены и протекают практически одновременно. В этом случае определяющую роль играет скорость процесса перемешивания топлива с воздухом, так как время перемешивания значительно больше времени, необходимого для протекания химических реакций окисления. Таким образом, полное время протекания процесса при кинетическом горении практически равно времени собственно горения. При диффузи13

онном горении полное время протекания процесса горения практически равно времени перемешивания. Процесс гетерогенного горения протекает на границах фаз, где, в конечном итоге, происходит газификация топлива, образование газообразной горючей смеси и последующее гомогенное горение. 1.2.1. Возникновение и распространение пламени. Образование факела Для начала горения горючей смеси необходимо создать определенные начальные условия, которые должны привести ее к воспламенению. К таким начальным условиям можно отнести: - создание определенной концентрации гомогенной смеси топлива и воздуха (горючей смеси); - нагрев горючей смеси до определенной температуры (температуры воспламенения); - создание условий для теплового потока в зону горения определенного значения (для поддержания температуры воспламенения). Создание определенной концентрации гомогенной горючей смеси в зоне горения необходимо для того, чтобы войти в пределы воспламеняемости данного вида топлива при условиях сжигания. Для создания и поддержания температуры воспламенения в зону расположения горючей смеси необходимо подать извне определенное количество теплоты, которое зависит от теплофизических характеристик горючей смеси (например, теплоемкости) и характера теплообмена с окружающей средой в данной зоне. Горючую смесь можно воспламенить двумя способами: - при первом способе вся горючая смесь нагревается до температуры воспламенения, после этого она сама воспламеняется во всем объеме одновременно; - при втором способе холодная смесь нагревается в одной точке посторонним высокотемпературным источником до температуры выше температуры воспламенения и происходит ее поджиг в этой точке; в дальнейшем распространение пламени происходит без внешнего вмешательства с определенной конечной скоростью, за счет нагрева продуктами сгорания последующих порций горючей смеси. Первый способ воспламенения называется самовоспламенением, второй зажиганием топлива. В печах литейного производства применяется второй способ воспламенения при сжигании топлива. Зажигание топлива в печах производят специальными запальными устройствами (раскаленным телом, дежурным пламенем или электрической искрой). Запальное устройство должно обладать достаточной тепловой мощностью для поддержания температуры воспламенения во времени поджига. 14

Первоначальный процесс горения горючей смеси, после воспламенения, происходит в каком-то слое, который ограничивает основную массу топливовоздушной смеси. Этот слой называют фронтом пламени. При сгорании этого слоя происходит выделение продуктов сгорания и теплоты. Раскаленные продукты сгорания передают теплоту последующему слою горючей смеси. Он нагревается до температуры воспламенения и, также воспламеняется. Т.е. происходит беспрерывное воспламенение все новых и новых слоев горючей смеси. Это можно представить как перемещение фронта пламени в сторону расположения топлива. Размеры фронта пламени и скорость его перемещения (ωф) зависят от скорости горения (ωг) и скорости распространения пламени (ωП). Чем выше концентрация горючих компонентов и окислителя в зоне горения, чем больше их столкновений в единицу времени, тем выше скорость горения (ωг). Чем выше скорость горения, тем больше размеры фронта пламени и скорость его перемещения (ωф). Скорость распространения пламени (ωП), во первых зависит от теплофизических свойств горючей смеси. В частности значение ωП: - прямо пропорционально теплоте сгорания и теплопроводности горючей смеси; - обратно пропорционально ее теплоемкости. Сжигание горючей смеси в низкотемпературной среде снижает скорость распространения пламени, а сжигание в высокотемпературной среде сопровождается резким повышением скорости распространения пламени. Подогретая до высоких температур горючая смесь с концентрацией в пределах воспламеняемости может гореть одновременно по всему объему. Большое влияние на скорость распространения пламени оказывает избыток или недостаток воздуха для сжигания горючей смеси. В обоих случаях скорость распространения пламени снижается, так как снижается выделение теплоты и температура сгорания. Во вторых, на скорость распространения пламени оказывает значительное влияние механизм (или способ) горения горючей смеси: ламинарный или нормальный; турбулентный; вихревой). При ламинарном способе горения ωП имеет минимальное значение, а при вихревом – наивысшее значение. Если горючая смесь находится в неподвижном состоянии, то фронт пламени, в процессе горения, перемещается в сторону горючей смеси. Если горючая смесь будет перемещаться в сторону зону горения, то фронт пламени, при определенных условиях, может стоять на месте и образовывать факел. Образование факела всегда связано определенными соотношениями скоростей: распространения пламени (ωП); перемещения фронта пламени (ωф); горения (ωг); перемещения горючей смеси в зону горения (ωсм). Причем существуют, как минимум, два значения критической скорости горючей смеси кр ), определяющие верхний и нижний предел скорости пов зону горения (ω см

15

тока горючей смеси, в котором наблюдается стабилизация факельного горения. Верхний предел скорости потока указывает на вероятность отрыва пламени, при превышении скорости потока выше этого предела. Его называют верхним пределом устойчивости пламени. Нижний предел скорости потока указывает на вероятность проскока пламени внутрь газогорелочного устройства. Его называют нижним пределом устойчивости пламени. Этот предел зависит от диаметра огневого кольца (носика горелки), температуры огневого кольца, первоначальной температуры горючей смеси. Для стабильного горения факела необходим непрерывный отвод продуктов сгорания из зоны горения. Скорость отвода продуктов сгорания от фронта пламени должна быть взаимосвязана по закону сохранения массы со скоростью распространения пламени и плотностью горючей смеси (ρсм). Эту взаимосвязь можно представить следующим уравнением:

ωпр.сг. = ωП · (

ρ см ), ρ пр.сг.

