5. Основные особенности процессов сгорания твердого, жидкого и газообразного топлива

В отопительных печах может использоваться твердое, жидкое и газообразное топливо. Каждому из этих топлив свойственны свои особенности, которые влияют на эффективность использования печей.

Конструкции отопительных печей создавались в течение длительного времени и предназначались для сжигания в них твердого топлива. Только в более поздний период стали создаваться конструкции, рассчитанные на использование жидкого и газообразного топлива. Чтобы наиболее эффективно использовать эти ценные виды в существующих печах, необходимо знать, чем отличаются процессы горения этих топлив от горения твердого топлива.

Во всех печах твердое топливо (дрова, различные виды каменного угля, антрацит, кокс и др.) сжигается на колосниках слоевым способом, с периодической загрузкой топлива и очисткой колосников от шлака. Слоевой процесс сжигания имеет четкий циклический характер. Каждый цикл включает следующие стадии: загрузка топлива, подсушка и разогрев слоя, выделение летучих веществ и их горение, горение топлива в слое, догорание остатков и, наконец, удаление шлаков.

На каждой из этих стадий создается определенный тепловой режим и процесс горения в печи происходит с непрерывно меняющимися показателями.

Первичная стадия подсушки и разогрева слоя носит так называемый эндотермичный характер, т. е. она сопровождается не выделением, а поглощением теплоты, получаемой от раскаленных стен топливника и от недогоревших остатков. Далее по мере разогрева слоя начинается выделение газообразных горючих компонентов и их выгорание в газовом объеме. На этой стадии начинается тепловыделение в топке, которое постепенно увеличивается. Под влиянием разогрева начинается горение твердой коксовой основы слоя, дающей обычно наибольший тепловой эффект. По мере прогорания слоя тепловыделение постепенно уменьшается, и в конечной стадии имеет место малоинтенсивное дожигание горючих веществ. Известно, что роль и влияние отдельных стадий цикла слоеного горения зависит от следующих показателей качества твердого топлива: влажности, зольности, содержания летучих горючих веществ и углерода в горючей массе.

Рассмотрим, как влияют эти составляющие на характер процесса горения в слое.

Увлажнение топлива отрицательно влияет на горение, так как на испарение влаги должна быть затрачена часть удельной теплоты сгорания топлива. В результате снижаются температуры в топливнике, ухудшаются условия сжигания, а сам цикл горения затягивается.

Отрицательная роль зольности топлива проявляется в том, что зольная масса обволакивает горючие компоненты топлива и препятствует доступу к ним кислорода воздуха. В результате горючая масса топлива не догорает, образуется так называемый механический недожог.

Исследованиями ученых установлено, что большое влияние на характер развития процессов горения оказывает соотношение содержания в твердом топливе летучих газообразных веществ и твердого углерода. Летучие горючие вещества начинают выделяться из твердого топлива при сравнительно низких температурах, начиная со 150 - 200°С и выше. Летучие вещества разнообразны по составу и отличаются различными температурами выхода, поэтому процесс их выделения растянут по времени и его окончательная стадия обычно сочетается с горением твердой топливной части слоя.

Летучие вещества имеют относительно низкую температуру воспламенения, так как содержат много водородсодержащих компонентов, горение их происходит в надслоевом газовом объеме топливника. Твердая часть топлива, остающаяся после выхода летучих веществ, состоит в основном из углерода, имеющего наиболее высокую температуру воспламенения (650 - 700°С). Горение углеродного остатка начинается в последнюю очередь. Оно протекает непосредственно в тонком слое колосниковой решетки, и ввиду интенсивного тепловыделения в нем развиваются высокие температуры.

Высоким содержанием летучих веществ отличаются дрова, а минимальное содержание летучих веществ имеют антрацит и кокс.

