АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Нагревание дымовыми газами

Для нагревания до температур выше 180° наиболее широко используют дымовые газы, образующиеся в топках печей (при сгорании топлива его химическая энергия превращается в тепло дымовых газов).

Устройство современных топок и печей подробно рассматривается в специальных руководствах по промышленным печам. Ниже приведены лишь краткие сведения по эле­ментарным технологическим расчетам обогрева топочными газами.

Характеристика топлива. В промышленных печах применяют различное топливо: каменный уголь, горючие газы (генераторный, коксовый, доменный, природный и др.). торф, дрова, нефтяной мазут.

Для получения высоких температур низкосортные твердые топлива (бурый уголь, торф и др.) перед сжиганием перерабатывают.

Подсушка твердого топлива, превращение его в Пылевидное состояние и Газификация в газогенераторах с последующей очисткой газа дает возможность сжигать топливо с малым избытком воздуха и получать дымовые газы с высокой темпера­турой (до 1700—190)°).

Для этой же цели в промышленных печах, работающих на каменном угле, устраи­вают Полугазовые топки, в которых газификацию топлива производят непосред­ственно в топке, и получающийся газ (так называемый полугенераторный газ или полугаз) сжигают в камере печи при смешении с небольшим количеством воздуха.

Промышленные печи работают также на жидком топливе—мазуте, который яв­ляется остатком перегонки нефти

В последнее время газ получает все более широкое распространение в качестве топлива для печей. Применение газа позволяет легко регулировать обогрев, получать дымовые газы постоянного состава и температуры; предварительный подогрев• газа и воздуха дает возможность эффективно использовать для сжигания даже низкокалорийные * (бедные) газы с теплотворной способностью меньше 1500 ккал/ни8.

Ресурсы газов (в том числе природных) в СССР очень велики, и газы легко транс­портируются. Перевод печей на газообразное топливо улучшает условия труда обслужи­вающего персонала.

Рабочая масса твердого и жидкого топлива состоит из следующих составных ча­стей: углерода (Ср), водорода (яр), кислорода (ор), азота (ад5), серы (sp), Золы (лр) и воды WP), Причем

CP 4- яр + ОР + ДД> + SP + АР 4- WP = 100;(% вес)

Зола и вода составляют негорючую часть или Балласт топлива, а сумма остальных элементов—его Горючую массу.

Топливо характеризуют количеством тепла, выделяющегося при полном сгорании одной единицы топлива (1 кгс, 1 моля, 1 м3 газа), или его Высшей теплотой сго­рания Q®. Эта величина учитывает также тепло паров воды, образующейся при соеди­нении водорода топлива с кислородом, и тепло испарения влаги, содержащейся в топли­ве. Величину высшей теплоты сгорания определяют, принимая, что водяные пары про­дуктов горения превращаются в жидкость при 0°С.

Высшую теплоту сгорания топлива можно вычислить по его элементарному соста­ву, пользуясь; эмпирической ф >рмулой Д. И. Менделеева

QjЈ=P81CP -К300//Р — 26ЦО? —JSP)~ккал/кгс Щ2 -131)

Практически при сжигании топлива пары воды уносятся продуктами горения. Поэтому вводят условную характеристику топлива—н Изшую теплоту сгора - яия топлива Qp, Которая не]учитывает тепло, уносимое с водяным паром.

Зависимость между Q® И Qp Может быть определена по приближенной формуле

Q»=Q«-6GHa0 (2—131а)

ГДе GH;G0 — 9НР-Щ? Р—вес водяного пара, образующегося При сгорании 100 кгс топлива. Наиболее точно теплоту сгорания топлива определяют экспериментально калориметричес­ким методом. По опытным данным, низшая теплота сгорания донецкого антрацита марки Д Q"=5280 Ккалікгс, Подмосковного угля] марки Б Q"=2900 Ккал[кгс, Фрезерного торфа Q"=2660 Ккалікгс, Мазута Qp—9800 Ккалікгс, Генераторного газа Qp= = 1100—1600 ккал/нм* (водяного—до 2500 ккал[нма), саратовского природного газа Qp=8575 Ккалінм8 и т. д.

Для того чтобы иметь возможность приравнивать одни виды топлива к другим, независимо от их теплотворной способности, принято считать Условным топливом ТаїГое, Которое при сгорании выделяет 7000 Ккалікгс (7000 ккал? нм3—для газообразного топлива). При переводе любого топлива в условное или определении Эквивалента Данного топлива следует его теплотворную способность разделить на 7000.

Расчет процесса горения топлива. Горение топлива представляет собой хими­ческую реакцию окисления его составных частей кислородом воздуха, сопровождаю­щуюся значительным тепловым эффектом.

Горение твердого и жидкого топлива. Реакции горения со­ставных частей твердого и жидкого топлива можно выразить следующими термохимиче­скими уравнениями:

С - f 02 = С02*-ф - 97 650 ккал/кг-мол (2— 132)

Н2 + |о2 = (Н20)пар + 57810 ккал! кг-мол (2— 133)

S + 02 = S02 4- 69 800 ккал/кг-мол (2 -134)

Исходя из стехиометрических соотношений, можно определить теоретический расход кислорода для сжигания 1 кгс топлива:

32 16 32

СР + № + 32 (SP — ОР)

Учитывая, что практически сжигание топлива происходит не в кислороде, а в воздухе, в котором содержится 23,1% кислорода (по весу), делят правую часть уравнения на 0,231 и находят теоретический расход абсолютно сухого воздуха на сжигание 1 кгс Топлива:

LTeop. = о, 115СР + 0,346ЯР + 0,043 (SP — ОР) кгс/кгс (2—136) Для полного сгорания топлива теоретическое количество воздуха недостаточно, вследствие чего в топку вводят большее количество воздуха L\ Отношение І-

^теор.

Называют Коэффициентом избытка воздуха в топке и обозначают

L

А =7-------- (2—137)

■^теор.

Величина коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива и конструкции топки. В котельных установках с ручными слоевыми топками коэффициент избытка воз­
духа принимают: для антрацита, торфа и дров а=1,3; для каменных и бурых углей а=1,4. В камерных неэкранированных топках для каменных и бурых углей а=1,25; для мазута А=1,2.

При избытке воздуха увеличивается общее количество газов в продуктах горе­ния, вследсгвие чего понижается их температура и увеличиваются потери тепла с газами. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо возможно тщательнее подбирать коэф­фициент избытка воздуха.

При проектировании печей для химической промышленности (например, печей сушильных установок) следует учитывать, что в их топках нет прямой отдачи тепла, вследствие чего температура топочного пространства может быть значительно выше, чем в котельных топках; кроме того, температуру продуктов сгорания необходимо сни­жать до предела, допускаемого условиями высушивания материала.

Для снижения температуры дымовых газов в печи сушилок, кроме воздуха, необ­ходимого для горения, в специальную камеру смешения вводят атмосферный воздух. Коэффициент избытка воздуха а, равный отношению общего расхода воздуха в топке и в камере смешения к его теоретическому расходу в топках сушилок, для таких печей принимают аж2,0,

Для расчета горения топлива необходимо знать Состав получаемых Дымо­Вых Газов. При полном сгорании 1 кгс твердого и жидкого топлива образуется:

Водяного пара

18 ЯР Wp _9ftP В7Р

GH20 = "2" їоб Too Гоо Too ' (2 138>

Двуокиси углерода

44СР CP

Gco2 = i2-100 '67тоо кгс, кгс (2~~ 139>

Сернистого газа

32SP SP

'Sol = 16-100!= 2 ГОО кгс! кгс (2—140)

Азота

№

GN2 = 0,769aLTeop. 4- що кгс/кгс (2—141)

Кислорода

С02 =[0.231 (A — L)LTeop. Кгс/кгс (2—142)

Объемный состав продуктов сгорания легко найти, разделив найденные веса на удельные веса газов при 0е и 760 мм рт. ст.