(1.10)

где ωпр.сг.; ωП – скорость продуктов сгорания и распространения пламени соответственно; ρсм; ρпр.сг. – плотности горючей смеси и продуктов сгорания соответственно. Из данного уравнения следует, что скорость отвода продуктов сгорания должна быть выше скорости распространения пламени во столько раз, во сколько раз плотность горючей смеси выше плотности продуктов сгорания. Если скорость отвода продуктов сгорания будет меньше данного значения, то прекратится горение; если наоборот – произойдет отрыв пламени. 1.2.2. Интенсификация процессов горения топлива Наиболее распространенный способ интенсификации горения топлива связан с увеличением скорости распространения пламени (ωП). Для увеличения скорости распространения пламени производят предварительный подогрев дутьевого воздуха, а также более точное регулирование химического состава горючей смеси (т.е. соотношение топливо-воздух). При регулировании химического состава горючей смеси стремятся приблизить состав горючей смеси к стехиометрическому. Иногда для интенсификации процесса горения воздушное дутье обогащают кислородом. Все это приводит к сокращению объемов продуктов сгорания и к повышению температуры горения. Большое влияние на интенсификацию процесса горения оказывает механизм смесеобразования. С этой целью повышают степень турбулентности горения. Иногда зону смесеобразования подвергают воздействию низкокачественных пульсаций и акустических колебаний. При наложении пульса-

16

ций частотой до 200 Гц в факеле резко возрастает температура и увеличивается скорость реакций горения. Интенсификацию сжигания газообразного топлива осуществляют также путем увеличения поверхности фронта пламени (увеличивается площадь горения). Для этого целесообразно разработать газовоздушный поток на более мелкие струи или выходное отверстие горелки делать не круглым, в виде загнутых щелей. 1.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА И ИХ РАСЧЕТ Основными параметрами горения топлива являются: - удельный расход окислителя (как правило воздуха) на сжигание единицы массы или объема топлива (lв; м3/м3 или м3/кг); - состав и количество полученных продуктов горения при сжигании n

единицы массы или объема топлива (υ CO ;υ H O ;υ N ...υ i ; ∑υ i ); 2

2

2

i =1

- удельное теплосодержание продуктов горения (iп.г., кДж/м3); - достигаемые температуры продуктов горения (калориметрическая, теоретическая, действительная); - удельный расход разбавителя продуктов сгорания для достижения заданной рабочей температуры в печи (м3/ на м3 продуктов сгорания); разбавителем может быть холодный воздух (υВ) или обработанные печные газы (υотр). Количественные значения параметров горения зависят от организации процесса сжигания топлива и от количества поданного для горения топлива окислителя (т.е. воздуха). 1.3.1. Полнота горения топлива. Коэффициент избытка воздуха

В зависимости от количества воздуха, участвующего в процессе горения различают полное или неполное горение топлива, с недостатком или избытком воздуха для процесса горения. Полное горение топлива – это такое горение, при котором в продуктах сгорания не образуются горючие составляющие, способные в дальнейшем догорать с выделением теплоты. Неполное горение топлива – это такое горение, при котором в продуктах сгорания образуются горючие составляющие, способные в дальнейшем догорать с выделением теплоты (угарный газ, водород, углеводороды, сажа и т.п.). При неполном горении уменьшается теплосодержание продуктов сгорания и снижается их температура. Горение с недостатком воздуха приводит к неполному горению топлива. 17

Горение с избытком воздуха приводит к полному сжиганию топлива, но в продуктах сгорания появляется свободный кислород. Горение с избытком воздуха также приводит к снижению удельного теплосодержания продуктов сгорания и, соответственно, их температуры. При анализе химических уравнений горения составляющих топлива в стехиометрическом соотношении рассматривается теоретически полное горение с соответствующим теоретическим расходом воздуха на горение. Теоретический расход воздуха на горение (lТ) – это минимально возможное количество воздуха, необходимое для полного горения единицы массы или объема топлива, рассчитанное по стехиометрическим уравнениям горения, согласно химического состава топлива. При определении теоретического расхода воздуха (lТ) на горение необходимо определить его состав. В состав воздуха входит: кислород, азот, аргон, углекислый газ, водяной пар и т.п. (см. табл.1.6). Таблица 1.6 Состав атмосферного воздуха при нормальных условиях (усредненные значения)

Название газа

Содержание, % объемное По массе Кислород (О2) 20,95 23,1 Азот (N2) 78,09 75,5 Аргон (Аr) 0,93 1,286 Диоксидин углерода (СО2) 0,03 0,046 Водяной пар (Н2О) (за 100%) 0,032-3,20 0,02-2,0 Для расчетов, если влагосодержание воздуха не задается, пользуются следующим содержанием паров воды: 0,01 кг/кг воздуха или 0,016 м3/м3 воздуха, при этом плотность воздуха составляет: ρв = 1,155 кг/м3. Часто для предварительных расчетов принимается упрощенный состав воздуха (объемн.%): - кислород (О2) – 21%; - азот (N2) – 79%. В данном случае следует, что каждый кубометр кислорода воздуха, участвующего в горении топлива, вносит в данный процесс 3,762 кубометра азота (79/21 ≈ 3,762). Тогда стехиометрические уравнения полного горения горючих составляющих топлив будут иметь вид, представленный в табл.1.7.

18

Таблица 1.7 Стехиометрические реакции горения основных горючих составляющих топлива в воздухе

С + 0,5О2 + 1,88N2 = СО + 1,881N2 C + O2 + 3,762N2 = CO2 + 3,762N2 H2 + 0,5O2 + 1,88N2 = H2O + 1,881N2 S + О2 + 3,762N2 = SO2 + 3,762N2 СН4 + 2О2 + 7,524N2 = СО2 + 2Н2О + 7,524N2 С2Н6 + 3,5О2 + 13,167N2 = 2CО2 + 3H2O + 13,167N2 С3Н8 + 5О2 + 18,810N2 = 3СО2 + 4Н2О + 18,810N2 С4Н10 + 6,5О2 + 24,453N2 = 4СО2 + 5Н2О + 24,453N2 С5Н12 + 8О2 + 30,096N2 = 5СО2 + 6Н2О + 30,096N2 Если воспользоваться данными о молекулярной массе основных составляющих процесса полного теоретического горения (см.табл.1.8) и известного термодинамического положения, что при нормальных условиях один моль любого газа занимает объем равный ≈ 22,4 м3, то можно произвести расчет теоретического расхода воздуха (lТ) на полное сжигание единицы массы или единицы объема топлива, а также теоретический выход продуктов сгорания. Таблица 1.8 Молярная масса и объем, занимаемый одним молем газа при нормальных условиях, основных составляющих процесса горения топлива Вещество и его физиче- Молярная Плотность ρ, Объем моЖаропроизвоская формула масса М, кг/м3 ля(газ), м3 дительность кг/моль Т,К(t,0С)

