Газогенератор – печь шахтного типа, железный кожух которой изнутри футирован огнеупорным кирпичом. Топливо загружается сверху через загрузочное устройство конусного типа. Дутье подают снизу через колосниковую решетку.

Газогенератор

1 – загрузочное устройство; 2 – шахта; 3 – водяная рубашка; 4 – колосниковая решетка; 5 – фартук; 6 – чаша с водой, образующая гидравлический затвор; 7 – выгребной нож; 8 – конвейер для удаления золы; 9 – дутьевая коробка.

Схема прямого процесса образования газа в газогенераторе

Производительность одного такого генератора диаметром в 2,6 метра составляет 10-15 тонн каменного угля в сутки. Теплопроизводительность 1 м³ газа колеблется в пределах 1100-1400 ккал/м³.

Сжигание кускового топлива – сложнейший процесс горения по изобилию различных химических реакций и физических процессов. На самом верху слоя происходит сушка топлива и его сухая перегонка. Продукт сухой перегонки – смола, испаряется и крекируется с выделением газа, кокса и сажи. В нижние горизонты слоя поступает топило начисто лишенное смол и летучих газообразных. Здесь в этих слоях они окончательно окисляются кислородом воздуха и влагой дутья, образуя СО₂, СО, H₂ и зольный остаток.

Твердое топливо наиболее трудно сжигается, так как трудно воспламеняется, склонно к спеканию в горящем слое, образует шлаки, которые могут прекратить процесс горения.

В печах твердое топливо сжигается в специальных камерах – топках, которые в зависимости от свойств топлива имеют различную конструкцию.

Виды топок:

• простые;
• полугазовые;
• механизированные.

Кузнечные печи, работающие на твердом топливе, более громоздки, чем на газе и жидком топливе. В основном твердое топливо используется в кузнечных горнах при ручной ковке.

• смешивание топлива с воздухом;
• подогрев воздуха и испарение;
• термическое разложение топлива;
• образование газовой фазы;
• воспламенение и горение газовой фазы (завершение процесса окисления).

Интенсивности протекания стадии подогрева, испарения и воспламенения способствуют тонкое распыление топлива и высокие температуры рабочего пространства печи. В горящем факеле существует два вида движения от сопла сжигающего устройства движется топливно-воздушная смесь, к соплу сжигающего устройства – пламя. Для устойчивого горения необходимо уменьшить скорость движения горючей смеси после выхода ее из сопла.

Скорость реакции горения жидкого топлива определяет длину факела. К примеру, горение замедляется, а длина факела увеличивается при:

• плохом распылении топлива;
• недостатке воздуха;
• неправильной подаче воздуха;
• низкой температуре пламени.

Длинное пламя дают прямоструйные сжигающие устройства. Горение начинается на расстоянии 1.5 метра и заканчивается на расстоянии примерно 2 метра.

Короткое пламя дают турбулентные сжигающие устройства. В них распыление начинается на расстоянии 100-200мм от насадка. Горение заканчивается на расстоянии 300-500мм.

Сжигание жидкого топлива осуществляется при помощи специальных устройств – форсунок.

Требования к форсункам:

• хорошее распыление и смешивание с воздухом;
• обеспечение устойчивого горения незатухающего факела;
• надежность в эксплуатации;
• простота и прочность конструкции;
• незасоряемость, удобство в чистке.

Все форсунки в зависимости от параметров воздушной среды, применяемой для распыления, делят на форсунки низкого и высокого давления.

Характеристика форсунок:

1. подогрев и подсушка топлива;
2. процесс пирогенного разложения топлива с выделением летучих и образованием коксового остатка;
3. горение летучих;
4. горение коксового остатка.

Количетсво летучих для разных углей различно и зависит от возраста топлива. Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: у торфа при 550-660К, у бурых углей при 690-710К, у тощих углей и антрацита при 1050-1070К.

Маркировка угля:

• распыление;
• смешение распыленныой жидкости топлива с окислителем (при этом осуществляется подогрев и испарение);
• воспламенение;
• горение капли жидкости.

Основой процесса распыления топлива является дробление, которое возможно в случае, если давление распыления выше поверхностного натяжения капли топлива. Распыленная жидкость, попав в среду высокой температуры, начинает испарятся. Около поверхности капли образуется паровоздушная смесь, которая воспламеняется первой.

Температура вспышки – температура, при которой над поверхностью жидкости образуется паровоздушная смесь, способная вспыхивать от источника зажигания, но скорость образования ее недостаточна для последующего горения. Температура вспышки всегда выше температуры кипения жидкости, поэтому горение жидкости осуществляется в паровоздушной фазе.

Модель горения капли топлива

1 – капля жидкости; 2 – слой паров; 3- зона реакции горения; 4 – зона диффузии кислорода и углекислого газа, где происходит догорание топлива

Диффузионные горелки

Отношение диффузионных потоков реагентов определяется стехиометрией реакции; концентрации горючего и окислителя в зоне реакции малы, основной компонент смеси-продукты сгорания, которые диффундируют в области, занятые горючим и окислителем. Выделяющееся при реакции тепло передается горючему и окислителю, которые поступают в зону реакции нагретыми до высокой температуры.

В отличие от горения перемешанных смесей, температура диффузионного горения зависит от отношения D/x. При D = x она совпадает с температурой горения перемешанной стехиометрической смеси горючего и окислителя, с уменьшением D/x -падает. По этой причине диффузионное горение не реализуется в конденсированных средах, для которых значения D/x очень малы; помимо газофазных систем, диффузионное горение характерно для гетерогенных реакций на поверхности (горение твердых веществ, гетерогенно-каталитическое горение).

Массовая скорость m диффузионного горения определяется скоростью диффузии реагентов в зону реакции. Рост m с увеличением скорости диффузии возможен лишь до определенного предела. Это предельное значение m близко по величине к массовой скорости горения в пламени, распространяющемся по стехиометрич. смеси горючего и окислителя. По достижении предельного значения m pеакция переходит в низкотемпературный кинетический режим (происходит срыв горения). От начальной температуры реагентов Т₀ m практически не зависит, однако при некотором минимальном для данного набора остальных параметров значении Г₀ диффузионное горение невозможно.

Диффузионное горение

Распределение концентрации окислителя (1), горючего (2), продуктов реакции (3) и т-ры смеси (4) во фронте диффузионного горения; х-пространственная координата, Т_Г-адиабатическая температура горения.

Кинетическое горение – после воспламенения происходит распространение пламени, связанное с постоянной передачей тепла от сгоревших к новым порциям топлива.

Передача тепла зависит от характеристик пламени, диффузии и законов теплопроводности. При распространении пламени в неподвижной или движущейся ламинарной смеси, форма передачи тепла – молекулярная теплопроводность; при турбулентном движении газоокислительной смеси – турбулентная диффузия.

При больших скоростях распространения пламени происходит детонация, а горение в таком случае называется детонационным.

Процесс молекулярной теплопроводности - нормальное горение – после воспламенеия смеси возникает фронт горения, распространение которого происходит в направлении несгоревших порций газа. Позади фронта находятся продукты горении, а впереди – несгоревшая горючая смесь. Толщина фронта 4*10^-2..6*10^-2 см. При нормальном горении скорость распросранения фронта определяется зависимостью:

U_н = Δn / Δt, где

?n – расстояние, на которое перемещается фронт пламени за время Δt.

Соотношения топлива и окислителя (воздуха), при котором скорость нормального горения достигает максимальной величины, носит название оптимального соотношения.

• более быстро смешивается с воздухом, что позволяет проводить сжигание газа с меньшим расходом воздуха;
• простота обслуживания газосжигательных печей;
• дешевизна газа.

Искусственное газообразное топливо бывает двух видов:

• газ, получаемый в результате производственных процессов (доменный, коксохимический);
• газ, получаемый в результате специальной газогенерации низкокалорийных видов твердого топлива.

Характеристика естественного газообразного топлива

Коксовый газ применяется в виде топлива нагревательных и плавильных печей на металлургических предприятиях замкнутого цикла.

Доменный газ – колошниковый газ, отходящий газ доменных печей, представляющий собой продукт главным образом неполного сгорания углерода. Химический состав (при выплавке чугуна на каменноугольном коксе): 12—20% углекислого газа, 20—30% окиси углерода, до 0,5% метана, 1—4% водорода, 55—58% азота. Используется на металлургических заводах как топливо. Теплота сгорания рабочая низшая примерно 3,6—4,6 Мдж/м³ (850—1100 ккал/м³). При обогащении дутья кислородом содержание азота в газе снижается и соответственно этому возрастает количество др. газов (в том числе окиси углерода и водорода), а также теплота сгорания. Выход газа 1м³ на 1 килограмм чугуна.
Применяется в металлургическом производстве для работы доменных воздухонагревателей, отопления коксовых печей, нагревательных печей прокатных цехов и т.д. Практически всегда применяется в смеси с коксовым и природным гаом.

