sozydatel.su
Физико химические процессы происходящие в горелке ГВТТ.
Физико химические процессы происходящие в горелке ГВТТ.
Сообщение Valery2829 » 04 авг 2017 04:18
Re: Физико химические процессы происходящие в горелке ГВТТ.
Сообщение sergey70 » 09 авг 2017 16:56
Всем доброго здоровия, с Разрешения Валерия выкладываю первую часть указанной темы. Д. И. Менделеев в своих работах, посвященных научно обоснован¬ному использованию топлива, большое значение придавал достижению высоких температур при его сжигании. Рассматривая различные свой¬ства топлива, он указывал: «Когда горючие материалы служат для сла¬бого нагревания, например для отопления жилищ, для сушки, для по¬лучения паров и т. п., тогда теплопроизводительность топлива прямо может служить мерилом его относительного достоинства.» .Он отмечал, что в большинстве случаев имеют значение и другие свойства горючих материалов, «из которых важнейшим должно считать способность давать высокие температуры. Это последнее свойство горючего материала необходимо не только потому, что требуется нередко самим существом дела, например для плавления стали требуется иметь температуру около 1450°, но и потому, что, чем выше температура, тем скорее при прочих равных условиях совершается доведение нагреваемых предметов до желаемой температуры и, следовательно, тем скорее идет производ¬ство, а потому продукты его удешевляются» [5, с. 224].
А в наших теплообменниках, для обогрева жилых помещений- нужно греть воду. Её все равно более 100гр. не нагреть, но она много крат быстрее нагреется- если подавать на конвективную поверхность наших котлов температуру дымогазов не 700-800гр,- а более 1500гр.
При обычном сжигании топлива- получают стандартные температуры пламени, не превышающие 700-900гр. В модернизированных топках, работающих на “кипящем слое” – температуры достигают 1000гр. Причем,- во всех случаях получают стандартную теплотворность, присущую тем видам топлива- которые и сжигают в тех топках.
Представленные величины удельной теплоты сгорания от различного топлива- получены в лабораториях, при условиях идеального горения, с отсутствием потерь тепловой мощности. А в бытовых и промышленных топках котлов- эти потери неизбежны. И если нужна солидная мощность теплогенераторной установки, в которой используется обычный метод сжигания топлива- приходится увеличивать площадь горения в тех топках, что ведет к увеличению и самих котлов и габаритов котелен.
А представленная горелка из -за своих малых размеров,- с легкостью вмещается вместе с теплообменником в пристройку к жилому строению, площадью всего в 1кв. метр. 
При этом, теплообменник может быть и на 50кВт. тепловой мощности и на 80кВт.
Все очень компактно. Солидно выглядит только дымарь и бункер под топливо. Само размещение этой энергетической установки, отдельно от помещения — упрощает загрузку топливного бункера “грязным и пыльным” топливом.
Развиваемая тепловая мощность горелки- дает возможность легко и быстро при малых размерах своих теплогенераторных установках- производить нагрев большого объема воды, раскалять до белого каления увесистые железные прутья и т.д..
Эту горелку я представил на форуме “Країна майстрів”. И те, кто сделал эту горелку с теплообменником по чертежах, приложенных в той же теме- получили такие же результаты, что и я.
Вот один из примеров, где Николай68 поделился своими результатами.
В этом испытании Николай получил теплотворность от свежей стружки- под 30мДж., что втрое превышает её показатели, исходя из стандартных величин (см. таблица теплотворности). Еще в теме на форуме “Країна майстрів” я произвел поверхностные расчеты тепловой мощности и теплотворности горелки изготовленной Николаем по моим чертежам.
В джоулях измеряется энергия и работа, а в Ваттах мощность. 1 Вт=Дж/с. 1 киловатт-час (кВтч) =3600000 Дж
Мы имеем объем тепло съёмника- 120литров воды.
4200 Дж. х 120л.= 504000Дж.
имеем разницу температур- 90гр.
имеем время нагрева- 21минуту.
Q = требуемая мощность охлаждения/нагрева в кВт
m = масса вещества в кг
c = удельная теплоёмкость (воды = 4,2)
dT = заданная разность температур в °C
t = время охлаждения/нагрева в секундах
но если устранить недостатки (утеплить котел, установить шибер) то и за 15мин.- произойдет закипание.
Определяем теплотворную величину топлива
Для нагрева 120 литров воды на 90гр. необходимо 45,36 Мдж. На получение такой теплотворности было израсходовано (сожжено)- 1,5 кг стружки.
Итого, с одного килограмма стружки- получаем 30,24 мДж.
Смотрим таблицу «Сравнительная таблица теплотворности некоторых видов топлива». Наши «показатели» не соответствуют показателям для древесины, выложенной в этой таблице- они гораздо больше, но еще в 19 веке Менделеев доказал теоретическими расчетами и лабораторными опытами- сущность такого результата.
…Чтобы показать это, достаточно указать на то, что, превращая дерево в древесный уголь или в воздушный (генераторный) газ, много процентов теряют из теплопроиз-водительности исходного материала, но практически выгадывают в деле пользования топливом, потому что получают возможность при сожигании полученных продуктов достигать таких температур, каких само дерево, прямо сгорая, вовсе не может давать. (Менделеев стр. 373)
Горючая масса дров и торфа с высоким содержанием кислорода обладает теплотой сгорания, значительно более низкой, чем горючая масса антрацита или каменного угля. Однако различие в жаропроизводительности указанных видов топлива существенно меньше. Так, теплота сгорания горючей массы дров на 44% меньше, чем антрацита, а жаропроизводительность горючей массы ниже лишь на 9%.
Более сложная зависимость выявляется при сопоставлении теплоты сгорания и жаропроизводительности углерода и окиси углерода. Теплота сгорания 1 кг-атома углерода в виде графита равна около 94000 ккал, а 1 моля окиси углерода — лишь около 68000 ккал. Тем не менее жаропроизводительность окиси углерода равна 2370°С, т. е. почти на 200 град, выше жаропроизводительности графита (2175°С).
Указанное положение обусловлено тем, что присоединение к углероду первого атома кислорода связано с большой затратой энергии на разрыв связей между атомами углерода в графите. Вследствие этого из 94 000 ккал потенциального тепла 1 кг-атома углерода лишь около 26000 ккал, т. е. менее 30%, выделяется в результате присоединения первого атома кислорода и образования окиси углерода. Присоединение же второго атома кислорода с окислением СО до С02 сопровождается выделением 68 000 ккал тепла:
В результате при горении графита (а) на 1 моль продуктов сгорания выделяется около 20000 ккал (94 000:4,76), а при горении СО (б) на 1 моль продуктов сгорания выделяется около 23 500 ккал (68 000:2,88), т. е. значительно больше тепла. Этим и объясняется, что максимальная температура нагрева продуктов сгорания СО, т. е. жаропроизводительность окиси углерода, значительно выше жаропроизводительности графита.
Таким образом, горючая масса всех видов топлива — от антрацита и кокса до дров и торфа — с различным содержанием кислорода и различной теплотой сгорания характеризуется высокой жаропроизводительностью порядка 2000—2200 °С. (4. М. Б. Равич стр. 88)
А конструктив горелки- предусматривает пиролизный отсек, где в начальной стадии попадания топлива в горелку-и происходит образование окиси углерода СО, метана, этилена, водяного газа и прочих горючих соединений
Сама горелка состоит из двух отсеков- пиролизного и факельного. 
Шнековая подача топлива не только подает топливо к самой горелке, но еще и производит его перемещение в пиролизный отсек. Именно последним витком шнека и происходит это проталкивание. И благодаря этому- происходит равномерное уплотнение объема топливной массы, находящейся в пиролизном отсеке. В этом отсеке образуется большая, плотная пеллета. Протискиваясь сквозь раскаленные стенки этого отсека- происходит равномерный прогрев всего объема топлива с его последующей пиролизацией.
При нагреве топлива происходит разделение его на летучую часть и твёрдый остаток- кокс. Кокс у всех видов топлива состоит в основном из углерода. Углерод находится и в летучей части. Летучая часть — углеводороды. Если в эти два вещества добавлять кислород воздуха при высокой температуре, то происходит горение, в результате которого они превращаются в другие вещества, в том числе газ.
превращаются в другие вещества, в том числе газ.