1

2

3

4

5

Углерод (С) Водород (Н2) Окись углерода (СО) Сера (S) Алканы (СnH2n+2) Метан (СН4) Этан (С2Н6) Пропан (С3Н8) Бутан (С4Н10) Пентан (С5Н12) Алкен (СnH2n) Этилен (С2Н4) Воздух (сухой) Пар (Н2О) Диоксид углерода (СО2) Диоксид серы (SО2) Кислород (О2) Азот (N2)

12,01115 2,0156 28,01 32,064

0,08987 1,25 -

22,43 22,4 -

2613(2340) 2513(2240) 2653(2380) -

16,04 30,07 44,09 58,12 72,14

0,7168 1,356 2,0037 2,703 3,457

22,36 22,16 22,0 21,5 20,87

2316(2043) 2370(2097) 2383(2110) 2392(2119) 2392(2119)

28,05 28,96 18,016 44,01 64,06 32,0 28,016

1,2605 1,2928 0,768 1,9768 2,9263 1,42895 1,2505

22,24 22,4 23,45 22,26 21,89 22,39 22,4

2557(2284) -

19

Например, при сжигании 1 м3 этана (СН4) согласно химической реакции полного горения (см.табл.1.7) необходимо затратить воздуха (lТ = 9,524 м3), при этом выход продуктов сгорания будет равен (υт = 1 + 2 + 7,524 = 10,524 м3). При полном сжигании 1 кг углерода (С) до (СО2) согласно уравнения (см.табл.1.7) необходимо затратить воздуха [lТ = (1,0 + 3,762) · (22,4/12) = 8,89 м3], при этом выход продуктов сгорания будет равен [υТ = (1,0 + 3,762) · (22,4/12) = 8,89 м3]. В реальных условиях тепловой обработки действительный или фактический расход воздуха на горение (lД), по заданным условиям сжигания, часто имеет значение отличное от значения теоретического расхода (lТ ). Соотношение действительного расхода воздуха на горение (lД) к теоретическому расходу (lТ) учитывается специальным коэффициентом (α), который называется "коэффициентом избытка воздуха на горение топлива":

α=

lД

(1.11)

lТ

При α ≥ 1,0 происходит полное горение топлива (причем при α = 1,0 горение происходит согласно стехиометрическому уравнению окисления). При α < 1 происходит неполное горение топлива. В состав продуктов сгорания неполного горения топлива могут входить СО, Н2, СnHm с выделением сажистого углерода (Ссаж). При данном сжигании уменьшается выделение теплоты и падает температура продуктов сгорания. Изменяя коэффициент избытка воздуха (α) можно регулировать состав продуктов сгорания и их температуру. Таблица 1.9 Средние значения теоретического расхода воздуха (lТ), теоретического объ-

ема продуктов сгорания (υТ) и его состава при горении топлив (α = 1) Состав продуктов сгорания(объемн.%) Топливо LТ υТ

Природный газ Метан (СН4)

3

3

3

3

СО2 9,7 9,5

Н2О 18,1 19,0

9,85 м /м 10,9 м /м 3 3 9,52 м /м 10,52 м3/м3 26,66 м3/кг 32,26 м3/кг Водород (Н2) 34,7 2,88 м3/м3 2,38 м3/м3 Мазут(распыл.воздух) 10,71 м3/кг 11,4 м3/кг 13,5 12,5 3 3 Кокс 7,24 м /кг 7,20 м /кг 20,5 1,3 3 3 Углерод (С) до (СО2) 8,9 м /кг 8,9 м /кг 21,0 Средняя плотность продуктов сгорания – ρ ≈ 1,23-1,4 кг/м3

N2 72,2 71,5

65,3 74,2 78,2 79,0

В табл.1.9 представлены количественные значения (усредненные) теоретического расхода воздуха (lТ) на полное горение основных видов топ20

лива и теоретического выхода продуктов сгорания (υТ) и их составляющих (υi), рассчитанных по химическим уравнениям реакций горения горючих составляющих топлив в воздухе (см.табл.1.7). Несомненно, что для полного сжигания топлива, в реальных условиях практический расход воздуха (lпр) будет выше по значению, чем lТ. На практический расход воздуха при полном горении будут оказывать влияние следующие факторы: - вид топлива и его подготовка к горению; - устройство топок и топливосжигающего оборудования; - назначение и конструкция печи. Реально для полного сжигания топлива, в зависимости от его вида, рекомендуются следующие значения коэффициента избытка воздуха (αпр = lпp/lТ): - газообразное топливо – 1,05-1,10; - мазут – 1,10-1,25; - пылевидное топливо – 1,20-1,25; - каменноугольное топливо – 1,20-1,70. 1.3.2. Действительная температура полного горения топлива и ее расчет

Если предположить, что, при полном горении топлива, отсутствуют какие-либо потери теплоты в окружающее пространство, а также на диссоциацию продуктов сгорания, то такое горение должно обеспечивать наивысшее значение температуры. Такая температура горения называется калориметрической (Тк). Реально при высоких температурах происходят реакции диссоциации продуктов сгорания: СО2 → СО + 1/2О2;

Н2О → Н2 + 1/2О2

(1.12)

Эти реакции требуют затрат теплоты, т.е. относятся к эндотермическим реакциям. Значение температуры горения топлива с учетом потерь теплоты на диссоциацию продуктов сгорания называют теоретической температурой

(ТТ).

