ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ПОФРАКЦИОННЫЙ РАСЧЕТ ВЫГОРАНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНОЙ ПЫЛИ В ФАКЕЛЕ

Горение полидисперсной пыли в условиях камерных топок, изло­женных в § 16-1, с учетом выявленных в § 16-4 особенностей горения частиц различных размеров рассматривается как параллельное выго­рание частиц различных фракций в пылегазовоздушном потоке, обра­зующемся смешением в горелочных струях пылевоздушной смеси с ре­циркулируемыми продуктами сгорания.

Для получения и использования в расчетах четких закономерно­стей распределения аэродинамических, концентрационных и тепловых характеристик в пограничном слое турбулентной струи выделяются лучи, во всех точках которых при отсутствии горения скорости, кон­центрация горючих и газовых компонентов одинаковы.

С учетом сказанного процесс пофракционного горения полидисперс­ной пыли в двумерном потоке может быть рассчитан решением систе­мы дифференциальных уравнений кинетики выхода летучих, теплового баланса горения коксовых частиц и уравнений их выгорания, написан­ных для каждой выделенной фракции пыли по типу уравнений (16-8), (16-22) и (16-26) и уравнений горения летучих, теплового баланса газовой среды и изменения концентрации кислорода и углекислоты, 364

Написанных для газовой фазы по типу уравнений (16-9), (16-27),

(16-28) и (16-29).

Начальными условиями являются: задаваемые начальные усред­ненные размеры частиц различных фракций и их температура и на­чальные температуры газовой среды и концентрации кислорода и угле­кислоты на выделенных лучах, определяемые по уравнениям (16-31) и (16-32).

По результатам решения численного интегрирования на ЭЦВМ строятся кривые изменения температуры частицы и газовой среды, диаметра частицы и концентраций газовых компонентов реагирующей смеси вдоль выделенных лучей в пограничном слое струи.

Ниже приведены результаты произведенного на ЭЦВМ расчета [Л. 53] выгорания в двумерном плоском факеле предварительно пере­мешанной воздушной смеси пыли подмосковного угля с температурой 523 К при температуре рециркулирующих газов 7^=1473 К. Ситовая характеристика была разбита на три фракции, равные по массе. При принятой величине коэффициента полидисперсности п—1,2 средний размер частиц во фракциях составляет: первой фракции — 305 мкм, второй — 95 мкм и третьей — 7,5 мкм.

Результаты решения обрабо­таны в виде зависимостей темпе­ратуры и диаметра частиц, темпе­ратуры газовой среды, концентра­ции кислорода, двуокиси и окиси углерода и суммарного выхода летучих от безразмерной коорди­наты в начальном и основном уча­стках струи на четырех лучах, от­считываемых от наружной гра­ницы.

Как видно из рис. 16-6, для первого луча (тс=1) нагрев мел­ких частиц (бо=7,5 мкм) проис­ходит гораздо быстрее, чем ча­стиц второй и в особенности пер­вой фракции. Вследствие этого мелкая пыль значительно раньше вступает в процесс реагирования, интенсивно потребляя кислород газового объема. Но так как при подаче всего воздуха с пылью объем газов, приходящийся на единицу массы мелкой пыли, по­лучается большим в начальной стадии реагирования мелких фракций температура газовой сре­ды повышается незначительно.

При этом вследствие интенсивного теплообмена между газом и мелкими частицами с развитой удельной поверхностью на частицах устанавливает­ся температура, мало превышающая температуру газовой среды. При не­высоком температурном уровне задерживается развитие горения мелкой пыли, реагирующей в кинетическом режиме. Это особенно заметно на внутренних лучах к = 3 и /с=4 (рис. 16-7). Если на первом луче части­цы бо = 7,5 мкм выгорают при я —0,19 м, то на четвертом луче мелкая
пыль практически еще не вступает в реагирование до л; = 0,48 м. Далее на этом луче мелкая пыль интенсивно сгорает параллельно с крупной и выгорает полностью при х=,2Ъ м, после того как активно вступив­шие в процесс горения частицы второй фракции повысили температуру газов и практически одинаковую с ней температуру мелких частиц до уровня, достаточного для интенсивного выгорания.

Низкая температура на внутренних лучах задерживает процесс. реагирования мелких фракций. Однако улучшение концентрационных условий по кислороду по сравнению с периферийными лучами благо­приятно отражается на горении крупных частиц, реагирующих в диф­фузионном режиме. Вследствие это­го с передвижением к оси струи ско­рости выгорания крупных и мелких частиц сближаются.

На первом луче при высокой температуре газов (1130 К) частицы всех фракций быстро нагреваются и последовательно быстро вступают в процесс реагирования. При мень­шей начальной температуре газов (530 К) на четвертом луче частицы выгорают очень быстро при высо­ком температурном уровне (72макс = = 2100 К). Выход летучих такж^на­чинается поздно (кривая 2УГВ), но завершается за более короткий про­межуток времени по сравнению с наружными лучами. Вследствие раз­вития более высоких температур ■на внутренних лучах частицы реаги­руют с большим выходом окиси уг­лерода, которая быстрее реагирует в объеме, чем это происходит на на­ружных лучах.

16- 7. ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СЖИГАНИЯ ПЫЛЕВИДНЫХ ТОПЛИВ

Анализ опыта сжигания твердых топлив в пылевидном состоянии и выводы из аналитического исследования процесса горения угольной пыли в топочной камере с учетом технологической схемы сжигания, аэродинамической организации топочного процесса, его теплового и воздушного режимов, а также физико-химических особенностей разви­тия процессов шлакования и образования отложений на конвективных поверхностях нагрева позволяют сформулировать следующие условия интенсификации сжигания пылевидных топлив в камерных топках.

Обеспечение необходимой механической и тепловой подготовки то­плива к сжиганию. Размол и подсушка топлива должны быть произве­дены до рекомендуемых тонкости и влажности (см. табл. 12-4). В не­которых случаях может оказаться необходимым более глубокая под­сушка топлива.

Технологическая схема сжигания должна позволять создавать бла­гоприятные тепловой и концентрационный режимы в зонах зажигания

И активного горения с освобождением их частично или полностью от инертного или низкотемпературного отработанного сушильного агента, а также обеспечивать должную степень подсушки топлива, улучшая тем самым процесс сжигания в целом.

Организация устойчивого зажигания, стабилизирующего первичное воспламенение пылевоздушных струй, вытекающих из горелок, путем интенсификации химического реагирования, уменьшения теплоотвода из реакционной зоны и уменьшения массы реагирующей смеси. Хими­ческое реагирование может быть интенсифицировано предварительным нагревом воздуха, высоким нагревом пылевоздушной смеси в горелоч - ных струях эжекцией горячих продуктов сгорания и повышением кон­центрации горючих внешней подачей первичного воздуха с пылью. Теплоотвод из зоны реагирования можно сократить уменьшением ско­рости или, что более рационально, обеспечением структуры струи на периферии в ее начальном участке с малыми скоростями и малыми поперечными градиентами продольной скорости, при которых турбу­лентный вынос тепла из зоны реагирования менее интенсивен. Масса реагирующей смеси может быть уменьшена ограничением количества первичного воздуха и количества рециркулирующих газов до достиже­ния оптимальных значений коэффициента избытка первичного воздуха и степени рециркуляции.

Интенсификация распространения воспламенения на все попереч­ное сечение факела организацией зажигания по развитому периметру и усилением теплоотдачи от воспламенившихся к соседним слоям.

Интенсификация процесса выгорания топлива обеспечением повы­шенных температур в ядре горения, своевременным вводом в про­цесс горения всего количества воздуха, необходимого для горения, усилением тепло - и массообмена в реагирующей газовой среде и от среды к частицам, равномерной подачей пыли и воздуха по горелкам и во времени.

Интенсификация догорания кокса вторичной турбулизацией потока в зоне дожигания, увеличением времени пребывания пыли в топочной камере, возможно полным ее заполнением при одновременном обеспе­чении высокой турбулентности в потоке, повышением действующей концентрации кислорода путем ограничения рециркуляции газов •оптимальной величиной, необходимой для зажигания, и устранением рециркуляции газов в ядре факела и зоне дожигания, рациональным пофракционным вводом пыли в процесс горения.

Обеспечение бесшлаковочной работы топки аэродинамической и тепловой организацией топочного процесса с благоприятными скорост­ными, температурными и концентрационными полями; организацией сжигания топлив с высоким содержанием СаО в золе и обычно имею­щих умеренную адиабатическую температуру в системе взаимодействую­щих струй с окислительной средой, обеспечивающей усиление теплопе­редачи в нижней части топки и как следствие этого понижение темпе­ратуры на выходе из нее. Предотвращение образования рыхлых и уменьшение образования твердых связанных отложений на полурадиа - ционных и конвективных поверхностях обеспечением протекания хи­мических преобразований в минеральной части топлива со связыванием свободной окиси кальция в высокотемпературной окислительной среде факела и обеспечением умеренной температуры перед конвективными поверхностями на уровне 850°С.

В ряде случаев при сжигании высокошлакующих бурых углей в камерных топках мощных парогенераторов превалирующими по зна-

367

Чимости могут быть условия обеспечения умеренных температур газов в топочной камере и в особенности пристенных слоев газов с целью предотвращения шлакования. Выполнение этих условий может сопро­вождаться менее полным выполнением условий устойчивости зажига­ния, а также и интенсификации выгорания.