В пиролизном отсеке происходит нагрев топлива без доступа кислорода воздуха, при этом их него выделяются пары, газы и остается твердый, богатый углеродом кокс (древесный уголь, если топливо древесина). Термораспад древесины происходит в целом с выделением тепла, т.е. это процесс экзотермический, в связи с этим облегчается прогрев массива топлива. А.Н. Кислицин (2). Состав продуктов пиролиза многообразен и сложен. Летучие (парогазовая смесь) состоят из газов, которые представляют собой соединения углерода, водорода, кислорода и др. (СО, СО2, СН4, С2Н4, N2, О2, Н2), паров смолы, уксусной (древесной) кислоты (СН3СООН), паров воды и пр. Из этих газов, двуокись углерода (СО2), продукт полного сгорания углерода, не способный к дальнейшему горению и поэтому является вредной примесью в газе пиролиза. Азот (N2), простое газообразное, не способное сгорать, и является балластом. При этом образуется еще и смола, в состав которой входят углерод, водород, кислород и др. Смола способна гореть с выделением большого количества тепла. При нагревании смола испаряется, образуя газообразный продукт — пары смолы.
Полученные в результате пиролиза пары смолы, уксусную кислоту и газы- мы сжигаем в отсеке высокотемпературного горения. Процессы горения могут быть выражены с помощью химических уравнений, показывающих, в каких соотношениях и как взаимодействуют отдельные вещества. В правой части уравнения указывается тепловой эффект реакции, т. е. количество тепла выделяемое при реакции. Д.Б. Гинзбург (1) приводит уравнения горения некоторых веществ. Указанные вещества входят в состав выходящих продуктов, при внешнем нагреве древесины в замкнутой ёмкости.
С+О2=СО2+7940 ккал/кг С, или (33190 кДж/кг);
Н2+1/2О2=Н2О+2579 ккал/нм3 Н2, или (10780 кДж/нм3);
СО+1/2О2=СО2+3018 ккал/нм3 СО, или (12615 кДж/нм3);
СН4+2О2= СО2+2Н2О+8555 ккал/нм3 СН4, или (35760 кДж/нм3)
С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О+14107 ккал/нм3 С2Н4 (этилен), или (58967 кДж/нм3)
Э.Д. Левин, ( приводит таблицу 2.32, в которой показывает выход и состав газов при внешнем нагреве древесины в замкнутой ёмкости при температурах 400-700 °С. Окислительные реакции происходят за счёт кислорода, выделяющегося при разложении органической массы пиролизуемого топлива. При повышении температуры пиролиза увеличивается выход газов, в основном за счёт увеличения окиси углерода (ст.6), водорода (ст.7), метана (ст. и уменьшается выход твердых продуктов ст.2. Уменьшается выход двуокиси углерода (ст.3) и азота (ст.9), не желательных примесей в газе сухой возгонки. Увеличивается его теплотворная способность и уменьшается плотность (ст. 10, 11, 12). 
При высоких температурах разбавление газа слабее и выжимание его сильнее. При температуре 700гр. гидростатический (гравитационный) напор очень велик.
При температурах выше 400гр. образование двуокиси углерода (СО2) не является продуктом окислительной реакции, а это результат взаимодействие паров воды с раскаленным углем. В результате такого взаимодействия образуется так же водород. В этом случае речь идет о внешнем нагреве сырья в замкнутой ёмкости.
Чем выше температура в зоне газификации, интенсивнее и равномернее обтекание газами кусков топлива, больше поверхность соприкосновения газов и топлива и выше реакционная способность топлива, тем полнее разложение водяного пара и двуокиси углерода, меньше балласта в получаемом газе, больше теплотворная способность газа и выше производительность газогенератора. Топливо с большей реакционной способностью кокса при более низкой температуре газификации дает тот же результат, что и топливо с меньшей реакционной способностью кокса при более высокой температуре. ( ДБ. Гинзбург стр 23)
В представленной горелке, топливо., протискиваясь сквозь пиролизный отсек- нагревается до 800гр. При этом происходит его спекание. Будь это пеллеты, зерноотходы или опилки- все от высоких температур приобретает свойства пластичности и из самого пиролизного отсека топливо выходит уже в виде равномерной, спекшейся массой (без просыпания).
На выходе нашей “большой пеллеты”- образуется вертикальный слой кокса.
В обычных топках, этот раскаленный углерод, при обдуве воздухом- сгорает как обычное топливо С+О2= СО2.
Но в этой горелке- он используется как катализатор для эндотермических реакций, то есть- для образования водяного газа , получения окиси углерода из его двуокиси, разложения древесной кислоты и т.д.. В этой горелке воздух не подается на раскаленный кокс, на кокс подаются только сгоревшие в топке газы и сквозь него проходят пары влажности, которые в отопительный сезон в немалом количестве содержится как и в самом топливе, так и в атмосферном воздухе, который мы подаем в горелку.
При этом мы получаем водяной газ.
Факт получения горючего газа через разложение водяного пара раскаленным углем открыт итальянским ученым, профессором Фелицием Фонтана, жившим в 1730-1805гг.
Водяной пар при прохождении через раскаленные угли дров разлагается, образуя водород, окись углерода и угольную кислоту. Количество последней зависит от температуры, при которой происходит процесс: при t=500°C пар разлагается на водород и углекислоту, а при t=1000-1200° C на водород и окись углерода. Хотя в газовой смеси водяного газа находится небольшое количество угольной кислоты и азота, отличительные его качества обусловливаются двумя главными составными частями: водородом и окисью углерода. Поэтому при определении нагревательной способности водяного газа и количества возможных единиц тепла (калорийности) нужно иметь в виду количества тепла, выделяемых при сгорании газа — переходе водорода в воду и окиси углерода в угольную кислоту. Расход теплоты сгорания топлива (углерода) на образование водяного газа по Науманну составляет около 8% . На основании этого считают, что при водяном газе наивыгоднейшим способом реализуется тепловая способность углерода.
Водород — как топливо
Водород. Вторым по значению компонентом топлива является водо¬род. Его. содержание в горючей массе различных видов топлива (округ¬ленно) дано в табл. 14.
Таблица 14.ТАБЛИЦА 
При сгорании 1 кмоль газообразного водорода, с образованием во¬ды, выделяется 68 260 ккал тепла, т. е. 33 860 ккал на 1 кг газообразного водорода, при 3046 ккал на 1 м3 водорода при нормальных условиях (температура 0°С, давление 1 кгс/см2).
Следовательно, при сгорании I кг газообразного водорода выделяет¬ся в 4,2 раза больше тепла, чем при сгорании 1 кг углерода. Поэтому теплота сгорания топлива значительно возрастает с повышением содер¬жания в нем водорода. Так, теплота сгорания горючей массы кокса с минимальным содержанием водорода равна около 8000 ккал/кг, а теп¬лота сгорания мазута, состоящего примерно из 88% углерода и 12% водорода, — более 10000 ккал/кг. Теплота сгорания 1 кг метана, со¬стоящего из 75% углерода и 25% водорода, еще выше и равна — 12 000 ккал. (4.. М. Б. Равич 16стр.)
А Менделеев в свое время писал-
Очевидно, что производство воздуш¬ного газа много проще, чем водяного, а потому первый и рас¬пространился в промышленности весьма сильно, а второй лишь понемногу пробивает себе дорогу в приложениях для топок, хотя распространяется для освещения (после карбурирования и т. п. О разложении воды. Начнем с водяного газа, потому что здесь-дело проще. Но и оно усложняется тем обстоятельством, что для реакции Н2 О+ С = Н2 + СО требуется большой калиль¬ный жар, около 1000°, при низших же температурах происхо¬дит более или менее углекислоты и водорода по уравнению: 2Н2 + С = 2Н* + СО2; очевидно, что и водяные пары должны быть нагреты, как уголь, до 1000°, иначе они его охладят (охла¬ждение произойдет и без того, потому что, как мы видели, при реакции тепло поглощается), а потому все то тепло, которое затрачивается для предварительного нагревания воды и угля до 1000°, надо считать теряющимся при образовании водяного газа. А затратить приходится на каждый I г угля, по крайней мере, 2300 единиц тепла;* следовательно, превращая 1 г угля в водяной газ, приходится побочно расходовать на предваритель¬ное нагревание по крайней мере еще 1/2г угля (в действитель¬ности гораздо более). Газ же, происходящий при реакции, в кото¬рой участвует 1 г угля, будет весить (2+28): 12, или 2.5 г. В нем по объему будет содержаться 50% водорода и 50% окиси углерода, следовательно, по весу: 6.7%водорода и 93.3% окиси углерода, т. е. на I г реагировавшего угля 0.1675 г. водорода и 2.3325 г окиси углерода. Они, вполне сгорая, разовьют 5779 +5682 или около 11 460 единиц тепла (следовательно, Q=4584 для 1 г водяного газа, считая происходящую воду жидкою, а если она в парах Q= 4222, а если происходящая вода останется в виде паров (как это и будет в топке) — около 10 500 единиц тепла (в действительности, конечно, меньше).* А так как для побочного предварительного нагревания идет по крайней мере 0.5 г угля, то, присчитывая его, можно принимать, что на 1 г израсходованного угля получается в виде водяного газа топливо, дающее около 7000 единиц тепла. Реакцию образова¬ния воздушного газа прямо из угля и воздуха должно пред¬ставить, в параллель с предшествующей, так: СО = СО, и побочного расхода топлива здесь нет. Следовательно, на 1 г употребленного угля здесь образуется 28/12 или 21/3 г окиси углерода, которая, сгорая, после охлаждения дает 21/3 х 2436 = 5684 единиц тепла. Отсюда очевидно, что водяной газ представляет лучшую, чем воздушный газ, утилизацию теплоты угля. Если же расчесть степень жара, доставляемого горением обоих газов, то преимущество водяного газа станет еще более очевидным. Но для этого предварительно надо расчесть пре¬дельный состав воздушного газа, для чего (чтобы упростить рас¬чет) примем, что воздух содержит 23% по весу кислорода и 77% азота, следовательно на 1 г по реагировавшего угля пойдет 1!/$г кислорода и 4.463 г азота, или 5.8 г воздуха, и к 2% г окиси углерода прибавится около 4.46 г азота, т. е. в пределе воздуш¬ный газ будет содержать но весу около 34.3% окиси углерода и 65.7% азота (по объему будет тот же состав, потому что плот¬ности обоих газов одинаковы). Рассчитывая по способу, дан¬ному в § 9, получаем для такого воздушного газа жаропроизводительность XV, близкую к 1460°. * А так как водяной газ со¬держит около 6.7 весовых % водорода и 93.3% окиси углерода, то для него вычисляется’ предельное XV около 1880°, т. е. гораздо более, чем для воздушного газа, и даже немного более, чем для чистого водорода (1827°). У водяного газа есть и еще одно очень важное 8 преимущество, зависящее от отсутствия в нем азота. При 0° и 760мм ] куб. м этого газа весит 672 г (по воздуху плотность = 0.52), следовательно может дать около 2837тыс. единиц тепла (или 2837 килограммовых единиц тепла) тогда как I куб м воздушного газа (разочтенного выше состава) весит 1256 г (плотность по воздуху около 0.962), следовательно, при горении даст 1256 х 835.5 — I 049 ООО единиц тепла (или 1049 килограммовых единиц тепла), т. е. при равных объемах почти в три раза менее греет и требует объемистых труб для своего провода.’ Эти немаловажные преимущества водяного газа привлекли к нему лет 20 тому назад общее внимание, ему даже придали характерное название «газа будущего»,10 мно¬жество инженеров обратилось (особенно в Америке и Германии) к отысканию способов его удобного производства, стали строить заводы для его приготовления, пробовали употреблять на место воздушного газа для заводских топок — и кончили тем, что повсюду для отопления отдали практическое предпочтение воз¬душному газу по чрезвычайной простоте и верности его произ¬водства и даже по выгодности применения. Основная причина того, что водяной газ не удовлетворил возлагавшимся на него надеждам и его перестали пробовать применять на заводах (вместо воздушного газа), состоит в следующем: уголь, назна¬ченный для реакции, надо сперва сильно (примерно до 1000°) накалить, а для этого пропускать чрез него воздух (т. е. полу¬чать воздушный газ) — иначе в водяном газе будет много угле-кислоты; в то же время надо накаливать (сильно прогревать)
водяные пары и их пропускать чрез накаленный уголь, заменяя проходивший воздух, так что в одном и том же генераторе про¬исходят оба газа и их надо отдельно собирать, причем нельзя избежать ни взаимного смешения, из накопления побочно обра-зующейся массы воздушного газа, которому надо находить свое местное потребление,11 если требуется готовить толь¬ко водяной газ.12 Все это очень сложно и требует очень тщательного присмотра. При¬том для сколько-либо вы¬годного приготовления
водяного газа требуется очень богатое углеродом топливо (кокс, антрацит), тогда как воздушный газ весьма выгодно готовится из самых убогих видов топлива (например бурых углей, богатых золою, из хвойных шишек и т. п.), что одно уже заставляет предпочитать это топливо водяному газу. Все это приводит к тому, что в фабрично-заводском отношении водяному газу, по крайней мере доныне, нельзя приписывать какого-либо существенного значения в деле топки (он зато получил большое значение в деле освещения, как о том будет говориться при описании производства светильного газа), тогда как воздушный газ имеет его в высокой мере. Однако же вся история с водяным газом не пропала бесследно для практики отопления, так как подмесь этого газа к воздушному, возвышая качество послед¬него, готовится очень легко чрез посредство простой прибавки водяных паров к воздуху при производстве воздушного газа, что и составляет так называемый Даусоновский газ, который мы рассмотрим, познакомившись ближе с самим воздушным газом и его способами производства.’* Менделеев ср. 534
В этой горелке как раз и присущи условия для получения не только воздушного газа, но и водяного. Как и отмечалось раньше- температуры в пиролизном отсеке- достигают более 700гр., а на выходе, из этого отсека- температура поднимается до 900гр. Здесь и происходит спекание топлива из за того, что при таких температурах- топливо приобретает пластичность. Это последняя стадия пиролизации, в этом отделении- образуется кокс. Температуры до 1000гр. А между вертикальным слоем кокса и самой камерой сгорания- температуры поднимаются более 1300гр. По этому, влажность в этой горелке не является балластом, как в обычных топках,- а служит отличным топливом, в виде водяного газа.
виде водяного газа.
В этой горелке отлично сгорают зерноотходы после аэрации, которые просто под открытым небом пять месяцев под дождем лежали.
Более того, в этой горелке отлично горит топливо, которое перед подачей в пиролизный отсек- увлажнялось водой в отношении- на 1кг. топлива добавляли — 0,2кг воды. Процесс превращения воды в водяной газ Н2 О+ С = Н2 + СО – эндотермический. При повышенном содержании влаги- температура коксового слоя снижается, но в связи с тем, что в горелке не прямоточное горение, а в самой камере сгорания идет непрерывное вертикальное завихрение (кружение) продуктов сгорания, то, попадая в это завихрение- влажность (перегретый пар) не вылетает прямотоком в сопло, а продолжает кружить и пронизывать раскаленный кокс, который опять разогревается до температур более 1000гр.- происходит образование водяного газа. Вся камера сгорания и весь объем камеры дожига при этом- наполняются ослепительно желтым, характерным для сгорания водорода- цветом пламени .
В саму камеру сгорания подается атмосферный воздух, который у нас на Украине, в зимний период- содержит влажность
65-80%. При круговом завихрении та влага, равномерно смешиваясь с раскаленным метаном и проходя сквозь разогретый кокс- превращается в водородное топливо.
Эта реакция – промышленный процесс. В промышленности большое количество водорода получают именно из метана, добавляя к нему при высокой температуре перегретый водяной пар:
1) CH4 + H2O = CO + 3 H2
2) CO + H2O = CO2 + H2
В сумме этот процесс можно записать уравнением:
CH4 + 2 H2O = 4 H2 + CO2
Процесс горения метана СН4-заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется двуокись углерода, вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH4 [газ] + 2O2 [газ] → CO2 [газ] + 2H2O [пар] + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу двуокиси углерода и две молекулы воды. При этом выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж.
Кроме получения водяного газа, геометрия камеры сгорания- позволяет осуществлять восстановление горючего газа СО из двуоксида углерода СО2. Причем процесс этот- многоповторяем. Подвод воздуха позволяет создать внутрикамерное завихрение пирогазов в самой камере сгорания, по этому- прежде чем покинуть камеру сгорания- пирогазы кружат в самой камере, при этом происходит их тщательное перемешивание как с кислородом, который поступает через воздушный патрубок,- так и с парами влажности, которые содержатся в подаваемом воздуха, и с влажностью, которая образуется от сгорания метана, получаемого при пиролизе нашего топлива.
Внутрикамерное завихрение пирогазов- позволяет сосредоточить жар высоких температур не по всему объему камеры сгорания, а только на площади коксового слоя. Поверхность футеровки раскаляется до температур не более 1000гр., а вот в зоне коксообразования- температуры поднимаются до 1300гр. и более.
Использование этой горелки- дает возможность за 15минут вскипятить
60- 100 литров воды- всего 1кг. опилок, или
1кг. зерноотходов и т.д.
На сегодняшний день успешно применяются котлы с псевдосжиженным горением. В этих котлах, где процесс горения происходит в кипящем слое- поазатели жаропроизводительности- гораздо больше, чем в котлах со слоевой топкой.
При сжигании агропеллет в кипящем слое прогнозируется более надежная работа котла, так как температура топочных газов на 100. 180 °С ниже температуры топочных газов при сжигании отходов растениеводства в плотном слое (меньше вероятность расплавления частиц летучей золы и образования плотных отложений этой золы на поверхностях нагрева котла), а очаговый остаток имеет порошкообразную структуру (агломераты расплавившейся и спекшейся золы отсутствуют). (3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЖИГАНИЯ АГРОПЕЛЛЕТ В КИПЯЩЕМ
При исследовании сжигания агропеллет в кипящем слое, ТГТУ получили следующие результаты (3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЖИГАНИЯ АГРОПЕЛЛЕТ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ)
В кипящем слое от 1кг. пеллет из древесных отходов получили 20,73МДж. Этот показатель- выше, чем при сжигании этих же пеллет , но в обычной топке- (17, 17МДж). Здесь еще стоит упомянуть, что котлы на “кипящем слое”- очень дорогостоящее оборудование и довольно- таки солидных размеров. Но и они имеют те же “больные места”, то есть- теплопотери, на которые указывал Менделеев.
. По сущности дела, неизбежна потеря тепла чрез передачу и лучеиспускание в окружающее пространство. Чем выше температура, тем эта потеря более. Чем больше поверхность охлаждения, тем потеря сильнее. Поэтому чем меньше масса горящего вещества, тем ниже достигаемая температура; чем равномернее и длительнее горение, тем она выше. Оттого для получения высших температур наиболее пригодны большие печи и непрерывное ровное горение в пространствах, окруженных худыми проводниками тепла. 226 ГОРЮЧИЕ МАТЕРИАЛЫ (Менделеев)
В кипящем слое рабочие температуры горения- до 1000гр. А в представленной горелке, температуры достигают более 1300- 1500гр. Это дает возможность увеличить репродуктивность изотермических реакций. В результате, с 1кг. опилок можно получить
30МДж тепловой энергии. Причем- эту теплотворность получаем с опилок, а не с пеллет- то есть,- с много крат дешевого топлива, по сравнению с пеллетами.
Но даже сжигать опилки в такой горелке- кощунство. Опилки, это в первую очередь сырье для изготовления ДСП, пеллет и т.д. А вот зерноотходы, которые имеют повышенную сорность и из за этого уже не пригодны для изготовления пеллет и просто вывозятся на мусорки,- для такой горелки — отличное топливо.
Представленная к рассмотрению горелка- не имеет “солидных” габаритов, но с легкостью может выдать как и 3кВт тепловой мощности,- так и все 100кВт. Причем- “разгон” мощности происходит за считанные доли секунды. Все это происходит только из за высоких температур горения. Высокие температуры служат катализатором изотермических процессов в этой горелке.
Горение — это химическая реакция, при которой из одних веществ получаются другие простые вещества, это соединение горючего вещества с кислородом воздуха, сопровождающегося выделением тепла (изотермические реакции)
А химические реакции, протекающие в гомогенных системах (смеси газов), осуществляются за счет соударения частиц. Однако, не всякое столкновение частиц реагентов ведет к образованию продуктов. Только частицы, обладающие повышенной энергией — активные частицы, способны осуществить акт химической реакции. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц и число активных частиц возрастает, следовательно, химические реакции при высоких температурах протекают быстрее, чем при низких температурах Возрастание химические реакции при высоких температурах протекают быстрее, чем при низких температурах скорости реакции при нагревании в первом приближении подчиняется следующему правилу:-при повышении температуры на 10гр.С скорость химической реакции возрастает в два — четыре раза. Это правило Вант — Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции, но оно дает объяснение возможности этой горелки перейти с низкой мощности горенияя на высокую- за доли секунд.
Одним из признаков того, что горелка вошла в режим высокотемпературного горения- является её способность “мгновенно” превратить жменю опилок, пеллет, зерноотходов- в чистое пламя, без вылета недожженной фракции топлива. Этим показателем и пользуются те, кто первый раз запускает такую горелку.
Более того, высокотемпературная топка в этой горелке позволяет получить гораздо большую величину жаропроизводительности от сжигания пеллет, опилок, щепы и зерноотходов, в отличие от общепринятых величин- из за того, что в горелке используется “сухая перегонка” топлива , а раскаленный углерод (кокс) который образуется в топке камеры сгорания,- используется не как топливо, а как катализатор для последующих высокотемпературных химических реакция (преобразования двуокиси углерода- в окись углерода, влажности- в водяной газ и т.д.). И в связи с тем, что процесс самовосстановления происходит в кружеве завихрения- то он- многократно повторяем, что дает возможность- резко сократить потребление самого топлива. Пока в камере сгорания этой горелки будет находиться вертикально расположенная площадь раскаленного кокса- то и будут происходить непрерывные процессы самовосстановления продуктов сгорания и преобразование влажности в “водяной газ”. А влажности в отопительный период, как в топливе, так и в воздухе, который подается в топку- предостаточно. И в этой горелке влажность используется в виде топлива. А в обычных топках- влажность, как балласт- только мешает горению..
Скорость “сгорания” кокса при его использовании в виде ”катализатора” для эндотермических реакций- на много медленнее,- чем скорость его окисления кислородом, который поступает в топку с воздухом в обычных топах. Это и позволяет производить экономию топлива- как минимум в два раза,- не теряя при этом тепловую мощность горения. Все зависит от качества получаемого кокса из топлива, от содержания углерода в том топливе и от чистоты того топлива.
Так например- если дозировано подавать топливо (пеллеты) через сопло, то в течении одного часа можно сжечь 10кг. пеллет. Мощность горения при этом будет
70-80кВт. А вот если придерживаться той же мощности горения, но подавать топливо- как и предусмотрено конструктивом этой горелке- шнековой подачей, через пиролизный отсек, с образованием вертикального слоя раскаленного углерода (кокса)- то расход топлива- резко уменьшается. На тех же самых пеллетах, расход топлива не превысит и 5кг. Причем, в обоих случаях, температура “ядра” горения в самой горелке- превысит 1300гр. В первом случае- нет образования большой площади вертикального слоя кокса, сквозь который и происходит непрерывный восстановительный процесс сгоревших пирогазов.
Этот, удивительный на первый взгляд эффект экономии топлива- получают все, кто к этому времени уже изготовил по моим чертежам эту горелку. Прикладываю одно из сообщений с форума “Країна майстрів”.
тепловой энергии из тонны опилок, половы, зерноотходов, измельченной древесины- гораздо больше, чем с тонны угля, сожжённого в обычной слоевой топке.
Еще одной из положительных характеристик этой горелки- является её способность сжигать “грязное” топливо, то есть- топливо, с примесью пыли, песка и пр. негативных примесей, который в обычных топках- дают повышенную зольность, с образованием коржей спекшейся золы.
Минеральные вещества, содержащиеся в топливе, понижают его теп¬лоту сгорания вследствие уменьшения доли горючих компонентов и уве¬личения расхода тепла на нагрев и плавление минеральной массы.
Увеличение расхода тепла на нагрев и плавление минеральной мас¬сы имеет существенное значение в топках с жидким шлакоудалением, в топках же с сухим шлакоудалением эта величина сравнительно не¬значительна. Содержание в топливе минеральной массы понижает так¬же и его жаропроизводнтельность (увеличивается расход тепла на плавление и нагрев золы до температуры горения топлива). Практиче¬ски это заметно сказывается на жаролроизводительностн лишь при вы¬сокой зольности топлива.
По данным В. С. Крыма, содержание в топливе минеральных ве¬ществ превышает массу золы на 12—14%. Данные о зольности различных видов топлива приведены в табл. 48. (4. М. Б. Равич стр. 115)
Менделеев . При данном виде топлива это относится особенно к переменному количеству влажности (воды) и золы (минерального или негорючего остатка), так как они нередко содержатся в изменчивой пропорции и не служат для развития тепла, а, нагреваясь до температуры горения, поглощают тепло и понижают температуру. стр.348
В этой же горелке, сорность топлива- “ не мешает” стабильности происходящих изотермических процессов. Как известно- при температурах более 1100гр.- зола плавится. По этому и не допускают повышение температур в топках бытовых и промышленных котлов до таких высоких температур. В промышленных установках с жидким золоудалением, где температуры горения такие же большие как и в этой горелке- установлены сложные механические конструкции по удалению расплавленной золы.
Источник