Твердое топливо
Топлива. Устройства для его сжигания
Тема 1.3 Основные характеристики твердого, жидкого и газообразного
Естественное топливо - это древесное топливо и все виды ископаемого твердого топлива.
- торф;
- бурый уголь;
- каменный уголь;
- антрацит;
- горючие сланцы.
Древесное топливо
В настоящее время в промышленности не используется.
Ископаемое топливо
Ископаемое топливо образовалось из продуктов разложения растительных остатков и различается по химическому составу (он определяется степенью минерализации исходного материала).
Чем «старше» топливо, тем больше в нем С, меньше О2 меньше выход летучих и ниже гигроскопичность.
Торф
(самое молодое ископаемое топливо)
Важность свежедобытого торфа очень велика, 80 – 90%. Зональность торфа 3 – 14%, содержит S незначительно (не более 2%) торф используется как сырье для газификации и как топливо на мелких предприятиях.
Бурый уголь
Важность свежедобытых углей также велика (до 60%). Зональность в пределах 0,5 – 50 % от сухой массы, содержание S до 5%. Обладают механической прочностью.
Бурые угли используются как местное топливо на электростанциях и сырьё для газификации.
Каменный уголь
- представляет собой продукт дальнейшей минерализации органических остатков.
Каменный уголь обладает большой прочностью и плотностью, небольшой важностью и малым выходом летучих. Спекаемость углей обусловлена присутствием органических соединений, которые при нагреве разлагаются с образованием газов и плавких смолообразующих веществ – битумов.
Зональность в среднем составляет 10 – 12%. Содержание S лежит в пределах 0,6 – 3%. Каменный уголь является самым ценным видом естественного твердого топлива, т.к. из него получают кокс.
Антрациты
(самое древнее топливо)
- имеют наибольшую степень минерализации. Для них характерна блестящая черная поверхность кусков. Трудно воспламеняются и горят без пламени (малая термостойкость)
Используются для газификации и в котельных установках. В некоторых случаях ими заменяют металлургический кокс.
Горючие сланцы
- содержат Н2 в горючей массе (до 90%) и А (≈60%), высокий выход летучих (до 81%), является ценным сырьём для химической промышленности.
Искусственное топливо
- кокс, угольная пыль, древесный уголь
Сортировка угля по крупности кусков имеет большое значение при сжигании кускового топлива и его газификации.
Обогащение – это отделение от угля минеральных примесей.
Брикетирование – применяется для топливной мелочи. Производится с применением связующих веществ в количестве 6 – 9%.
Пылеприготовление – измельчение угля до пылеобразного состояния, обеспечивающее полное сгорание топлива с получением высоких температур.
Для получения пыли, уголь дробят и размалывают на шаровых мельницах с одновременной сушкой воздухом температурой 250 – 3500С. процесс в мельнице отлаживают так, чтобы температура на выходе не превышала 70 – 1000С во избежание самовозгорания. Поэтому приготовленную пыль в смеси с воздухом должна быть использована по мере получения. Пыль подают к бункерам, затем пыль поступает к горелкам на сжигание.
Коксование – основной метод физико-химической переработки твердого топлива.
Получаемый металлургический кокс обладает большой механической прочностью и большой прочностью на истирание. Коксование осуществляется в специальных печах. При коксовании измельченный каменный уголь нагревают до температуры 900 -11000С без доступа воздуха. Выход кокса зависит от содержание летучих и обычно составляет 70 – 80%.
При коксовании уголь претерпевает изменения:
а) – при нагреве до 100-1500С происходит испарение гигроскопической влаги топлива;
б) – при нагреве до 2000С выделяется углекислота, адсорбированная углем, и начинается процесс взаимодействия элементов, входящих в состав угля (C, H, O) с образованием H2O и CO2; при дальнейшем нагреве начинается выделение смолы;
в) – при температуре 400 -5000С уголь переходит в пластическое состояние, смола также выделяется, увеличивается выход газов, в составе которых содержится Н2, СН4, тяжелые углеводороды, N2;
г) – при температуре выше 5000С пластинная масса снова отвердевает, выделение смолы прекращается, выделяющиеся газы содержат Н2, СН4, N2;
д) – при температуре 11000С процесс выделения летучих заканчивается, полученный пористый остаток – кокс – при повторном нагреве в пластичное состояние не переходит.
