Текст Basics of combustion (p. 26)
 Скачать 30.43 Kb.
|
|
Текст 7. Basics of combustion (p. 26) Combustion can be defined as the complete, rapid exothermic oxidation of a fuel with sufficient amount of oxygen or air with the objective of producing heat, steam and/or electricity. The process of combustion occurs with a high speed and at a high temperature. Essentially, it is a controlled explosion. Combustion occurs when the elements in a fuel combine with oxygen and produce heat. All fuels, whether they are solid, liquid or in gaseous form, consist primarily of compounds of carbon and hydrogen called hydrocarbons (natural gas, coal fuel oil, wood, etc.), which are converted in the combustion process to carbon dioxide (CO2) and steam. Sulphur, nitrogen, and various other components are also present in these fuels. Products of combustion When the hydrogen and oxygen combine, intense heat and water vapor is formed. When carbon and oxygen combine, intense heat and the compounds of carbon monoxide or carbon dioxide are mixed. These chemical reactions take place in a furnace during the burning of fuel, provided there is sufficient air (oxygen) to completely burn the fuel. Very little of the released carbon is actually “consumed” in the combustion reaction because flame temperature seldom reaches the vaporization point of carbon. Most of it combines with oxygen to form CO2 and passes out the vent. The final gaseous product of combustion is called a flue gas. As mentioned in the introduction to this segment. Combustion can never be 100% efficient. All fuels contain moisture. Other fuel components may form by-products, such as ash, and gaseous pollutants that need emission control equipment. Types of combustion There are three types of combustion: Perfect combustion is achieved when all the fuel is burned using only the theoretical amount of air, but as stated earlier, perfect combustion cannot be achieved in a boiler. Complete combustion is achieved when all the fuel is burned using the minimal amount of air above the theoretical amount of air needed to burn the fuel. Solid fuels, such as coal, peat or biomass are typically fired at air factors 1.1 – 1.5, i.e. 110 – 150% of the oxygen needed for perfect combustion. Incomplete Combustion occurs when part of the fuel is not burned, which re-sults in the formation of soot and smoke. Combustion of solid fuels Solid fuels can be divided into high grade: coal and low grade: peat and bark. The most typical firing methods are grate firing, cyclone firing, pulverized firing and fluidized bed firing. Pulverized firing has been used in industrial and utility boilers from 60 MWt to 6000 MWt. Grate firing has been used to fire biofuels from 5 MWt to 600 MWt and cyclone firing has been used in small scale 3–6 MWt. Combustion of coal Oil and gas are always combusted with a burner, but there are three different ways to combust coal: 1. Fixed bed combustion (grate boilers) 2. Fluidized bed combustion 3. Entrained bed combustion (pulverized coal combustion) In fixed bed combustion, larger-sized coal is combusted in the bottom part of the combustor with low-velocity air. Stoker boilers also employ this type of combustion. Large-capacity pulverized coal fired boilers for power plants usually employ entrained bed combustion. In fluidized bed combustion, fuel is introduced into the fluidized bed and combusted. Сгорание можно определить как полное, быстрое экзотермическое окисление топлива достаточным количеством кислорода или воздуха с целью получения тепла, пара и/или электроэнергии. Процесс горения происходит с высокой скоростью и при высокой температуре. По сути, это контролируемый взрыв. Сгорание происходит, когда элементы топлива соединяются с кислородом и выделяют тепло. Все виды топлива, будь то твердое, жидкое или газообразное, состоят в основном из соединений углерода и водорода, называемых углеводородами (природный газ, каменный уголь, древесина и т.д.), которые в процессе горения превращаются в углекислый газ (CO2) и пар. Сера, азот и различные другие компоненты также присутствуют в этих видах топлива. Продукты сгорания При соединении водорода и кислорода образуется интенсивное тепло и водяной пар. При соединении углерода и кислорода выделяется интенсивное тепло и образуются соединения угарного газа или двуокиси углерода. Эти химические реакции происходят в печи во время горения топлива при условии, что воздуха (кислорода) достаточно для полного сгорания топлива. Очень небольшое количество выделяющегося углерода фактически "расходуется" в реакции горения, поскольку температура пламени редко достигает точки парообразования углерода. Большая его часть соединяется с кислородом, образуя CO2, и выходит через вентиляционное отверстие. Конечный газообразный продукт сгорания называется дымовым газом. Как уже упоминалось во введении к этому разделу. Сжигание никогда не может быть эффективным на 100%. Все виды топлива содержат влагу. Другие компоненты топлива могут образовывать побочные продукты, такие как зола, и газообразные загрязняющие вещества, для которых необходимо оборудование для контроля выбросов. Типы сжигания Существует три типа горения: Идеальное сгорание достигается, когда все топливо сгорает, используя только теоретическое количество воздуха, но, как было сказано ранее, идеальное сгорание не может быть достигнуто в котле. Полное сгорание достигается, когда все топливо сгорает при использовании минимального количества воздуха сверх теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания топлива. Твердое топливо, такое как уголь, торф или биомасса, обычно сжигается при воздушном коэффициенте 1,1 - 1,5, т.е. 110 - 150% кислорода, необходимого для полного сгорания. Неполное сгорание происходит, когда часть топлива не сгорает, что приводит к образованию сажи и дыма. Сгорание твердого топлива Твердое топливо можно разделить на высокосортное: уголь и низкосортное: торф и кора. Наиболее типичными методами сжигания являются колосниковый, циклонный, пылевидный и кипящий. Пульверизированный обжиг используется в промышленных и коммунальных котлах мощностью от 60 МВт до 6000 МВт. Решетчатый обжиг используется для сжигания биотоплива мощностью от 5 МВт до 600 МВт, а циклонный обжиг применяется в малых масштабах мощностью 3-6 МВт. Сжигание угля Нефть и газ всегда сжигаются с помощью горелки, но существует три различных способа сжигания угля: 1. Сжигание в неподвижном слое (колосниковые котлы) 2. Сжигание в кипящем слое 3. Сжигание в кипящем слое (сжигание пылевидного угля). При сжигании в неподвижном слое уголь больших размеров сжигается в нижней части топки с помощью воздуха с низкой скоростью. В кочегарных котлах также используется этот тип сжигания. В пылеугольных котлах большой мощности для электростанций обычно используется сжигание в кипящем слое. При сжигании в кипящем слое топливо вводится в кипящий слой и сжигается. Текст 8. Main types of a modern boiler (p. 28) In a modern boiler, there are two main types of boilers when considering the heat transfer means from flue gases to feed water: fire tube boilers and water tube boilers. In a fire tube boiler the flue gases from the furnace are conducted to flue passages, which consist of several parallel-connected tubes. The tubes run through the boiler vessel, which contains the feedwater. The tubes are thus surrounded by water. The heat from the flue gases is transferred from the tubes to the water in the container, thus the water is heated into steam. An easy way to remember the principle is to say that a fire tube boiler has “fire in the tubes”. In a water tube boiler, the conditions are the opposite of a fire tube boiler. The water circulates in many parallel-connected tubes. The tubes are situated in the flue gas channel, and are heated by the flue gases, which are led from the furnace through the flue gas passage. In a modern boiler, the tubes, where water circulates, are welded together and form the furnace walls. Therefore the water tubes are directly exposed to radiation and gases from the combustion. Similarly to the fire tube boiler, the water tube boiler received its name from having “water in the tubes”. A modern utility boiler is usually a water tube boiler, because a fire tube boiler is limited in capacity and only feasible in small systems. The various designs of water tube boilers are discussed further in “Steam/water circulation design”. В современном котле существует два основных типа котлов, если рассматривать средства передачи тепла от дымовых газов к питательной воде: жаротрубные котлы и водотрубные котлы. В жаротрубном котле дымовые газы из топки направляются в дымовые каналы, которые состоят из нескольких параллельно соединенных труб. Трубы проходят через емкость котла, в которой находится питательная вода. Таким образом, трубы окружены водой. Тепло от дымовых газов передается от трубок к воде в емкости, таким образом, вода нагревается в пар. Простой способ запомнить принцип - сказать, что у жаротрубного котла "огонь в трубах". В водотрубном котле условия противоположны жаротрубному котлу. Вода циркулирует во множестве параллельно соединенных труб. Трубки расположены в канале дымовых газов и нагреваются дымовыми газами, которые выводятся из топки через дымовой канал. В современном котле трубки, в которых циркулирует вода, сварены вместе и образуют стенки топки. Поэтому водяные трубы подвергаются прямому воздействию излучения и газов, образующихся при сгорании. Подобно жаротрубному котлу, водотрубный котел получил свое название от "воды в трубах". Современный коммунальный котел обычно представляет собой водотрубный котел, поскольку жаротрубный котел имеет ограниченную мощность и применим только в небольших