Caractéristiques de la combustion de combustibles solides. Théorie de base du carburant et de la combustion. Conceptions de fours

Caractéristiques de la combustion de combustibles solides

Les gaz combustibles et les vapeurs de goudron (appelés volatils), libérés lors de la décomposition thermique du combustible solide naturel lors de son chauffage, se mélangeant au comburant (air), brûlent à haute température assez intensément, comme le combustible gazeux ordinaire. Pour cette raison, la combustion de combustibles à haut rendement en matières volatiles (bois de chauffage, tourbe, schiste) ne pose pas de difficultés, à moins, bien entendu, que leur teneur en ballast (humidité plus teneur en cendres) ne soit pas si élevée qu'elle constitue un obstacle à la combustion. obtenir la température nécessaire à la combustion.

Le temps de combustion des combustibles à rendement volatil moyen (houille et houille) et faible (houille pauvre et anthracite) est pratiquement déterminé par la vitesse de réaction à la surface du résidu de coke formé après la libération de matières volatiles. La combustion de ces résidus assure également le dégagement de l’essentiel de la chaleur.

Réaction se produisant à l'interface entre deux phases(dans ce cas à la surface d'un morceau de coca) appelé hétérogène. Il se compose d'au moins deux processus séquentiels : la diffusion de l'oxygène à la surface et sa réaction chimique avec le carburant (carbone presque pur restant après la libération de substances volatiles) à la surface. En augmentant selon la loi d'Arrhenius, la vitesse d'une réaction chimique à haute température devient si grande que tout l'oxygène fourni à la surface réagit immédiatement. En conséquence, la vitesse de combustion s’avère dépendre uniquement de l’intensité de l’apport d’oxygène à la surface de la particule en combustion par transfert de masse et diffusion. Elle n'est pratiquement plus influencée ni par la température du processus ni par les propriétés réactionnelles du résidu de coke. Ce mode de réaction hétérogène est habituellement appelé diffusion. La combustion ne peut être intensifiée dans ce mode qu'en intensifiant l'apport du réactif à la surface de la particule de carburant. Ceci est réalisé en utilisant différentes méthodes dans différentes chambres de combustion.

Superposez les foyers. Le combustible solide, chargé en couche d'une certaine épaisseur sur un réseau de distribution, est enflammé et soufflé (le plus souvent de bas en haut) avec de l'air (Fig. 28, a). En filtrant entre les morceaux de combustible, il perd de l'oxygène et s'enrichit en oxydes (CO 2, CO) de carbone du fait de la combustion du charbon, de la réduction de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone par le charbon.

Riz. 28. Schémas d'organisation des processus de combustion :

UN- en couche dense ; b- dans un état poussiéreux ; _V- dans un four cyclone ;

G - en lit fluidisé ; DANS- air; LA TÉLÉ - carburant, air; ZhSh - laitier liquide

La zone dans laquelle l'oxygène disparaît presque complètement est appelée zone d'oxygène ; sa hauteur est de deux à trois fois le diamètre des morceaux de combustible. Les gaz qui en sortent contiennent non seulement du CO 2, H 2 O et N 2, mais également des gaz inflammables CO et H 2, formés à la fois par la réduction du CO 2 et de H 2 O par le charbon et par les substances volatiles libérées par le charbon. Si la hauteur de la couche est supérieure à la zone d'oxygène, alors la zone d'oxygène est suivie d'une zone de réduction, dans laquelle seules les réactions CO 2 + C = 2CO et H 2 O + C = CO + H 2 se produisent. En conséquence, la concentration de gaz inflammables s'échappant de la couche augmente à mesure que sa hauteur augmente.

Dans les foyers à couches, ils essaient de maintenir la hauteur de la couche égale ou supérieure à la hauteur de la zone d'oxygène. Pour post-combustion des produits de combustion incomplète (H 2 , CO) sortant de la couche, ainsi que pour post-combustion des poussières qui en sont extraites, de l'air supplémentaire est fourni au volume de combustion au-dessus de la couche.

La quantité de carburant brûlé est proportionnelle à la quantité d'air fourni, cependant, une augmentation de la vitesse de l'air au-dessus d'une certaine limite viole la stabilité de la couche dense, car l'air traversant la couche à certains endroits forme des cratères. Étant donné que le combustible polydispersé est toujours chargé dans la couche, l'élimination des fines augmente. Plus les particules sont grosses, plus l’air peut être soufflé rapidement à travers la couche sans compromettre sa stabilité. Si l'on prend pour estimation approximative la chaleur de « combustion » de 1 m 3 d'air dans des conditions normales à α in = 1 égale à 3,8 MJ et la comprenons comme w n réduit à conditions normales débit d'air par unité de surface de grille (m/s), alors la tension thermique du miroir de combustion (MW/m 2) sera

q R = 3,8 W n / α po(105)

Les dispositifs de combustion pour la combustion en couche sont classés en fonction de la méthode d'alimentation, de déplacement et de vissage de la couche de combustible sur la grille. Dans les fours non mécanisés, dans lesquels les trois opérations sont effectuées manuellement, on ne peut brûler pas plus de 300 à 400 kg/h de charbon. Les plus utilisés dans l'industrie sont les foyers à couches entièrement mécanisés avec lanceurs pneumomécaniques et grille de retour à chaîne (Fig. 29). Leur particularité est la combustion du carburant sur une grille se déplaçant en continu à une vitesse de 1 à 15 m/h, conçue sous la forme d'une bande transporteuse entraînée par un moteur électrique. La toile de grille est constituée d'éléments de grille individuels montés sur des chaînes à charnières sans fin entraînées par des « étoiles ». L'air nécessaire à la combustion est amené sous la grille à travers les interstices entre les éléments de la grille.

Riz. 29. Schéma d'un foyer avec un lanceur pneumomécanique et une grille de retour à chaîne :

1 - une grille en tissu ; 2 - pignons d'entraînement ; 3 - couche de combustible et de scories ; 4 – 5 - rotor de roulette ; 6 - chargeur à bande; 7 - soute à carburant ; 8 - volume de combustion ; 9 - tuyaux grillagés; 10 - 11 - le revêtement du four ; 12 - joint arrière ; 13 - fenêtres pour l'alimentation en air sous la couche

Fours torchères. Au siècle dernier, seul le charbon ne contenant pas de fines (généralement une fraction de 6 à 25 mm) était utilisé pour la combustion dans des fours à couches (et il n'y en avait pas d'autre à l'époque). La fraction inférieure à 6 mm - staub (de l'allemand staub - poussière) était un déchet. Au début de ce siècle, une méthode de combustion a été développée par pulvérisation, dans laquelle les charbons étaient broyés à 0,1 mm et les anthracites difficiles à brûler étaient encore plus finement broyés. Ces particules de poussière sont emportées par le flux de gaz, la vitesse relative entre elles est très faible. Mais leur temps de combustion est extrêmement court : secondes et fractions de secondes. Pour cette raison, avec une vitesse verticale du gaz inférieure à 10 m/s et une hauteur de four suffisante (des dizaines de mètres dans les chaudières modernes), la poussière a le temps de brûler complètement à la volée en se déplaçant avec le gaz issu du four. le brûleur à la sortie du four.

Ce principe constitue la base des foyers de torche (chambre), dans lesquels de la poussière combustible finement broyée est soufflée à travers des brûleurs avec l'air nécessaire à la combustion (voir Fig. 28, b ) semblable à la façon dont les combustibles gazeux ou liquides sont brûlés. De plus, les foyers à chambre conviennent à la combustion de n'importe quel combustible, ce qui constitue leur gros avantage par rapport aux foyers à couches. Le deuxième avantage est la possibilité de créer un foyer pour presque n'importe quelle puissance arbitraire. C’est pour cette raison que les fours à chambre occupent désormais une position dominante dans le secteur de l’énergie. Dans le même temps, la poussière ne peut pas être brûlée de manière stable dans les petits fours, en particulier dans des conditions de fonctionnement variables, c'est pourquoi les fours à charbon pulvérisé d'une puissance thermique inférieure à 20 MW ne sont pas fabriqués.

Le combustible est broyé dans des broyeurs et insufflé dans la chambre de combustion à travers des brûleurs à charbon pulvérisé. L’air de transport insufflé avec la poussière est généralement appelé air primaire.