Генераторный газ – представляет собой продукт безостаточной газификации низкокалорийного тердого топлива. Газификация твердого топлива проводится с помощью кислорода воздуха или водяного пара. Аппараты, в которых проводят газификацию – газогенераторы.

• более быстро смешивается с воздухом, что позволяет проводить сжигание газа с меньшим расходом воздуха;
• простота обслуживания газосжигательных печей;
• дешевизна газа.

Естественное газообразное топливо бывает двух видов:

• природный газ;
• попутный газ (нефтепромышленный газ, улавливаемый при добыче нефти).

Природный газ в свою очередь делится на два типа:

• сухой;
• жирный.

Характеристика искусственного газообразного топлива

Сухой газ (газ в основном чисто газовых месторождений) – содержит метан CH₄ и небольшую часть его гомологов (химических соединений одного структурного типа с общей формулой С_nH_2n+2): метан CH₄, этан C₂H₆, пропан С₃H₈ и т. д.). Состав сухого газа: 98% CH₄, 0.4% C₂H₆, 0.2% С₃H₈, 0.1% CO₂, 0.3% N₂.

Удельный вес сухого газа: 0,73 кг/м³
Теплота сгорания рабочая низшая: Q_н^р =35545 кДж/м³

Жирный газ – попутный нефтепромышленный газ, добываемый вместе с нефтью. Содержание гомологов (тяжелых углеводородов) примерно 50 мл на м³. Имеет более высокую температуру сгорания, чем природный газ. В качестве топлива не применяется.

• бензин – топилво для двигателей внутреннего сгорания. Наиболее легкокипящая фракция нефти Т_кип = 200^о С. Низшая рабочая теплота сгорания бензина Q_н^р = 41900 кДж/кг
• лигроин – топливо для тракторных двигателей. Температура кипения 220^о С. Низшая рабочая теплота сгорания лигроина Q_н^р = 31000 кДж/кг
• керосин – топливо для авиадвигателей. Температура кипения 252^о С. Низшая рабочая теплота сгорания керосина Q_н^р = 29000 кДж/кг. Из керосина выделяют солярный дистилят – дизельное топливо.

Распространенное топливо для металлургических печей – мазут.

Горение жидкого топлива. Температура вспышки.
Сжигание жидкого топлива. Устройства для сжигания жидкого топлива.

Мазут – жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350—360°С. Мазут это смесь углеводородов (с молекулярной массой от 400 до 1000 г/моль), нефтяных смол (с молекулярной массой 500—3000 и более г/моль), асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений, содержащих металлы (V, Ni, Fe, Mg, Na, Ca). Физико-химические свойства мазута зависят от химического состава исходной нефти и степени отгона дистиллятных фракций и характеризуются следующими данными : вязкость 8—80 мм?/с (при 100 °C), плотность 0,89—1 г/см? (при 20 °C), температура застывания 10—40°С, содержание серы 0,5—3,5 %, золы до 0,3 %, низшая теплота сгорания 39,4—40,7 МДж/моль.

Типичное распределение смолисто-асфальтеновых веществ в мазуте:

Мазуты применяются в качестве топлива для паровых котлов, котельных установок и промышленных печей (см. Котельные топлива). Выход мазута составляет около 50 % по массе в расчете на исходную нефть. В связи с необходимостью углубления ее дальнейшей переработки мазут во все большем масштабе подвергают дальнейшей переработке, отгоняя под вакуумом дистилляты выкипающие в пределах 350—420, 350—460, 350—500 и 420—500°С. Вакуумные дистилляты применяют как сырье для получения моторных топлив и дистиллятных смазочных масел. Остаток вакуумной перегонки мазута используют для переработки на установках термического крекинга и коксования, в производстве остаточных смазочных масел и гудрона, затем перерабатываемого на битум.

Условная вязкость – отношение времени истечения 200мл мазута ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды через отверстие одинакового сечения.

В зависимости от вязкости, температуры застывания и температуры вспышки мазут делят на ряд марок: