Сжигание и термическая переработка твердых топлив


А. Б. Бирюков, И. П. Дробышевская, Ю. Е. Рубан











                СЖИГАНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ




Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 662.7
ББК 31.352
Б64

                   Рекомендовано к печати ученым советом Донецкого национального технического университета (протокол № 6 от 20.06.2014 г.)





Рецензенты: кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры технической теплофизики ДонНТУ Ю. Л. Курбатов; доктор технических наук, член-корреспондент НАНУ, заместитель директора по науке ИТТФ НАН Украины Б. И. Басок








      Бирюков, А. Б.
Б64 Сжигание и термическая переработка твердых топлив : учебное пособие / А. Б. Бирюков, И. П. Дробышевская, Ю. Е. Рубан. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 236 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0743-4

      Рассмотрены вопросы сжигания и термической переработки органического топлива. Освещены теоретические и практические вопросы, связанные с использованием твердого топлива. Представлены способы сжигания, принцип действия и конструкции пылеугольных горелок. Изложены вопросы защиты окружающей среды при сжигании твердого топлива. Особое внимание уделено газификации и инновационным способам использования твердых топлив.
      Для студентов теплоэнергетических направлений подготовки. Издание может быть полезно специалистам, работающим в области энергетики и металлургии.

УДК 662.7
ББК 31.352






ISBN 978-5-9729-0743-4

   © Бирюков А. Б., Дробышевская И. П., Рубан Ю. Е., 2021
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        СОДЕРЖАНИЕ


 ВВЕДЕНИЕ.............................................. 5
 1. ПОНЯТИЕ О ТОПЛИВЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
    О ГОРЕНИИ.......................................... 7
 2. СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВА................... 12
    2.1. Элементный химический состав и теплота сгорания топлива........................................... 12
    2.2. Характеристики твердого топлива.............. 16
 3. ТОПЛИВНОЕ ХОЗЯЙСТВО............................... 28
    3.1. Подготовка твёрдого топлива к сжиганию....... 31
    3.2. Физические свойства твердого топлива......... 34
    3.3. Обогащение топлива........................... 40
    3.4. Сушка твердого топлива и основные типы углеразмольных мельниц............................ 43
    3.5. Системы пылеприготовления.................... 50
     3.5.1. Системы пылеприготовления электростанций.  50
     3.5.2. Вдувание угольной пыли в доменном производстве..................................... 57
    3.6. Брикетирование............................... 61
 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА............................... 64
 5. СПОСОБЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА.......................... 78
    5.1. Сжигание топлива в слое...................... 79
    5.2. Сжигание топлива в объеме.................... 89
 6. ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО
    ТОПЛИВА........................................... 99
    6.1. Вихревые горелки............................. 99
    6.2. Прямоточные горелки......................... 106
    6.3. Современные установки для сжигания пылеугольного топлива............................ 114
 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
    В ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ................ 119
 8. ШЛАКОЗОЛОУДАЛЕНИЕ................................ 127
    8.1. Системы шлакозолоудаления................... 127

3

    8.2. Способы очистки дымовых газов от твердых частиц..................................... 136
9. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА........................................ 144
10. СУХАЯ ПЕРЕГОНКА ТВЕРДЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА....      151
    10.1. Понятие основных видов сухой перегонки твердого топлива........................... 151
    10.2. Технология коксования................ 152
     10.2.1. Подготовка углей к коксованию..... 153
     10.2.2. Конструкция коксовой печи......... 157
     10.2.3. Особенности реализации отдельных операций производства кокса........................ 160
11. ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ................. 172
    11.1. Общие сведения о свойствах, применении и физико-химических процессах производства генераторных газов......................... 172
    11.2. Существующие методы газификации угля, технические характеристики газогенераторов. 181
12. РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССОВ ГАЗИФИКАЦИИ.............. 193
13. ЗАЩИТА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ ВРЕДНЫХ
    ПРИМЕСЕЙ ПРИ СЖИГАНИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА.................................... 209
    13.1. Содержание вредных примесей в продуктах сгорания и защита от них................... 209
    13.2. Рассеивание вредных веществ в атмосферу. 221
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Удельные энтальпии газов......... 223
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. i-t-диаграмма продуктов сгорания.... 225
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Нормы качества кокса из углей донецкого бассейна............................. 226
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Средние теплоемкости кокса....... 228
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Логарифмы констант равновесия реакций........................................ 229
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................. 230