Lors de la combustion en chambre de combustibles solides sous forme de poussière, les substances volatiles libérées lors du processus de chauffage brûlent dans une torche sous forme de combustible gazeux, ce qui contribue à chauffer les particules solides jusqu'à la température d'inflammation et facilite la stabilisation de la torche. La quantité d'air primaire doit être suffisante pour brûler les substances volatiles. Elle varie de 15 à 25 % de la quantité totale d'air pour les charbons à faible rendement en substances volatiles (par exemple l'anthracite) à 20 à 55 % pour les combustibles à haut rendement (lignites). Le reste de l'air nécessaire à la combustion (appelé secondaire) est fourni au foyer séparément et mélangé à la poussière pendant le processus de combustion.

Pour que la poussière s’enflamme, elle doit d’abord être chauffée à une température suffisamment élevée. Parallèlement, il est naturellement nécessaire de chauffer l'air qui le transporte (c'est-à-dire l'air primaire). Ceci peut être fait uniquement en mélangeant les produits de combustion chauds au flux de poussière en suspension.

Une bonne organisation de la combustion des combustibles solides (particulièrement difficiles à brûler, à faible rendement volatil) est assurée par l'utilisation de brûleurs dits escargots (Fig. 30).

Riz. 30. Brûleur à volute à flux direct pour combustible solide pulvérisé : DANS- air; LA TÉLÉ - carburant, air

La poussière de charbon avec de l'air primaire y est introduite par un tuyau central et, grâce à la présence d'un diviseur, sort dans le four sous la forme d'un mince jet annulaire. L'air secondaire est fourni par "l'escargot", y tourbillonne fortement et, sortant dans la chambre de combustion, crée une puissante torche tourbillonnante turbulente, qui assure l'aspiration de grandes quantités de gaz chauds du noyau de la torche à l'embouchure du brûleur. . Cela accélère le chauffage du mélange carburé avec l'air primaire et son allumage, c'est-à-dire qu'il crée une bonne stabilisation de la flamme. L'air secondaire se mélange bien aux poussières déjà enflammées grâce à sa forte turbulisation. Les plus grosses particules de poussière brûlent lors de leur déplacement dans le flux de gaz à l'intérieur du volume de combustion.

Lors du torchage de poussière de charbon, il y a à tout moment une quantité insignifiante de combustible dans le four - pas plus de quelques dizaines de kilogrammes. Cela rend le processus de torchage très sensible aux changements de consommation de combustible et d'air et, s'il est extrêmement important, permet des changements presque instantanés dans la productivité du four, comme lors de la combustion de fioul ou de gaz. Dans le même temps, cela augmente les exigences de fiabilité de l'alimentation du four en poussières, puisque la moindre interruption (quelques secondes !) entraînera l'extinction de la torche, ce qui est associé à un risque d'explosion lors de l'alimentation. de poussière est repris. Pour cette raison, les fours à charbon pulvérisé sont généralement équipés de plusieurs brûleurs.

Lors de la combustion pulvérisée de combustibles, des températures élevées (jusqu'à 1 400-1 500 °C) se développent dans le noyau de la torche, situé près de l'embouchure du brûleur, auxquelles les cendres deviennent liquides ou pâteuses. L'adhésion de ces cendres aux parois du four peut conduire à leur prolifération de scories. Pour cette raison, la combustion de combustible pulvérisé est le plus souvent utilisée dans des chaudières dont les parois du four sont fermées par des tuyaux refroidis à l'eau (grilles), près desquels le gaz est refroidi et les particules de cendres en suspension ont le temps de durcir avant d'entrer en contact avec la paroi. . La combustion de poudre peut également être utilisée dans les fours à élimination des scories liquides, dans lesquels les parois sont recouvertes d'un mince film de scories liquides et dans lequel des particules de cendres fondues s'écoulent.

La contrainte thermique volumétrique dans les fours à charbon pulvérisé est généralement de 150 à 175 kW/m 3 , augmentant dans les petits fours jusqu'à 250 kW/m 3 . Avec un bon mélange d'air et de carburant, il est accepté α dans=1,2÷1,25 ; q fourrure= 0,5÷6% (grands chiffres - lors de la combustion d'anthracite dans de petites chambres de combustion) ; q produit chimique= 0÷1%.

Dans les fours à chambre, après broyage supplémentaire, il est possible de brûler les déchets de charbon générés lors de leur enrichissement dans les cokeries (produit industriel), les criblures de coke et les boues de coke encore plus fines.

Fours cycloniques. Une méthode de combustion spécifique est réalisée dans les fours cyclones. Ils utilisent des particules de charbon assez petites (généralement plus fines que 5 mm) et l'air nécessaire à la combustion est fourni à des vitesses énormes (jusqu'à 100 m/s) tangentiellement à la génératrice du cyclone. Un puissant vortex est créé dans le four, entraînant les particules dans un mouvement de circulation dans lequel elles sont intensément soufflées par un flux. En raison d'une combustion intense dans le four, des températures proches de l'adiabatique (jusqu'à 2 000 °C) se développent. Les cendres de charbon fondent, les scories liquides coulent le long des parois. Pour un certain nombre de raisons, l'utilisation de tels fours dans le secteur de l'énergie a été abandonnée et ils sont désormais utilisés à des fins technologiques - pour brûler du soufre afin de produire du SO 2 dans la production de H 2 SO 4, griller des minerais, etc. la neutralisation des eaux usées est effectuée dans des fours cycloniques, c'est-à-dire en brûlant les substances nocives qu'elles contiennent grâce à l'apport de combustible supplémentaire (généralement gazeux ou liquide).

Fours à lit fluidisé. Une combustion stable d'un chalumeau à charbon pulvérisé n'est possible qu'à une température élevée dans son noyau - pas inférieure à 1 300-1 500 °C. À ces températures, l'azote de l'air commence à s'oxyder sensiblement selon la réaction N 2 + O 2 = 2NO. Une certaine quantité de NO est également formée à partir de l’azote contenu dans le carburant. L'oxyde d'azote libéré avec les gaz de combustion dans l'atmosphère est ensuite oxydé en dioxyde de NO 2 hautement toxique. En URSS, la concentration maximale admissible de NO 2 (MPC), sans danger pour la santé humaine, dans l'air des zones peuplées est de 0,085 mg/m 3 . Pour garantir cela, les grandes centrales thermiques doivent construire de hautes cheminées qui dispersent les gaz de combustion sur la plus grande surface possible. En même temps, lorsqu’un grand nombre de stations sont concentrées les unes à côté des autres, cela n’aide pas.

Dans un certain nombre de pays, ce n'est pas le MPC qui est réglementé, mais la quantité d'émissions nocives par unité de chaleur dégagée lors de la combustion du carburant. Par exemple, aux États-Unis, les grandes entreprises sont autorisées à émettre 28 mg d’oxydes d’azote pour 1 MJ de chaleur de combustion. En URSS, les normes d'émission concernent différents carburants de 125 à 480 mg/m3.

Lors de la combustion de combustibles contenant du soufre, du SO 2 toxique se forme, dont l'effet sur l'homme se cumule également avec celui du NO 2.

Ces émissions provoquent la formation de smog photochimique et pluie acide, affectant de manière nocive non seulement les personnes et les animaux, mais aussi la végétation. DANS Europe de l'Ouest Par exemple, de telles pluies tuent une partie importante des forêts de conifères.

S'il n'y a pas suffisamment d'oxyde de calcium et de magnésium dans les cendres du carburant pour lier tout le SO 2 (généralement un excès de deux ou trois fois est nécessaire par rapport à la stœchiométrie de la réaction), du calcaire CaCO 3 est ajouté au carburant. Le calcaire à des températures de 850 à 950 °C se décompose intensément en CaO et CO 2, mais le gypse CaSO 4 ne se décompose pas, c'est-à-dire que la réaction ne se produit pas de droite à gauche. Cependant, le SO 2 toxique est lié au gypse inoffensif et pratiquement insoluble, qui est éliminé avec les cendres.

D'autre part, au cours du processus d'activité humaine, une grande quantité de déchets combustibles est générée, qui ne sont pas considérés comme des combustibles au sens généralement accepté : résidus de préparation du charbon, décharges minières de charbon, de nombreux déchets de l'industrie des pâtes et papiers et autres secteurs de l’économie nationale. Il est paradoxal, par exemple, que la « roche » qui s’entasse en immenses tas de déchets à proximité des mines de charbon s’enflamme souvent spontanément et pendant longtemps pollue l'espace environnant avec de la fumée et de la poussière, mais il ne peut être brûlé ni dans des foyers à couches ni à chambre en raison de sa teneur élevée en cendres. Dans les foyers à couches, les cendres frittées lors de la combustion empêchent la pénétration de l'oxygène dans les particules de combustible ; dans les foyers à chambre, il n'est pas possible d'obtenir la température élevée requise pour une combustion stable.