Сжигание твердого топлива
Кусковое топливо для нагрева в металлургических печах не применяется, т.к. оно используется для нагрева печей небольшой мощности.
Широко используется пылевидное топливо. Пылевидное топливо обычно сжигается в рабочем пространстве печи, когда нежелательна высокая температура, сжигание производится в специальной камере. Пылевоздушная смесь вдувается через горелку в камеру или рабочее пространство печи с таким расчетом, чтобы горение частицы полностью закончилось во взвешенном состоянии. Скорость пылевоздушного потока на выходе из горелки должна быть больше скорости воспламенения во избежание втягивания пламени в горелку. Часто она равна 15-20 м/с. Скорость воспламенения угольной пыли 1-13 м/с. Для аэрирования пыли достаточно небольшого количества воздуха (25-50% от общего количества), остальной воздух, подогретый до температуры 300 - 4000С для ускорения воспламенения, со скоростью не менее 30 м/с.
Простейшая горелка применяется при очень тонком помоле (размер частицы ≈ 50мкм) и топлива с высоким выходом летучих (35%).
Ещё существует вихревая горелка конструкции Гинцветмета. Эта горелка даёт более короткий факел и повышает производительность.
Жидкое топливо
Естественное топливо
Нефть – единственное естественное жидкое топливо органического происхождения.
Она образовалась в местах скопления растительных и животных остатков. Нефть представляет собой смесь различных углеводородов с небольшой примесью кислородных, азотистых и сернистых органических соединений.
Себестоимость добычи нефти ниже себестоимости добычи каменного угля в несколько раз.
Искусственное топливо
- бензин, керосин, мазут, солярка, каменноугольная смола.
Крекинг-процесс – переработка мазута под давлением с нагревом до 7000С.
Этот процесс позволяет увеличить выдох наиболее ценных светлых фракций нефти до 40-70%. Остаток (керосин, мазут) используется как топливо.
Мазут – является распространенным топливом для металлургических печей. Состав мазута близок к составу сырой нефти, однако W мазута может колебаться в широких пределах:
Wp = 0,5 – 10%
= 36000 – 40800кДж/кг
По содержанию S мазуты подразделяются на 3 группы:
- малосернистые (Sr ≤ 0,5%)
- сернистые (Sr = 0,5 – 1,0%)
- высокосернистые (Sr ≥ 1%)
Присутствие серы ухудшает качество нагреваемого металла, применение сернистых и высокосернистых мазутов ограничено. Эксплуатационными характеристиками мазута является вязкость и температуры вспышки и застывания.
Вязкость – или внутреннее трение, измеряется вискозиметрами.
Зависит от состава мазута и температуры. Для облегчения транспортировки по трубам и лучшего распыления мазута его подогревают до 70 - 80ºС
Температура вспышки нефтяного топлива – это температура, при которой пары его с воздухом дают вспышку по соприкосновении с пламенем.
Эта температура значительно ниже температуры воспламенения.
Температура застывания – температура, при которой нефтяное топливо теряет свою подвижность и переходит в твердое состояние.
Температура застывания тем выше, чем больше в топливе парафина, и лежит в пределах 5-36ºС.
Сжигание жидкого топлива
Сжигание жидкого топлива происходит в распыленном состоянии, виде мелких капель. Распыление осуществляется с помощью форсунок, в которых для распыления топлива используется подаваемый под давлением воздух и водяной пар.
По характеру распыления форсунки делятся на две группы:
1. Форсунки низкого давления – работают при малых скоростях распыления (70 – 75 м/с) и большом его объеме.
2. Форсунки высокого давления, в которых в качестве распылителя используется водяной пар под избыточным давлением 600 – 2500кПа или компрессорный воздух под избыточным давлением 600 – 800 кПа.
Наиболее распространенной форсункой высокого давления является форсунка В. Г. Шухова. В этой форсунке скорость истечения распылителя не превышает скорости звука, т.е. 330 м/с. Форсунки Шухова характеризуются узким и длинным факелом, что ограничивает их применение в печах длинною более 4-5 м.
Большей производительностью обладают форсунки Днепровского металлургического института. Скорость истечения распылителя в данном случае превышает скорость звука, достигая 750 – 1000 м/с. Это обеспечивает хорошее распыление.
Газообразное топливо
Естественное топливо
Природный газ – добывается на многих газовых месторождениях, а также при добыче нефти, как сопутствующий.
Состав природного газа различный для различных месторождений, однако всегда в его составе преобладает СН4 (более 90%).
Происхождение природного газа в настоящее время рассматривается как результат бактериального разложения органических остатков в толще осадочных пород.
Искусственное топливо
Коксовый и доменный газы – является побочным продуктом соответствующих процессов и как топливо используется у мест их получения.
Генераторный газ – получается в результате превращения горючей массы твердого топлива в газообразном состоянии под воздействием О2. Процесс газификации происходит в специальных установках – газогенераторах.
Воздушный газ – получают при дутье воздухом. Процесс газификации в конечном итоге представляет реакцию:
2С + О2 + 3,76N2 = 2CO + 3,76 N2 + 246450кДж
Теплота сгорания воздушного газа невелика
= 4,39МДж/м3
Водяной газ – получается при пропускании водяного пара через раскаленный кокс.
Водяной пар взаимодействует с углеродом кокса по реакции:
H2O + C = CO + H2 – 118827 кДж
Над слоем топлива получается газ состоящий из 50% окиси С и 50% H2, теплота сгорания которого 11,7 МДж/ м3.
Смешанный газ – имеющий наибольшее применение получается при одновременном введении под колоски воздуха и водяного пара.
Теплота сжигания смешенного газа выше, чем теплота сгорания воздушного газа, поскольку в нем меньше содержание N2, т.к. часть необходимого для горения О2 поступает с водяным паром.
Сжигание газообразного топлива
Для сжигания газообразного топлива используют горелки. Они делятся на три типа:
1) Горелки с полным предварительным смешением;
2) Горелки с частичным предварительным смешением;
3) Горелки с внешним смешением.
Горелки с полным предварительным смешением
В горелках такого типа смешение газа с воздухом обеспечивается до выхода его в печь при малом коэффициенте избытка воздуха. Эти горелки также называют беспламенными. Такие горелки с успехом используются для сжигания малокалорийного топлива.
Горелки с частичным предварительным смешением
В горелках этого типа процесс перемешивания газа с воздухом осуществляется в рабочем пространстве печи. Эти горелки также называют пламенными. Распространены два типа пламенных горелок:
- «труба в трубе»
- турбулентные.
Горелки типа «труба в трубе» могут работать на всех видах газообразного топлива при небольших давлениях газа. Они могут работать при подогретом газе и воздухе. В таких горелках смешение газа с воздухом недостаточное, и факел получается длинным.
Турбулентные горелки отличаются от других тем, что воздух поступает тангенциально по отношению к газовой струе. Турбулентные горелки широко применяются в нагревательных и термических печах.
Тема 1.4 ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА И ЕГО РАСЧЁТ
Горение – это процесс взаимодействия с окислителем, сопровождающийся выделением тепла.
Процесс горения состоит из двух стадий:
1. Смешение топлива с воздухом;
2. Горение топлива в воздушной смеси.
Любое горение начинается с воспламенения; температура воспламенения зависит от состава топлива. Инертные примеси повышают температуру воспламенения (W, A, CO2, N2)
Температура воспламенения – это температура, при которой образуется смесь, способная гореть при соприкосновении с открытым пламенем.
Температура воспламенения:
для газообразного топлива:
tºвоспл. = 500 - 600ºС;
для твердого топлива:
tºвоспл. = 700ºС;
для жидкого топлива:
tºвоспл. = 500 - 700ºС
(при температуре выше точки кипения).
Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры.
Калориметрическая температура – это температура, которую бы имели дымовые газы при полном сгорании топлива и отсутствии теплообмена с окружающей средой.
Теоретическая температура – это температура, учитывающая потери тепла, связанные с диссоциацией молекул CO2 и Н2О при температуре сгорания.
Действительная температура – всегда ниже теоретической, т.к. тепло от дымовых газов переходит к стенкам топки и различным конструкциям печи.
Различают гомогенное и гетерогенное горение.
Гомогенное горение – это горение, когда топливо и воздух находятся в одном агрегатном состоянии.
Гетерогенное горение – это горение, когда топливо и воздух находятся в разных агрегатных состояниях.
При сжигании твердого и жидкого топлива протекают следующие реакции горения:
C + O2 = CO2 + 34070кДж/кг;
H2 + ½O2 = H2O + 14311кДж/кг
и т.д.
Температура горения – это температура, которую приобретают продукты горения, в результате передачи им тепла, образующегося в результате сгорания топлива.
Тема 1.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ПЕЧЕЙ
Электрические печи широко применяются во многих отраслях промышленности, особенно в металлургии и машиностроении.
Электрический нагрев используется для:
- расплавления металла и сплавов;
- восстановления металла из руд;
- для нагрева различных изделий и заготовок с целью термической обработки или последующей пластической деформации (ковка, прокат).
Основные преимущества
(по сравнению с топливным нагревом)
1) получение неограниченно высокой температуры в объеме печи (в топливных 2000°С – предел);
2) легкость регулирования теплового режима (в том числе и автоматически);
3) минимальный угар дорогих легирующих элементов;
4) проведение процессов нагрева в любой среде и в вакууме;
5) более высокий КПД печей из-за отсутствия дымовых газов и потерь тепла с ними;
6) лучшие условия труда.
Недостатки электрического нагрева:
1) более высокая стоимость электрической энергии по сравнению с топливом;
2) менее надежный, долговечный и менее ремонтопригодный.
Классификация методов преобразования электрической энергии в тепловую:
1) по способу теплогенерации, то есть по способу преобразования электрической энергии в тепловую:
a) нагрев проводящего тела при прохождении через него электрического тока (индукционные, печи сопротивления);
b) нагрев газовой среды в электрической дуге и у ее электродов (плазменные и дуговые печи);
c) нагрев тела при бомбардировке его потоком электронов с большой скоростью (электроннолучевые печи).
2) по способу передачи тепловой энергии нагреваемому металлу:
а) печи прямого нагрева (преобразование электрической энергии в тепловую происходит в нагреваемом теле);
b) печи косвенного нагрева (преобразование электрической энергии в тепловую происходит вне нагреваемого тела);
с) печи смешанного нагрева.
Тема 1.3.1. ПРЯМОЙ И КОСВЕННЫЙ НАГРЕВ В ПЕЧАХ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Печи сопротивления – это печи, в которых используется нагрев проводников при прохождении через них электрического тока, который определяется по закону Джоуля – Ленца:
где Q – количество тепла, выделяющееся в проводнике, Дж;
I – сила тока, А;
R – сопротивление проводника, Ом;
t - время, сек.
Рассмотрим печи сопротивления прямого и косвенного нагрева.
ПЕЧИ ПРЯМОГО НАГРЕВА:
|
|
1 – нагреваемый материал;
2 – выключатель или магнитный пускатель;
|
4 – контактные устройства.
|
|
|
ПЕЧИ КОСВЕННОГО НАГРЕВА:
|
|
|
|
2 - выключатель или магнитный пускатель;
5 – электронагревательный элемент.
Наиболее распространенные печи. Внутри печи расположены нагревательные элементы, по которым проходит ток. Тепло от нагревателей передается излучением и конвекцией.
Преимущества печей:
- простота регулирования температуры;
- высокий КПД;
- малый угар;
- малое насыщение металла газами.
Тема 1.3.2 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Материал для изготовления нагревательных элементов должен обладать следующими свойствами:
ü высоким удельным электросопротивлением;
ü малым температурным коэффициентом удельного электросопротивления;
ü высокой температурой плавления и жаростойкостью;
ü стойкостью к химическому воздействию атмосферы печи;
ü низкой стоимостью.