Типичная картина изменения температуры в топке и газоходах в течение цикла горения твердого топлива показана на рис. 23. Как видно, в начале топки наблюдается быстрое нарастание температур в топливнике и дымоходах. В стадии же догорания происходит резкое снижение температуры внутри печи, особенно в топливнике. Каждая из стадий требует подачи в топку определенного количества воздуха для горения. Однако, ввиду того что в топку поступает постоянное количество воздуха, на стадии интенсивного горения коэффициент избытка воздуха составляет величину α_т=1,5-2, а на стадии догорания, продолжительность которой достигает 25 - 30% времени топки, коэффициент избытка воздуха достигает α_т=8-10. На рис. 24 показано, как изменяется коэффициент избытка воздуха на протяжении одного цикла горения на колосниковой решетке трех видов твердого топлива: дров, торфа и каменного угля в типичной отопительной печи периодического действия.

Рис. 23. Изменение температуры дымовых газов в различных сечениях отопительной печи при топке твердым топливом: 1 - температура в топливнике (на расстоянии 0,23 м от колосниковой решетки); 2 - температура в первом горизонтальном дымоходе; 3 - температура в третьем горизонтальном дымоходе; 4 - температура в шестом горизонтальном дымоходе (перед заслонкой печи)

Из рис. 24 видно, что коэффициент избытка воздуха в печах, работающих с периодической загрузкой твердого топлива, непрерывно изменяется.

Рис. 24. Изменение коэффициента избытка воздуха в течение цикла горения твердого топлива

При этом на стадии интенсивного выхода летучих веществ количества поступающего в топку воздуха обычно недостаточно для полного их сгорания, а на стадиях предварительного разогрева и дожигания горючих веществ количество воздуха в несколько раз превышает теоретически необходимое.

В результате на стадии интенсивного выхода летучих веществ происходит химический недожог выделившихся горючих газов, а при дожигании остатков имеют место повышенные потери теплоты с уходящими газами ввиду увеличения объема продуктов сгорания. Потери теплоты с химическим недожогом составляют 3 - 5%, а с уходящими газами - 20 - 35%. Однако отрицательное действие химического недожога проявляется не только в дополнительных потерях теплоты и снижении КПД. Опыт эксплуатации большого количества отопительных печей показывает, что в результате химического недожога интенсивно выделяющихся летучих веществ на внутренних стенках топки и дымоходов откладывается аморфный углерод в виде сажи. Поскольку сажа имеет низкую теплопроводность, ее отложения увеличивают термическое сопротивление стен печи и тем самым снижают полезную теплоотдачу печей. Отложения сажи в дымоходах сужают сечение для прохода газов, ухудшают тягу и, наконец, создают повышенную пожароопасность, так как сажа горюча.

Из сказанного ясно, что неудовлетворительные показатели слоевого процесса во многом объясняются неравномерностью выделения летучих веществ по времени.

При слоевом сжигании высокоуглеродистых топлив процесс горения сосредоточен в пределах довольно тонкого топливного слоя, в котором развиваются высокие температуры. Процесс горения чистого углерода в слое имеет свойство саморегулирования. Это значит, что количество прореагировавшего (сожженного) углерода будет соответствовать количеству поданного окислителя (воздуха). Поэтому при постоянном расходе воздуха постоянным будет и количество сожженного топлива. Изменение же тепловой нагрузки должно производиться за счет регулирования подачи воздуха V_в. Например, при увеличении V_в возрастает количество сожженного топлива, а снижение V_в вызовет уменьшение теплопроизводительности слоя, причем величина коэффициента избытка воздуха останется стабильной.

Однако сжигание антрацита и кокса связано со следующими трудностями. Для возможности создания высоких температур толщина слоя при сжигании антрацита и кокса поддерживается достаточно большой. При этом рабочей зоной слоя является относительно тонкая нижняя его часть, в которой осуществляются экзотермические реакции оксидирования углерода кислородом воздуха, т. е. происходит собственно горение. Весь вышележащий слой служит как бы тепловым изолятором горящей части слоя, предохраняющим зону горения от охлаждения за счет излучения теплоты на стенки топливника.