L'importance urgente et extrême du développement de technologies sans déchets pour l'humanité a soulevé la question de la création de dispositifs de combustion pour brûler de tels matériaux. Ils sont devenus des foyers à lit fluidisé.

Fluidisé (ou bouillant) est généralement appelé une couche de matériau à grains fins soufflée de bas en haut avec du gaz à une vitesse dépassant la limite de stabilité de la couche dense, mais pas suffisante pour éliminer les particules de la couche. La circulation intense des particules dans le volume limité de la chambre crée l'impression d'un liquide en ébullition rapide, ce qui explique l'origine du nom.

Une couche dense de particules soufflées physiquement par le bas perd sa stabilité car la résistance au gaz qui la traverse devient égale au poids de la colonne de matériau par unité de surface de la grille de support. Puisque la traînée aérodynamique est la force avec laquelle le gaz agit sur les particules (et, par conséquent, selon la troisième loi de Newton, les particules agissent sur le gaz), alors si la résistance et le poids de la couche sont égaux, les particules (si l'on considère le cas idéal ) ne repose pas sur le réseau, mais sur le gaz.

La taille moyenne des particules dans les fours à lit fluidisé est généralement de 2 à 3 mm. Ils correspondent à la vitesse de fonctionnement de fluidisation (elle est prise 2 à 3 fois supérieure à w à) 1,5 ÷ 4 m/s. Celui-ci se détermine en fonction de la superficie du réseau de distribution de gaz pour une puissance thermique donnée du foyer. Contrainte thermique volumique qv pris à peu près le même que pour les foyers à couches.

Le foyer le plus simple avec un lit fluidisé (Fig. 31) rappelle à bien des égards un foyer à couches et comporte de nombreux éléments structurels communs. La différence fondamentale entre eux est que le mélange intensif des particules assure une température constante dans tout le volume du lit fluidisé.

Riz. 31. Schéma d'un four à lit fluidisé : 1 - déchargement des cendres ; 2 - alimentation en air sous la couche; 3 - lit fluidisé de cendres et de combustible ; 4 - alimentation en air de la roulette ; 5 - rotor de roulette ; 6 - chargeur à bande; 7 - soute à carburant ; 8 - volume de combustion ; 9 - tuyaux grillagés; 10 - souffle violent et retour d'entraînement ; 11- revêtement de four; 12 - tubes récepteurs de chaleur dans un lit fluidisé ; DANS - eau; P.- vapeur.

Le maintien de la température du lit fluidisé dans les limites requises (850 - 950 °C) est assuré de deux manières différentes. Dans les petits fours industriels brûlant des déchets ou du combustible bon marché, le lit reçoit beaucoup plus d'air que ce qui est nécessaire à une combustion complète, ce qui α en ≥ 2.

Avec la même quantité de chaleur dégagée, la température des gaz diminue à mesure que la α dans, car la même chaleur est dépensée pour chauffer un grand nombre de gaz.

Dans les grandes unités énergétiques, cette méthode de réduction de la température de combustion n'est pas économique, car l'air « excédentaire » sortant de l'unité emporte également la chaleur dépensée pour la chauffer (les pertes avec les gaz d'échappement augmentent - voir ci-dessous). Pour cette raison, les tuyaux sont placés dans les fours à lit fluidisé des grandes chaudières. 9 et 12 s le fluide de travail (eau ou vapeur) qui y circule, qui reçoit une quantité de chaleur extrêmement importante. Le « lavage » intensif de ces canalisations avec des particules permet d'obtenir un coefficient de transfert thermique élevé de la couche vers les canalisations, ce qui permet dans certains cas de réduire la consommation de métal de la chaudière par rapport à une chaudière traditionnelle. Le carburant brûle de manière stable lorsque sa teneur dans le lit fluidisé est de 1 % ou moins ; les 99% restants Avec inutile - cendre. Même dans des conditions aussi défavorables, un mélange intensif ne permet pas aux particules de cendres d'empêcher les combustibles d'accéder à l'oxygène (contrairement à une couche dense). Dans ce cas, la concentration en combustibles s'avère être la même dans tout le volume du lit fluidisé. Pour éliminer les cendres introduites avec le combustible, une partie du matériau du lit en est continuellement retirée sous forme de scories à grains fins - le plus souvent, elle est simplement « évacuée » à travers les trous du foyer, car le lit fluidisé est capable de s'écouler comme un liquide.

Fours à lit fluidisé circulant. DANS Dernièrement des fours de deuxième génération avec ce qu'on appelle un lit fluidisé circulant sont apparus. Un cyclone est installé derrière ces foyers, dans lequel toutes les particules imbrûlées sont captées et renvoyées vers le foyer. Cependant, les particules restent « enfermées » dans le système four-cyclone-four jusqu’à ce qu’elles brûlent complètement. Ces foyers sont très économiques, non inférieurs à la méthode de combustion en chambre, tout en conservant tous les avantages environnementaux.

Les fours à lit fluidisé sont largement utilisés non seulement dans le secteur de l'énergie, mais également dans d'autres industries, par exemple pour brûler des pyrites afin de produire ALORS 2, grillage de divers minerais et de leurs concentrés (zinc, cuivre, nickel, contenant de l'or), etc. (Du point de vue de la théorie de la combustion, grillage, par exemple, du minerai de zinc selon la réaction 2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2 est la combustion de ce « carburant » spécifique, qui se déroule, comme toutes les réactions de combustion, avec le dégagement de grandes quantités de chaleur.) Les fours à lit fluidisé sont largement utilisés, notamment à l'étranger, pour la neutralisation du feu (c'est-à-dire la combustion) de divers déchets industriels dangereux ( solide, liquide et gazeux) - boues provenant de la clarification des eaux usées, déchets, etc.

Thème 12. Fours de l'industrie chimique. Schéma schématique d'un four à combustible. Classification des fours dans l'industrie chimique. Principaux types de fours, caractéristiques de leur conception. Bilan thermique des fours

Fours pour l'industrie chimique. Schéma de principe d'un four à combustible

Un four industriel est une unité énergétique et technologique conçue pour le traitement thermique des matériaux afin de leur conférer les propriétés nécessaires. La source de chaleur dans les fours à combustible (à flamme) est différentes sortes combustible carboné (gaz, fioul, etc.). Les installations de fours modernes sont souvent de grandes unités mécanisées et automatisées à haute productivité.

Valeur la plus élevée pour sélectionner le mode de processus technologique a une température optimale processus technologique, qui est déterminé par des calculs thermodynamiques et cinétiques de processus. Le régime de température optimal du processus correspond aux conditions de température dans lesquelles une productivité maximale pour le produit cible dans un four donné est assurée.

Généralement température de fonctionnement dans le four est légèrement inférieur à l'optimal, cela dépend des conditions de combustion du combustible, des conditions d'échange thermique, des propriétés isolantes et de la durabilité du revêtement du four, des propriétés thermophysiques du matériau traité, etc.
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facteurs. Par exemple, pour les fours de cuisson, la température de fonctionnement se situe dans la plage comprise entre la température des processus d'oxydation active et la température de frittage des produits de cuisson. Le régime thermique d'un four est compris comme un ensemble de processus d'inertie thermique, de transfert de chaleur de masse et de mécanique des milieux qui assurent la répartition de la chaleur dans la zone de traitement technologique. Le régime thermique de la zone de traitement technologique détermine le régime thermique de l'ensemble du four.

Le mode de fonctionnement des fours est fortement influencé par la composition de l'atmosphère gazeuse dans le four, nécessaire au bon déroulement du processus technologique. Pour les processus d'oxydation, l'environnement gazeux du four doit contenir de l'oxygène dont la quantité varie de 3 à 15 % ou plus. Un environnement réducteur se caractérise par une faible teneur en oxygène (jusqu'à 1 à 2 %) et la présence de gaz réducteurs (CO, H 2, etc.) de 10 à 20 % ou plus. La composition de la phase gazeuse détermine les conditions de combustion du combustible dans le four et dépend de la quantité d'air fournie à la combustion.

Le mouvement des gaz dans un four a un impact significatif sur le processus technologique, la combustion et le transfert de chaleur, et dans les fours, les fours à lit fluidisé ou vortex, le mouvement des gaz est le principal facteur de fonctionnement stable. Le mouvement forcé des gaz est réalisé par des extracteurs de fumée et des ventilateurs.

La vitesse du processus technologique est affectée par le mouvement du matériau soumis au traitement thermique.