Металлические нагревательные элементы изготавливаются из сплавов сопротивления: НИКЕЛЬХРОМОВЫЕ (нихром), ЖЕЛЕЗОХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ; ЖЕЛЕЗОХРОМОАЛЮМИНИВЫЕ (фехраль), и из тугоплавких металлов и сплавов (молибден, вольфрам, тантал), но все они окисляются на воздухе и стоимость их высока.
Сплавы сопротивления используются в виде:
û проволоки холоднонатянутой и горячекатаной;
û в виде ленты.
Из проволоки нагреватели делают в виде цилиндрической спирали или зигзагов. Из ленты – зигзагообразные нагреватели. Целесообразно навешивать спирали на керамические трубки.
Крепление нагревателей осуществляется:
· на вертикальных стенках (подвеска на металлических крючках, укладка на керамических полочках);
· над подом (укладка на керамических гребенках или на специальной фасонной керамике);
· под сводом (подвеска на металлических крючках или на керамических трубках).
Неметаллические нагревательные элементы изготавливаются в виде специальных нагревательных элементов из:
1) карбида кремния (карборунда);
2) дисцилицида молибдена, из графита, из угольной крошки (криптол);
3) в виде жидких нагревательных элементов (расплав солей).
Тема 1.3.3 ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ В ПЕЧАХ С ЖЕЛЕЗНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ И В ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ (БЕЗ ЖЕЛЕЗНОГО СЕРДЕЧНИКА)
Принцип действия индукционных печей заключается в выделении джоулевого тепла при протекании по проводнику индуктированного (наведенного) в нем тока.
Индукционные печи можно рассматривать как трансформатор (либо воздушный – тигельный, либо с железным сердечником). Его первичной обмоткой является индуктор, внутри которого помещен нагреваемый или расплавляемый металл, играющий роль вторичной обмотки и одновременно нагрузки. Через индуктор пропускают переменный ток, создающий переменное магнитное поле. Это поле наводит (индуктирует) в нагреваемом металле вихревые токи, вследствие чего в нем выделяется тепло.
Преимущества:
- в отличие от дуговой печи, отсутствуют такие источники загрязнения, как электроды;
- можно осуществлять нагрев металла на любую глубину, а также осуществлять местный нагрев деталей;
- высокая производительность, вследствие небольшой продолжительности нагрева;
-индукционные печи могут быть полностью автоматизированны.
Недостатки:
- высокая стоимость печей;
- низкая температура шлака, затрудняющая процесс рафинирования металла в печи.
КАНАЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Канальные печи с железным сердечником применяются для плавки цветных тяжелых и легких металлов и сплавов с низкой температурой плавления.
В этих печах вокруг индуктора с замкнутым магнитопроводом (сердечником) выкладывают концентрический узкий кольцевой канал из огнеупорного материала. Канал должен быть заполнен расплавленным металлом, чтобы образовать замкнутое электропроводное кольцо. Сердечник обеспечивает большой магнитный поток, что позволяет на таких печах работать с промышленной частотой 50 Гц.
ТИГЕЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Тигельные печи без сердечника. Расплавляемый или подогреваемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутри многовиткового цилиндрического индуктора. В этом случае применять сердечник не возможно, что увеличивает магнитный поток и требует соответствующего увеличения частоты электромагнитного поля, поэтому эти печи работают на токах высокой частоты до 440 тыс. Гц, что удорожает печную установку.
Эти индукционные печи применяются для плавки легированных и низколегированных сталей и чугунов. Емкость от 6 кг по стали и до 600 т по чугуну.
Тема 1.3.4 ДУГОВОЙ И ПЛАЗМЕННЫЙ НАГРЕВЫ
В дуговых и плазменных электрических печах источником тепла служит электрическая дуга, представляющая собой один из видов газообразного разряда. Необходимое условие возникновения и горения дуги – частичная ионизация газа в пространстве между электродами.
В дуговых печах применяют электроды следующего типа: угольные обожженные, угольные самоспекающиеся, графитированные, вольфрамовые.
