Паровые котлы играют важную роль в процессах и производственной индустрии, где топливо является ключевым элементом для сжигания. Различные типы паровых котлов идеально подходят для сжигания определенных видов топлива, таких как котлы на жидком топливе, газовые котлы, угольные котлы, биомассные котлы и т.д. Уголь широко используется в Казахстане, особенно битуминозный и суббитуминозный.

Уголь классифицируется на три основных типа: антрацит, битуминозный и бурый. Среди них антрацит - самый древний тип угля, в то время как бурый уголь был найден относительно поздно, он содержит летучие вещества и влагу с низким содержанием фиксированного углерода. Сжигание угля во многом зависит от его химического состава. Свойства угля могут быть классифицированы как физические и химические.

Реакции сжигания угля

Основной фактор, способствующий выделению тепла в паровых котлах, - это реакция окисления, при которой элементы угля превращаются в соответствующие оксиды. Сжигание угля происходит в два этапа:

1. Выделение летучих веществ на начальном этапе нагрева вместе с физическими и химическими изменениями.
2. Последующее сгорание остаточного угля.

Воспламенение и сгорание летучих веществ приводят к диффузии кислорода к поверхности частицы и воспламенению угля. Окисление угля происходит в три этапа:

1. Диффузия кислорода от основного газа к поверхности угля.
2. Реакция между кислородом и поверхностью частицы угля.
3. Диффузия продуктов реакции от поверхности частицы угля к основному газу.

Общая скорость реакции определяется скоростью химической реакции при низкой температуре сгорания. С увеличением скорости химической реакции при повышении температуры, реакция углерода с кислородом происходит быстро, что затрудняет диффузию кислорода к поверхности. В таких ситуациях общая скорость реакции контролируется скоростью диффузии кислорода к реагирующей поверхности угля.

Система сжигания угля в паровых котлах

Твердый слой

В твердослойном сгорании уголь размером от 3 до 50 миллиметров помещают на решетку и предварительно нагревают первичным воздухом. Воздух подается под слоем для сжигания фиксированного углерода вместе со вторичным воздухом, который сжигает летучие вещества, выделяемые из слоя. Система подачи угля может быть классифицирована как подпитка, надпитка, распределитель и передвижной решетчатый топливник.

Большие частицы угля снижают скорость нагрева частиц до около 1°C в секунду, что приводит к времени сгорания около 45-60 минут.

Флюидизированный слой

Флюидизированный слой в паровых котлах состоит из материала, подвешенного в воздушном потоке снизу слоя. Материал слоя обычно включает смесь угля и песка, действующих как флюид. Измельченный уголь предварительно нагревается до примерно 850-950°C, а затем вводится в пузырящийся слой. Частицы угля нагреваются до 1000°C в секунду и деволатилизируются, что сжигает остатки за около 20 минут. Флюидизированный слой обеспечивает эффективное сжигание угля за счет равномерной температуры по всему слою. Флюидизированный слой требует дополнительного оборудования, такого как циклонные коллекторы, отделяющие мелкие частицы с высоким содержанием горючих веществ, и возвращающие их обратно в систему парового котла.

Пульверизованный уголь

Пульверизованное сжигание угля широко используется на крупных электростанциях, так как оно обеспечивает тонкое измельчение угля, при котором 70-80% по весу проходят через сито. Порошок сжигается в камере сгорания, подвешивая частицы в воздухе для сгорания. Из-за тонко измельченного угля, имеющего большую площадь поверхности на единицу веса, чем более плотные частицы, сжигание угля происходит быстро. Однако этот метод приводит к дополнительным затратам на сушку и измельчение угля, засорение и шлакообразование теплообменных поверхностей, а также к необходимости оборудования для сбора мелких частиц.

Преимущества и недостатки сжигания угля

Преимущества сжигания угля:

• Обильные запасы
• Легкость хранения
• Низкие капитальные вложения
• Безопасность использования
• Простота процесса сжигания

Недостатки сжигания угля:

• Невозобновляемый источник энергии
• Высокое углеродное загрязнение
• Вред для природных сред обитания
• Уголь потенциально радиоактивен
• Вред для окружающей среды, увеличивает загрязнение

Альтернатива сжиганию угля в паровых котлах

Уголь относительно дорог и вреден для климата из-за своих углеродных выбросов. Кроме того, он невозобновляем и требует тщательного использования с минимальной тратой. Невозобновляемые ископаемые виды топлива, как ожидается, иссякнут в течение следующих трех-четырех десятилетий. Биомасса является отличной альтернативой в качестве топлива для сжигания в паровых котлах. Топливо из биомассы включает животные отходы, промышленные отходы, сельскохозяйственные отходы и т.д., что является экономически выгодным и легко доступным, занимая четвертое место в мире по энергии с примерно 14% потребления.

В зависимости от элементного состава, биомассные топлива имеют различные характеристики сгорания. Это включает химические реакции, при которых углерод окисляется до углекислого газа, а водород - до воды. Биомассу можно воспламенить различными типами процессов сгорания, такими как сгорание в твердом слое, флюидизированном слое и пульверизованном слое. Сжигание биомассы снижает выбросы SO2 на 75% и по сравнению с углем сокращает выбросы CO2 на 93%.

На правах рекламы