Le schéma d'installation du four comprend les éléments suivants : un dispositif de combustion pour brûler le combustible et organiser l'échange thermique ; espace de travail du four pour exécuter le mode technologique cible ; dispositifs d'échange de chaleur pour régénérer la chaleur des fumées (gaz de chauffage, air); installations de récupération (chaudières de récupération) pour utiliser la chaleur des gaz de combustion ; dispositifs de traction et de soufflage (extracteurs de fumée, ventilateurs) pour éliminer la combustion du combustible et des produits gazeux du traitement thermique des matériaux et alimenter en air les brûleurs, les buses sous la grille ; appareils de nettoyage (filtres, etc.).

Caractéristiques de la combustion de combustibles solides - concept et types. Classification et caractéristiques de la catégorie « Caractéristiques de la combustion des combustibles solides » 2017, 2018.

En raison de la popularité croissante des chaudières à combustible solide, un grand nombre d'acheteurs potentiels de cet équipement s'intéressent à la question de savoir quel type de combustible solide privilégier comme principal et, en fonction de la décision prise, commandent l'un ou l'autre. type d'équipement de chauffage.

Le principal indicateur de tout combustible, pas seulement du combustible solide, est son transfert de chaleur, qui est assuré par la combustion du combustible solide. Dans ce cas, le transfert de chaleur du combustible solide est directement lié à son type, ses propriétés et sa composition.

Un peu de chimie

La composition du combustible solide comprend les substances suivantes : carbone, hydrogène, oxygène et composés minéraux. Lorsque le carburant est brûlé, le carbone et l'hydrogène se combinent avec l'oxygène de l'air (l'agent oxydant naturel le plus puissant) - une réaction de combustion se produit, libérant une grande quantité d'énergie thermique. De plus, les produits de combustion gazeux sont éliminés par le système d'évacuation des fumées et les produits de combustion solides (cendres et scories) tombent sous forme de déchets par la grille.

En conséquence, la tâche principale du concepteur d'équipements de chauffage fonctionnant au combustible solide est d'assurer la combustion la plus longue d'un poêle à combustible solide ou d'une chaudière à combustible solide. À l'heure actuelle, certains progrès ont été réalisés dans ce domaine : des chaudières à combustible solide à combustion longue fonctionnant selon le principe de la combustion par le haut et le procédé de pyrolyse sont apparues sur le marché.

Pouvoir calorifique des principaux types de combustibles solides

• Bois de chauffage. En moyenne (selon le type de bois) et humidité de 2800 à 3300 kcal/kg.
• Tourbe – selon l'humidité de 3 000 à 4 000 kcal/kg.
• Charbon - selon le type (anthracite, brun ou flamboyant) de 4 700 à 7 200 kcal/kg.
• Briquettes et pellets pressés – 4500 kcal/kg.

En d'autres termes, le processus de combustion de différents types de combustible solide s'accompagne de différentes quantités d'énergie thermique libérée, de sorte que le choix du type principal de combustible doit être fait de manière très responsable - dans ce cas, soyez guidé dans cette affaire par les informations spécifié dans la documentation opérationnelle (passeport ou mode d'emploi) de tel ou tel équipement à combustible solide.

Brève description des principaux types de combustibles solides

Bois de chauffage

Le type de carburant le plus accessible et donc le plus répandu en Russie. Comme déjà mentionné, la quantité de chaleur générée lors du processus de combustion dépend du type de bois et de sa teneur en humidité. Il convient de noter que lors de l'utilisation de bois de chauffage comme combustible pour une chaudière à pyrolyse, il existe une limitation de l'humidité, qui dans ce cas ne doit pas dépasser 15 à 20 %.

Tourbe

La tourbe est constituée des restes comprimés de plantes pourries qui reposent longue durée dans l'épaisseur du sol. Selon la méthode d'extraction, on distingue la tourbe élevée et la tourbe faible. Et selon son état d'agrégation, la tourbe peut être : taillée, en morceaux et pressée sous forme de briquettes. En termes de quantité d’énergie thermique libérée, la tourbe est similaire au bois de chauffage.

Charbon

Le charbon est le type de combustible solide le plus calorique et nécessite une technologie d'allumage spéciale. En général, pour allumer un poêle ou une chaudière à charbon, vous devez d'abord allumer le foyer avec du bois et ensuite seulement charger du charbon (brun, flamboyant ou anthracite) sur le bois de chauffage bien éclairé.

Briquettes et pellets

Ce le nouveau genre combustible solide, différant par la taille des éléments individuels. Les briquettes sont plus grosses et les pellets sont plus petits. La matière première pour la production de briquettes et de pellets peut être n'importe quelle substance « combustible » : copeaux de bois, poussière de bois, paille, coques de noix, tourbe, coques de tournesol, écorce, carton et autres substances combustibles « en vrac » disponibles gratuitement.

Avantages des briquettes et des pellets

• Carburant renouvelable respectueux de l’environnement à haut pouvoir calorifique.
• Combustion longue grâce à la haute densité du matériau.
• Rangement pratique et compact.
• La quantité minimale de cendres après combustion est de 1 à 3 % du volume.
• Faible coût relatif.
• Possibilité d'automatiser le processus de fonctionnement de la chaudière.
• Convient à tous les types de chaudières à combustible solide et de poêles domestiques.

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Le processus de combustion d'un combustible solide comprend également un certain nombre d'étapes successives. Tout d'abord, la formation du mélange et la préparation thermique du carburant se produisent, y compris le séchage et la libération des substances volatiles. Les gaz inflammables et les résidus de coke qui en résultent, en présence d'un comburant, brûlent ensuite pour former des gaz de combustion et un résidu solide non combustible - les cendres. L'étape la plus longue est la combustion du coke - carbone, qui est le principal composant combustible de tout combustible solide. Par conséquent, le mécanisme de combustion des combustibles solides est largement déterminé par la combustion du carbone.

Le processus de combustion du combustible solide peut être divisé en les étapes suivantes : chauffage et évaporation de l'humidité, sublimation des matières volatiles et formation de coke, combustion des matières volatiles et du coke, formation de scories. Lors de la combustion d'un combustible liquide, il ne se forme pas de coke et de scories ; lors de la combustion d'un combustible gazeux, il n'y a que deux étapes : le chauffage et la combustion.

Le processus de combustion du combustible solide peut être divisé en deux périodes : la période de préparation du combustible pour la combustion et la période de combustion.

Le processus de combustion du combustible solide peut être divisé en plusieurs étapes : chauffage et évaporation de l'humidité, sublimation des matières volatiles et formation de coke, combustion des matières volatiles, combustion du coke.

Le processus de combustion de combustible solide dans un flux à des pressions élevées conduit à une réduction des dimensions des chambres de combustion et à une augmentation significative des contraintes thermiques. Foyers fonctionnant à hypertension artérielle, ne sont pas largement utilisés.

Le processus de combustion des combustibles solides n’a pas été suffisamment étudié théoriquement. La première étape du processus de combustion, conduisant à la formation d'un composé intermédiaire, est déterminée par la dissociation de l'agent oxydant à l'état adsorbé. Vient ensuite la formation d’un complexe carbone-oxygène et la dissociation de l’oxygène moléculaire à l’état atomique. Les mécanismes de catalyse hétérogène appliqués aux réactions d'oxydation de substances carbonées reposent également sur la dissociation de l'agent oxydant.

Le processus de combustion du combustible solide peut être divisé en trois étapes, superposées les unes sur les autres.

Le processus de combustion de combustible solide peut être considéré comme un processus en deux étapes avec des limites vaguement définies entre deux étapes : une gazéification primaire incomplète dans un processus hétérogène, dont le taux dépend principalement de la vitesse et des conditions d'alimentation en air, et secondaire - combustion des gaz dégagés selon un processus homogène dont la vitesse dépend principalement de la cinétique des réactions chimiques. Plus un carburant contient de substances volatiles, plus sa vitesse de combustion dépend de la vitesse des réactions chimiques qui se produisent.

L'intensification du processus de combustion du combustible solide et une augmentation significative du degré de collecte des cendres sont obtenues dans les fours cyclones. C, auquel les cendres fondent et les scories liquides sont évacuées par des trous de coulée dans la partie inférieure du dispositif de combustion.

La base du processus de combustion d'un combustible solide est l'oxydation du carbone, qui est le composant principal de sa masse combustible.

Pour le processus de combustion des combustibles solides, les réactions de combustion du monoxyde de carbone et de l'hydrogène présentent un intérêt évident. Pour les combustibles solides riches en substances volatiles dans un certain nombre de procédés et schémas technologiques il est nécessaire de connaître les caractéristiques de combustion des gaz d'hydrocarbures. Le mécanisme et la cinétique des réactions de combustion homogènes sont discutés au Chap. En plus des réactions secondaires mentionnées ci-dessus, la liste doit être complétée par des réactions hétérogènes de décomposition du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau, la réaction de conversion du monoxyde de carbone avec la vapeur d'eau et une famille de réactions de formation de méthane qui se produisent à des vitesses notables lors de la gazéification. sous haute pression.

La combustion du combustible solide s'effectue en deux étapes : préparation thermique ; la combustion elle-même.

Dans un premier temps, le carburant est chauffé et séché. À 100 C, la décomposition pyrogénétique des composants du carburant commence par la libération de substances volatiles gazeuses. (Zone I). La durée de ce processus dépend de la teneur en humidité du carburant, de la taille des particules et des conditions d'échange thermique entre les particules de carburant et l'environnement de combustion.

La combustion du carburant commence par l'inflammation des substances volatiles (zone II). t dans cette zone est de 400-600 C. Lors de la combustion, de la chaleur est dégagée, ce qui assure un échauffement accéléré et une inflammation des résidus de coke. (Deux conditions nécessaires pour que le combustible brûle : la température et une quantité suffisante de comburant. Dans tout foyer, il y a 2 entrées : une pour le combustible et l'autre pour le comburant)

Ce processus se produit en dixièmes de secondes. Les substances volatiles brûlent de 0,2 à 0,5 seconde. Q est libéré lorsque t 800-1000 - zone III commence. La combustion du coke commence à une température de 1 000 C et se produit dans la région III. Ce processus est long. 1 – Tenvironnement gazeux autour de la particule. 2 –Tla particule elle-même . je– zone de préparation thermique,II– zone de combustion de substances volatiles,III– combustion de particules de coke.

III – processus hétérogène. La vitesse dépend de la vitesse de l'apport d'oxygène. La durée de combustion des particules de coke est de ½ à 2/3 de la durée de combustion totale (de 1 à 2,5 s) - dépend du type et de la taille du combustible. Dans les carburants jeunes, le processus de carbonisation n'est pas terminé, avec un rendement important en matières volatiles. Résidus de coke< ½ начальной массы частицы. Горение идет быстро, возможность недожога низкая. У стар. топ. большой коксовый остаток, ближе к начальн размерам частиц. Время горения 1 мм ~ 1-2,5 с. Кокс остаток С = 60-97% массы топлива органического. 1 – surface des particules de coke, 2 – couche laminaire étroite d'épaisseur δ, 3 – zone d'écoulement turbulent.

L'oxygène est fourni de l'environnement à la particule de carbone en raison d'une diffusion turbulente, qui a une intensité élevée, mais près de la surface de la particule se trouve une fine couche de gaz (2), où l'apport de comburant est soumis aux lois de la molécule. diffusion (lam sl) - elle inhibe l'apport d'oxygène à la surface de la particule. Dans cette couche se produit la combustion des composants gazeux inflammables libérés par la surface du carbone lors de réactions chimiques.

La quantité d'oxygène fournie par unité de temps à une unité de surface d'une particule par diffusion turbulente est déterminée par :

GOK = A(SPOT-SSL) (1) , A – ensemble de transferts de masse turbulents. La même quantité d’oxygène diffuse à travers la couche immergée en raison de la diffusion moléculaire :

GOK = Dδ (SSL-SPOV) (2) D – ensemble de couches immergées dif-et h/w δ. SSL = gD'ACCORD* δ D+ SPOV, GOK = A(SPOT – gD'ACCORD* δ D– SPOV) , ​​​​GOK = UN*( S POT – SPOV ) 1+ UNEδD = ( S POT – SPOV ) 1 UN + δ D = αD*(SPOT – SPOV), 1 UN + δ D= αD – constante de vitesse de diffusion généralisée.

Le nombre d'entrées dépend de αD et de la différence entre les concentrations de l'écoulement et de la surface. L'apport d'oxygène à la surface de réaction du carburant est déterminé par le taux de diffusion et la concentration en oxygène dans l'écoulement et sur la surface de réaction.

Dans un mode de combustion en régime permanent, la quantité d'oxygène fournie à la surface de réaction par diffusion est égale à la quantité d'oxygène qui a réagi avec cette surface.

ωР = αД(SPOT – SPOV) . En même temps, la vitesse de combustion : ωГ = k*SPOT, s'ils sont égaux, alors il peut déterminer : ωГ = 1 1 K + 1 α D* AVECTRANSPIRER= kg*SPOT. Kg = 1 1 K + 1 α D = K * α D α D + K (*) – constante de combustion réduite. 1 kg = 1 K + 1 α D– résistance généralisée au processus de combustion. 1/k – résistance cinétique, déterminée par le débit chem r-je la combustion; 1/αD – résistance physique (diffusion) – dépend de l’intensité de l’apport d’agent oxydant.

En fonction de la résistance, on distingue les régions cinétiques et de diffusion de combustion hétérogène.

I – région cinétique (ωG = k*SPOT), II – région intermédiaire, III – région de diffusion (ωG = αD*SPOT)

Selon la loi d'Arrhenius, la vitesse d'une réaction chimique dépend de la température. αD (différentiel constant) répond mal à la température. À des températures inférieures à 800-1 000 C, la réaction chimique se déroule lentement, malgré l'excès d'O2 près de la surface solide. Dans ce cas, 1/k est une grande valeur – la combustion est inhibée par la cinétique de p-i (t est petit) et la région est appelée Région de combustion cinétique. (1/k >> 1/αD) . k<<αД, kГ ~k (*) – Le flux étant lent, l'oxygène fourni par diffusion n'est pas consommé et sa concentration à la surface de réaction est approximativement égale à la concentration dans le flux ωГ = k*SPOT - c'est la vitesse de combustion dans la région cinétique.

Le taux de combustion dans la région cinétique ne changera pas avec un apport accru d'oxygène, en améliorant les processus aérodynamiques (régionje), mais dépend du facteur cinétique, à savoir la température. Approvisionnement en consommation ok-la >> - la concentration reste presque inchangée. À mesure que t augmente, la vitesse de réaction augmente et la concentration d’O2 et de C diminue. De plus, t entraîne une augmentation du taux de combustion et sa valeur est limitée par le manque d'apport d'O2 à la surface et une diffusion insuffisante. Concentration d'oxygène à la surface →0.

La région de combustion dans laquelle la vitesse du processus dépend des facteurs de diffusion est appelée Zone de diffusionIII. Ici k>>αД ( Depuis * ) : kG ~ αD. Le taux de diffusion de la combustion est limité par l'apport d'O2 à la surface et sa concentration dans le flux.

Les régions de diffusion et cinétiques sont séparées par la zone intermédiaire II, où le taux d'apport d'oxygène et le taux de réaction chimique sont approximativement égaux. Plus le combustible solide est petit, plus la zone de transfert de chaleur et de masse est grande.

Dans les zones II et III, la combustion peut être améliorée par l'apport d'oxygène. À des vitesses élevées, la résistance et l'épaisseur de la couche laminaire augmentent ainsi que l'apport d'oxygène. Plus la vitesse est élevée, plus le carburant se mélange intensément avec l'O2 et plus la transition de la cinétique à l'industrielle se produit, puis à la région différentielle. À mesure que la taille des particules diminue, la zone de combustion cinétique augmente, car les particules de petite taille ont un transfert de chaleur et de masse plus développé avec l'environnement.

D1>d2>d3, v1>v2>v3

D – taille des particules du carburant pulvérisé, v – vitesse de mélange du carburant avec l'air – vitesse d'alimentation en carburant

L'allumage de tout carburant commence à un t relativement bas lorsque la quantité de carburant est disponible (I). La combustion différentielle pure III est limitée par le noyau de flamme. Une augmentation de la température entraîne un déplacement vers la région de combustion par diffusion. La zone de combustion par diffusion est située du cœur de la torche à la zone de postcombustion, où la concentration des réactifs est faible et leur interaction est déterminée par les lois de diffusion.

Ainsi, si la combustion se produit dans la région de diffusion ou intermédiaire, alors avec une diminution de la taille des particules de carburant pulvérisé, le processus se déplace vers une combustion cinétique. Le domaine de la combustion purement diffusive est limité. Ceci est observé au cœur du panache avec Température maximale la combustion. En dehors du noyau, la combustion se produit dans la région cinétique ou intermédiaire, caractérisée par une forte dépendance de la vitesse de combustion à la température.