Плазма – это электропроводящая среда из смеси электронов, нейтральных и ионизированных атомов и молекул газа, образующаяся в промежутке между электродами, в зоне дуги.
Основная характеристика плазмы – степень ее ионизации, то есть отношение числа заряженных частиц к их общему количеству. В зависимости от степени ионизации различают:
- «холодную» (низкотемпературную. Применяется в дуговых печах и для нагрева с температурой до 50000 К) плазму со степенью ионизации около 1%;
- «горячую» (высокотемпературную. Температура плазмы составляет сотни тысяч градусов) плазму со степенью ионизации близкой к 100%.
В плазменных установках используют различного типа плазматроны, в которых нагреваемый газ проходит через промежуток между электродами и превращается в плазму. Плазма с высокой температурой используется для плавления металлов и для осуществления химических реакций (восстановление, окисление).
Тема 1.3.5. ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ НАГРЕВ
При электроннолучевом нагреве мощный направленный пучок электронов, излучаемый специальной электронной пушкой, разогнанный в вакууме до большой скорости, бомбардирует нагреваемый металл. При соударении с металлом кинетическая энергия электронов переходит в тепловую.
Электроннолучевой нагрев – сравнительно новый вид нагрева. Он применяется для плавки высокореакционных, тугоплавких металлов. Электроннолучевой нагрев создает также все условия для получения высокочистых металлов. В электроннолучевых печах необходимо поддерживать вакуум 10-2 Па.
Электронные пушки
1. Радиальные пушки.
Для ускорения электронов используют отдельный электрод – анод, не соединяющийся с нагреваемым металлом. Преимущество: катод может быть удален от нагреваемого металла, что позволяет увеличить срок его службы.
2. Аксианальные пушки.
В верхней камере пушки размещен катод, нагрев которого в пушках большой мощности может осуществляться с помощью вспомогательного электронно-лучевого нагревателя. Аксианальная пушка может работать при остаточном давление в рабочей камере печи 0,1 – 0,5 Па, что особенно ценно при плавке цветных и редких металлов с большой упругостью пара и большим газоотделением.
3. Магнетронные пушки.
Магнетронные пушки используют наложением магнитного поля на поток электронов, что приводит к движению электрона по спирали.
4. Кольцевые пушки.
Кольцевые печи являются простейшим устройством. Имеют высокий КПД. Применяются для плавки слитка металла и нагрева металла перед кристаллизацией.
Тема 1.4. АВТОГЕННЫЙ НАГРЕВ ПЕЧЕЙ
Автогенные процессы – это технологические процессы, которые осуществляется полностью за счет внутренних энергетических ресурсов, без затрат посторонних источников тепловой энергии.
Плавке в автогенном режиме подвергается железосодержащее сульфидное сырье.
Основная доля тепла в автогенных процессах выделяется при окислении сульфида железа. В качестве окислителя могут использовать воздух (обогащенный кислородом – дутье) или технологический кислород (98 – 99 % О2).
ОСНОВНОЕ ТРЕБОВАНИЕ К СЫРЬЮ:
- наличие в нем компонентов, суммарной реакцией которых при взаимодействии кислорода (дутья), выделяют тепло, достаточное для расплавления продуктов плавки.
ОСНОВНОЕ УСЛОВИЕ АВТОГЕННОСТИ:
- тепло, выделяемое при окислении сульфидов, должно быть больше тепла, расходуемого на нагрев и плавление продуктов реакции:
Все автогенные процессы являются совмещенными. Они объединяют в одном металлургическом агрегате обжиг, плавку на штейн и частичное или полное конвертирование. Это позволяет наиболее рационально переводить серу из исходной шихты в газы (постепенно).
Технологически эти процессы различаются методом сжигания сульфидов, который проводится в факеле (во взвешенном состоянии) и в расплаве.
ОБОРУДОВАНИЕ (в расплаве):
- по методу фирмы «Норанда» (Канада);
- по методу «Мицубиси» (Япония);
- печи Ванюкова - наиболее производительные (Россия).
Зачет