Известно, что при увеличении значения жаропроизводительности топлива степень диссоциации его продуктов сгорания увеличивается. Практически влияние диссоциации продуктов сгорания на значение теоретической температуры сказывается при значениях температуры выше 1873-1923 К (1600-16500С). Для определения теоретической температуры горения топлива в воздухе часто используют поправочный коэффициент, учитывающий степень диссоциации продуктов сгорания (коэффициент диссоциации – φ): 21

ТТ = φ · Тк ,

(1.13)

при Т = 2473 К – φ ≈ 0,93; при Т = 2323 К – φ ≈ 0,95; при Т = 2223 К – φ ≈ 0,96; при Т = 2123 К – φ ≈ 0,97; при Т = 1923 К и ниже – φ = 1,0. Действительная температура горения (ТД) – это температура продуктов горения, которая достигается при сжигании топлива в реальных условиях работающей печи. Данная температура будет ниже, чем значение теоретической температуры, вследствие теплообмена продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Для практических расчетов действительной температуры полного горения (ТД) все потери теплоты, происходящие при теплообмене продуктов сгорания в процессе их образования в рабочем пространстве, учитываются специальными пирометрическими коэффициентами (η), значения которых определены экспериментальным путем:

η =

ТД

(1.14)

ТТ

Значение пирометрического коэффициента зависит от конструкции рабочего пространства печи и условий сжигания топлива. В табл. 1.10 приведены значения η для наиболее распространенных конструктивных вариантов печей. Таблица 1.10 Значение пирометрического коэффициента (η)

Вариант печи Камерные печи периодического действия Проходные печи, методические нагревательные печи Закрытые туннельные печи Закрытые плавильные печи (вагранки, шахтно-ванные печи и т.п.)

η 0,62-0,70 0,70-0,75 0,75-0,82 0,78-0,85

Расчет действительной температуры горения при полном сжигании топлива (т.е. при α ≥ 1) ведется по уравнению:

η ⋅ ϕ (Qнр + Qф.т. + Qф.в. )

ТД =[

n

∑ сi ⋅υi i =1

22

+ 273]

(К),

(1.15)

где

Q нр - низшая теплотворная способность топлива (кДж/кг или кДж/м3);

Qф.т. и Qф.в. – физические теплоты, вносимые топливом и "дутьевым" воздухом в зону горения (кДж/кг или кДж/м3); ci – средняя теплоемкость i-го компонента продуктов сгорания при температуре ТД (

кДж ); м ⋅ град 3

υi – объем i-го компонента продуктов сгорания при сжигании единицы массы

или объема топлива, приведенный к нормальным условиям (м3); n – количество компонентов в продуктах сгорания; η – пирометрический коэффициент (см.табл.1.10); φ – коэффициент диссоциации. При применении неполного горения топлива (при α < 1) часть его горючих составляющих либо сгорают до продукта неполного горения (например СО), либо вообще переходят в продукты горения (или в шлак) не сгоревшими. Выделенная теплота горения в данном случае будет ниже значения р теплотворной способности топлива (Q н). Поэтому, при расчете действительной температуры горения (ТД), в уравнение (1.15) следует вводить вмер сто (Q н) значение действительной теплоты горения (Qд), которая должна выделяться при неполном горении. Расчет действительной теплоты при неполном горении (Qд) ведут, исходя из химических уравнений неполного горения компонентов топлива, по количественным значениям исходных и полученных компонентов горения, а также тепловым эффектам данных реакций. Расчет действительной температуры полного горения ведется следующим образом: - определяются горючие и негорючие составляющие топлива; - составляются химические уравнения горения горючих составляющих топлива; - определяются и назначаются теплотворная способность топлива р (Q н), температуры подогрева воздуха и топлива, подаваемые для горения (Тв и ТТ); - определяются удельный расход воздуха на полное горение (lв) и удельный выход продуктов сгорания (υпр.сг.), а также их компонентов (υi), приведенных к нормальным условиям; - определяют значения теплот, вносимых подогретым воздухом и топливом (Qф.в.; Qф.т.); - сами задаются каким-то значением действительной температуры горения (ТД), исходя из каких-то практических соображений и рекомендаций литературных источников; - при выбранной температуре (ТД) находят значения средних теплоемкостей (Сi) i-х компонентов продуктов сгорания (значения средних тепло23

емкостей основных компонентов продуктов горения при различных температурах представлены в табл.1.11); - по уравнению 1.15, подставляя найденные значения, определяют расчетное (ТД); если расчетное (ТД) отличается от заданного Вами (ТД) более чем на 5%, то расчет произведен не верно; следует задаться другим значением (ТД) и повторить расчет. Таблица 1.11 Средние теплоемкости воздуха и основных компонентов продуктов рания (Сср), приведенных к нормальным условиям (

сго-

кДж ) м 3 ⋅ град

Температура газа, К(0С)

N2

СО

СО2

О2

Н2О

Н2

Воздух сухой

373(100) 473(200) 673(400) 873(600) 1073(800) 1273(1000) 1473(1200) 1673(1400) 1773(1500) 2073(1600) 2173(1700) 2273(1800)

1,298 1,304 1,315 1,340 1,365 1,390 1,415 1,436 1,444 1,453 1,461 1,470

1,302 1,306 1,327 1,357 1,386 1,411 1,436 1,457 1,465 1,474 1,482 1,491

1,700 1,788 1,930 2,043 2,098 2,202 2,265 2,315 2,336 2,374 2,383 2,391

1,319 1,336 1,377 1,415 1,449 1,478 1,503 1,520 1,528 1,537 1,545 1,553

1,507 1,524 1,566 1,616 1,666 1,725 1,775 1,830 1,855 1,876 1,901 1,922

1,302 1,306 1,327 1,357 1,382 1,411 1,432 1,453 1,470 1,478 1,486 1,492

1,302 1,306 1,327 1,357 1,382 1,411 1,432 1,453 1,470 1,478 1,486 1,492

Физическая теплота, вносимая подогретым воздухом, подаваемым на процесс горения 1 м3 или 1 кг топлива, рассчитывается по следующему уравнению: Qф.в. = lв ⋅ св(Т в ) ⋅ (Т в − 273) ( кДж ), (1.16) м3 где lв – удельный расход воздуха, приведенный к нормальным условиям, на м3 м3 или 3 ); сжигание единицы массы или объема топлива ( кг м

св(Т ) - средняя теплоемкость воздуха при температуре Тв ( в

Тв – температура подогрева воздуха (К).

кДж ); м ⋅ град 3

Физическая теплота, вносимая подогретым топливом, рассчитывается по следующему уравнению: Qф.т. = lв ⋅ ст(Т Т ) ⋅ (Т т − 273) ( кДж ; кДж ), (1.17) кг м3

24

(Т )

где ст Т - средняя теплоемкость топлива кДж кДж ( ; 3 ); кг ⋅ град м ⋅ град ТТ – температура подогрева топлива (К).

при

температуре

Тт

1.3.3. Расчет количества воздуха или отработанных печных газов для разбавления продуктов горения в печи

В некоторых печах, например сушильных, требуется достаточно низкая рабочая температура нагрева. Чтобы создать такую температуру в рабочем пространстве печи, необходимо произвести разбавление продуктов сгорания холодным воздухом или отработанными печными газами. Удельное количество воздуха, необходимое для разбавления продуктов сгорания (υв; м3/м3пр.сг.), имеющих температуру ТД, с целью снижения их температуры до рабочей (Тр), находят по следующему уравнению:

υв =

Тр

ТД

(iпр.сг. − iпр.сг. )

м3 ( ), (1.18) (Т ) [св р ⋅ (Т р − 273) − св(Т н ) ⋅ (Т н − 273)] м 3 пр.сг.

(Т р )

(Т Д )

где iпр .сг . ,

iпр .сг . - удельные значения теплосодержания продуктов сгорания при температурах ТД (действительная температура горения в печи) и Тр

(

кДж ); м3 (Т р )

св (

,

св(Т

н

)

- средние теплоемкости воздуха при температурах Тр и Тн

кДж ); м ⋅ град 3

Тр – заданная рабочая температура печи (К); Тн – начальная температура воздуха (К).

Удельное теплосодержание продуктов сгорания при какой-либо температуре (Т) определяется по уравнению: n (Т ) (Т ) iпр.сг . = (Т – 273) · ∑ (сi(Т ) ⋅ К i ) =(Т – 273) · спр .сг .

где сi

(Т)

кДж ), (1.19) 100 м3 i =1 – средняя теплоемкость i-го компонента продуктов сгорания при

температуре Т (

(

кДж ); м ⋅ град 3

Кi – объемная концентрация i-го компонента продуктов сгорания, приведенная к нормальным условиям (объемн.%); Т – температура продуктов сгорания (К); n – количество компонентов продуктов сгорания; 25

(Т ) спр .сг . - средняя теплоемкость продуктов сгорания при температуре (Т)

(

кДж ). м ⋅ град 3

При разбавлении продуктов горения отработанными печными газами, расчет их потребности ведется по следующему уравнению:

υ пр.сг. = (Т Д )

(Т Д )

(Т р )

(iпр.сг. − iпр.сг.

м 3 .отр ), (Т ) (Т ) [сотр ⋅ (Т р − 273) − сотр ⋅ (Т о − 273)] м 3 .пр.сг р

О

(

(1.19)

(Т р )

где iпр .сг . ; iпр.сг. - удельное теплосодержание продуктов сгорания при темкДж пературах ТД и Тр ( 3 ); м (Т ) (Т ) сотр ; сотр - средние теплоемкости отработанных печных газов при темпер

о

кДж ); м 3 ⋅ град ТД – действительная температура горения топлива в печи (К); Тр – рабочая температура печи (К); То – температура отработанных печных газов, вновь возвращенных в печь (К).

ратурах Тр и То (

1.3.4. Параметры горения кускового угля и кокса в печах и их особенности

Основным элементарным горючим составляющим угля и кокса является углерод. Поэтому развитие реакций горения угля, и кокса будем рассматривать на реакциях окисления углерода. В печах литейного производства кусковый уголь сжигают в топках на колосниковой решетке с использованием слоевого режима горения в плотном слое с фильтрацией окислителя и продуктов сгорания через слой. Кокс в основном сжигают в вагранках, где также используется слоевой режим горения. Сжигание кусков угля в слое – сложный процесс горения. На самом верху слоя происходит сушка угля и его сухая перегонка с выделением летучих газов. В нижние горизонты слоя поступают куски угля без содержания летучих соединений. При подаче воздуха в эти горизонты слоя угля, кислород взаимодействует с углеродом по следующим реакциям: С + 0,5О2 = СО; СО + 0,5О2 = СО2; С + О2 = СО2

26

(1.20)

В результате образуются газы СО2 и СО. Кроме этого образуется зольный остаток. Так как в нижнюю зону горения в слое постоянно подается воздух, то в ней всегда присутствует свободный кислород. Поэтому эту зону называют Окислительной зоной, или кислородной. Известно, что при высоких температурах горения (~ 2000К) скорость неполного горения (до СО) опережает скорость полного горения углерода (до СО2). Поэтому при коэффициенте избытка воздуха равным единице (α = 1) в продуктах горения, наряду с присутствием СО2, будет присутствовать СО. Т.е. развитие реакций горения при высоких температурах с коэффициентом избытка воздуха α = 1, даже в «кислородной» зоне, идет с частично неполным горением. Неполноту горения углерода в «кислородной» зоне оценивают коэффициентом горения (ηТ). Его определяют по следующему соотношению: (СО2 ) ηТ = , (1.22) (СО2 ) + (СО ) где СО2 и СО – содержание СО2 и СО в продуктах сгорания углерода в окислительной зоне (объемн.%). При горении угля или кокса в «кислородной» зоне слоя коэффициент горения имеет следующие значения: ηТ = 0,7 – 0,8. По высоте слоя концентрация свободного кислорода убывает. На горизонте слоя, где заканчивается кислород, заканчивается и «кислородная» зона. На данном горизонте слоя развиваются самые высокие температуры продуктов сгорания. Высота «кислородной» зоны в большей степени зависит от размеров кусков угля и составляет приблизительно от 3 до 6 диаметров данных кусков. При температурах выше 1200К в отсутствии кислорода в слое угля получают развитие эндотермические реакции газификации, например: С + СО2 = 2СО

(1.22)

Поэтому, в случае, когда слой угля более чем высота «кислородной» зоны, в его более высоких горизонтах получают развитие реакции газификации. В продуктах сгорания снижается содержание диоксида углерода и повышается содержание оксида углерода (СО) (см.рис.1.1). Слой, где нет свободного кислорода в продуктах сгорания (и наблюдается содержание СО), называется «редукционным» (восстановительным) слоем. Рис. 1.1. Изменение состава продуктов сгорания по высоте кускового топлива в слое