Des zones de combustion cinétiques et intermédiaires se produisent également dans la zone d'inflammation du flux poussière-air, et la combustion de carburants de tous types avec formation préalable d'un mélange se produit dans la zone de diffusion ou intermédiaire.

Catégorie K : Fours

Principales caractéristiques des processus de combustion de carburant

Les poêles peuvent utiliser des combustibles solides, liquides et gazeux. Chacun de ces combustibles possède ses propres caractéristiques qui affectent l’efficacité de l’utilisation du poêle.

Les conceptions de fours de chauffage ont été créées sur une longue période et étaient destinées à brûler des combustibles solides. Ce n'est que plus tard que des modèles conçus pour utiliser des combustibles liquides et gazeux ont commencé à être créés. Afin d'utiliser le plus efficacement possible ces types précieux dans les fours existants, il est nécessaire de savoir en quoi les processus de combustion de ces combustibles diffèrent de la combustion de combustibles solides.

Dans tous les fours, le combustible solide (bois, divers types de charbon, anthracite, coke, etc.) est brûlé sur des grilles en couches, avec un chargement périodique de combustible et un nettoyage des grilles des scories. Le processus de combustion des couches a un caractère clairement cyclique. Chaque cycle comprend les étapes suivantes : chargement du combustible, séchage et chauffage de la couche, libération des substances volatiles et leur combustion, combustion du combustible dans la couche, post-combustion des résidus et, enfin, élimination des scories.

À chacune de ces étapes, un certain régime thermique est créé et le processus de combustion dans le four se produit avec des indicateurs en constante évolution.
L'étape primaire de séchage et de chauffage de la couche est de nature dite endothermique, c'est-à-dire qu'elle s'accompagne non pas d'un dégagement, mais de l'absorption de chaleur reçue des parois chaudes du foyer et des résidus imbrûlés. Ensuite, à mesure que la couche se réchauffe, la libération de composants combustibles gazeux commence et leur combustion dans le volume de gaz commence. A ce stade, le dégagement de chaleur dans le foyer commence, qui augmente progressivement. Sous l'influence du chauffage, la combustion de la base de coke solide de la couche commence, ce qui donne généralement le plus grand effet thermique. Au fur et à mesure que la couche brûle, le dégagement de chaleur diminue progressivement et, au stade final, une postcombustion de faible intensité des substances combustibles a lieu. On sait que le rôle et l'influence des différentes étapes du cycle de combustion en couches dépendent des indicateurs suivants de la qualité du combustible solide : humidité, teneur en cendres, teneur en substances combustibles volatiles et carbone dans le combustible.
masse.

Considérons comment ces composants influencent la nature du processus de combustion dans la couche.

L'humidification du carburant a un effet négatif sur la combustion puisqu'une partie de la chaleur spécifique de combustion du carburant doit être dépensée pour l'évaporation de l'humidité. En conséquence, les températures dans le foyer diminuent, les conditions de combustion se détériorent et le cycle de combustion lui-même se prolonge.

Le rôle négatif de la teneur en cendres du carburant se manifeste par le fait que la masse de cendres enveloppe les composants combustibles du carburant et empêche l'oxygène de l'air d'y accéder. En conséquence, la masse combustible de carburant ne brûle pas, ce qu'on appelle une sous-combustion mécanique se forme.

Des recherches menées par des scientifiques ont établi que le rapport entre la teneur en substances gazeuses volatiles et en carbone solide dans le combustible solide a une grande influence sur la nature du développement des processus de combustion. Les substances combustibles volatiles commencent à être libérées du combustible solide à des températures relativement basses, à partir de 150-200 °C et plus. Les substances volatiles sont de composition variée et diffèrent par différentes températures de libération, de sorte que le processus de leur libération s'étend dans le temps et son étape finale est généralement combinée avec la combustion de la partie combustible solide de la couche.

Les substances volatiles ont relativement basse température allumage, car ils contiennent de nombreux composants contenant de l'hydrogène, leur combustion se produit dans le volume de gaz situé au-dessus de la chambre de combustion. La partie solide du combustible restant après le dégagement de substances volatiles est principalement constituée de carbone, dont la température d'inflammation est la plus élevée (650-700°C). La combustion des résidus de carbone commence en dernier. Il se produit directement dans une fine couche de la grille et, en raison d'une production de chaleur intense, des températures élevées s'y développent.

Une image typique des changements de température dans le four et les conduits de fumée pendant le cycle de combustion du combustible solide est présentée sur la Fig. 1. Comme vous pouvez le constater, au début du foyer, il y a une augmentation rapide de la température dans le foyer et les cheminées. Au stade de post-combustion, il y a une forte diminution de la température à l'intérieur du four, en particulier dans le foyer. Chaque étape nécessite qu'une certaine quantité d'air de combustion soit fournie au foyer. Cependant, du fait qu'une quantité constante d'air pénètre dans le four, au stade de combustion intense, le coefficient d'excès d'air est de = 1,5-2, et au stade de post-combustion, dont la durée atteint 25-30 % du temps de four, le coefficient d'excès d'air atteint = 8-10. En figue. La figure 2 montre comment le coefficient d'excès d'air évolue au cours d'un cycle de combustion sur une grille de trois types de combustible solide : le bois de chauffage, la tourbe et le charbon dans un four de chauffage discontinu typique.

Riz. 1. Modification de la température des fumées dans différentes sections d'un four de chauffage lors de la cuisson de combustible solide 1 - température dans le foyer (à une distance de 0,23 m de la grille) ; 1 - température dans la première cheminée horizontale ; ’3 - température dans la troisième cheminée horizontale ; 4 - température dans la sixième cheminée horizontale (devant le registre du poêle)

De la fig. 2 montre que le coefficient d'excès d'air dans les fours fonctionnant avec un chargement périodique de combustible solide change continuellement.

Dans le même temps, au stade de la libération intensive de substances volatiles, la quantité d'air entrant dans le four est généralement insuffisante pour leur combustion complète, et aux étapes de préchauffage et de postcombustion des substances combustibles, la quantité d'air est plusieurs fois plus élevée. que celui théoriquement requis.

En conséquence, au stade de libération intense de substances volatiles, une sous-combustion chimique des gaz combustibles libérés se produit et lorsque les résidus sont brûlés, il y a une augmentation des pertes de chaleur avec les gaz d'échappement en raison d'une augmentation du volume des produits de combustion. Les pertes de chaleur avec sous-combustion chimique sont de 3 à 5 % et avec les gaz d'échappement de 20 à 35 %. Cependant, l'effet négatif de la sous-combustion chimique ne se manifeste pas seulement par des pertes de chaleur supplémentaires et une diminution de l'efficacité. Expérience dans l'exploitation d'un grand nombre de spectacles de poêles chauffants ; qu'en raison de la sous-combustion chimique de substances volatiles intensément libérées, du carbone amorphe sous forme de suie se dépose sur les parois internes du foyer et des cheminées.

Riz. 2. Modification du coefficient d'excès d'air pendant le cycle de combustion de combustible solide

La suie ayant une faible conductivité thermique, ses dépôts augmentent la résistance thermique des parois du four et réduisent ainsi le transfert de chaleur utile des fours. Les dépôts de suie dans les cheminées rétrécissent la section transversale de passage des gaz, nuisent au tirage et, enfin, créent un risque d'incendie accru, car la suie est inflammable.

De ce qui précède, il ressort clairement que les performances insatisfaisantes du processus de stratification s'expliquent en grande partie par la libération inégale de substances volatiles au fil du temps.

Lors de la combustion en couches de combustibles à haute teneur en carbone, le processus de combustion est concentré dans une couche de combustible assez fine, dans laquelle se développent des températures élevées. Le processus de combustion du carbone pur dans la couche a la propriété de s’autoréguler. Cela signifie que la quantité de carbone ayant réagi (brûlé) correspondra à la quantité de comburant fourni (air). Par conséquent, avec un débit d’air constant, la quantité de carburant brûlée sera également constante. La modification de la charge thermique doit être effectuée en régulant l'alimentation en air VB. Par exemple, avec une augmentation de VB, la quantité de combustible brûlé augmente, et une diminution de HC entraînera une diminution de la productivité thermique de la couche, et la valeur du coefficient d'excès d'air restera stable.

Cependant, la combustion de l'anthracite et du coke est associée aux difficultés suivantes. Pour pouvoir créer des températures élevées, l'épaisseur de la couche lors de la combustion de l'anthracite et du coke est maintenue suffisamment grande. Dans ce cas, la zone de travail de la couche est sa partie inférieure relativement mince, dans laquelle se produisent des réactions exothermiques d'oxydation du carbone avec l'oxygène de l'air, c'est-à-dire que la combustion elle-même se produit. L'ensemble de la couche sus-jacente sert d'isolant thermique pour la partie brûlante de la couche, protégeant la zone de combustion du refroidissement dû au rayonnement de chaleur sur les parois du foyer.

À la suite de réactions oxydantes dans la zone de combustion, de la chaleur utile est libérée en fonction de la réaction.
c+o2->co.

Cependant, à des températures élevées de la couche dans sa zone supérieure, des réactions endothermiques de réduction inverse se produisent, se produisant avec absorption de chaleur, selon l'équation
С02+С2СО.

À la suite de ces réactions, il se forme du monoxyde de carbone CO, qui est un gaz inflammable avec une chaleur spécifique de combustion assez élevée, sa présence dans les fumées indique donc une combustion incomplète du combustible et une diminution de l'efficacité du four. Ainsi, pour assurer des températures élevées dans la zone de combustion, la couche de combustible doit avoir une épaisseur suffisante, mais cela conduit à des réactions de réduction néfastes dans la partie supérieure de la couche, conduisant à une sous-combustion chimique du combustible solide.

De ce qui précède, il est clair que dans tout four discontinu fonctionnant au combustible solide, un processus de combustion instable se produit, ce qui réduit inévitablement l'efficacité des fours exploités.

Grande importance pour un fonctionnement économique, le poêle a la qualité d'un combustible solide.

Selon les normes, on distingue principalement les houilles (grades D, G, Zh, K, T, etc.), ainsi que les lignites et les anthracites pour les besoins domestiques. Selon la taille des morceaux, les charbons doivent être fournis dans les classes suivantes : 6-13, 13-25, 25-50 et 50-100 mm. La teneur en cendres du charbon sur une base sèche varie de 14 à 35 % pour charbons durs et jusqu'à 20 % pour l'anthracite, humidité - 6 à 15 % pour le houille et 20 à 45 % pour le lignite.

Les appareils de combustion des fours domestiques ne disposent pas de moyens de mécanisation du processus de combustion (régulation de l'apport d'air soufflé, cisaillement de la couche, etc.), par conséquent, pour une combustion efficace dans les fours, des exigences assez élevées doivent être imposées sur la qualité du charbon. Une partie importante du charbon est cependant fournie non triée, ordinaire, avec des caractéristiques de qualité (humidité, teneur en cendres, teneur en fines) nettement inférieures à celles exigées par les normes.

La combustion du carburant de qualité inférieure se produit de manière imparfaite, avec des pertes accrues dues à la sous-combustion chimique et mécanique. Académie utilitaires eux. K.D. Pamfilova a déterminé les dommages matériels annuels causés par la fourniture de charbon de mauvaise qualité. Les calculs ont montré que les dommages matériels causés par une utilisation incomplète du combustible représentent environ 60 % du coût de la production de charbon. Il est économiquement et techniquement possible d'enrichir le carburant sur les sites de sa production jusqu'à un état conditionnable, puisque les coûts supplémentaires de l'enrichissement s'élèveront à environ la moitié du montant spécifié des dommages matériels.

Une caractéristique qualitative importante du charbon qui affecte l'efficacité de sa combustion est sa composition fractionnée.

À contenu accru dans les fines de carburant, une fois compactées, elles comblent les interstices de la couche de combustible en combustion, ce qui conduit à une combustion du cratère, qui est inégale sur la surface de la couche. Pour la même raison, les lignites, qui ont tendance à se fissurer lorsqu'elles sont chauffées pour former un montant significatif petites choses.

En revanche, l’utilisation de morceaux de charbon trop gros (plus de 100 mm) conduit également à une combustion de cratère.

La teneur en humidité du charbon, d’une manière générale, n’altère pas le processus de combustion ; mais cela réduit chaleur spécifique combustion, température de combustion, et complique également le stockage du charbon, car à des températures inférieures à zéro, il gèle. Pour éviter le gel, la teneur en humidité du charbon ne doit pas dépasser 8 %.

Le composant nocif du combustible solide est le soufre, car ses produits de combustion sont le dioxyde de soufre S02 et le dioxyde de soufre S03, qui ont de fortes propriétés corrosives et sont également très toxiques.

Il convient de noter que dans les fours discontinus, les charbons bruts, bien que moins efficaces, peuvent néanmoins être brûlés de manière satisfaisante ; Pour les fours à combustion longue, ces exigences doivent être strictement respectées dans leur intégralité.

Dans les fours continus dans lesquels du combustible liquide ou gazeux est brûlé, le processus de combustion n'est pas cyclique, mais continu. Le combustible pénètre uniformément dans le four, assurant un mode de combustion stationnaire. Si, lors de la combustion de combustible solide, la température dans la chambre de combustion du four fluctue considérablement, ce qui affecte négativement le processus de combustion, alors lors de la combustion de gaz naturel, peu de temps après avoir allumé le brûleur, la température dans la chambre de combustion atteint 650-700 ° C. Ensuite, elle augmente constamment avec le temps et atteint 850-1100 °C en sortie de foyer. Dans ce cas, le taux d'augmentation de la température est déterminé par la contrainte thermique de l'espace de combustion et la durée d'allumage du four (Fig. 25). La combustion du gaz est relativement facile à maintenir à un taux d'excès d'air constant, ce qui est obtenu à l'aide d'un registre d'air. Grâce à cela, lors de la combustion de gaz dans un four, un mode de combustion stationnaire est créé, ce qui permet de minimiser les pertes de chaleur avec les gaz d'échappement et d'obtenir un fonctionnement du four avec un rendement élevé, atteignant 80 à 90 %. Le rendement d’une fournaise à gaz est stable dans le temps et est nettement supérieur à celui des fournaises à combustible solide.

L'influence du mode de combustion du combustible et de la taille de la surface réceptrice de chaleur de la circulation des fumées sur l'efficacité du four. Les calculs théoriques montrent que l'efficacité thermique d'un four de chauffage, c'est-à-dire la valeur de l'efficacité thermique, dépend de facteurs dits externes et internes. Les facteurs externes comprennent la taille de la surface extérieure dégageant de la chaleur S du four dans la zone du foyer et de la circulation des fumées, l'épaisseur de la paroi 6, le coefficient de conductivité thermique K du matériau de la paroi du four et la capacité thermique C. Plus la valeur est grande. . S, X et inférieur à 6, meilleur est le transfert de chaleur des parois du four vers l'air ambiant, plus les gaz sont complètement refroidis et plus le rendement du four est élevé.

Riz. 3. Modification de la température des produits de combustion dans le foyer d'un four à gaz en fonction de la tension de l'espace de combustion et du temps de combustion

Les facteurs internes comprennent tout d'abord l'efficacité du foyer, qui dépend principalement de l'exhaustivité de la combustion du combustible. Dans les fours à chauffage périodique, il y a presque toujours des pertes de chaleur dues à une combustion chimique incomplète et à une sous-combustion mécanique. Ces pertes dépendent de la perfection de l'organisation du processus de combustion, déterminée par la tension thermique spécifique du volume de combustion Q/V. La valeur QIV pour un foyer d'une conception donnée dépend de la consommation de combustible brûlé.

La recherche et l'expérience d'exploitation ont établi que pour chaque type de combustible et de conception de foyer, il existe une valeur Q/V optimale. À faible Q/V, les parois internes du foyer chauffent faiblement et les températures dans la zone de combustion sont insuffisantes pour une combustion efficace du combustible. À mesure que le Q/V augmente, les températures dans le volume de combustion augmentent et lorsqu'une certaine valeur Q/V est atteinte, des conditions de combustion optimales sont atteintes. Avec une nouvelle augmentation de la consommation de carburant, le niveau de température continue d'augmenter, mais le processus de combustion n'a pas le temps de se terminer dans le foyer. Les composants combustibles gazeux sont entraînés dans les conduits de fumée, leur processus de combustion s'arrête et une sous-combustion chimique du carburant apparaît. De la même manière, si la consommation de carburant est excessive, une partie n'a pas le temps de brûler et reste sur la grille, ce qui entraîne une sous-combustion mécanique. Ainsi, pour qu'un poêle ait une efficacité maximale, il est nécessaire que son foyer fonctionne avec une tension thermique optimale.

Perte de chaleur dans environnement des parois du foyer ne réduisent pas l'efficacité du poêle, puisque la chaleur est dépensée pour le chauffage utile de la pièce.

Le deuxième facteur interne important est le débit de fumées Vr. Même si le poêle fonctionne à la tension thermique optimale du foyer, le volume de gaz traversant les cheminées peut changer considérablement en raison des modifications du coefficient d'excès d'air à, qui est le rapport entre le débit d'air réel entrant dans le foyer et le débit théorique. quantité requise. Pour une valeur donnée de QIV, la valeur de am peut varier dans des limites très larges. Dans les fours à chauffage périodique classiques, la valeur de am pendant la période de combustion maximale peut être proche de 1, c'est-à-dire correspondre à la limite théorique minimale possible. Cependant, pendant la période de préparation du combustible et au stade de post-combustion des résidus, la valeur de at dans les fours discontinus augmente généralement fortement, atteignant souvent le maximum valeurs élevées- environ 8h-10h. Avec une augmentation de at, le volume de gaz augmente, le temps qu'ils passent dans le système de circulation des fumées diminue et, par conséquent, les pertes de chaleur avec les fumées augmentent.

En figue. La figure 4 montre des graphiques de l'efficacité d'un four de chauffage en fonction de divers paramètres. En figue. La figure 4a montre les valeurs d'efficacité du four de chauffage en fonction des valeurs de at> à partir desquelles on peut voir qu'avec une augmentation de at de 1,5 à 4,5, le rendement diminue de 80 à 48 %. En figue. La figure 4, b montre la dépendance de l'efficacité d'un four de chauffage sur la taille de la surface interne de la circulation des fumées S, d'où on peut voir qu'à mesure que S augmente de 1 à 4 m2, l'efficacité augmente de 65 à 90%.

En plus des facteurs énumérés, la valeur d'efficacité dépend de la durée de cuisson du four t (Fig. 4, c). À mesure que x augmente, les parois intérieures du four sont chauffées à une température plus élevée et les gaz sont en conséquence moins refroidis. Par conséquent, à mesure que la durée du feu augmente, l'efficacité de tout poêle diminue, se rapprochant d'une certaine valeur minimale caractéristique d'un poêle d'une conception donnée.

Riz. 4. Dépendance de l'efficacité d'un four de chauffage à gaz sur divers paramètres a - sur le coefficient d'excès d'air pour la surface de la surface interne de circulation des fumées, m2 ; b - sur la zone de la surface interne de circulation des fumées à différents taux d'excès d'air ; c - sur la durée de l'incendie pour différentes zones de la surface interne de circulation des fumées, m2

Transfert de chaleur des poêles et leur capacité de stockage. Dans les fours de chauffage, la chaleur qui doit être transférée par les fumées vers la pièce chauffée doit traverser l'épaisseur des parois du four. Avec une modification de l'épaisseur des parois du foyer et des cheminées, la résistance thermique et la massivité de la maçonnerie (sa capacité de stockage) changent en conséquence. Par exemple, lorsque l'épaisseur des parois diminue, leur résistance thermique diminue, le flux de chaleur augmente et en même temps les dimensions du four diminuent. Cependant, réduire l'épaisseur des parois des fours périodiques fonctionnant au combustible solide est inacceptable pour les raisons suivantes : avec une combustion périodique de courte durée, les surfaces internes du foyer et des cheminées sont chauffées à des températures élevées et la température de la surface extérieure de le four pendant les périodes de combustion maximale sera au-dessus des limites admissibles ; après l'arrêt de la combustion, en raison du transfert de chaleur intense des parois extérieures vers l'environnement, le four se refroidira rapidement.

À grandes quantités La température ambiante varie considérablement au fil du temps et varie de normes acceptables. En revanche, si le four est disposé avec des parois trop épaisses, alors courte période foyer, sa masse importante n'aura pas le temps de se réchauffer et, de plus, avec l'épaississement des parois, la différence entre la surface de la surface interne des cheminées, qui reçoit la chaleur des gaz, et la surface de ​​la surface extérieure du poêle, qui transfère la chaleur à l'air ambiant, augmente, ce qui fait que la température de la surface extérieure du poêle sera trop basse pour chauffer efficacement la pièce. Par conséquent, il existe une épaisseur de paroi optimale (1/2-1 brique) à laquelle la masse d'un four périodique accumule une quantité suffisante de chaleur pendant la combustion et, en même temps, une température suffisamment élevée des surfaces extérieures du four. est obtenu pour un chauffage normal de la pièce.

Lors de l'utilisation de combustible liquide ou gazeux dans des poêles, un mode de combustion continue est tout à fait réalisable, donc avec une combustion continue, il n'est pas nécessaire d'accumuler de la chaleur en raison d'une augmentation de la masse de maçonnerie. Le processus de transfert de chaleur des gaz vers la pièce chauffée est stationnaire dans le temps. Dans ces conditions, l'épaisseur de paroi et la massivité du four peuvent être choisies non pas pour garantir une certaine valeur de stockage, mais sur la base de considérations relatives à la résistance de la maçonnerie et à la garantie d'une durabilité appropriée.

L’effet de la conversion du four d’une cuisson discontinue à une cuisson continue est clairement visible sur la Fig. 5, qui montre l'évolution de la température de la surface intérieure de la paroi du foyer dans le cas d'une cuisson périodique et continue. Avec une cuisson périodique, après 0,5 à 1 heure, la surface intérieure de la paroi du foyer chauffe jusqu'à 800-900 °C.

Un échauffement aussi soudain après 1 à 2 ans de fonctionnement du four provoque souvent la fissuration des briques et leur destruction. Ce mode est cependant forcé, car une diminution de la charge thermique entraîne une augmentation excessive de la durée du foyer.

Avec une combustion continue, la consommation de carburant est fortement réduite et la température de chauffage des parois du foyer est réduite. Comme on peut le voir sur la Fig. 27, avec une combustion continue pour la plupart des qualités de charbon, la température des parois s'élève de 200 à seulement 450-500 °C, tandis qu'avec une combustion périodique, elle est beaucoup plus élevée - 800-900 °C. Par conséquent, les foyers des fours discontinus sont généralement revêtus de briques réfractaires, tandis que les foyers des fours continus n'ont pas besoin de revêtement, car la température à leur surface n'atteint pas la limite de résistance au feu de la brique rouge ordinaire (700-750 °C).

Par conséquent, avec une combustion continue, la maçonnerie est utilisée plus efficacement, la durée de vie des fours est considérablement augmentée et pour la plupart des marques de charbon (à l'exclusion des charbons anthracite et maigre), il est possible de disposer toutes les parties du four en brique rouge.

Tirage dans les fours. Afin de forcer les fumées à passer du foyer à travers la circulation des fumées du poêle jusqu'à la cheminée, en surmontant toutes les résistances locales rencontrées le long du chemin, il est nécessaire de dépenser une certaine force, qui doit dépasser ces résistances, sinon le poêle va fumer. Cette force est habituellement appelée force de traction du four.

L'apparition de la force de traction est illustrée dans le diagramme (Fig. 6). Les fumées formées dans le foyer, étant plus légères que l'air ambiant, montent vers le haut et remplissent la cheminée. La colonne d'air extérieur s'oppose à la colonne de gaz dans la cheminée, mais, étant froide, elle est nettement plus lourde que la colonne de gaz. Si vous dessinez un plan vertical conventionnel à travers la porte coupe-feu, alors sur le côté droit, il sera sollicité (pressé) par une colonne de gaz chauds d'une hauteur allant du milieu de la porte coupe-feu au sommet de la cheminée, et sur le côté gauche - une colonne d'air froid extérieur de même hauteur. La masse de la colonne de gauche est supérieure à celle de droite, car la densité de l'air froid est supérieure à celle de l'air chaud, donc la colonne de gauche déplacera les gaz de combustion remplissant la cheminée et les gaz se déplaceront dans le système dans la direction du haut pression vers la pression inférieure, c'est-à-dire du côté de la cheminée.

Riz. 5. Changement de température sur la surface intérieure de la paroi du foyer a - le thermostat est réglé sur la limite inférieure ; b - le thermostat est réglé sur la limite supérieure

Riz. 6. Schéma de fonctionnement d'une porte de cheminée 1 brûleur ; 2- foyer ; 3 - colonne d'air extérieur ; 4 - cheminée

L'effet de la force de traction est donc que, d'une part, elle force les gaz chauds à monter vers le haut, et d'autre part, elle force les gaz chauds à monter. L'air extérieur passer dans la chambre de combustion pour la combustion.

La température moyenne des gaz dans la cheminée peut être prise égale à la moyenne arithmétique entre la température des gaz à l'entrée et à la sortie de la cheminée.

- Principales caractéristiques des processus de combustion des carburants