ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

УДЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ УГЛЕРОДА

Угольные частицы очень малых размеров (пылинки), находясь в по­токе, приобретают скорость, практически равную или мало отличающую­ся от скорости движения газов. Последнее означает, что газы обтекают частицу с небольшой скоростью. При малых относительных скоростях, когда вынужденный конвективный перенос отсутствует, можно считать, что горение мелких частиц в потоке происходит равномерно, величина концентрации кислорода по всей поверхности частицы одинакова.

Процесс химического реагирования частицы, обтекаемой потоком с малой скоростью, Л. Н. Хитриным представлен схемой, изображенной на рис. 15-4,«. Основным (первичным) процессом считается реагирова­ние углерода с кислородом, поступающим к поверхности частицы из окружающего пространства за счет движения среды и диффузии, с об­
разованием окиси углерода и углекислоты. Продукты сгорания покида­ют частицу, направляясь в окружающее пространство.

Дальнейшее состояние окислов зависит от условий протекания про­цесса и в особенности от температуры.

При сравнительно невысоких температурах или повышенных ско­ростях обтекания образующаяся окись углерода может быть вынесена в окружающую среду (комплекс /). При более высоких температурах окись углерода может вступить во вторичную реакцию и сгореть, по­требляя часть кислорода, поступающего к поверхности частицы («ом - плеск Г). Углекислота может частично возвратиться на поверхность час­тицы и в случае достаточной температуры — выше 1200—1300°С всту­пить во вторичную реакцию с углеродом, образуя окись углерода (комплекс //). При очень высокой температуре процесс восстановления СО2 может протекать настолько быстро, что во вторичном реагировании будет образовываться такое количество окиси углерода, которое, сго­рая, будет потреблять все количество кислорода до поступления его к частице. В этом случае кислород не будет достигать поверхности ча­стицы и основным процессом станет реагирование углерода с углекис­лотой (комплекс //')•

В случае омывания частиц потоком с большой скоростью с лобовой стороны могут протекать только гетерогенные процессы / и II' (рис.. 15-4,6). Процесс догорания окиси углерода удаляется от частицы и про­текает на границе циркуляционной зоны в кормовой части потока (ком­плекс III). Процесс восстановления (комплекс IV) может идти с лобо­вой стороны, но главным образом протекает в тыльной части, где кис­лород отсутствует. При высоких температурах его интенсивность повы­шается и выгорание тыльной стороны частицы становится заметным.

При температурах порядка 900—1300°С можно считать, что осуще­ствляются только процессы I и III, пространственно отделенные друг от друга.

Если в процессе горения углерод реагировал бы только с кислоро­дом с образованием окиси углерода и углекислоты, которые не вступали бы во вторичное реагирование, а отводились в окружающее пространст­во, то в стационарных условиях скорость горения равнялась бы величи­не диффузионного потока кислорода, поступающего в единицу времени к единице поверхности.

Приравнивая количество кислорода, расходуемого на реагирование с углеродом, к его количеству, поступающему диффузией, получаем за­висимость для удельной скорости горения углерода по расходу кисло­рода от интенсивности диффузионных процессов г кислоро­

Да/(см2-с), по типу уравнения (15-3), а именно:

.1С" -- (15-23)

А и ^

При этом предполагается, что скорость реагирования углерода с кислородом пропорциональна концентрации кислорода у поверхности* т. е. реакция первого порядка. Внутреннее реагирование учтено заменой константы скорости реакции & коэффициентом реакционного газооб­мена а.

Количество углерода, которое может газифицироваться при потреб­лении кислорода, зависит от состава образующихся окислов, т. е. от от­ношения С0/С02. Если обозначить через р отношение массы газифици­

Рованного углерода к массе израсходованного кислорода, то при потреб­лении кислорода в количестве /С°а с единицы поверхности частицы будет газифицировано углерода в количестве

Р/с°- = р-г^-т

—+—

А ад

Которое называют удельной поверхностной скоростью горения углерода.

Величина р может изменяться от значения 0,375, соответствующего случаю расходования кислорода только на С02, до значения 0,75, соот­ветствующего случаю расходования кислорода только на СО. В этих пределах величина /Ссв также меняется вдвое, причем наибольшая ско­рость расходования углерода получается при максимальном выходе окиси углерода.

Таким образом, стехиометрический коэффициент р характеризует распределение кислорода на образование окислов, а следовательно, и эффективность расходования кислорода при его реагировании с углеро­дом.

Для определения диффузионных потоков можно исходить из тож­дественности переноса вещества переносу тепла. Величина ад как аналог коэффициента теплоотдачи может быть заимствована из эксперимен­тальных закономерностей по теплообмену тел аналогичной формы с га­зовой средой.

При малых скоростях обтекания сферических частиц, когда концен­трация кислорода у стенки по всей поверхности практически одинакова, аналогично тепловому критерию Нуссельта используется диффузионный критерий Нуссельта:

В формуле:

<1 (2Я) —диаметр сферической частицы;

/) — коэффициент молекулярной диффузии.

Подстановка значения ад, определенного из уравнения (15-25), в выражение (15-24) дает общее выражение для удельной скорости го­рения углерода:

(15-26)

А

При этом Ыид = /:(Не) и выражает зависимость скорости реакции от гидродинамических свойств окружающей среды.

Для определения удельной скорости горения углерода по формуле (15-26) необходимо знать температуру частицы и газовой среды, концен­трацию газовых реагентов и размер частицы, которые в процессе горения изменяются и являются искомыми величинами. Поэтому Л. Н. Хитри - ным были даны упрощенные выражения для некоторых типичных тем­пературных областей при естественной диффузии.

Для сопоставления полученных закономерностей с опытом Л. Н. Хитриным было исследовано горение частицы кокса антрацита диаметром 15 мм, результаты которого представлены на рис. 15-5 в виде зависимости КС8—[(Т).

В области низких температур, где скорость химической реакции мала и расходуемое на реагирование количе­ство кислорода значительно меньше его количества, которое может быть доставлено диффузией, т. е. где

1

>

О

ДИф

И отсутствует горение СО: КС3 = (ЗаС0.

Изменение Кс

А, который сильно зависит от темпе­ратуры, поэтому эту область называ­ют кинетической областью окислитель­ных реакций.

Верхний предел применимости формулы для расчета скорости горе­ния в кинетической области Л. Н. Хитриным определяется условием:

А <0,05 4-*

А

С повышением температуры взаимодействие кислорода с углеродом

1 / 1

Ускоряется и при некоторой температуре, когда — < —^------------------------ > удель-

О2

Диф

(15-29)

Который ограничивается диффузионной способностью среды по кислоро­ду. Так как ^и°*ф = /(Не), то скорость горения зависит от скорости потока и диаметра частицы. С уменьшением размера частицы и увели­чением скорости обтекания Ксв увеличивается. Влияние температуры мало и определяется зависимостью от нее С0 и /). Поскольку скорость горения практически не зависит от реакционных свойств топлива и тем­пературы, а ограничивается скоростью диффузии кислорода, этот режим называется диффузионным.

При горении мелких частиц окислы углерода и летучие быстро вы­носятся в поток интенсивно протекающими процессами молеку­лярного и молярного переноса. В результате этого при их малой концен­трации окисление окиси углерода и летучих в пограничном слое частицы не происходит. Поэтому для мелких частиц в области температур поряд­ка 1500—1700°С величина р практически не изменяется и характеризует соотношение окислов в первичном реагировании.

В случае, если горенке окиси углерода интенсифицируется при от­сутствии восстановления СО2, Р стремится к значению 0,375, а удельная скорость горения— к величине

1 о п п ^

При этом образуется только углекислота. Этот режим соответст­вует диффузионной области окислительных реакций, которая наступает при температурах порядка 1000°С в зависимости от условий диффузии и свойств угля.

Экспериментальными исследованиями получено, что

МиДИф = 2 (1 + 0,08Ие2/3). (15-31)

При малых скоростях обтекания, до чисел Ие<100, с достаточной точностью в формуле (15-30) может быть принято Ыид = 2, что дает:

(15-32)

При крупных частицах в области температур порядка 750°С в ре­зультате сгорания СО р уменьшается. В области температур, в которой еще восстановления СОг не происходит, для крупных частиц при малой скорости обтекания величина |3 также может быть принята постоянной и равной 0,375—0,4.

Как видно из рис. 15-5, в области низких температур процесс про­текает в кинетической области, с повышением температуры скорость реакции резко возрастает. При температурах 700—800°С рост скорости горения замедляется диффузионным торможением. В зоне достаточно высоких температур процесс переходит в диффузионную область окис­лительных реакций, где скорость горения практически не зависит от температуры, а определяется интенсивностью диффузионного подвода кислорода, достигающего предельного значения при данных условиях процесса. Чем больше скорость дутья, тем при более высокой темпера­туре процесс переходит в диффузионную область. При этих температу­рах (1000—1100°С) начинает значительно ускоряться процесс восстанов­ления углекислоты и с повышением температуры быстро прогрессирует, в результате чего удельная скорость горения начинает с ростом тем­пературы увеличиваться. Предел увеличения Ксв из-за интенсификации восстановления углекислоты экспериментально еще не определен.

Предполагается, что этот предел наступает при дальнейшем повы­шении температуры, когда процесс переходит в диффузионную область реакции восстановления углекислоты, в которой = 24/32, а удельная скорость горения равна:

(15'33)

При этом образуется только СО и отсутствует объемное горение.

Рассмотренный в настоящей главе материал положен в основу при­водимого в гл. 16 исследования динамики и расчета горения одиночных частиц с учетом реальных топочных условий.