Теорияи Теорияи практика практика сжигания сжигания

топливатоплива

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.

ТОПЛИВОТОПЛИВО

II. Твердое. Твердое

Дрова ТорфБурый угольКаменный угольАнтрацитСланцы

Производные полукокс ≈500 0Скокс ≈ 1000 0Сбрикеты

ТОПЛИВОТОПЛИВО

II.Жидкое

Нефть

tкип

бензин 40…2000Слигроин - // -керосин - // -соляр.масло - // -мазут > 350 0С

III. Газ Природный газ 

СВОЙСТВАТОПЛИВ СВОЙСТВАТОПЛИВ

С – углерод Н – водород О – кислород S = Sк + Sо – сера N – азот A – зола Л – «летучие» W – влага 

Ср – рабочая массаСс – сухая % по массеСт – горючая Ср = Сг ∙100 – (Ар + Wр) 100Ср = Сс ∙100 - Wр

100

Сг = Ср ∙____100_____100– (Ар + Wр)

Твердое и жидкое

СВОЙСТВА ТОПЛИВ СВОЙСТВА ТОПЛИВ

СН4: С2Н6 : С3Н8….СО2; Н2 : СО : N2 % по объему 

Газообразное

2. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ2. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ

Qв – «высшая» (Qокисл + Q кондН

2О)

Qнр – «низшая» Qокисл

Qб – «в бомбе»

(Qокисл + Q кондН

2О + Q раств

SO2 : NO)

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯQн

р = 339Ср + 1030 Нр – 109(Ор – Sр) – 25 Wр кДж/кг т

Qнр = 358 СН4 + 638 С2Н6 + 913 С3Н8 + 1169 С4Н10 +

1461С5Н12 + 126СО + 108Н2 кДж/кг т

•Газ Qнр = 35…42 МДж/м3 Бурый уголь 10 – 17МДж/кг

•Мазут Qнр = 37…43 МДж/кг Каменный 20 - 27 МДж/кг

•Уголь Qнр = 10…35 МДж/кг Антрацит 30 - 35 МДж/кг

•Бензин Qнр = 44,3 МДж/кг Сланцы 6 - 10 МДж/кг

УСЛОВНОЕТОПЛИВО УСЛОВНОЕТОПЛИВО

 [Qнр ] усл.= 7000 ккал/кг ≈ 29,31 МДж/кг

.]рнQ[

рн

услn

QK

С + О2 → СО2 4 Н + О2 → 2Н2О S + О2 → SО2 СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О α – 1,03...1,2 С2Н6 + О2 → СО2 + Н2О

Loв = ... Lд

в = Loв · α

Lп.г. = LСО2 + LН2О + LSО2+ LN2+ Lизб.О2

О2 – 21 %N2 – 79 % воздух

3. РАСЧЕТГОРЕНИЯ3. РАСЧЕТГОРЕНИЯТОПЛИВАТОПЛИВА

4. ТЕМПЕРАТУРА4. ТЕМПЕРАТУРАВОСПЛАМЕНЕНИЯВОСПЛАМЕНЕНИЯ

 min tо возгорания на воздухе без огня

Дрова 250...300 оС

Торф - // -

Бурый уголь 350...450 оС

Каменный уголь 400...500 оС

Антрацит 700...800 оС

Мазут 300...400 оС

Газ 550...800 оС

СН4 650...790 оС

С2Н2 335...550 оС

5. ТЕМПЕРАТУРА5. ТЕМПЕРАТУРАВСПЫШКИВСПЫШКИ

min tо воспламенения в присутствии огня мазут 80...200 оС

6. ВЯЗКОСТЬ6. ВЯЗКОСТЬМ 20, 40, 60, 80, 100 при t = 50 оС

7. ОГНЕУПОРНОСТЬ7. ОГНЕУПОРНОСТЬЗОЛЫЗОЛЫ

8. ВЛАЖНОСТЬ8. ВЛАЖНОСТЬ

9. 9. ПОГОДОСТОЙКОСТЬПОГОДОСТОЙКОСТЬ

Склонность к воспламенению

С + О2 → СО2 + q

FeS + О2 → Fe2O3 + SO2 + q

10. ТЕМПЕРАТУРА10. ТЕМПЕРАТУРАГОРЕНИЯГОРЕНИЯ

Qнр + Qт

ф + Qвгор = Qп.г. + Qдисс + Qпот

10.1. Калориметрическая

t к = Qн

р+Qтф+Qв

Lп.г. · Сп.г.

10.2. Теоретическая

t т = Qн

р+Qтф+Qв –Qдисс

Lп.г. · Сп.г.

10.3. Действительная (практическая)10.3. Действительная (практическая)

t д = Qн

р+Qтф+Qв –Qдисс –Qо.с.

Lп.г. · Сп.г.

t д = η · t к η=0,6...0,9

11. 11. ЖАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЖАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТ

ЬЬ( )величина справочная( )величина справочнаяМаксимальная температура при сжигании на воздухе при α = 1,0

r =

Qнр____

Lп.г. · Сп.г.

rс – 2240 оС rгаз – 2100-2200 оС

rН2 – 2240 оС rмазут – 2000-2040 оС

rСО – 2378 оС rС2Н2 – 2620 оС

rкам.уголь – 2190 оС

 

ВИДЫГАЗООБРАЗНОГО ВИДЫГАЗООБРАЗНОГОТОПЛИВАТОПЛИВА

Вид газообразно-

го топлива

Состав, %ρ,

кг/м3

Qнр,

МДж/м3

CН4 С2Н6

С3Н

8

С4Н10 С5Н12 N2 CO2 H2S

Природный газ

82-99

0,5-8,00,1-4,0

0,1-2,3

0-6,80,7-3,8

0-0,6 -0,7-0,9

35 - 42

Попутный газ 38 -76

13 -235,5 -10,7

0,9 -2,7

0,2-2,2

13,5-23

0,2–0,8

0,50,97-1,2

40 -47

  Н2 СО СН4 СnHm CO2 N2 O2 ρ,кг/м3

Qнр,

МДж/м3

Коксовый газ 57,0 6,0 14,0 3,0 3,0 7,0 - 0,342 17,6

Сланцевый газ 24,7 10 16,2 5 16,4 26,8 0,7 1,04 13,4

Генераторный газ

13,0 27,6 0,6 - 6,0 53,2 0,2 1.14 5,15

Доменный газ 3,0 3,0 - - 8,0 58,0 - 1,28 4,1

Основные характеристики и Основные характеристики и реакции горения газов реакции горения газов

ГАЗ РЕАКЦИЯ ГОРЕНИЯ

ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ Ккал/м3 РАСХОД 

ВОЗДУХА ДЛЯ 

СЖИГАНИЯ ГАЗА 1 м3  ГАЗА

ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ НА 1 м3 СГОРЕВШЕГО ГАЗА, м3

ПРЕДЕЛЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ, % ОБЪЕМА

ТЕМПЕРАТУРА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ 

°СВЫСШАЯ НИЗШАЯ СО2 Н2О N2 ВСЕГО НИЖНИЙ ВЕРХНИЙ

Водород H2 + 0,5O2 = H2O 3040 2580 2,38 - 1,0 1,88 2,88 4,0 75,0 410Окись углерода

CO + 0,5O2 = CO2 3016 3016 2,38 1,0 - 1,88 2,88 12,5 74,0 610

Метан CH4 + 2O2 = CO2 + 2 H2O 9510 8570 9,52 1,0 2,0 7,52 10,52 5,0 15,0 545Этан C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O 16790 15370 16,66 2,0 3,0 13,16 18,16 3,0 12,5 530Пропан C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 24170 22260 23,80 3,0 4,0 18,80 25,80 2,2 9,5 504Бутан C4H10 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O 31960 29510 30,94 4,0 5,0 24,44 33,44 1,9 8,5 430Пентан C5H12 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O 40430 37410 38,08 5,0 6,0 30,08 41,08 1,4 4,8 284Этилен C2H4 + 3O2 ® 2CO2 + 2H2O 15050 14110 14,28 2,0 2,0 11,28 15,28 3,1 32,0 510Пропилен C3H6 + 4,5O2 = 3CO2 + 3H2O 21960 20550 21,42 3,0 3,0 16,92 22,92 2,4 11,0 455Бутилен C4H8 + 6O2 = 4CO2 + 4H2O 29000 27120 28,56 4,0 4,0 22,56 30,56 2,0 9,6 440Пентилен C5H10 + 7,5O2 = 5CO2 + 5H2O 36000 33660 35,70 5,0 5,0 28,20 38,20 - - 198Ацетилен C2H2 + 2,5O2 = 2CO2 + H2O 13855 13386 11,90 2,0 1,0 9,40 12,40 2,5 81,0 335

Теоретический расход воздуха на горение Теоретический расход воздуха на горение топливатоплива

- твердого и жидкого, м3/кгLв

0 = 0,0889 Ср + 0,265 Нр – 0,0333(Ор - Sр)

- газообразного, м3/ м3

Lв0 = 0,0476 (2СН4+3,5С2Н6+5С3Н8++6,5С4Н10+8С5Н12+0,5Н2+0,5Н2)

Действительный расход воздуха

Lвд = Lв

0 α,

где α - коэффициент избытка воздуха

Выход продуктов сгоранияВыход продуктов сгорания

Продукты сгорания

Выход продуктов сгорания при сжигании топливаТвердого и

жидкого топлива, м3 на 1 кг топлива

Газообразного, м3 на 1 м3 топлива

Углекислый газ

LCO2 = 0,0187 СрLCO2 = 0,01(СО2+СН4+2С2Н6+

3С3Н8+4С4Н10+5С5Н12+СО)

Водяной пар

Lн2о = 0,112 Нр +

0,0124 Wр

Lн2о = 0,01(2СН4+3С2Н6+

4С3Н8+5С4Н10+6С5Н12+Н2)

Сернистый газ

Lso2 = 0,007 Sр --

АзотLN2 = 0,79 Lв

д α +

0,008 NрLN2 = 0,79 Lв

д α + 0,01 N2

Кислород LО2 = 0,21(α - 1) Lв0 LО2 = 0,21(α - 1) Lв

0

ДИФФУЗИОННЫЕГАЗОВЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕГАЗОВЫЕГОРЕЛКИГОРЕЛКИ

а – горелка ГВП; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение

завихригеля; 6 – перемещение дросселя

ДИФФУЗИОННЫЕГАЗОВЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕГАЗОВЫЕГОРЕЛКИГОРЕЛКИ

б – горелка ВРГ; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение

завихригеля; 6 – перемещение дросселя

ДИФФУЗИОННЫЕГАЗОВЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕГАЗОВЫЕГОРЕЛКИГОРЕЛКИ

в – горелка ГРЦ; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение завихригеля;

6 – перемещение дросселя

ДИФФУЗИОННЫЕГАЗОВЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕГАЗОВЫЕГОРЕЛКИГОРЕЛКИ

г – горелка Южгипроцемента; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель; 4 – направляющие;

5 – перемещение завихригеля; 6 – перемещение дросселя

ГАЗОВАЯГОРЕЛКАФИРМЫ ГАЗОВАЯГОРЕЛКАФИРМЫ PillardPillard

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

МАЗУТНАЯФОРСУНКАС МАЗУТНАЯФОРСУНКАС ВИНТОВЫМИГОЛЬЧАТЫМ ВИНТОВЫМИГОЛЬЧАТЫМ

РАСПЫЛИТЕЛЕМРАСПЫЛИТЕЛЕМ

1 – сопло; 2 – распылитель; 3 – шток; 4 – корпус форсунки; 5 – узел управ ления завихрителем

МАЗУТНАЯ МАЗУТНАЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ

ФОРСУНКАФОРСУНКА

1 – сопло; 2 – камера завихрения; 3 – поршень с перекрывающим стаканом; 4 – шток управления;

5 – корпус форсунки

ГАЗОМАЗУТНАЯВИХРЕВАЯ ГАЗОМАЗУТНАЯВИХРЕВАЯГОРЕЛКАГОРЕЛКА

1 – мазутное сопло; 2 – завихритель; 3 – корпус горелки;

4 – узел управления завихрителя

РЕГУЛИРОВАНИЕФАКЕЛА РЕГУЛИРОВАНИЕФАКЕЛА

ТЕПЛООБМЕНВФАКЕЛЬНОМ ТЕПЛООБМЕНВФАКЕЛЬНОМПРОСТРАНСТВЕПРОСТРАНСТВЕ

tф=XT+Qнр –Qпот/Vп.г. Сп.г.

при а= 1 tф=max, но топливо не сгорает полностью.

Рекомендуется держать а=1.05~1,1 (О2=1-2%)а=1 С+О2 →CO2+33900кДж/кг 2240°С а=0,5 С+1/2O2→СО+10000кДж/кг 1340°С а=1 СО+1/2O2→СО2+ 23400кДж/кг 2310°СЧтобы повысить теплообмен необходимо:1. поднять tф;2. сконцентрировать факел и снизить потери в окружающую среду (создать хорошую обмазку);3. увеличить степень черноты факела - Еф (Еф=0,25-0,85)

ТЕПЛООБМЕНВФАКЕЛЬНОМ ТЕПЛООБМЕНВФАКЕЛЬНОМПРОСТРАНСТВЕПРОСТРАНСТВЕ

Тепловой поток; лучистой энергии :

Q луч=5.67•Ем [Ег• (Тф/100)4- Аг.м. • (Тм/100)4] •F,

Ем- степень черноты материалаЕг - степень черноты факелаАг.м –поглощающая способность газа при температуре равной температуре материалаТф и Тм - температура факела и материала

При Тф 1550 ºС– 1650 ºС Δt=100 Qлуч возрастает на 23% При Тф 2050°С–2150°С Δt =100°С Qлуч возрастает на 47% С понижением Тф с 1800 °С–1680°С Δt =120°С производительность печи снижается на 17%. Температура определяет скорость химического взаимодействия и синтез минераловKc3s=Ко • е-E/RT

Kc3s –коэффициент скорости химической реакцииЕ- энергия активации процессаR- газовая постояннаяТ- абсолютная температура

Поэтому с понижением температуры следует учитывать необходимость болеедлительного 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 разаНо 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=Д0 (T/T0)2

3.При высоких температурах скорость горения определяется макродиффузией, т.е скоростью подвода окислителя к топливу и интенсивностью их смешения, и определяется критерием Пекле Pe=Pr Re=0.7 Re

Критерий Рейнольдса Re= (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 - Ем 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 450 - 500°С-использовать технические приемы, позволяющие перемешивать движущийся по печи материал.

ОПРЕДЕЛЕНИЕРАСХОДА ОПРЕДЕЛЕНИЕРАСХОДА ТЕПЛАНАОБЖИГКЛИНКЕРА ТЕПЛАНАОБЖИГКЛИНКЕРА

ПОСОСТАВУОТХОДЯЩИХ ПОСОСТАВУОТХОДЯЩИХГАЗОВГАЗОВ

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.

ОПРЕДЕЛЕНИЕРАСХОДА ОПРЕДЕЛЕНИЕРАСХОДА ТЕПЛАНАОБЖИГКЛИНКЕРА ТЕПЛАНАОБЖИГКЛИНКЕРА

ПОСОСТАВУОТХОДЯЩИХ ПОСОСТАВУОТХОДЯЩИХГАЗОВГАЗОВ

Для расчета необходимы следующие данные:

состав используемого топлива;

              – процентное содержание СО2 в сухих продуктах горения при полном сжигании топлива с коэффициентом избытка воздуха α = 1;

р – теплота сгорания топлива, приходящаяся на 1м3 сухих продуктов горения, рассчитываемая в теоретически необходимом количестве воздуха;состав сухих отходящих газов, %;

ОПРЕДЕЛЕНИЕРАСХОДА ОПРЕДЕЛЕНИЕРАСХОДА ТЕПЛАНАОБЖИГ ТЕПЛАНАОБЖИГ

КЛИНКЕРАПОСОСТАВУ КЛИНКЕРАПОСОСТАВУ ОТХОДЯЩИХГАЗОВ ОТХОДЯЩИХГАЗОВ

Для расчета необходимы следующие данные:

– процентное содержание СO2 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.