4

            ВВЕДЕНИЕ



     В современных условиях одним из основных условий сохранения предприятиями позиций на внутреннем и международном рынках является постоянный поиск и реализация путей снижения себестоимости продукции. Для промышленных предприятий одно из основных направлений этой работы заключается в сокращении удельного расхода топливно-энергетических ресурсов. Особенно остро эти задачи стоят для украинской экономики, в рамках которой удельный расход топливно-энергетических ресурсов в 2-4 раза превышает аналогичные величины из практики ведущих иностранных предприятий.
     Возможные варианты сокращения расхода топливных ресурсов заключаются в оптимизации технологических процессов, совершенствовании топливосжигающих устройств, переходе на использование более доступных и дешевых видов топлива при сохранении качества продукции. Таким образом, для современного специалиста в области промышленной теплотехники и теплоэнергетики один из важнейших блоков знаний и умений связан со сжиганием и термической переработкой различных видов топлив.
     В связи с этим кафедра технической теплофизики Донецкого национального технического университета в 2014 г. приступила к созданию серии книг, посвященных сжиганию и термической переработке твердых, жидких и газообразных топлив. Особенностью данного проекта является представление всей совокупности материала в виде трилогии, в которой каждому виду топлива (твердое, жидкое, газообразное) посвящена отдельная часть.
     Данная книга представляет собой первую часть названной трилогии, посвященную сжиганию и термической переработке твердого топлива. В ней достаточно комплексно рассмотрены теоретические и

5

практические вопросы, связанные с использованием твердого топлива, а именно: классификация, характеристики и свойства различных видов твердого топлива; способы организации топливных хозяйств и подготовки топлива к использованию; механизм горения твердого топлива; подходы к расчету горения твердого топлива; способы сжигания, принцип действия и конструкции пылеугольных горелок; основы сухой перегонки и газификации твердых топлив; подходы к расчету параметров процессов газификации и получаемого генераторного газа, способы шлакозолоудаления и вопросы защиты окружающей среды при сжигании твердого топлива.
     При подготовке данного учебного пособия авторы представили информацию не только о традиционных способах использования твердых топлив, но и постарались осветить современные тенденции, например использование циркулирующего кипящего слоя, плазменно-топливных систем и т. д. Особенное внимание сосредоточено на газификации твердых топлив, как технологии, способной существенно снизить зависимость Украины от импортных энергоносителей при сохранении преимуществ использования газообразных топлив.
     Авторы будут признательны за все замечания и предложения по улучшению книги, которые просят направлять на кафедру «Технической теплофизики» Донецкого национального технического университета или на e-mail: arinafizmet@yandex.ru.

6

Глава 1



            ПОНЯТИЕ О ТОПЛИВЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРЕНИИ


     Топливом называется горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которая используется в технологических процессах и для отопления, либо преобразуется в другие виды энергии. При этом оно должно удовлетворять следующим требованиям:
     • достаточность и доступность этого вещества в природе или сырья для его получения;
     • возможность сжигания его с достаточной степенью использования получаемого тепла;
     • продукты сгорания должны быть газообразными, что создает условия гибкого управления процессом и использования тепла, полученного при сгорании топлива за пределами топки;
     • легкость удаления продуктов сгорания из зоны сжигания;
     • практическая безвредность продуктов сгорания для обслуживающего персонала, аппаратуры и окружающей среды;
     • низкая стоимость и транспортабельность.
     Этим требованиям удовлетворяют лишь два химических элемента: углерод (С) и водород (Н), а также их химические соединения, которые, как правило, имеют органическое происхождение и являются основой любого топлива.
     Все виды органического топлива по агрегатному состоянию можно разделить на твердые, жидкие и газообразные, а по происхождению - на естественные (природные) и искусственные. Топли

7

во, которое используется в том виде, в котором оно находится в природе, называется естественным (природным). Продукты переработки природного топлива называются искусственным топливом. Общая характеристика топлив представлена в таблице 1.


Таблица 1

Общая классификация топлив

 Агрегатное                  Происхождение                   
 состояние        Естественное            Искусственное     
              Дрова, торф, сланцы,   Древесный уголь, кокс, 
  Твердое     бурый уголь, каменный     угольные брикеты,   
                 уголь, антрацит          угольная пыль     
                                     Бензин, керосин, масла,
                 Нефть, нефтяной       дизельное топливо,   
   Жидкое           конденсат        мазут, каменно-угольная
                                      смола, жидкие горючие 
                                             отходы         
                                          Конвертерный,     
                 Природный газ,        доменный, коксовый,  
Газообразное нефтяной (попутный) газ генераторный газы, газы
                                      подземной газификации 
                                         углей и сланцев    

     Все ископаемые твердые топлива объединяет общность происхождения.
     По данным современной науки ископаемые твердые топлива произошли в основном из растительных организмов. При этом некоторую роль в их происхождении играли также животные организмы.
  В зависимости от геологического возраста различают три стадии образования ископаемого твердого топлива:


8

     • торфяная, характеризующаяся образованием торфа;
     • буроугольная, характеризующаяся превращением торфа в бурые угли;
     • каменноугольная, отличающаяся более глубокими химическими превращениями и характеризующаяся образованием каменных углей и антрацитов.
     В зависимости от поведения топлива при нагревании все виды топлива подразделяют на теплостойкие и нетеплостойкие. Теплостойкими называют виды топлива, химический состав которых не изменяется при нагревании (кокс, газы: СО, Н2, и т. д.). Нетеплостойкие топлива разлагаются при нагревании с образованием новых соединений (дерево, торф, каменный уголь и т. д.).
     По возобновляемости различают возобновляемые виды топлива растительного происхождения (древесина, торф) и невозобновляемые (ископаемые угли, нефть и природные газы).
     Кроме горючих элементов в топливе могут находиться различного рода негорючие примеси, попавшие в состав в процессе образования топлива в природных условиях и при добыче. Прежде всего сюда нужно отнести минеральные примеси (S1O2, AI2O3, CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Na2O, K2O и др.), которые принято обозначать «А» и называть золой, а также влагу (W). Зола и влага является балластом твердых и жидких топлив. Роль балласта в газообразном топливе могут играть азот (N2), углекислый газ (CO2). В топливе может содержаться кислород (O2), который чаще всего находится в соединениях с водородом и углеродом (H2O, CO2) и, следовательно, входит в балласт топлива. Анализ газообразного топлива значительно проще, а твердого и жидкого представляет собой сложную задачу.
     Сжигание топлива может быть полным, когда коэффициент расхода воздуха а > 1 и неполным (а < 1). При полном горении все горючие элементы топлива окисляются полностью (без потерь теплоты). При этом образуются только оксиды - СО2, SO2, H2O. Неполное горение характеризуется протеканием наряду с реакциями полного окисления также реакций, идущих с образованием соединений, способных к дальнейшему окислению и выделению тепла (напри-9

мер, СО). В этом случае тепла при сжигании топлива выделяется меньше, чем при полном горении, т.е имеет место потеря тепла от химической неполноты горения.
    В промышленной энергетике и коммунально-бытовом секторе для получения тепла используется, как правило, химическая энергия, содержащаяся в органической массе ископаемого топлива. Исключение составляют электронагревательные приборы, солнечные коллекторы и геотермальные установки, использующие электрическую энергию, энергию солнца и тепло земных недр.
    Преобразование химической энергии в тепловую происходит в результате процесса горения.
    Основу горения составляют самоускоряющиеся реакции окисления горючих веществ топлива, в результате которых исходные вещества (горючее и окислитель) преобразуются в продукты сгорания, т. е. в новые вещества с иными физическими и химическими свойствами.
    Характерным признаком горения является быстропротекающий процесс, сопровождающийся выделением теплоты и резким повышением температуры. Для протекания химической реакции между горючими веществами топлива и окислителем, прежде всего, необходимо создать физический контакт между молекулами взаимодействующих веществ и довести молекулы до такого состояния, при котором становятся возможными химические реакции между ними.
    Первое (физический контакт) осуществляется в процессе образования горючей смеси, второе - при ее воспламенении.
    Таким образом, горение - это сложный физико-химический процесс, включающий в себя ряд последовательно и параллельно протекающих физических и химических стадий.
    Реальное горение может быть неполным. Различают механическую и химическую неполноту сгорания.
    В первом случае (механический недожог) некоторое количество топлива в процессе горения не участвует. Например, газовым потоком из топки выносятся наиболее мелкие фракции угля, а наиболее крупные, наоборот, могут оседать в нижней части топки 10

(на поду) и удаляться вместе с золой и шлаком. В слоевой топке возможен также провал мелких фракций через отверстия колосниковой решетки.
     Потери с химическим недожогом возникают в случае химически неполного окисления углеродсодержащих соединений с образованием окиси углерода СО, а также в случае, когда часть горючих газообразных веществ, образовавшихся при испарении и термическом разложении жидкого и твердого топлива (СО, Н2, СН4 и др.), покидает топку до завершения окислительных процессов.
     В качестве окислителя при горении преимущественно используется не чистый кислород, а атмосферный воздух, что объясняется его доступностью и простотой использования.
     В технологических установках, например, доменных и мартеновских печах, применяется также воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород.
     Расход кислорода Vq₂ или воздуха Vo, теоретически необходимый для полного сгорания единицы количества топлива (кг или м³), определяется из стехиометрических уравнений горения.
     При реальном горении, в зависимости от назначения теплотехнического устройства, действительное количество окислителя (кислорода или воздуха) может быть больше или меньше теоретически необходимого. Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому называется коэффициентом расхода воздуха а:

а = Vд/Vo.

11

Глава 2



            СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

            2.1. Элементный химический состав и теплота сгорания топлива



    Твердое топливо представляет собой сложное химическое соединение различных элементов. Основными элементами твердого топлива являются углерод, водород, кислород, азот, сера. Топливо содержит негорючие минеральные примеси, превращающиеся при сжигании топлива в золу А и влагу W.
    Основная горючая составляющая твердого топлива - углерод, горение которого обусловливает выделение основного количества тепла. Теплота сгорания аморфного углерода составляет 34,4 МДж/кг.
    Водород - второй по значению элемент горючей массы топлива, его содержание в горючей массе составляет 2-10 %.
    Органическим балластом являются кислород и азот, так как их наличие уменьшает содержание горючих элементов в топливе. Кроме того, кислород, находясь в соединении с водородом или углеродом топлива, переводит некоторую часть горючих элементов в окислившееся состояние и уменьшает теплоту сгорания. Содержание кислорода наиболее значительно в древесине и торфе. Азот при сжигании топлива в атмосфере воздуха практически не окисляется и переходит в продукты сгорания в свободном виде.
    Сера может содержаться в топливе в трех видах: органическая Sₒₚ, колчеданная SK и сульфатная Sc:


S = S

op


    + SK + Sc.


12