Процесс горения топлива

Горение топлива – есть процесс химического соединения его горючих элементов с кислородом воздуха с выделением тепла и образованием пламени. Топливо с большим выходом летучих веществ и низкой температурой воспламенения загорается быстрее, поэтому для розжига в топке каменных углей и антрацитов применяют дрова или другие виды топлива с низкой температурой воспламенения. Дрова под действием факела огня (источника тепла) быстро загораются и продолжают гореть с выделением все новых и новых порций летучих веществ, которые, загораясь, повышают температуру в слое топлива и вызывают в свою, очередь выделение летучих веществ в заложенной порции угля или антрацита, продолжая процесс горения.

Процесс горения топлива в топке протекает следующим образом. Вначале топливо прогревается за счет тепла, получаемого непосредственно как от раскаленного нижнего слоя горящего топлива, так и от горячих дымовых газов, проходящих через слой свежего топлива; топливо, прогреваясь, подсушивается, т. е. из него испаряется влага. Затем начинается выделение летучих горючих веществ, которые воспламеняются и сгорают обычно над слоем. В слое остается нелетучий остаток, состоящий из кокса (углерода) и золы. Кокс сгорает в слое, а зола проваливается частично в зольник, откуда ее удаляют, частично же она плавится, превращаясь в шлак, который удаляется с решетки при частичной или полной чистке топки. Раскаленный, горящий слой топлива, а также его мелкие частицы в топке и летучие вещества, сгорая в топочной камере, отдают тепло поверхностям нагрева котла на твёрдом топливе. По мере выгорания топлива остающаяся зола закрывает частицы топлива от окисления его воздухом и скорость горения топлива уменьшается. Кусочки топлива при шуровании освобождаются от золы, вновь подвергаются воздействию кислорода воздуха и горение улучшается. Чем больше золы в топливе, тем чаще приходится его шуровать и чистить топку.

Для максимального использования тепла при сгорании топлива необходимы следующие условия:

• размеры топки должны соответствовать производительности твердотопливного котла и свойствам топлива;
• ровный слой топлива на колосниковой решетке и одинаковый его состав по крупности, обеспечивающий равномерное поступление воздуха по всей площади колосниковой решетки;
• поступление в топку требующегося количества воздуха;
• наличие высокой температуры в топке для предварительного прогрева топлива до температуры воспламенения, а также для сгорания горючих летучих веществ и мелких частиц несгоревшего угля, вынесенных газами и воздухом из слоя топлива;
• объем топочного пространства должен обеспечивать полное сгорание летучих веществ топлива и частиц его углерода до того, как топочные газы придут в соприкосновение с поверхностями нагрева.

В зависимости от характера протекания процесса горения различают пламенное и беспламенное горение топлива.

При пламенном горении топлива (дров, горючих сланцев, торфа, бурых углей, длиннопламенных и газовых углей) выделяется большее количество летучих веществ, горение протекает обычно в топочном пространстве, температура слоя для большинства углей не достигает величины, при которой плавятся минеральные примеси, и на колосниках остаются только зола и мусор. Сопротивление слоя золы невелико, и не создается особенных препятствий для прохода воздуха.

При беспламенном горении топливо горит обычно в слое на колосниках, давая лишь небольшие языки светлого прозрачного пламени (тощие угли и антрациты). Температура в слое сильно повышается, нагревая колосники и минеральные примеси, которые могут плавиться и образовывать шлаки. Слой шлаков и слой неспекающегося кокса создают большое сопротивление проходу воздуха. При недостаточном количестве поступающего в топку воздуха температура нижней части слоя возрастает, нагревая еще более колосники.

Для достижения необходимой производительности отопительного котла приходится иногда увеличивать площадь колосниковой решетки до максимально возможной величины (при сжигании бурых углей и сланцев, имеющих рыхлый шлак и сыпучую золу). Удлинение решеток можно производить лишь в том случае, если удаление шлака из топки производится через опрокидную или выдвижную часть колосникового полотна. Если удаление шлака производится через фронтовую загрузочную дверцу топки в помещение котельной, то удлинение решетки усложняет обслуживание и не приносит существенной пользы. Для облегчения обслуживания удлиненной решетки можно устанавливать дополнительные шуровочные дверцы на боковых стенках топки и удалять через них шлак с конца решетки при чистке топки. Увеличение площади колосниковой решетки можно также получить, увеличивая ее ширину.