Вес сухих газов, образующихся при полном сгорании 1 Jczc Твердого или жидкого топлива (без учета механических потерь в топке), равен

АР 9ЯР WV [Gc. Г. = 1-1о6-~Тб(Г ~ І00 + ALTeoP. Кгс/кгс к (2—143)

Общий вес водяных паров, поступающих в теплоиспользующий аппарат, скла­дывается из весов водяного пара топлива G^Q, водяного пара G^Q, Поступающего своз - духом, подводимым для сгорания 1 кгс топлива (и, если необходимо, для охлаждения ды­мовых газов), а также водяного пара применяемого для дутья или распыления топлива:

9//Р -F- WP

SCH20 ~ СН20 + GHsO СН20 = Їоб А^теор.*возд."+ Сн20 (2—144)

Где хв03д.—влагосодержание воздуха в кгс/кгс.

В л агосо держание получающихся дымовых газов равно

Х = ^ (2-145)

Горение газообразного топлива. Сжигание газа происходит в горелках различной конструкции. При хорошем смешении газа с воздухом полное сго­рание газа может быть достигнуто при коэффициенте избытка воздуха а=1—1,25. Су. хое газообразное топливо имеет следующий состав:

СО + Н2 + СН4 + СпЯт + H2S + С02 + 02 4- N2— 100 (% объемных)

Причем сумма C02-Ј-02-F-N2 Составляет Балласт, а сумма остальных компонентов-— Горючую массу топлива.

Расчет горения газообразного топлива ведут обычно на 1 м3 газа при нормаль­ных. условиях (0° и 760 мм. рт. ст.).

Низшую теплотворную способность сухс го газа определяют по формуле

QJ = ЗО. бСО + 25,7Н2+ 84,65СН4 + 54,7HaS + 145,6С2Н4 + 152,4С2Н6 +

+ 221, ЗС3Н„ 4- 208, 5СвНв ктл/нм

Теоретический объем воздуха, необходимый для сжигания 1 нма газа, равен Vo=0,0478 [0,5Н2 + 0.5СО -F 2СН4 + ЗС2Н4 + 3,5С2Н6 +

+ (я + Т ) С«нт — 02] нм3/нм3 (2—146)

При полном сгорании 1 нм3 газа образуется: двуокиси углерода

Vco = 0,01 (С02 + СО + СН4 + 2С2Н4 + 2С2Н6 + пСпНт) нм*/нм3 (2—147 непрореагировавшего кислорода

V0A = 0,21 (а — 1) V0 Нм3/нм3

Азота

VNa = 0,79AV0 + 0,01N2 Нм3/нм3

Водяного пара

VHzQ =0,01 (Н2+2СН4-Ь 2С2Н4 + ЗС2Нв + у C„Hm + Н20+ 1,24-1,29.*AV0J Нм*/нм3

Тепловой баланс печи и расход топлива. Приход тепла складывается из следующих Величин:

• количества физического тепла, вносимого в топку с топливом

Qr = CTtT Ккалікгс (2—148)

Где ст—теплоемкость топлива в Ккалікгс-°С; TT—температура топлива в °С; количества физического тепла, вносимого с воздухом

<7возді = ЬIВозд. = L (0,24 + 0,47лгвозд.) /В03Д. ккал/кгс (2—149)

Где L—расход воздуха в Кгсікгс Топлива; дгв03д.—влагосодержание воздуха в кгс J Кгс Сухого, ^возд.—температура воздуха в °С;

Количества тепла, вносимого с паром для дутья или распиливания топлива

<7пар. = Wuin (2—149а)

Где /п—теплосодержание пара в Ккалікгс.

Количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кгс топлива

<?P = Qp (2-1496

Общее количество тепла, вводимого в топку с 1 кгс топлива

Qe = <?Т - Г <7возд. + <7пар. + <7р ккал/кгс (2—150)

Общий расход тепла складывается из следующих составляющих: количества тепла на нагрев жидкости в аппарате (без учета теплоты изменения агрегатного состояния жидкости и теплоты химической реакции, которые в соответст­вующих случаях должны быть учтены при расчете)

Q.Al = Єжсж {T2K—72н) ккал на 1 операцию (2—151)

Где Ош—вес нагреваемой жидкости в кгс, сж—ее теплоемкость в Ккалікгс -°С; T2K Я T2H—конечная и начальная температуры жидкости в °С; количества тепла на нагрев аппарата

<7ап. = Сап. сап. (Fan. К. — Fan. Н.) ккал на * операцию (2—152Ї

Где Gan>—вес аппарата в кгс,

Сап.—теплоемкость материала аппарата в Ккалікгс-°С', ^ап.К. и 'ап.н.—конечная и начальная температуры стенок аппарата в °С.

Потери тепла стенками аппарата, находящимися вне печи, определяют по извест­ной формуле :

Яп — а2F (^ст-2 — /возд.)х ккал на 1 операцию (2—153)

Где а2—коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху в ккалЫ*-час-°С;

F—поверхность теплообмена в м2; ^ст. а и ^возд.—температура наружной поверхности стецки и воздуха в "С; х—длительность операции в час. При составлении теплового баланса печи расход тепла на нагревание жидкости и аппарата, а также на компенсацию потерь тепла стенками аппарата в окружающую - среду считается полезным и обозначается через

Qi = <7ж + <7ап. + <7п ккал! кгс (2—154)

Отер и тепла с уходящими газами. Продукты сгорания обычно выходят из печи с довольно высокой температурой и, следовательно, с ними уносится значительное количество неиспользованного тепла. Потеря тепла с уходящими газами равна

Q2 = (&Ici + Ч--------------- H GnFn) ккал/кгс (2—155)

ГДе G\,G2- ■ •ёп—вес составных частей продуктов сгорания 1 кгс топлива в кгс,

Cj ,с2 ■ • • сп—теплоемкость составных частей продуктов сгорания в ккал/кгс °С. Потери тепла от химической неполноты сгорания. Практически не удается произвести полное сжигание топлива и в составе уходящих газов содержится некоторое количество СО.

При сжигании 1 кгс углерода в С02 выделяется 8137 ккал, а при сжигании его до образования СО—только 2453 ккал.

Таким образом, при неполном сгорании углерода теряется тепла 8137—2453= =5684 ккал. Следовательно, потери тепла вследствие химической неполноты сгорания приближенно равны

CP СО Л СО

Q3 = 5684ш С0а+С0 - 56,84СР щ^ТсО ккал/кгс (2-156>

Где CP—содержание углерода в рабочей массе топлива в %;

СО и С02—содержание окиси углерода и углекислоты в уходящих газах в % по объему.

Обычно потери тепла от химической неполноты сгорания колеблются в следую­щих пределах:

Для твердого топлива

Qs А:(0,115 ч - 0,02) ккал/кгс (2—157)

Для жидкого и газообразного топлива

Q3 ~ (0,005 — 0,115) Ql Ккал/кгс (2—158)

Потери тепла от механической неполноты сгорания. При сжигании твердого топлива некоторое количество топлива теряется со шлаком, с уходящими газами (унос несгоревших частиц) и вследствие провала через решетку топки. Без учета провала топлива эти потери можно принять равными

81С -4- 120

Q4 ~ 100_сш ЛР к*ал1кгс1 (2—159>

Где ЛР—содержание золы в рабочей массе топлива в %;

Сш—содержание несгоревшего углерода в шлаке (для антрацита и каменных углей 15—20%, для бурых углей 15—25%). Потери вследствие провала топлива невелики; для углей эти потери составляют —0,3%.

Потери тепла через кладку печи в окружающую среду

Q6 = A'2F (T2 — гвозд.) T «кал на 1 операцию (2—160)-

Где а!,—коэффициент теплоотдачи от кладки к окружающему воздуху в

Ккал/м2-нас °С; F—наружная поверхность кладки; H И ^возд.—температуры наружной поверхности кладки и воздуха в °С.

Расход топлива на нагрев может быть определен из уравнения материального

Бзлйнсз*

BQ, = Qt + в (Qa + Q3 4 Q4) + Qe (2-161>

Откуда

В = n------ 2; ^ rf 1 n \ кгс на 1 операцию (2—162),

Чо - W2 + 43 "Г

Размеры топок. Топочная камера должна иметь размеры, достаточные для пол­ного сгорания топлива. Основные размеры топки определяют по имеющимся опытным данным.

При расчете топок для твердого топлива определяют зеркало горения, объем и размеры топочной камеры, а для жидкого и газообразного топлива—только объем и раз­меры камеры. Расчет ведут, исходя из величины Видимого теплового На-

Q

П р я ж£е Ния зеркала горения J^- В Ккал/мг-час, т. е. тепла, выделяющегося на 1 м2

Активной поверхности R Решетки, а также Напряжения топочного пространства, т. е. количества тепла, приходящегося на единицу объема топочной камеры Q/VT, В Ккал! м3-час.

Для ручных колесниковы х топок, применяемых в химической промышленности (в частности, топок сушилок), можно принимать следующие значения напряжения ре­шетки: для каменных тощих углей (при слое 125 мм) Jjr = 500т 600 тыс. ккал! м2-час, для Q —

Подмосковного угля =5004-700 тыс. ккал! м2-час. Напряжение топочного простран-

Q

Ства принимают: для генераторного и природного/, газа и торфа у~ =2004250 тыс.

Q

Ккал! м9-час\ для каменных углей и антрацитов у- =2504300 тыс. ккал! м3 - час\ для под-

Q Q

Московного угля у - =1504200 тыс. ккал! м3-час и мазута у - =2004300 тыс. ккал! м3-час. Величину зеркала горения топки определяют по формуле

R=Q~ М% (2—163)

1Г

Q ■

T ' Объем топочной камеры находят аналогично по величине у-

Щ

Ут = -~ м* (2-164)

Температура горения. Максимальная температура, до которой нагрелись бы про­дукты полного сгорания топлива, если бы на их нагревание было затрачено все тепло топлива и воздуха, называется Калориметрической. Если не учитывать дис­социации углекислоты и водяного пара, происходящей с поглощением тепла (что вполне допустимо в пределах до 1500°), то калориметрическая температура равна Теорети­ческой температуре горения топлива.

Температуру горения определяют по формуле

Qp + CTtT + L (0 24 -F 0,46лгвозд.)

+ Wniu

'макс.- glCi g3c3 - f.. gncn (2-165)

Где все обозначения те же, что в формулах (2—148), (2—149), (2—149а) и (2—155).

Действительная температура газов в топке ниже теоретической вследствие отдачи тепла излучением (прямая отдача) и потерь тепла стенками топки.

Действительная температура горения определяется формулой

*д = (1 — °) 'макс, (2-166)

Где о—коэффициент прямой отдачи, представляющий собой ту часть от общего коли­чества тепла, которая передается стенкам обогреваемого аппарата путем излуче­ния. Величину о трудно вычислить теоретически, и поэтому ее принимают на основании опытных данных (в зависимости от конструкции топки и вида топ­лива) в пределах до 0,6; %—коэффициент полезного действия топки, который определяется по уравнению

Q3 + Q4 + Q'

----------- Qo------ (2-167)

Здесь Q^—потери тепла топкой в окружающую среду. Величина % может быть принята равной 0.9—0,95.

Конструкция нагревательных печей. Конструкция печи определяется в основном видом топлива и способом его сжигания.

/—вертикальный газоход; 2—Камера; 3, //—своды; 4—Канал для воздуха: 5—смотровые окна; 6—боров; 8—отвер­стия; 9—Кольцевой газоход; /0—обо - греваемый аппарат; 12—Камерная топка; 7, 13—Каналы.

В печи, работающей на газообразном топливе (рис. 253), газ через турбулентную горелку поступает в камерную топку 12, куда через каналы 13 к 7 подается также необ­ходимый для сжигания газа воздух. Обогрева­емые аппараты 10 защищены от непосредствен­ного воздействия пламени сводами 3 и 11. Дымо­вые газы, огибая своды, поступают в камеру пе­чи 2, обогревают аппарат и, охлаждаясь, уходят через отверстие 8 в кольцевой газоход 9. Затем по вертикальному газоходу 1 они удаляются че­рез боров 6 в дымовую трубу. Для регулирова­ния температуры дымовых газов в камеру печи по каналу 4 подается холодный воздух. Наблю­дение за процессом горения ведется через смот­ровые окна 5. Топка и камера печи футерованы огнеупорным кирпичом.

Печь, работающая на твердом топливе (рис. 254), отличается от печи, изображенной на рис. 253, конструкцией топки. Эта печь вместо ка­мерной топки имеет ручную слоевую топку 1 с колосниковой решеткой 2. Необходимый для сжи­гания воздух подводится под колосниковую ре­шетку по каналу 3 и через окна 4, находящиеся над решеткой. Ремонт и очистка топки проводят­ся через окно 5.

На рис. 255 изображена трубчатая печь для непрерывного нагревания жидких продуктов. Она состоит из шахты 1 (где помещена трубчат­ка 2), топочной камеры 3 и выносной топки 4. Для понижения температуры газов в топочном пространстве по каналу 5 при помощи вентилятора 8 нагнетается воздух. В топочной камере горячие газы поднимаются снизу вверх и через окно 6 поступают в шахту 1, где, проходя сверху вниз, отдают свое тепло трубчатке и уходят в боров 7.

Недостатками прямого обогрева дымовыми газами являются его неравномерность и трудность регулирования, окисление металла при разбавлении газов большими коли-

Чествами воздуха. Эти недостатки могут быть в известной степени преодолены при обогреве с рециркуляцией ДЫМОВЫХ.

Газов. ________________________________________

На рис. 256 изображена схема нагревания дымовыми газами с ре­гулированием температуры при по­мощи рециркуляции отработанных га­зов. Обогрев теплообменных аппара­тов производят дымовыми газами, смешанными в камере сгорания с от­работанными газами. Отдав часть тепла на нагревание, охлажденные дцмовые газы, обычно с температу­рой от 250 до 400° (в некоторых слу­чаях до 500°), засасываются газо- дувкой 3 и часть их (рециркулирую - щие газы) возвращается в камеру сгорания для^регулирования темпе­ратуры нагрева, а остальные выбра­сываются в атмосферу через дымо­вую трубу 5. Подачу рециркулирую - щих дымовых газов регулируют при помощи дросселей 6. Недостатком

Этой схемы является применение Газодувок Специальной конструкции из специальных сталей^для^работы на горячих дымовых газах.

Более простой является схема нагревания с 'рециркуляцией дымовых газов по­средством эжекции, причем циркуляция газов может быть как внутренней, т. е. про­исходить внутри печи, так и наружной. На рис. 257 изображена схема с наружной ре-

24 д. Г. Касаткин

Циркуляцией дымовых газов. Дымовые газы после теплообменного аппарата 1 частично выбрасываются в атмосферу через трубу 2, а частично (рециркулирующие газы) заса­сываются по газопроводу 3 обратно в печь. Засасывание производится самими топочными газами посредством шамотного эжектора 5, находящегося в печи. Таким образом, тем­пература газов регулируется перед входом их в обогреваемый аппарат. Распределение газовых потоков производят при помощи дросселей 6.