Способ высокоскоростного сжигания твердых горючих Советский патент 1941 года по МПК F23B7/00 

По предлагаемому способу высокоскоростного сжигания твердых горючих процесс сжигания разделен на выжигание углерода в слое горючего кислородом и паром непосредственно до горючих газов и на последующее дожигание горючих газов за слоем до конечных продуктов горения.

С целью интенсификации процесса газификации твердого горючего последний ведется при столь больших скоростях воэдуха, подаваемого в тонкий слой горючего, при которых, в основном, происходит лишь непосредственное образование окиси углерода и водорода.

На чертеже изображена схехи топки для осуш,ествления предлагаемого: способа высокоскоростного сжигания твердых горючих.

Основным процессом, определяющим скоростной порядок процесса горения твердых горючих, является процесс горения углерода горючего. При правильном построении схемы сжигания, когда обеспечено, так называемое, неограниченное воспламенение, только этот процесс (горение углерода) является лимитируюшим фактором всего процесса сжигания горючего в целом.

Подготовительные стадии горения - подсушка, возгонка летучих и воспламенение топлива не препятствуют в этом случае форсировке процесса, и последняя зависит исключительно от форсировки процесса горе«ия хтлерода.

Горение углеро да является сложным физико-химическим процессом - фиэическим, если говОрить о количесШенной стороне процесса, химическим, если рассматривать его качественщю сторону.

Первым необходимым условием для протекания процесса горения углерода является подвоя кислоро«да воздуха к поверхности углерода {горение гетерогенное).

Вторым необходимым условием является реагирование этого кислорода с углеродом горючего.

Подвод кислорюда « углерода ой поверхно ти осуществляется путем диффузии, которая в сильной степени зависит от аэродинамики дутьевого потока. В случае горения угля & слое подвод кислорода к поверхности уг.71я при ламинарном режиме дутья, весьма невелик, а увеличение скорости обтекания угля мало изменяет скорость процесса горения и, в силу этого, приво дит к увеличению размеро1в зоны горения (высота горящего слоя). При турбулентНОИ движении воздуха в горящем слое горючего (углерода) процесс горения сильно интенсифицируется при увеличении скорости дутья: Количество кислорода, подведенного к поверхности горящего углерода, ОПределяется величиной критерия Рейнольдса (R1), а размер зоны горения заметно не увеличивается при увеличении линейных скоростей движения воздуха в слое до 200-250 м/сек. Для того, чтобы мощный диффузионный поток кислорода дутья к углеродной поверхности мог быть полностью использован, углеродная поверхность должна обладать очень высокой реакционной способностью. Исследования химической стороны процесса горения углерода показывают, что в усло1виях процесса в топке С1вязыва1ние поступающего кислорода с углеродом топлива происходит путем двух са1мостоятельных реакций: 4С -f ЗО, 2СО Ч- 2СО.,(1) 2С -ь: О, 2СО(2) Реакция (1) протекает через промежуточный физико-химический комплекс типа СхОу, образующийся за счет адсорбирован ного кислорода. В виду ее специфичности для окислительной -стадии процесса горения углерода эта реакция названа реакцией «окисления. Кинетический порядок этой реакции по кислороду близок к нулевому, скорость невелика, в силу чего, при наличии только этой :реакции, интенсификаци-я процесса горения углерода . за счет усиления диффузии (увеличения скорости дутья) практически бесцельна. Реакция (2), названная по тем же со0брал ениям реакцией «горения углерода, обладает, повйдимому, огромными скоростями и протекает непосредствепнО межДу газовыми молекулами (кислородом) и атомами углерода. Кинетический пОряДок этой реакции по кислороду близок к 2-м, в силу чего увеличение скорости подвода кислорода -за счет диффузии приводит к все большему увеличению -роли этой реакции в общем балансе процесса горения углерода. Как видно из уравнения реакции (2), последняя приводит к исключителшому образованию, в качестве первичного продукта реакции, окиси углерода. Таким образом первичными продуктами реагирования углерода с кислородом воздуха являются как окись углерода, так и углекислота. При увеличении скорости дутья, в силу сказанного, потребление кислорода на реакцию (2) непрерывно увеличивается, что- приводит к непрерывному увеличению доли СО в первичных продуктах горения углерода. Таковы коррективы, которые вносит рассмотрение качественной стороны процесса горения углерода. Опрашивается, что же дает синтез обеих сторон процесса - физической и химической. Оказывается, что помимо того, что интенсифицированный подвод кислорода при турбулентном режиме дутья в слое, в сочетании с экспериментально неисчерпанной пока скоростью реакции горения, дает возможность к ведению необычайно интенсифицированного процесса горения углерода, турбулентный .режим и увеличение дутья в слое приводят также к выносу первичных продуктов горения углерода из зоны горения (зоны наличия кислорода) и к автоматическому их «замораживанию в виду отсут1ствия кислорода за зоной горения. Этот эффект выноса первичных продуктов из зоны горения и в том числе первичной окиси углерода (а в случае наличия летучих, также и Н,, OHj н др.) приводит к ликвидации так называе-мого тормозящего действия пламени, т. е. по существу к беспламенному горению углерода, что в свою очередь также интенсифицирует процесс его выжига, поскольку исключается затрата кислорода на догорание СО. и летучих близ углеродной поверхности. При выгорании углерода не до СОг, а до СО Скорость выжига удваивается, что видно из сравнения реакции (2) с уравнением С М- О, СО.,. Тот факт, что экспериментально показана возможность выноса СО, .др. из кислородной зоны, указывает на то, что скорость вторичной реакции 2СО -fО, 2СО, или 2Н., + О, 2Н.,О в УСЛОВИЯХ, создающихся вблизи угле-родной поверхности при турбулентном режиме дутья, меньше, чем скорость подвода кислорода « поверхности угля и скорости его потребления на -ней.

Наблюдаемый при больших скоростях дутья вынос СО (а также Н„, СН и др.) из зоны горения имеет ряд практических следствий, основное из которых заключается в понижении температуры в эоне горения: теоретическая температура горения углерода до СО paiBHa, примерно, 1400-1600° {в зависимости от подогрева), теоретическая температура горения углерода до СО, раВна, примерно, 2300°.

Понижение температуры никоим образом «е влечет понижения интенсивности процесса горения углерода.

Последний зависит исключительно от линейной скорости дутья и состава вын осимых продуктов.

Для иллюстрации интенсивности про.цесса горения угля в слое можно привести следующие цифры.

При скорости дутья в слой в 2 м/сек (холодное дутье на всю поверхность слоя) количество сжигаемого древесного угля равно-- 2,000 кг/чac.м количество сжигаемого подмосковного угля (рабочая влажность 30%) равйо кг/час.м, что в обоих случаях дает тепловое напряжение около 14- 16 мил. калорий на квадратный метр в час.

На ойнове изложенного следует констатировать следующий факт. При увеличении скорости дутья в плотный слой топлива процесс его горения интенсифицируется, примерно, пропорционально скорости дутья. Это приводит, однако, к тому, что пеизбежно, при некоторой скорости, определяемой размером кислородной зо-ны, продуктами горения топлива являются горючие газы СО, Но, CHj и др., называемые обычно продуктами газификации. Стало быть, сжигание топлива на больших скоростях является одновременно и процессом его газификации.

Исследования по высокоскоростной газификации показали, что, помимо перечисленных характеристик высокоскоростного сжигания горючих (углерода), можно указать еще на возможность достаточно интенсивного..разложения водяного пара дутья в зоне горения (в зоне кислорода). Это разложение протекает эндотер.мически с потреблением углерода и кислорода и приводит к значительному понижению температуры в зоне горения.

Возможность, по желанию, управлять температурой в зоне горения угля с помощью использования влаги топлива открывает большое технологическое преимущество для высокоскоростного сжигания многозольных (низкосортных) твердых горючих, поскольку этим способом можно вести интенсифицированный процесс горения с сухим золоудалением.

На основании вышесказанного и предлагается способ высокоскоростного сжигания твердого горючего в слое с сухим золоудалением.

При этом способе должно быть обеспечено условие, близкое к условию неограниченного воспламенения, работаюший слой топлива до.яжен быть достаточно плотнЫМ и тонким и должен быть обеспечен вынос продуктов первичных реакций между углеродом и кислородом и углеродом, кислородом и влагой дутья (все в зоне горения).

Выносимый из слоя угля горючий газ должен быть сейчас же дожжен путем специальной подачи вторичного дутья. Сжигание газов не является физико-химической проблемой и может быть проведено при соответствующих условиях очень эффективно. Скоростной предел дутья, обеспечивающий способ высокоскоростного сжигания, варьируется в зависимости от крупности применяемого горючего и рассчитывается теоретически. Для твердого горючего с частицами 5-25 мм этот предел определяется величиной скорости в 1 м/сек (холодное на всю поверхность слоя), что соответствует истинной максимальной скорости по рядка 35 м/сек.

Техническое приложение изложенных теоретических положений открывает -огромные практические возможности по интенсификации топочных процессов при слоевом сжигании.

Преимущества слоевой высокоскороспюй топки по сравнению с существующими устройствами для сжигания сводятся в основном к большим

удельным скоростям сжигания угля, во много сот раз превышающим скорости при камерном сжигании, высокому тепловому Напряжению и связанйому с этим относительному уменьшению теп,Ю|Потерь и тойочных про-, странств; к возможности создания сверхмощного компактного агрегата слоевого сжигания, производительность которого с топочной стороны принципиально «е ограничена и во всяком случае сможет удовлетворить в настоящее время потребности, техники в .подобных агрегатах; к отсутСТ1ВИЮ (или почти от1сутствию) предварительной падготовки топлива (дробление, размол, сущкя); к упрощению конструкции решеток в связи со значительным уменьщением их размеров и к уменьщению количества золы, попадающей в топочную камеру с газом (в виду раздельного сжигания) и тем самым уменьщению влияния шлака на поверхгностИ нагрева котла.

В конструктивном оформлении предлагаемого способа, изображенном на чертеже, создание устойчивого слоя топли ва на решетке 1 в зоне (с1) горения достигается обращением дутья в топке типа «Стокер (топка с нижней подачей топлива).

Пераичное дутье (стрелка Ь) и движение частиц топлива направлены навстречу, что создает условия неограниченного воспламенения (неограниченной 1нодготовки топлива). газ, генерируемый в слое на высоких скоростях, Бьшосится из слоя топлива через охлаждаемую горизонтальную или наклонную ;1 ешетку 1 и близ нее и дожигае тся вторичным воздухом (стрелка (с). Для лучшего обеспечения вобпламенения влажного топлива в верхней части слоя (точка (а) в верхней стенке подающей топливо горизонтальной шахты устанавливается дополнительная решетка 2, газ из которой может поступать непосредственно вто1по1чное пространство (стрелка (с)или, путем инжекции, направляться в дутье.

I Твердое горючее проталкивается плунжером 3 в пространство между : рюшетками 1 и 2, а образовавшийся i в результате горения шлик поступает I в вертикальную шлаковую камеру 4, i откуда удаляется дробильными вальI цами 5.

I Означенная схема имеет особую ценI ность при сжигании влажных топлив i (типа подмосковпого угля), так как позволяет использовать влагу топлива для осуществления эндотермических реакций разложения водяного пара в кислородной зо1не горящего топлива с целью понижения температуры горения слоя до величины, исключающей шлакование.

Предмет изобретения.

Способ высокоскоростного сжигания твердых горючих, отличающийся тем, что, с целью раздельного выжигания углерода в слое и последующего, непосредственно за слоем, дожигания горючих газов, процесс газификации твердого горючего ведут при столь больших скоростях подаваемого в тонкий слой горючего воздуха, При которых происходит в основном лишь непосредственное образование окиси углерода и водОрода.