В результате окислительных реакций в зоне горения выделяется полезная теплота согласно реакции

Однако при высоких температурах слоя в верхней его зоне осуществляются обратные восстановительные эндотермические реакции, протекающие с поглощением теплоты, согласно уравнению

В результате этих реакций образуется оксид углерода СО, который является горючим газом, обладающим довольно высокой удельной теплотой сгорания, поэтому присутствие его в дымовых газах свидетельствует о неполноте сгорания топлива и снижении экономичности печи. Таким образом, для обеспечения высоких температур в зоне горения топливный слой должен иметь достаточную толщину, но это приводит к вредным восстановительным реакциям в верхней части слоя, приводящим к химическому недожогу твердого топлива.

Из приведенного ясно, что в любой печи периодического действия, работающей на твердом топливе, имеет место нестационарный процесс горения, неизбежно снижающий КПД эксплуатируемых печей.

Большое значение для экономичной работы печи имеет качество твердого топлива.

Согласно стандартам для коммунально-бытовых нужд выделяют в основном каменные угли (марок Д, Г, Ж, К, Т и др.), а также бурые угли и антрациты. По размеру кусков угли должны поставляться следующих классов: 6 - 13, 13 - 25, 25 - 50 и 50 - 100 мм. Зольность угля на сухую массу колеблется в пределах 14 - 35% для каменных углей и до 20% - для антрацита, влажность - 6 - 15% для каменных и 20 - 45% для бурых углей.

Топочные устройства бытовых печей не имеют средств механизации процесса горения (регулирования подачи дутьевого воздуха, шуровки слоя и др.), поэтому для эффективного сжигания в печах к качеству угля должны предъявляться достаточно высокие требования. Значительная часть угля поставляется, однако, несортированным, рядовым, с качественными характеристиками (по влажности, зольности, содержанию мелочи) существенно ниже предусмотренных стандартами.

Сжигание некондиционного топлива происходит несовершенно, с повышенными потерями от химического и механического недожога. Академией коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова был определен годовой материальный ущерб, причиняемый в результате поставки углей низкого качества. Расчеты показали, что материальный ущерб, обусловленный неполным использованием топлива, составляет примерно 60% стоимости добычи угля. Экономически и технически целесообразно обогащать топливо в местах его добычи до кондиционного состояния, так как дополнительные расходы на обогащение составят примерно половину указанной величины материального ущерба.

Важной качественной характеристикой угля, влияющей на эффективность его сжигания, является его фракционный состав.

При повышенном содержании в топливе мелочи она, уплотняясь, закрывает прозоры в горящем топливном слое, что приводит к кратерному горению, имеющему неравномерный характер по площади слоя. По этой же причине хуже по сравнению с другими видами топлива сжигаются бурые угли, имеющие свойство растрескиваться при нагреве с образованием значительного количества мелочи.

С другой стороны, использование чрезмерно крупных кусков угли (более 100 мм) также приводит к кратерному горению.

Влажность угля, вообще говоря, не ухудшает топочного процесса; однако она снижает удельную теплоту сгорания, температуру горения, а также осложняет хранение угля, так как при минусовых температурах происходит его смерзание. Для предотвращения смерзания влажность каменных углей не должна превышать 8%.

Вредным компонентом в твердом топливе является сера, так как продуктами ее сгорания являются диоксид серы SO₂ и сернистый ангидрид SО₃, обладающие сильными коррозионными свойствами, к тому же еще и весьма токсичные.

На основании экспериментальных данных Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова установлено, что угли, используемые в жилищно-коммунальном хозяйстве, должны отвечать следующим требованиям:

Бурые угли к употреблению не рекомендуются, они должны использоваться в брикетированном виде.

Следует заметить, что в печах периодического действия рядовые угли хотя и менее эффективно, но все же могут удовлетворительно сжигаться; для печей длительного горения указанные требования должны категорически выполняться в полной мере.