системах. Различные конструкции водотрубных котлов обсуждаются далее в разделе "Проектирование циркуляции пара/воды". Текст 9. Steam boilers: Grate furnace boilers (p. 29) Steam boilers can be classified by their combustion method, by their application or by their type of steam/water circulation. In this chapter the following boiler types will be presented and briefly described, to give the reader a perspective of the various types and uses of various steam boilers: 1. Grate furnace boilers 2. Cyclone boilers 3. Pulverized coal fired (PCF) boilers 4. Oil and gas fired boilers 5. Heat recovery steam generators (HRSG) 6. Refuse boilers 7. Recovery boilers 8. Packaged boilers Grate furnace boilers Grate firing has been the most commonly used firing method for combusting solid fuels in small and medium sized furnaces (15 kW–30 MW) since the beginning of the industrialization. New furnace technology (especially fluidized bed technology) has practically superseded the use of grate furnaces in unit sizes over 5 MW. Waste is usually burned in grate furnaces. There is also still a lot of grate furnace boilers burning biofuels in operation. Since solid fuels are very different there are also many types of grate furnaces. The principle of great firing is still very similar for all grate furnaces (except for household furnaces). Combustion of solid fuels in a grate furnace follows the same phases as any combustion method: 1. Removal of moisture 2. Pyrolysis (thermal decomposition) and combustion of volatile matter 3. Combustion of char When considering a single fuel particle, these phases occur in sequence. When considering a furnace we have naturally particles in different phases at the same time in different parts of the furnace. The grate furnace is made up a grate that can be horizontal, sloping or coni cal. The grate can consist of a conveyor chain that transports the fuel forward. Alternatively some parts of the grate can be mechanically movable or the whole grate can be fixed. In the later case the fuel is transported by its own weight (sloping grate). The fuel is supplied in the furnace from the hopper and moved forward (horizontal grate) or downward (sloping grate) sequentially within the furnace. The primary combustion air is supplied from underneath the fire bed, by which the air makes efficient contact with the fuel, when blowing through the bed, to dry, ignite and burn it. The secondary (and sometimes tertiary) combustion air is supplied above the bed, in order to burn combustible gases that have been released from the bed. The fuel is subjected to self-sustained burning in the furnace and is discharged as ash. The ash has a relatively high content of combustible matter. Паровые котлы можно классифицировать по способу сжигания топлива, по применению или по типу циркуляции пара/воды. В этой главе будут представлены и кратко описаны следующие типы котлов, чтобы дать читателю представление о различных типах и применении различных паровых котлов: 1. Котлы с колосниковой топкой 2. Циклонные котлы 3. Котлы, работающие на пылеугольном топливе (ПУТ) 4. Котлы, работающие на нефти и газе 5. Парогенераторы с рекуперацией тепла (HRSG) 6. Котлы-мусоросжигатели 7. Котлы-утилизаторы 8. Пакетированные котлы Котлы с колосниковой топкой Колосниковая топка была наиболее распространенным методом сжигания твердого топлива в топках малого и среднего размера (15 кВт-30 МВт) с начала индустриализации. Новые технологии топок (особенно технология кипящего слоя) практически вытеснили использование колосниковых топок в установках мощностью более 5 МВт. Отходы обычно сжигаются в колосниковых топках. Также до сих пор в эксплуатации находится большое количество колосниковых котлов, сжигающих биотопливо. Поскольку твердое топливо очень разное, существует также много типов колосниковых топок. Принцип большой топки все же очень похож для всех колосниковых топок (за исключением бытовых печей). Сжигание твердого топлива в колосниковой топке происходит по тем же этапам, что и при любом способе сжигания: 1. Удаление влаги 2. Пиролиз (термическое разложение) и сжигание летучих веществ 3. Сжигание древесного угля При рассмотрении одной частицы топлива эти фазы происходят последовательно. При рассмотрении топки мы имеем частицы природы, находящиеся в разных фазах одновременно в разных частях топки. Колосниковая топка состоит из колосниковой решетки, которая может быть горизонтальной, наклонной или конической. конической. Колосниковая решетка может состоять из конвейерной цепи, которая транспортирует топливо вперед. В качестве альтернативы некоторые части колосниковой решетки могут быть механически подвижными или вся решетка может быть неподвижной. В последнем случае топливо перемещается под действием собственного веса (наклонная колосниковая решетка). Топливо подается в топку из бункера и последовательно перемещается вперед (горизонтальная решетка) или вниз (наклонная решетка) внутри топки. Первичный воздух для горения подается из-под колосниковой решетки, благодаря чему воздух, проходя через решетку, эффективно контактирует с топливом, высушивая, воспламеняя и сжигая его. Вторичный (а иногда и третичный) воздух для горения подается над слоем, чтобы сжечь горючие газы, которые выделились из слоя. Топливо подвергается самоподдерживающемуся горению в топке и выгружается в виде золы. Зола имеет относительно высокое содержание горючих веществ. Текст 10. Cyclone firing (p. 30) The cyclone furnace chambers are mounted outside the main boiler shell, which will have a narrow base, together with an arrangement for slag removal. Primary combustion air carries the particles into the furnace in which the relatively large coal/char particles are retained in the cyclone while the air passes through them, promoting reaction. Secondary air is injected tangentially into the cyclone. This creates a strong swirl, throwing the larger particles towards the furnace walls. Tertiary air enters the centre of the burner, along the cyclone axis, and directly into the central vortex. It is used to control the vortex vacuum, and hence the position of the main combustion zone which is the primary source of radiant heat. An increase in tertiary air moves that zone towards the furnace exit and the main boiler. Cyclone-fired boilers are used for coals with a low ash fusion temperature, which are difficult to use with a PCF boiler. 80–90% of the ash leaves the bottom of the boiler as a molten slag, thus reducing the load of fly ash passing through the heat transfer sections to the precipitator or fabric filter to just 10–20% of that present. As with PCF boilers, the combustion chamber is close to atmospheric pressure, simplifying the passage of coal and air through the plant. Cyclone firing can be divided into horizontal and vertical arrangements based on the axis of the cylinder. Cyclone firing can also be dry or molten based on ash behavior in the cyclone. Based on cooling media the cyclones are either water-cooled or air-cooled (a.k.a. air cooled). Cyclone firing has successfully been used to fire brown coal in Germany. Peat has been fired in cyclones at Russia and Finland. Compared with the flame of a conventional burner, the high intensity, high-velocity cyclonic flames transfer heat more effectively to the boiler’s water-filled tubes, resulting in the unusual combination of a compact boiler size and high effi-ciency. The worst drawbacks of cyclone firing are a narrow operating range and problems with the removal of ash. The combustion temperature in a cyclone is rel-atively high compared to other firing methods, which results in a high rate of thermal NOx formation. Камеры циклонной топки устанавливаются снаружи основного корпуса котла, который будет иметь узкое основание, вместе с устройством для удаления шлака. Первичный воздух для горения переносит частицы в топку, в которой относительно крупные частицы угля/олова удерживаются в циклоне, пока воздух проходит через них, способствуя реакции. Вторичный воздух подается тангенциально в циклон. Это создает сильный вихрь, отбрасывающий более крупные частицы к стенкам печи. Третичный воздух поступает в центр горелки, вдоль оси циклона и непосредственно в центральный вихрь. Он используется для управления вакуумом вихря и, следовательно, положением основной зоны горения, которая является основным источником лучистого тепла. Увеличение количества третичного воздуха перемещает эту зону к выходу из топки и основного котла. Циклонные котлы используются для углей с низкой температурой плавления золы, которые трудно использовать с котлом PCF. 80-90% золы покидает нижнюю часть котла в виде расплавленного шлака, что снижает нагрузку летучей золы, проходящей через секции теплообмена в осадитель или тканевый фильтр, всего до 10-20% от присутствующей. Как и в котлах PCF, в камере сгорания давление близко к атмосферному, что упрощает прохождение угля и воздуха через установку. Циклонный обжиг можно разделить на горизонтальный и вертикальный, исходя из оси цилиндра. Циклонный обжиг также может быть сухим или расплавленным в зависимости от поведения золы в циклоне. По способу охлаждения циклоны бывают водоохлаждаемые и воздухоохлаждаемые (они же воздухоохладители). Циклонный обжиг успешно используется для сжигания бурого угля в Германии. Торф сжигался в циклонах в России и Финляндии. По сравнению с пламенем обычной горелки, циклоническое пламя высокой интенсивности и скорости более эффективно передает тепло водонаполненным трубам котла, что приводит к необычному сочетанию компактного размера котла и высокой эффективности. Наихудшими недостатками циклонной топки являются узкий рабочий диапазон и проблемы с удалением золы. Температура горения в циклоне