Тяга в твердотопливных котлах создается дымовой трубой или дымососами. Тяга в дымовой трубе возникает потому, что нагретые топочные газы легче воздуха и поэтому давлением более тяжелого наружного воздуха они вытесняются в дымовую трубу. Чем выше температура дымовых газов и выше дымовая труба, тем сильнее тяга и тем с большей скоростью поступает воздух в топку котла. При непрогретой дымовой трубе тяга ухудшается, по мере ее прогревания тяга увеличивается.

При проходе через колосники и слой топлива воздух должен преодолеть значительное сопротивление. При наличии невысокой дымовой трубы или при толстом слое мелкого топлива тяга может оказаться недостаточной и воздуха в топку будет поступать недостаточное количество, в результате чего в ней будет происходить неполное сгорание топлива.

Тяга регулируется заслонкой (шибером) на дымоходе за котлом, управление которой выносится для удобного обслуживания на фронт котла. Слишком большое открытие дымовой заслонки (шибера) создает увеличенное разрежение в топке и вызывает усиленный приток холодного воздуха через неплотности топки, люков и т. п., чем вызывается увеличение расхода топлива. Недостаточное открытие заслонки уменьшает разрежение в топке и приводит к неполному горению топлива, дымлению и выбрасыванию пламени через топочную дверцу в помещение котельной. Неплотности топочной дверцы, обмуровки твердотопливного котла, дымовой трубы и т. п. ухудшают тягу из-за присосов воздуха.

Для преодоления воздухом большого сопротивления слоя топлива в топке применяют искусственное дутье с подачей вентилятором воздуха под колосниковую решетку (рисунок 1) или увеличивают тягу установкой дымососа (рисунок 2), который засасывает отходящие газы из топки и газоходов твердотопливного котла, направляя их в дымовую трубу.

Нормальный процесс горения достигается регулированием подачи воздуха в топку при помощи заслонок на дымоходе (шибере) и на воздухопроводе (дроссель-клапаном), при этом горение должно происходить при возможно меньшем разрежении в топке над слоем топлива. О полноте горения топлива можно судить по цвету пламени в топке и по цвету дыма, выходящего из трубы.

Признаком полного горения топлива является светло-желтое пламя в топке.

Признаком неполного горения топлива в топке являются:

• красноватое с темными полосами пламя, возникающее вследствие недостатка воздуха и слишком толстого слоя топлива или зашлакования колосников;
• синие языки пламени или черный дым из дымовой трубы, возникающие вследствие недостатка воздуха, вызванного чрезмерным зашлакованием колосников, слишком толстым слоем топлива при сильной форсировке топки котла, низкой температурой в топке;
• ярко-белое пламя, возникающее вследствие большого избытка воздуха при высокой форсировке топки твердотопливного котла;
• светлые пятна (прогары топлива), через которые прорывается много воздуха, охлаждающего топку, при этом мелкие кусочки (фракции) топлива уносятся воздухом из слоя топлива.

Каждому цвету пламени соответствует определенная температура в топке твердотопливного котла:

Для полного сгорания топлива необходимо правильно выбрать толщину его слоя, так как мелкие и крупные угли создают неодинаковые сопротивления проходу воздуха для нормального горения. Для мелкого топлива нужно держать слой на колосниковой решетке тоньше, чтобы воздух мог проходить в достаточном количестве через слой топлива. Для крупного топлива слой его нужно держать толще, чтобы лишний воздух не проходил через него, так как это приведет к понижению температуры.

Количество воздуха, потребное, для полного сгорания 1 кг топлива, называется теоретически необходимым количеством воздуха. Однако полного сгорания топлива достичь при этом нельзя, так как практически трудно добиться полного перемешивания воздуха с топливом, поэтому приходится давать больше воздуха для того, чтобы произошло полное сгорание.

Отношение действительного количества воздуха, поступающего в топку, к теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха для различных топок и топлив колеблется в пределах от 1,3 до 1,6, т.е. в топку подают воздуха на 30 – 60 % больше потребного ей количества.

В топку необходимо подавать минимальное количество избыточного воздуха, так как излишний воздух охлаждает топку и вызывает перерасход топлива. Подачу воздуха в топку регулируют изменением тяги и дутья.