Читать книгу Макрокинетика сушки - Герман Иванович Ефремов - Страница 23

Топочные (дымовые) газы в смеси с атмосферным воздухом широко используются при сушке различных материалов, в том числе органических веществ и пищевых продуктов. Многие материалы, например, песок, глина, твердое топливо, неорганические соли и т. д. высушивают при довольно высоких температурах – от 300 до 800 °С и выше. Для сушки этих материалов наиболее рационально использовать топочные газы, разбавляя их до нужной температуры атмосферным воздухом.

Преимущества сушки топочными газами: возможность получения высоких температур; простота топочных устройств; возможность непосредственного применения отработанных газов паровых котлов, промышленных печей, тепловых установок и других агрегатов.

Недостатки сушки топочными газами: возможность загрязнения высушиваемого материала продуктами сгорания (попадание на высушиваемый материал сажи или капель жидкого несгоревшего топлива), опасность работы с высокими температурами (возникновение пожаров в газоходах и пылеулавливающей аппаратуре при догорании угольной пыли или капель жидкого топлива), а также токсичная опасность при работе, из-за наличия в топочных газах вредных соединений (особенно сернистых).

В случаях допустимости применения высоких температур, но недопустимости непосредственного соприкосновения топочных газов с материалом, используют огневые калориферы, в которых воздух подогревается топочными газами и направляется в сушилку в качестве сушильного агента.

Топочные (дымовые) газы получают при сжигании газообразного (природный газ), жидкого (мазут, нефть) или твердого (уголь, торф, сланцы, дрова) топлива в топках и смешивают их в специальных камерах смешения с атмосферным воздухом для получения смеси заданной температуры. Горючая часть твердого и жидкого топлива состоит из углерода С, водорода Н и серы S. Элементарный состав рабочей массы топлива составляет 100 %. В общем случае:

Сера в топливе может быть в трех видах: органическая S_o (в составе сложных органических соединений), колчеданная S_к (в составе соединений с металлами типа FeS₂) и сульфатная (в процессах горения не участвует). Зола топлива А^р – это смесь негорючих минеральных соединений. Золу и влагу топлива А^р + W^р называют внешним балластом, а кислород и азот О^р + N^р – внутренним балластом [5], т. к. они не участвуют в горении топлива. При отсутствии балластных соединений получаем горючую массу топлива, обозначая (г), а при полном отсутствии влаги в топливе пользуются понятием сухой массы топлива – (с).

Характеристики основных видов топлива. Угли марки А (антрацитные): с высокой степенью углефикации (С = 90-93%) и малым выходом летучих (Vг=2… 9%) относят к антрацитам. Угли марки Б (бурые): с неспекающимся коксом, выходом летучих Vг>40 % и Q_н^Р = 10,5… 15,9 МДж/кг.

Торф – наиболее молодое ископаемое топливо с большим выходом летучих порядка 70%, высокой влажностью W^p =40… 50% и низкой теплотой сгорания Q_н^Р= 8,38… 10,47 МДж/кг.

Сланцы – топливо с большой зольностью А^р = 50… 60%, повышенной влажностью W^p = 15…20%, низкой Q_н^Р =5,87…10 МДж/кг при высокой Q_н^г = 27,2… 33,5 МДж/кг. Сланцы относятся к легко воспламенимым топливам вследствие высокого содержания водорода Нг = 7,5… 9,5% и летучих Vг=80… 90%. Сланцы являются местным топливом, так как вследствие большой зольности и влажности транспортировка его на дальние расстояния неэкономична.

Большое значение в топливном балансе России имеют природные газы. Основной горючей составляющей их является метан СН₄ (80-98%). Теплота сгорания сухого природного газа Q_н^г = 33,52… 35,61 МДж/м³. Состав газообразного топлива задается в процентах по объему горючих составляющих СН₄, СО, Н₂, углеводородов С_nН_2n+2 и негорючих газов СО₂, О₂, N₂, Н₂О. Характеристики различных видов топлив [5] приведены в приложении.