В печах непрерывного действия, в которых сжигается жидкое или газообразное топливо, процесс горения имеет не циклический, а непрерывный характер. Поступление топлива в печь происходит равномерно, благодаря чему соблюдается стационарный режим горения. Если при сжигании твердого топлива температура в топливнике печи колеблется в широких пределах, что неблагоприятно отражается на процессе горения, то при сжигании природного газа вскоре после включения горелки температура в топочном пространстве достигает 650 - 700°С Далее она постоянно увеличивается с течением времени и достигает в конце топки 850 - 1100°С. Скорость повышения температуры при этом определяется тепловым напряжением топочного пространства и временем топки печи (рис. 25). Сжигание газа сравнительно легко поддерживать при постоянном коэффициенте избытка воздуха, что осуществляется с помощью воздушной заслонки. Благодаря этому при сжигании газа в печи создается стационарный режим горения, позволяющий свести к минимуму потери теплоты с уходящими газами и добиться работы печи с высоким КПД, достигающим 80 - 90%. КПД газовой печи стабилен по времени и существенно выше, чем печи на твердом топливе.

Рис. 25. Изменение температуры продуктов сгорания в топливнике газовой отопительной печи в зависимости от напряженности топочного пространства и времени толки

Влияние режима горения топлива и величины площади тепловоспринимающей поверхности дымооборотов на КПД печи. Теоретические расчеты показывают, что тепловая экономичность отопительной печи, т. е. величина теплового КПД, зависит от так называемых внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся величина площади теплоотдающей наружной поверхности S печи в зоне топливника и дымооборотов, толщина стенок δ, коэффициент теплопроводности λ материала стенок печи и теплоемкость С. Чем больше величины S, λ и меньше δ, тем лучше теплоотдача от стен печи к окружающему воздуху, более полно охлаждаются газы и выше КПД печи.

К внутренним факторам относится в первую очередь величина КПД топливника, зависящая в основном от полноты сгорания топлива, В отопительных печах периодического действия практически всегда имеются потери теплоты от химической неполноты горения и механического недожога. Эти потери зависят от совершенства организации процесса горения, определяемого удельным тепловым напряжением топочного объема Q/V. Значение Q/V для топливника заданной конструкции зависит от расхода сжигаемого топлива,

Исследованиями и опытом эксплуатации установлено, что для каждого вида топлива и конструкции топливника существует оптимальная величина Q/V. При низких Q/V внутренние стенки топливника прогреваются слабо, температуры в зоне горения недостаточны для эффективного сжигания топлива. При повышении Q/V возрастают температуры в топочном объеме, и при достижения определенного значения Q/V достигаются оптимальные условия горения. При дальнейшем повышении расхода топлива уровень температур продолжает повышаться, но процесс горения не успевает завершиться в пределах топливника. Газообразные горючие компоненты увлекаются в газоходы, процесс их горения прекращается и появляется химический недожог топлива. Точно так же при чрезмерном расходе топлива часть его не успевает сгорать и остается на колосниковой решетке, что приводит к механическому недожогу. Таким образом, для того чтобы отопительная печь имела максимальный КПД, необходимо, чтобы ее топливник работал с оптимальным тепловым напряжением.

Потери теплоты в окружающую среду от стен топливника не снижают КПД печи, так как теплота расходуется на полезный обогрев помещения.

Вторым важным внутренним фактором является расход дымовых газов V_r. Даже если печь работает при оптимальной величине теплового напряжения топливника, объем газов, проходящих через дымоходы, может существенно меняться за счет изменения коэффициента избытка воздуха ат, представляющего собой отношение действительного расхода воздуха, поступившего в топку, к теоретически необходимому его количеству. При дайной величине Q/V значение ат может изменяться в весьма широких пределах. В обычных отопительных печах периодического действия величина ат в период максимального горения может быть близкой к 1, т. е. соответствовать минимально возможному теоретическому пределу. Однако в период подготовки топлива и на стадии догорания остатков величина ат в печах периодического действия обычно резко возрастает, нередко достигая предельно высоких значений - порядка 8 - 10. С увеличением ат возрастает объем газов, сокращается время их пребывания в системе дымооборотов и, как следствие, увеличиваются потери теплоты с уходящими газам.

На рис. 26 показаны графики зависимости КПД отопительной печи от различных параметров. На рис. 26, а показаны величины КПД отопительной печи в зависимости от значений ат, из которых видно, что при увеличении ат от 1,5 до 4,5 КПД уменьшается с 80 до 48%. На рис. 26, б показана зависимость КПД отопительной печи от величины площади внутренней поверхности дымооборотов S, из которой видно, что при увеличении S от 1 до 4 м² КПД возрастает с 65 до 90%.

Рис. 26. Зависимость КПД газовой отопительной печи от различных параметров: а - от коэффициента избытка воздуха при площади внутренней поверхности дымооборотов, м²; б - от площади внутренней поверхности дымооборотов при различных коэффициентах избытка воздуха; в - от длительности топки при различных площадях внутренней поверхности дымооборотов, м²

Кроме перечисленных факторов величина КПД зависит от продолжительности топки печи τ (рис. 26, е). По мере увеличения τ внутренние стенки печи прогреваются до более высокой температуры и газы соответственно охлаждаются меньше. Поэтому с увеличением продолжительности топки экономичность любой отопительной печи снижается, приближаясь к определенной минимальной величине, характерной для печи данной конструкции.

Теплопередача отопительных печей и их аккумулирующая способность. В отопительных печах теплота, которая должна быть передана дымовыми газами отапливаемому помещению, должна пройти через толщу стен печи. С изменением толщины стен топливника и дымоходов соответственно меняются термическое сопротивление и массивность кладки (ее аккумулирующая способность). Например, при уменьшении толщины стен снижается их термическое сопротивление, возрастает тепловой поток и одновременно уменьшаются габариты печи. Однако уменьшение толщины стен печей периодического действия, работающих на твердом топливе, недопустимо по следующим причинам: при периодической кратковременной топке внутренние поверхности топливника и дымоходов нагреваются до высоких температур и температура наружной поверхности печи в периоды максимального горения будет выше допустимых пределов; после прекращения горения вследствие интенсивной теплоотдачи наружных стенок в окружающую среду печь будет быстро охлаждаться.

При периодическом режиме топки уменьшение толщины стенок, таким образом, приводит к резкому увеличению коэффициента неравномерности теплоотдачи М:

где Q_макс, Q_мин - максимальное и минимальное часовое тепловыделение печи, Вт; Q_cp - средняя теплопроизводительность печи, Вт.

При больших величинах М температура помещения будет в широких пределах изменяться во времени и выходить из допустимых норм. С другой стороны, если выкладывать печь слишком толстостенной, то за короткий период топки ее большой массив не успеет прогреться и, кроме того, с утолщением стен увеличивается разница между площадью внутренней поверхности дымоходов, воспринимающей теплоту от газов, и площадью наружной поверхности печи, передающей теплоту окружающему воздуху, вследствие чего температура наружной поверхности печи будет слишком низкой для эффективного обогрева помещения. Поэтому существует такая оптимальная толщина стен (¹/₂ - 1 кирпич), при которой массив печи периодического действия накапливает достаточное количество теплоты за время топки и вместе с тем достигается достаточно высокая температура наружных поверхностей печи для нормального обогрева помещения.

При использовании в отопительных печах жидкого или газообразного топлива вполне достижим непрерывный режим горения, поэтому при непрерывной топке нет необходимости в аккумуляции теплоты за счет увеличения массива кладки. Процесс теплопередачи от газов к отапливаемому помещению имеет стационарный характер по времени, В этих условиях толщина стенок и массивность печи может выбираться исходя не из обеспечения определенной аккумулирующей величины, а из соображений прочности кладки и обеспечения должной долговечности.

Влияние перевода печи с периодической топки на непрерывную хорошо видно из рис. 27, на котором показано изменение температуры внутренней поверхности стенки топливника в случае периодической и непрерывной топки. При периодической топке уже через 0,5 - 1 ч внутренняя поверхность стенки топливника нагревается до 800 - 900°С.

Такой резкий нагрев уже после 1 - 2 лет эксплуатации печи часто вызывает растрескивание кирпичей и их разрушение. Такой режим, однако, является вынужденным, так как снижение тепловой нагрузки приводит к чрезмерному увеличению продолжительности топки.

При непрерывной топке расход топлива резко сокращается и температура нагрева стенок топливника снижается. Как видно из рис. 27, при непрерывной топке для большинства марок каменных углей температура стенки повышается с 200 лишь до 450 - 500°С, в то время как при периодической топке она значительно выше - 800 - 900°С. Поэтому топливники печей периодического действия обычно футеруются огнеупорным кирпичом, в то время как топливники печей непрерывного действия не нуждаются в футеровке, так как температура на их поверхности не достигает предела огнеупорности обычного красного кирпича (700 - 750°С). Следовательно, при непрерывной топке более эффективно используется кирпичная кладка, намного увеличивается срок службы печей и для большинства марок каменных углей (исключая антрациты и тощие угли) имеется возможность все части печи выкладывать из красного кирпича.

Рис. 27. Изменение температуры на внутренней поверхности стенки топливника: а - терморегулятор настроен на нижний предел; б - терморегулятор настроен на верхний предел

Тяга в печах. Для того чтобы заставить дымовые газы пройти из топливника через дымообороты печи до дымовой трубы, преодолев все встречающиеся на их пути местные сопротивления, необходимо затратить определенное усилие, которое должно превышать эти сопротивления, иначе печь будет дымить. Это усилие принято называть силой тяги печи.

Возникновение силы тяги поясняется на схеме (рис. 28). Дымовые газы, образующиеся в топливнике 2, как более легкие по сравнению с окружающим воздухом, поднимаются вверх и заполняют дымовую трубу 4. Столб наружного воздуха противостоит столбу газов в дымовой трубе, но, будучи холодным, он значительно тяжелее столба газов. Если провести через топочную дверку 1 условную вертикальную плоскость, то с правой стороны на нее будет действовать (давить) столб горячих газов высотой от середины топочной дверки до верха дымовой трубы, а с левой - столб наружного холодного воздуха такой же высоты. Масса левого столба больше, чем правого, так как плотность холодного воздуха больше, чем горячего, поэтому левый столб будет вытеснять дымовые газы, заполняющие дымовую трубу, и в системе будет происходить движение газов по направлению от большего давления к меньшему, т. е. в сторону дымовой трубы. Действие силы тяги состоит, таким образом, в том, что она, с одной стороны, заставляет подниматься вверх горячие газы, а с другой стороны, вынуждает наружный воздух проходить в топливник для горения.

Рис. 28. Схема работы дымовой трубы: 1 - топочная дверка; 2 - топливник; 3 - столб наружного воздуха; 4 - дымовая труба

Гидростатический напор, под действием которого будет осуществляться движение дымовых газов по дымооборотам, можно рассчитать по формуле

где Н - высота газохода, м; р_х и p_д·ср - плотность воздуха в помещении и средняя плотность дымовых газов в трубе, кг/м³.

Значения р_х и р_д·ср определяются по формулам:

где t_п и t_д·ср. - температура воздуха в помещении и средняя температура газов в дымоходе, °С; p⁰_д - плотность дымовых газов при температуре °С, кг/м³.

Значение р_д·ср зависит от состава газов, а также от средней температуры в дымоходе. Величина p⁰_д для продуктов сгорания среднего состава может быть принята равной p⁰_д=1,31 кг/м³. Среднюю температуру газов в дымоходе можно принять равной средней арифметической между температурой газов на входе и выходе дымовой трубы.