относительно высока по сравнению с другими методами сжигания, что приводит к высокой скорости образования термических NOx. Текст 11. Pulverized coal fired (PCF) boilers (p. 31) Coal-fired water tube boiler systems generate approximately 38% of the electric power generation worldwide and will continue to be major contributors in the future. Pulverized coal fired boilers, which are the most popular utility boilers today, have a high efficiency but a costly SOx and NOx control. Almost any kind of coal can be reduced to powder and burned like a gas in a PCF-boiler, using burners. The PCF technology has enabled the increase of boiler unit size from 100 MW in the 1950’s to far over 1000 MW. New pulverized coal-fired systems routinely installed today generate power at net thermal cycle efficiencies ranging from 40 to 47% lower heating value, LHV, (corresponding to 34 to 37% higher heating value, HHV) while removing up to 97% of the combined, uncontrolled air pollution emissions (SOx and NOx). Fuel characteristics of coal Coal is a heterogeneous substance in terms of its organic and inorganic content. Since only organic particles can be combusted, the inorganic particles remain as ash and slag and increase the need for particle filters of the flue gas and the tear and wear of furnace tubes. Pulverizing coal before feeding it to the furnace has the benefit that the inorganic particles can be separated from the organic before the furnace. In order to be able to remove ash the furnace easier, the bottom of the furnace is shaped like a “V”. Burners and layout Another benefit from pulverizing coal before combustion is that the coal air mixture can be fed to the boiler through jet burners, as in oil and gas boilers. A finer particle is faster combusted and thus the combustion is more complete the finer the coal is pulverized and formation of soot and carbon monoxides in the flue gas is also reduced. The size of a coal grain after the coal grinder is less than 150 mm. Two broadly different boiler layouts are used. One is the traditional two-pass layout where there is a furnace chamber, topped by some heat transfer tubing to re-duce the FEGT. The flue gases then turn through 180º, and pass downwards through the main heat transfer and economizer sections. The other design is to use a tower boiler, where virtually all the heat transfer sections are mounted vertically above each other, over the combustion chamber. Угольные водотрубные котельные установки вырабатывают примерно 38% электроэнергии во всем мире и будут продолжать вносить основной вклад в будущем. Котлы на пылеугольном топливе, которые сегодня являются самыми популярными котлами для коммунального хозяйства, имеют высокий КПД, но дорогостоящий контроль SOx и NOx. Почти любой вид угля может быть измельчен в порошок и сожжен как газ в PCF-котле с помощью горелок. Технология PCF позволила увеличить размер котлоагрегата со 100 МВт в 1950-х годах до гораздо более 1000 МВт. Новые пылеугольные установки, регулярно устанавливаемые сегодня, вырабатывают электроэнергию с эффективностью чистого теплового цикла от 40 до 47% по низшей теплотворной способности, LHV, (что соответствует 34-37% по высшей теплотворной способности, HHV), удаляя при этом до 97% комбинированных неконтролируемых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (SOx и NOx). Характеристики топлива угля Уголь является неоднородным веществом с точки зрения содержания в нем органических и неорганических веществ. Поскольку только органические частицы могут быть сожжены, неорганические частицы остаются в виде золы и шлака и увеличивают потребность в сажевых фильтрах дымовых газов и износ печных труб. Преимущество пульверизации угля перед подачей его в топку заключается в том, что неорганические частицы могут быть отделены от органических перед топкой. Для того чтобы зола легче удалялась из топки, дно топки имеет форму буквы "V". Горелки и компоновка Еще одним преимуществом измельчения угля перед сжиганием является то, что угольно-воздушную смесь можно подавать в котел через струйные горелки, как в нефтяных и газовых котлах. Более мелкие частицы сгорают быстрее, и поэтому сгорание происходит тем полнее, чем мельче измельчен уголь, и образование сажи и монооксидов углерода в дымовых газах также уменьшается. Размер угольного зерна после измельчителя угля составляет менее 150 мм. Используются две принципиально разные компоновки котла. Одна из них - традиционная двухпроходная схема, в которой имеется топочная камера, в верхней части которой расположены теплообменные трубы для повторного снижения температуры FEGT. Затем дымовые газы поворачиваются на 180º и проходят вниз через основные секции теплообмена и экономайзера. Другая конструкция - это башенный котел, в котором практически все секции теплообмена установлены вертикально друг над другом, над камерой сгорания. |