Образующиеся при сгорании топочные газы по химическому составу состоят из кислорода О₂, азота N₂, окиси CО и двуокиси CO₂ углерода, сернистого газа SO₂ и водяных паров H₂O. Состав топочных газов зависит от вида топлива и количества воздуха, подводимого в топку для его сжигания (первичный воздух) и подмешиваемого к продуктам сгорания для понижения их температуры до заданной (вторичный воздух). Особенно вредны соединения серы, содержащиеся в топливе, т. к. они в соединении с влагой коррозируют металлические конструкции сушилок и ухудшают качество высушиваемых материалов. Поэтому применение сернистых топлив для сушки очень ограничено.

При полном сгорании топлива (с избытком воздуха) топочные газы имеют указанный выше химический состав. Положение усложняется при неполном сгорании топлива, без избытка воздуха. В этом случае продукты сгорания дополняются сажей, рядом химически активных углеводородов, имеющих резкий запах, что значительно ухудшает экологию производства. Поэтому важнейшим требованием является обеспечение полного сгорания топлива. Обеспечение полного сгорания топлива (большие значения коэффициента избытка воздуха α), используемого для сушки, не является проблемой, т. к. для понижения температуры топочные газы, как правило, все равно приходится разбавлять воздухом.

Существенное влияние на качество высушиваемых продуктов оказывает зольность топлива, вызывающая запыленность топочных (дымовых) газов. Применяя пылеулавливающие устройства (сухая, а в ряде случаев и мокрая пылеочистка), можно получить топочные газы почти не содержащие пыли, т. е. летучей сажи и золы.

При обычных условиях сжигания топлива в котельных и других промышленных установках теплота конденсации водяных паров продуктов сгорания не может быть использована, так как их температура значительно превышает точку росы. Поэтому при характеристике твердого и жидкого топлива эту теплоту исключают и получают значение его низшей теплоты его сгорания Q_н^Р. В значении высшей теплоты сгорания топлива Q_н^Р эта теплота учитывается. Связь между ними выражается формулой [5]:

где: коэффициент 0,025 учитывает теплоту парообразования, МДж/кг; величина 9Н^р – количество воды, образующейся при сгорании водородной составляющей топлива (2: 9) по уравнению:

Низшая теплота сгорания углей Q_н^Р в зависимости от их месторождения, марки и сорта колеблется в пределах от 10000 до 28500 кДж/кг, жидких топлив (мазут, гудрон) – от 30000 до 40000 кДж/кг, газообразных топлив (природный газ) – от 38000 до 50 000 кДж/кг. Для сравнения различных топлив используется понятие условного топлива, имеющего теплоту сгорания 29330 кДж/кг (7000 ккал/кг). Таким образом, наибольшей теплотой сгорания обладает наиболее дешевое газообразное топливо, удобное в применении. Оно и наиболее широко используется.

При поступлении топлива на производство к нему прилагается паспорт, в котором указывается химический состав и теплота сгорания. При отсутствии паспорта анализ топлива проводит центральная заводская лаборатория.

Наиболее точная эмпирическая формула для расчета теплоты сгорания твердых и жидких топлив предложена Д. И. Менделеевым:

Низшая теплота сгорания сухого газообразного топлива (МДж/м³) может быть определена [5] по формуле:

Так как в расчетах газовых сушилок расход газа берется в кг, то теплоту сгорания сухого газообразного топлива необходимо пересчитать на МДж/кг. Для этого все члены уравнения (2.26) необходимо поделить на плотность смеси газов ρ_см, находимую по правилу аддитивности:

где у – весовое содержание газа в смеси, ρ – его плотность.

С учетом этого для уравнения (2.27) получим в МДж/кг:

На основании уравнения Менделеева-Клайперона для идеальных газов плотность любого газа при заданной температуре Т и давлении Р рассчитывают по формуле:

где ρ₀ – плотность газа при нормальных условиях (Р₀ = 760 мм рт.ст и Т₀ = 273,15 К). Расчеты упрощаются для природного газа, т. к. он состоит в основном из метана (более 90 %), а для него ρ₀ = 0,72 кг/м³.

Высшая теплота сгорания сухого газообразного топлива (МДж/кг) может быть определена по формуле: