КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Горение твердого топлива

Горение твердого топлива (угольной пыли) включает два периода: теп­ловую подготовку и собственно горение (рис. 4.5). В процессе тепловой под­готовки (рис. 4.5, зона I) частица топлива прогревается, высушивается и при температуре выше 110°С начинается тепловое разложение исходного веще­ства топлива с выделением газообразных летучих веществ. Длительность этого периода зависит главным образом от влажности топлива, размера его частиц, условий теплообмена и составляет обычно десятые доли секунды. Протекание процессов в период тепловой подготовки связано с поглощени­ем тепла, главным образом, на подогрев, подсушку топлива и термическое разложение сложных молекулярных соединений, поэтому нагрев частицы в это время идет замедленно.

Собственно горение начинается с воспламенения летучих веществ (рис. 4.5, зона II) при температуре 400-600°С, а выделяющаяся в процес­се их горения теплота обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение твердого коксового остатка. Горение летучих веществ занимает 0,2-0,5 с. При большом выходе летучих (бурые и молодые каменные угли, сланцы, торф) выделяющейся теплоты их горения достаточно для воспламенения коксовой частицы, а при малом выходе летучих возникает необходимость дополнительного прогрева коксовой частицы от окружающих раскаленных газов (зона III).

Горение кокса (рис. 4.5, зо - на IV) начинается при температу­ре около 1 000°С и является наи - 50лее длительным процессом. Это определяется тем, что часть кис­лорода в зоне у поверхности ча­стицы уже израсходована на сжи­гание горючих летучих веществ и оставшаяся концентрация его снизилась, кроме того, гетероген­ные реакции всегда уступают по скорости гомогенным для однород­ных по химической активности ве­ществ.

В итоге общая длительность горения, твердой частицы (1,0-2,5 с) в основном определяется горени­ем коксового остатка (около 2/3 об­щего времени горения). У молодых топлив, имеющих большой выход летучих веществ, коксовый оста­ток составляет менее половины на­чальной массы частицы, поэтому их сжигание (при равных началь­ных размерах) происходит достаточно быстро и возможность недожога снижается. Старые по возрасту топлива имеют плотную коксовую части­цу, горение которой занимает почти все время пребывания в топочной камере.

Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а для ряда твердых топлив почти целиком состоит из углерода (от 60 до 97% массы частицы). Учитывая, что углерод обеспечивает основное тепловыделение при сжигании топлива, рассмотрим динамику горения углеродной части­цы с поверхности. Кислород подводится из окружающей среды к части­ке углерода за счет турбулентной диффузии (турбулентного массоперено-

Имеющего достаточно высокую интенсивность, однако непосредствен - Но У поверхности частицы сохраняется тонкий газовый слой (пограничный Сл°й), перенос окислителя через который осуществляется по законам мо­лекулярной диффузии (рис. 4.6). Этот слой в значительной мере тормозит подвод кислорода к поверхности. В нем происходит догорание горючих 1 азовых компонент, выделяющихся из частицы в ходе термического разло­жения. Количество кислорода, подводимого в единицу времени к единице Поверхности частицы посредством турбулентной диффузии определяется

По формуле

= Л(СП0Т-Ссл). (4.16)

Такое же количество кислорода диф­фундирует через пограничный слой толщи­ной 5 посредством молекулярной диффу­зии:

/^(Ссл С|тов)

(4.17)

В (4.16) и (4.17) Спот ~ концентрация кислорода в окружающем частицу потоке; Ссл — то же на внешней границе погранич­ного слоя; Спов — то же на поверхности топлива; S — толщина пограничного слоя; D — коэффициент молекулярной диффузии через пограничный слой; А — коэффициент турбулентного массообмена.

Совместное решение уравнений (4.16) и (4.17) приводит к выражению

1

(Спот-Спов) (4.18,а)

1/A + 5/D

Или

^д(Спот СПОв) 5

В котором

AD

1/A + 5/d (A6 + D)

— обобщенная константа скорости диффузии.

Из формул (4.18, а) и (4.18,6) следует, что подвод кислорода к реаги­рующей поверхности твердого топлива определяется константой скорости диффузии и разностью концентраций кислорода в потоке и на реагирующей поверхности.

В установившемся процессе горения количество кислорода, подводи­мого диффузией к поверхности реагирования, равно его количеству, про­реагировавшему на поверхности в результате химической реакции. Отсюда скорость реакции горения углерода с поверхности Ks из равенства массо­вых скоростей двух процессов — диффузионного подвода и расхода кисло­рода на поверхности в результате химической реакции:

Ks ~ /3/гл(С,,0Т — Спов) — /ВД.

Где дополнительно (і — отношение расхода углерода и кислорода в химиче­ской реакции. Так, например, в реакции С+О2 =С02 значение Р = 12/32 = -. 0,375.

Из уравнения (4.20) можно получить приведенную константу скорости і прения Кп учитывающую как условие диффузии, т. е. значение кд, гак и интенсивность химической реакции кр:

К кЛ (4 21)

(кр + кл)

Величина, обратная константе скорости горения, 1/Кг представляет собой общее сопротивление процессу горения.

В соответствии с законом Аррениуса, определяющим параметром ско­рости химической реакции, является температура процесса. Константа ско­рости диффузии /сд достаточно слабо изменяется с ростом температуры (рис. 4.1,а), в то время как константа скорости реакции /ср — весьма силь­но (экспоненциальная зависимость). При относительно невысокой темпе­ратуре для топки (800-1 000°С) химическая реакция протекает медлен­но, несмотря на избыток кислорода около твердой поверхности, так как кр < кд. В этом случае горение тормозится кинетикой химической реакции, поэтому эту зону температур называют областью кинетического горения. Наоборот, при высоких температурах горения (выше 1 500°С) и сжигании угольной пыли значение /сд <С кр и процесс горения тормозится условия­ми подвода (диффузии) кислорода к поверхности частицы. Этим условиям соответствует область диффузионного горения. Создание в этой зоне темпе­ратур факела дополнительных условий для перемешивания горящей смеси (приводящей к увеличением значения кд) способствует ускорению и углуб­лению выгорания топлива.

Аналогичный эффект в части интенсификации горения достигается уменьшением размера частиц пылевидного топлива. Частицы малых раз­меров имеют более развитый тепломассообмен с окружающей средой и, та­ким образом, более высокое значение /ед. Повышение температуры приводит к смещению процесса окисления в область диффузионного горения, так как быстро растет константа /ср.

Область чисто диффузионного горения пылевидного топлива харак­терна для ядра факела, отличающегося наиболее высокой температурой Прения, и зоны догорания, где концентрации реагирующих веществ уже малы и их взаимодействие определяется законами диффузии. Воспламе­нение любого топлива начинается при относительно низких температурах, в Условиях достаточного количества кислорода, т. е. в кинетической области. ^ этой области горения определяющую роль играет скорость химической Реакции, зависящая от таких факторов, как реакционная способность топ­лива и уровень температуры. Влияние аэродинамических факторов в этой области горения незначительно.