27

В зависимости от толщины слоя и происходящих там окислительновосстановительных процессов различают три способа осуществления сжигания кускового топлива: - в простых топках на колосниковых решетках с толщиной слоя порядка 3 диаметра кусков (~ 100 мм); - в топках с полугазовой областью сжигания (11-12 диаметров кусков топлива); - в топках (устройствах) с сжиганием в области газификации по реакции 1.22 (высота более 12 диаметров кусков). Горение кускового топлива в простых топках на колосниковой решетке

В простой топке весь воздух подается под слой топлива, а топливо забрасывают поверх слоя, лежащего на колосниковой решетке, и равномерно распределяют по всей его поверхности. В процессе горения топливо движется сверху вниз, навстречу воздуху, подаваемому под колосниковую решетку (см.рис.1.2). При непрерывной загрузке топлива и непрерывном удалении золы горение протекает спокойно, не меняясь с течением времени. Каждый процесс горения, рассмотренные ранее, находит себе место на определенном горизонте слоя или выше его в топочном пространстве. При большом избытке воздуха над слоем пламя укорачивается и светлеет, при недостатке его – мутнеет. По виду пламени можно регулировать работу простой топки. Однако, наиболее точно это можно выполнить по анализу газов. Расход воздуха определяет производительность топки. Избыток же воздуха определяется высотой слоя топлива на колосниковой решетке. Важное топливо требует более высокого слоя, так как перед зажиганием оно должно подсохнуть. Практические высоты слоя топлива в простых топках составляют: для угля 0,1-0,3 м, для торфа 0,2-0,4 м, для дров 0,5-1,4 м. Для простых топок применяют в основном горизонтальные колосниковые решетки неподвижные или качающиеся. Типичным для современных колосниковых решеток является малое их живое сечение (7-15%). Такое сечение обеспечивает высокую стойкость колосников и равномерное распределение воздуха по сечению колосников. Рис. 1.2. Схема горения кускового угля в простых топках на колосниковой решетке

28

Равномерное распределение воздуха обеспечивается большим сопротивлением колосников. Высокая стойкость колосников с малым живым сечением обеспечивается удалением фронта горения от их поверхности (из-за большой скорости воздуха) в связи с чем они не перегреваются. Толщина слоя топлива на колосниковой решетке находится в пределах 100 мм. Развитие реакций горения углерода на колосниковой решетке будет происходить всегда в присутствии «свободного» кислорода. Т.к. процесс горения в «кислородном» слое идет с частичным недожогом СО до СО2, а показателем этого процесса является коэффициент горения (ηг), то химическое уравнение горения на «колоснике» скорее всего будет иметь вид: С + 0,5(1 + ηг)О2 = ηг · СО2 + (1 - ηг) · СО (1.24) Для полного горения необходимо увеличить коэффициент избытка воздуха до α = 1,2 – 1,8. при таком избытке воздуха свободный кислород пронизывает слой угля и дожигает оксид углерода над поверхностью слоя. Горение кускового топлива в полугазовых топках

В полугазовых топках пламя переносится из топки в рабочее пространство печи. Для этого на колосниках делают слой топлива в 2,0-2,5 раза выше, чем в простой топке. Поэтому в верхних горизонтах образуется угарный газ, который с помощью вторичного воздуха дожигается за пределами слоя. В полугазовой топке воздух для горения приходится подводить в двух местах: первичный воздух (около 60%) – под колосниковую решетку, вторичный (около 40%) – в рабочее пространство печи. Для лучшего перемешивания вторичный воздух рекомендуется вводить тонкими струями. Преимущество полугазовой топки перед простой заключается в том, что периодичность ее загрузки мало влияет на состав полугаза, так как высокий слой топлива характеризуется большой тепловой инерцией. Кроме того, вторичный воздух можно подогревать до самых высоких температур, чего нельзя делать с первичным воздухом из-за опасения за стойкость колосников. Даже в простых топках целесообразно подводить воздух в небольших количествах (20% от LД) в пространство над слоем для надежности дожигания образующихся газообразных горючих. Горение кокса в слое холостой колоши вагранки

Кокс в вагранках сжигают в «толстом» слое холостой коксовой колоши (ХКК). Горение углерода в таком слое происходит в разных условиях. В нижней части слоя, куда подается воздух из фурм, углерод горит в присутствии свободного кислорода. Данная часть слоя колоши называется окислительной (кислородной) зоной (см.рис. 1.3). 29

Рис. 1.3. Зоны горения кокса в «толстом» слое ХКК

В верхней части слоя, где свободный кислород уже отсутствует, а присутствуют только продукты сгорания, углерод реагирует с СО2 продуктов сгорания, в результате образуется угарный газ (СО). Данная часть слоя колоши называется восстановительной (редукционной) зоной. В окислительной зоне, горение углерода кокса происходит по химическим реакциям, рассмотренным ранее (см. уравнения 1.21, 1.22). Высота окислительной зоны колоши зависит от размеров кусков кокса. Так при использовании холодного дутья высота равна 6-8 диаметрам куска кокса, а при горячем дутья (773К) – 4-6 диаметрам. Практически высота окислительной зоны находится в пределах 400-600 мм. Вообще окислительная зона заканчивается на той высоте, на которой заканчивается присутствие свободного кислорода. В редукционной зоне происхождение реакции газификации углерода кокса диоксидом углерода (см. уравнение 1.23). Зависит от реакционной способности литейного кокса (R = 0,20 – 0,25). Если принять коэффициент горения при развитии реакций горения в первой зоне ХКК равным: ηг = 0,7, а реакционную способность кокса равной: R = 0,25, то тогда химическое уравнение горения углерода кокса в ХКК вагранки приобретает следующий вид: С + 0,765О2 + 2,88N2 = 0,525СО2 + 0,475СО + 2,88N2

(1.25)

Такое развитие горения углерода кокса приводит к продуктам сгорания следующего состава (объемн.%): СО2 – 13,5-15,0; СО – 10,0-12,3; N2 – 74,0-75,0. На рис. 1.4 представлены графические изменения состава продуктов сгорания и их температуры по высоте холостой колоши. Рис. 1.4. Состав продуктов сгорания и изменение их температуры по высоте холостой коксовой колоши вагранки

Увеличение значения коэффициента горения в окислительной зоне до η = 0,8, а также применение кокса с более низким значением реакционной способности (например, R = 0,20) приводит к снижению СО в продуктах сгорания до 5% (объемн.). При обогащении дутьевого воздуха, подаваемого на горение в ХКК, кислородом в химическое уравнение горения 1.25 перед азотом (N2) следует поставить следующее значение: 30

(N ) = 0,765 К стех 2

(79 − 0,395 ⋅ Одоп ) , (21 + 0,395 ⋅ Одоп )

(1.26)

где Одоп – количество введенного в воздух кислорода (объемн.%, свыше 100%). 1.3.5. Параметры горения природного газа при различных коэффициентах избытка воздуха

Основным горючим составляющим природного газа является метан (СН4). Поэтому развитие реакций горения природного газа рассмотрим на примере метана. Полное горение метана с избытком воздуха

При горении метана с избытком воздуха (α > 1) происходит полное горение, только в продуктах сгорания появляется свободный кислород. Химическое уравнение данного процесса горения имеет следующий вид: СН4 + (2α)О2 + (7,52 α)N2 = СО2 + (2)Н2О + (7,52α)N2 + 2(α – 1)О2 , (1.27) при α ≥ 1 Аналогично будут выглядеть химические уравнения горения других горючих составляющих природного газа при избытке воздуха. По реакциям горения метана и других горючих составляющих природного газа при избытке воздуха были рассчитаны значения: - состава и количества продуктов сгорания; - калориметрической температуры горения (Тк) при различных значениях подогрева воздуха. Например, при горении природного газа в холодном воздухе с α = 2,0 калориметрическая температура будет равна - Тк = 1488К; образуется продуктов горения объемом 19,53 м3/м3, в которых содержится 9,9 м3/м3 свободного кислорода (см.табл. 1.12). При горении природного газа с α = 1 калориметрическая температура горения будет равна Тк = 2323К, а продуктов сгорания образуется 10,3 м3/м3 без содержания кислорода.

31

Таблица 1.12

υ

Состав, количество ( пр.сг.) и калориметрическая температура (Тк) полного горения природного газа при избытке воздуха α ≥ 1 и его подогреве до (Тв)

α

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Состав продуктов сгорания (объемн.%) СО2 10,0 8,5 7,4 6,5 5,8 5,3

Н2О 19,0 16,1 14,0 12,4 11,1 10,0

N2 71,0 72,2 73,1 73,8 74,3 74,8

О2 3,2 5,5 7,3 8,8 9,9

Тк(К) при температуре воздуха Тв(К) 273 673 2323 2593 2083 2343 1883 2143 1718 1998 1588 1859 1488 1758

Количество продуктов сгорания на 1м3 газа, υ пр.сг.(м3/м3) 10,30 12,15 13,92 15,84 17,68 19,53

В табл. 1.13 представлены значения теплоемкости продуктов горения природного газа с различным избытком воздуха при различных температурах их нагрева (значения приведены к нормальным условиям). Таблица 1.13 Средняя теплоемкость (сср) продуктов сгорания природного газа при его сжигании с α ≥ 1

Коэффициент избытка воздуха, α 1,0 1,2 1,4 2,0

Значение сср (кДж/м3 · град) при температурах tпр.сг. (0С)

200

600

1000

1400

1600

1800

1,40 1,35 1,35 1,33

1,47 1,44 1,44 1,41

1,54 1,51 1,50 1,46

1,60 1,57 1,56 1,51

1,64 1,60 1,59 1,54

1,67 1,64 1,62 1,56

Горение природного газа с недостатком воздуха

При неполном горении природного газа с недостатком воздуха (α < 1) процесс (на примере метана) сопровождается эндотермическими реакциями: СН4 → С + 2Н2 С + СО2 → 2СО С + Н2О → СО + Н2 m СnHm → nС + ( ) Н2 (1.28) 2 Химическое уравнение процесса горения метана с учетом эндотермических реакций при недостатке воздуха будет иметь вид: СН4 + (2α)О2 + (7,52α)N2 = 0,5 · (3α – 1)СО2 + 1,5 · (1 - α)СО + + 2,5 · (1 - α)Н2 + 0,5 · (5α – 1)Н2О + (7,52α)N2, при α ≤ 1 (1.29)

32

Аналогично составляются уравнения процесса горения других горючих составляющих природного газа. По этим уравнениям производят расчеты количества и состав продуктов горения и их калориметрическую температуру. Так при горении 1м3 природного газа в холодном воздухе с коэффициентом избытка воздуха α = 0,3 образуется 5,21 м3 продуктов сгорания, в которых содержится 19,0% СО и 34,0% Н2О, а их калориметрическая температура будет равна Тк = 1193К (см.табл. 1.14). Таблица 1.14 Состав, количество (υ пр.сг) и калориметрическая температура (Тк) неполного горения природного газа при избытке воздуха α < 1 и его подогреве до (Тв)

Состав продуктов сгорания (объемн.%)

α

0,3 0,5 0,8

СО2 1,0 4,0 8,5

Н2О 4,0 11,0 16,0

N2 42,0 52,0 64,0

СО 19,0 13,0 5,5

Н2 34,0 20,0 7,0

О2 -

Тк(К) при Количество температуре продуктов воздуха сгорания на 1м3 газа, Тв(К) 3 3 273 673 Vпр.сг.(м /м ) 1193 1353 5,21 1653 1893 7,01 2158 2401 9,11

Полное горение метана в воздухе, обогащенном кислородом

Для интенсификации процесса горения и повышения температуры горения производят обогащение воздуха кислородом. При этом происходит уменьшение выхода продуктов сгорания, и, соответственно, увеличивается их удельное теплосодержание. Данный процесс горения можно описать следующим химическим уравнением (при α = 1): (1.30) СН4 + 2О2 + (2 · К0) · N2 = СО2 + 2Н2О + (2 · К0) · N2, где К0 – коэффициент обогащения, учитывающий ввод кислорода в воздух. Коэффициент обогащения зависит от количества, введенного в воздух дополнительного кислорода (Одоп, объемн.%): (79 − 0,395 ⋅ Одоп ) , (1.31) К0 = (21 + 0,395 ⋅ Одоп ) где Одоп – количество введенного в воздух кислорода (объемн.%; свыше 100%). 1.3.6. Основные методы и режимы сжигания газообразного топлива

Основным фактором, лимитирующим деятельность процесса горения газовоздушной смеси является время, затрачиваемое на смешение горючего газа с воздухом в определенных соотношениях. От быстроты и качества об-

33

разования газовоздушной смеси зависят скорость и полнота горения, а также длина факела и температура продуктов сгорания (пламени). Скорость процесса смешения и, соответственно, горения зависит: - от способа подачи окислителя и топлива в зону горения; - от скорости и характера движения окислителя и топлива в зону горения. В зависимости от места и способа смесеобразования можно выделить следующие методы сжигания газообразного топлива (см.рис.1.5): - чисто диффузионный со смесеобразованием в зоне топочного пространства (см.рис.1.5а); - диффузионный со смесеобразованием и сжиганием в специальном горелочном туннеле (см.рис.1.5б); - кинетический с заранее приготовленной горючей смесью (см.рис.1.5в); - смешанные, с применением единой подачи воздуха для образования горючей смеси или с поэтапной его подачей (см.рис.1.5г – 1.5е). Рис. 1.5. Методы сжигания газообразного топлива: а – чисто диффузионный; б – диффузионный со смешением в туннеле; в – кинетический; г - смешанный с разовой подачей воздуха; д – смешанный с поэтапной подачей воздуха

При чисто диффузионном методе сжигания, подачу воздуха из внешней среды осуществляют за счет свободной конвекции или разряжения непосредственно в рабочее пространство печи, где и происходит смесеприготовление за счет молекулярной и турбулентной диффузии с последующим сжиганием горючей смеси. Как правило, подача (подсос) воздуха осуществляется не через горелочный туннель, а через специальные технологические люки или отверстия. Процесс диффузионного горения протекает достаточно медленно с образованием сажистых частиц. Поэтому характерными особенностями диффузионного метода сжигания являются светимость и значительная длина факела (пламени). К преимуществам диффузионного метода сжигания можно отнести: - высокую устойчивость горения в широком диапазоне изменения тепловых нагрузок; - невозможность проскока пламени; - относительную равномерность температуры по длине пламени; - повышенная светимость пламени (т.е. повышена теплоизолирующая способность); - возможность применения высокотемпературного нагрева воздуха (выше температуры воспламенения). К недостаткам диффузионного метода сжигания можно отнести: - потребность в топочных объемах значительных размеров;

34

- вероятность химического недожога даже при значительном коэффициенте избытка воздуха; - снижение температуры горения из-за неизбежно проходимых реакций термического распада углеводородов. Преимущества диффузионного метода сжигания обеспечили его широкое распространение, особенно в случае турбулентного характера горения. Диффузионный метод сжигания с использованием горелочного туннеля в качестве смесителя и начальной зоны горения отличается от описанного выше метода тем, что воздух в данном случае подается через горелку совместно с горючим газом, только раздельно. Такая система подачи и смешения позволяет ускорить процесс смесеприготовления и увеличить скорость горения. При кинетическом методе сжигания в зону горения подается заранее подготовленная внутри горелки однородная горючая смесь. Сгорание такой смеси происходит быстро, в коротком прозрачном факеле. Достоинствами данного метода сжигания являются высокая теплота горения, малая вероятность химического недожога, короткий факел. Основным недостатком является узкий интервал между критическими значениями скорости стабильного факельного горения, что требует обязательных устройств, для стабилизации пламени. Кинетический метод сжигания применяется в тех случаях: - когда допустимая длина факела ограничена и требуется концентрированный подвод значительного количества теплоты; - когда производят сжигание низкокалорийных горючих газов с условием достижения высоких температур горения; - когда требуется рассредоточенная подача теплоты. При смешанном методе сжигания имеет место незавершенность перемешивания газа и воздуха в пределах горелки. Продолжение смешения происходит за пределами горелки непосредственно в факеле. Это увеличивает его длину. Другим случаем смешанного метода сжигания является поэтапный ввод воздуха для смесеобразования. В начале часть необходимого воздуха (первичный воздух) смешивается с горючим газом (α < 1) в горелке, а остальной воздух необходимый для завершения горения (вторичный воздух), подается за пределами горелки в зону горения, где происходит продолжение смесеобразования в объеме факела. Ранее отмечалось, что на процессы горения значительное влияние оказывает характер движения газовоздушного потока, входящего в зону горения (ламинарный, турбулентный или вихревой). В зависимости от этих трех разновидностей движения потока газовоздушной смеси горение может развиваться по трем режимам: нормальному, вибрационному и вихревому. Режим нормального горения наблюдается при ламинарном потоке горючей смеси. При ламинарных потоках окислителя (воздуха) образование горючей смеси происходит только за счет молекулярной диффузии. В этом случае интенсивность смешения определяется средний скоростью теплового движения молекул и длиной пути их свободного пробега. 35

Распространение пламени в данном случае зависит от теплопроводности горючей смеси. Т.к. теплопроводность газов относительно мала, то скорость распространения пламени (ωП) будет также мала (0,2 – 3,0 м/с). Фронт пламени при ламинарном горении сплошной и имеет небольшую скорость распространения. Перепад давления на фронте пламени отсутствует. Режим вибрационного горения наблюдается при турбулентных потоках горючей смеси и турбулентном распространении пламени. В данном случае скорость распространения пламени зависит, прежде всего, от гидродинамики газовоздушного потока. Скорость фронта пламени постоянно меняется по величине и по направлению. Давление по фронту пламени пульсирует вслед за скоростью перемещения фронта. Факел разорван и не имеет четких очертаний. Происходит пульсирующий отрыв фронта пламени (факела) от огневого кольца горелки. Горение сопровождается характерным шумом и вибрацией. Дальнейшее увеличение скорости газовоздушного потока в зону горения может привести к полному отрыву факела и прекращению горения необходимо повышать температуру в зоне горения. Следует отметить, что кинетический метод сжигания при вибрационном режиме горения очень неустойчив. поэтому в современных высокотемпературных печах при вибрационном режиме горения выбирают в основном диффузионный метод сжигания. Режим вихревого горения – это разновидность вибрационного горения. Только в данном случае горения происходит в вихревом потоке горючей смеси. Этот режим горения позволяет сжигать горючую смесь в сравнительно небольшом пространстве, так как скорость горения в вихревом потоке значительна. В печах литейного производства в основном применяются режимы вибрационного и вихревого горения.

36