Время выгорания частицы углерода

Для многих задач практики сжигания наиболее интересной величиной является длительность горения частицы топлива. В частности, в случае пылеугольного сжигания, когда твердое топливо движется вместе с воздухом, именно время сгорания топлива важно для расчета габаритов топки.

Подставляя (4.9) в (4.4), рассчитаем время, в течение которого радиус частицы кокса уменьшается от начального размера r ₀ до 0, учитывая, что :

. (4.11)

Таким образом, полное время горения частицы описывается зависимостью, представляющей собой сумму «кинетического» и «диффузионного» времени горения. При пылеугольном сжигании Sh →2, и тогда полное время сгорания одиночной углеродной частицы может быть рассчитано как

. (4.12)

Исследования, проведенные в ВТИ, показали, что горение частиц размером более 100 мкм идет в диффузионной области. В кинетической области идет горение частиц антрацита размером менее 100 мкм. Время выгорания для частиц от 100 мкм до 1 мм может быть рассчитано по эмпирической формуле [16]

, (4.13)

где k _г.к – коэффициент, учитывающий свойства угля; ρ – плотность топлива, кг/м³ ; δ – диаметр частиц топлива, м; T – температура, К; О ₂ – концентрация кислорода, %. Сопоставим эмпирическую формулу с аналитическим выражением (4.12) для диффузионного режима выгорания одиночной частицы:

. (4.14)

Подставим в (4.14) выражения для расчета коэффициента молекулярной диффузии (4.10) и концентрации кислорода в виде

. (4.15)

После преобразований получим

. (4.16)

Аналитическое выражение с точностью до постоянной К совпадает с эмпирическим. Это обстоятельство и свидетельствует о том, что горение коксовых частиц с размером более 100 км при температуре более 1200 °С протекает в диффузионной области реагирования.

4.2. Слоевые топки

Для парогенераторов малой и средней мощности слоевые топки получили достаточно широкое применение благодаря следующим преимуществам: простота эксплуатации, возможность сжигания различных топлив, небольшие объемы топок, возможность работы со значительными колебаниями нагрузки, не дорогие пылеприготавливающие устройства.

Топки с неподвижным слоем применяются в котлах малой производительности, до 0,3 кг/с (1 т/ч). Колосниковая решетка поддерживает сжигаемое топливо и одновременно служит для распределения воздуха, подаваемого через слой. Загрузка топлива осуществляется либо вручную, либо с использованием забрасывателей.

Предел форсировки слоя определяется его гидродинамической устойчивостью. При повышенной скорости дутья мелкие частицы начинают выноситься из слоя. В местах выноса сопротивление слоя падает и в образовавшиеся кратеры устремляется большая часть воздуха, что приводит к неустойчивому горению.

Топки с цепной решеткой

Полотно решетки состоит из отдельных колосников, укрепленных на шарнирных цепях, надетых на две пары звездочек. Скорость движения решетки 2-16 м/ч. У котлов с решеткой прямого хода топливо на решетку поступает из бункера. Высота требуемого слоя устанавливается шибером. У котлов с решеткой обратного хода топливо подается пневмомеханическим забрасывателем (рис. 4.4). Необходимый для горения воздух подводится под решетку и поступает в слой через зазоры между колосниками. По мере продвижения решетки топливо выгорает. Образующийся шлак сбрасывается с решетки шлакоснимателем в шлаковый бункер.

По длине решетки процесс горения достаточно четко разделяется на следующие этапы: подготовка топлива, горение кокса и восстановительная зона, выжиг и удаление шлаков. Поскольку для различных этапов горения требуется разное количество воздуха, применяют позонное дутье. Применение позонного дутья улучшает горение топлива и снижает потери тепла с уходящими газами. Газы, выходящие из горящего на цепной решетке слоя топлива, наряду с инертными содержат горючие составляющие, а также кислород. Для снижения потерь с химической неполнотой сгорания применяют острое дутье. Расход воздуха на острое дутье составляет 10-15 % от общего количества.

Рис. 4.4. Топка с цепной решеткой обратного хода ПМЗ-ЛЦР:

1 – предтопок; 2 – угольный ящик; 3 – забрасыватель топлива; 4 – передний ведущий вал;

5 – колосниковое полотно; 6 – зонное дутье; 7 – рама решетки; 8 – опорный рольганг;

9, 10 – задние вал и уплотнение; 11 – шлаковый бункер

4.3. Моделирование слоевого сжигания угля

Рассмотрим характер горения твердого топлива, лежащего на решетке, при верхней его загрузке (рис. 4.5). По высоте слоя можно выделить следующие зоны: зона выжига шлака, зона горящего кокса, включающая в себя кислородную и восстановительную зоны, зона подсушки топлива и, наконец, свежее топливо. По мере выгорания топливо проходит все зоны. В первый период после поступления свежего топлива проходит его тепловая подготовка, на что затрачивается часть тепла. Область наиболее высоких температур располагается в зоне горения кокса. Образующийся шлак стекает с раскаленных кусков топлива навстречу воздуху и постепенно охлаждается. Шлак, лежащий на решетке, защищает ее от перегрева.

Концентрация кислорода незначительно уменьшается в зоне выжига шлака и резко до нуля - в окислительной зоне. Температура достигает максимального значения в конце окислительной зоны, а затем падает за счет протекания эндотермических реакций в восстановительной зоне (рис. 4.6) и затрат теплоты на испарение влаги и прогрева топлива в зоне его подсушки.

 

Рис. 4.5. Характерные зоны и профиль температур по высоте плотного слоя

Рис. 4.6. Изменение концентраций по высоте слоя: К - кислородная зона; В – восстановительная зона

 

При стационарных условиях, когда количество подаваемого топлива равно количеству выгорающего топлива, можно принять следующую схему выгорания. Кислород воздуха, проходя через слой, реагирует с кислородом по реакциям

С + О₂ = СО₂,

2С + О₂ = 2СО.

Поскольку в слое достигается высокая температура, в межчастичных объемах идет интенсивное догорание оксида углерода по реакции

2СО + О₂ = 2СО₂.

Последние две реакции можно представить в виде суммы

2С + О₂ = 2СО,

2СО + О₂ = 2СО₂,

2С + 2О₂ = 2СО₂,

т.е. сумма этих двух реакций будет наблюдаться как реакция (р1). Таким образом, когда в потоке газов имеется достаточное количество кислорода, можно рассматривать вместо трех реакций только реакцию (р1). Поскольку температура газов высока, практически адиабатная, идет и реакция (р4):

С + СО₂ = 2СО,

т.е. идет восстановление диоксида углерода до СО. Поскольку эта реакция эндотермическая, температура газов по мере реагирования падает и скорость реагирования уменьшается. Реальная картина газообразования имеет подобный характер (рис. 4.6), т.е. имеется кислородная зона, в которой концентрация кислорода резко падает практически до нуля и в которой выход СО крайне незначителен, а существенно образование СО₂, и имеется восстановительная зона, в которой происходит восстановление СО₂ до СО.

Таким образом, процесс газообразования в слое крупных частиц может быть описан при рассмотрении двух итоговых реакций

С + О₂ = СО₂ ,

СО₂ + С = 2СО,

для которых можно записать уравнения изменения концентраций компонентов, по высоте слоя исходя из следующих соображений. Изменение массового количества кислорода М по высоте слоя за элементарный промежуток времени обусловлено протеканием реакции (р1) с поверхностной скоростью горения j. При известной поверхности частиц F в объеме слоя V изменение массы кислорода может быть записано в виде

. (4.17)

Изменение массы кислорода связано с изменением его концентрации dc в объеме слоя V очевидным соотношением . Изменение концентрации со временем связано с изменением по высоте соотношением , где w – скорость фильтрации газов через слой. Подставляя в (4.17) данные соотношения, получим:

. (4.18)

Введем понятие «удельная поверхность», представляющую собой поверхность частиц в единице объема ; тогда получим в окончательном виде дифференциальное уравнение для изменения концентрации кислорода по высоте слоя

. (4.19)

Концентрация диоксида углерода c ₁ увеличивается по высоте слоя за счет протекания реакции (р1) и уменьшается за счет протекания реакции (р4). Изменение концентрации диоксида углерода с ₁ по высоте слоя описывается аналогичным дифференциальным уравнением:

, (4.20)

где a_эф, a₁ – эффективные коэффициенты реакционного газообмена реакций окисления углерода и восстановление углекислого газа, м/с; c и c ₁ – концентрации кислорода и углекислого газа, кг/м³.

Для частицы, имеющей форму шара, удельная поверхность реагирования определится как . Для слоя топлива необходимо учесть объем пустот в слое. Введя понятие порозности, равной отношению объема пустот к общему объему и учитывая, что увеличение пустот приводит к снижению общей поверхности реагирования, получим .

Интегрируя систему уравнений при начальных условиях х ₀ = 0, с = с ₀, с ₁ = 0, получим распределение концентраций О₂ и СО₂ по высоте слоя:

, (4.21)

. (4.22)

Оценим требуемую высоту слоя топлива для обеспечения сжигания с заданным коэффициентом избытка воздуха. Концентрация кислорода на выходе из слоя определится из уравнения (4.21). При горении высота слоя не должна заметно превышать высоту кислородной зоны. Выражая из (4.21) высоту слоя, получим

. (4.23)

Концентрация кислорода связана с коэффициентом избытка воздуха соотношением

. (4.24)

Поскольку температура в кислородной зоне высока и близка к адиабатной, константа скорости химического реагирования высока и горение, тем более крупнокускового топлива, идет в диффузионном режиме:

. (4.25)

 

Критерий Sh для горения в слое можно вычислить по эмпирической формуле

Sh =0,1 Re = . (4.26)

Подставляя в (4.23) выражение для удельной поверхности реагирования и числа Шервуда (4.26), получим выражение для определения необходимой высоты плотного слоя топлива:

, (4.27)

где Sс – число Шмидта, представляющее собой отношение кинематической вязкости к коэффициенту молекулярной диффузии.

Требуемая высота плотного слоя пропорциональна диаметру топливных частиц, что хорошо согласуется с экспериментом. Увеличение скорости не изменяет избыток воздуха на выходе из слоя заданной высоты. Это объясняется следующим: увеличение скорости приводит к уменьшению времени пребывания газа в слое, но при этом одновременно интенсифицируется массоперенос. Таким образом, изменение скорости не приводит к ухудшению условий горения, что позволяет легко регулировать нагрузку топки.

4.4. Горение угольной пыли в факеле

Пылевидный способ сжигания твердых топлив в факеле имеет определенные преимущества перед другими способами сжигания: позволяет сжигать многозольные и высоковлажные топлива, увеличить плотность теплового потока, полностью механизировать и автоматизировать подачу и сжигание топлива, удаление шлаков и золы.

Особенности:

1. В факеле горят частицы, размеры которых отличаются на один-два порядка, т.е. сжигают полифракционную пыль. Измельчение обеспечивает хороший контакт горючего и окислителя и быстрое выгорание топлива.

2. Пылинки вследствие своего малого размера движутся практически вместе с потоком газов, скорости их обтекания невелики. И даже для крупных частиц (200-300 мкм) можно считать, что критерий Шервуда стремится к минимальному значению, равному двум.

3. Наличие летучей части принципиально отличает процесс выгорания натурального топлива от процесса выгорания чистого углерода. Летучие вещества существенно облегчают воспламенение. Летучие, выделяемые мелкими частицами (до 200 мкм), насыщают газовый объем, образуя горючую газовоздушную смесь, которая и начинает гореть. Для крупных частиц (более 500 мкм) воспламенение летучих начинается около поверхности частицы.

4. В начале процесса горения может наблюдаться одновременное выгорание летучих и кокса. Однако горение коксового остатка является наиболее длительной стадией (до 90 % общего времени горения частицы).

5. Необходимо учитывать, что частицы горят не отдельно друг от друга, а во взаимодействии. Совместное горение частиц определяет изменение концентрации кислорода по длине факела. В начале факела, в зоне высоких концентраций кислорода, будет выгорать большое количество мелких пылинок, а горение средних и крупных пылинок будет происходить в зоне с низкой концентрацией кислорода. Поэтому для полного выжигания нужно или растягивать факел или уменьшать размер частиц.

Аналитический расчет выгорания твердого топлива в неизотермическом трехмерном полидисперсном факеле возможен только с использованием численных методов. Рассмотрим упрощенную модель выгорания монодисперсной пыли в изотермических условиях по длине факела (одномерная задача).

Для расчета выгорания частицы в одномерном факеле может быть использовано уравнение для скорости выгорания одиночной частицы [20]

(4.28)

или уравнение, записанное через изменение диаметра частицы:

. (4.29)

При выгорании угольной пыли концентрация по длине факела постоянно уменьшается. Она связана с коэффициентом избытка воздуха и текущей механической неполнотой сгорания соотношением (2.44):

. (4.30)

В свою очередь, механическая неполнота сгорания пропорциональна отношению кубов диаметров текущего и начального диаметра частиц:

. (4.31)

Заменяя изменение во времени на изменение по длине факела и подставляя в (4.28) выражения (4.29) и (4.30), получим дифференциальное уравнение для изменения диаметра выгорающих частиц по длине факела:

. (4.32)

Интегрирование данного уравнения при начальных условиях l = 0, c = c ₀, δ = δ₀ позволяет получить изменение потерь с механической неполнотой сгорания по длине факела (рис. 4.7). При коэффициенте избытка воздуха a = 1 длина факела стремится к бесконечности. С увеличением коэффициента избытка воздуха длина факела заметно уменьшается.

Рис. 4.7. Потери с механической неполнотой сгорания по длине факела при различных коэффициентах избытка воздуха

4.5. Свойства угольной пыли