ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ УГЛЕРОДНОЙ ЧАСТИЦЫ

Исследование сложного физико-химичеокого процесса горения угольной пыли в топочной камере затруднительно. Широкое применение нашли экспериментальные исследования горения одиночной частицы как элементарной составляющей пылевого факела.

Естественно, что такие исследования должны быть проведены в та­ких же или близких условиях, что и в топочной камере.

В топочной камере сжигаются мелкие частицы с ограниченным ко­личеством воздуха в пределах величины коэффициента избытка воздуха от 0,2 до 1,2 при наличии в реагирующей смеси продуктов сгорания. Частицы реагируют с кислородом с образованием первичных продуктов сгорания СОг и СО, а также с СОг с образованием СО. Выходящие из частицы летучие и образовавшаяся в процессе горения окись углерода 338

Сгорают в газовой фазе. Частицы находятся в тепловом взаимодействии конвекцией с окружающей газовой средой и вместе с ней во взаимодей­ствии излучением с топочными газами и экранной системой в топочной камере.

Однако экспериментальные исследования были проведены в усло­виях, отличающихся от топочных. Исследовалось горение крупных сфе­рических частиц углерода диаметром 10—15 мм и больше, при сжигании которых усиливается роль внутреннего реагирования. Крупные частицы также характеризуются малой величиной удельной поверхности, прихо­дящейся на единицу массы, что усиливает стефановский поток за счет выхода большего количества выделяющихся водяных паров и летучих через единицу поверхности частиц. Одновременно с этим в принятой физической модели имели значительные отклонения от условий горения в камерной топке. В лабораторных экспериментах горение угольной частицы протекало при очень больших избытках воздуха, вследствие чего температура газовой среды не изменялась или изменялась мало; имеющая место в топочной камере рециркуляция продуктов сгорания не воспроизводилась, что привело к завышенному значению начальной концентрации кислорода в газовой среде.

Имевшиеся в экспериментальных исследованиях отклонения от дей­ствительных условий протекания горения искажали изучаемый процесс.

Следует также отметить, что в экспериментальных исследованиях вообще трудно воспроизводить горение частицы в условиях, близких к топочным. Практически невозможно осуществить горение отдельной частицы, в особенности угольной пылинки, при ограниченном избытке воздуха. Трудным является также контролирование протекания процес­са, в частности контролирование температуры частиц и концентрации газовых реагентов у поверхности, изменения массы и размеров пылинок в процессе выгорания и пр. Все это затрудняет обобщение опытных дан­ных и выявление закономерностей протекания процесса. Поэтому полу­ченные разными исследователями результаты по скорости горения и влиянию различных факторов на выгорание частицы сильно различают­ся. Кроме того, в этих исследованиях невозможно выявить динамику ■процесса горения частицы угольной пыли, носящего скоротечный харак­тер.

Учитывая изложенное, представлялось, что для более полного учета сложных условий горения частицы плодотворным может быть привле­чение и аналитических методов исследования.

Однако для таких исследований необходимо иметь достаточно пол­ное представление о физической модели изучаемого процесса и знать закономерности протекания отдельных стадий горения для аналитиче­ского описания процесса в условиях, близких к топочным. Поэтому в дальнейшем проводились параллельно экспериментальные и аналити­ческие работы по исследованию отдельных явлений и горения частицы в целом.

В аналитических исследованиях для возможности получения окон­чательных решений принимались те или иные упрощения и предположе­ния, что вносило искажения в математическое моделирование.

Например, принималось, что температура среды постоянна, горение протекает в одном из предельных режимов: кинетическом или диффузи­онном; не учитывались вторичное реагирование и теплоотдача излуче­нием. Это не могло не вносить искажения в результаты и выводы.

Вместе с тем в экспериментальных работах были получены важные сведения о протекании процесса горения по отдельным его стадиям (вы - 22* 339 ход и горение летучих, внутреннее реагирование, вторичное реагирова­ние, превращения золы в процессе горения и пр.), а также данные по кинетическим и диффузионным характеристикам, В ряде аналитических работ также были получены определенные результаты, расширяющие представления о горении частицы.

Дальнейший обзор работ по исследованию горения частицы прово­дится с точки зрения использования имеющихся в этих работах рацио­нальных моментов для развития теории горения.

Изучению горения одиночных частиц посвящен ряд фундаменталь­ных работ. Одной из первых, хорошо поставленных экспериментально­теоретических работ являются исследования В. И. Блинова (Л. 44] по воспламенению и выгоранию сферической частицы электродного угля с й—9 мм, подвешенной в цилиндрической камере и омываемой потоком воздуха с постоянной температурой. При температурах воздуха до 700°С углеродный шарик нагревался до температуры потока воздуха, не изменяя своей массы. Затем наблюдалось медленное убывание мас­сы и шарик самопроизвольно нагревался до 740—760°С, после чего тем­пература резко повышалась, появлялось интенсивное синее пламя окиси углерода, облегающее шарик, и его масса начинала быстро падать. Из факта появления пламени СО В. И. Блинов делает вывод, что при мед­ленном окислении, предшествующем воспламенению, образуются оба окисла углерода: СОг и СО. Сгорание СО вблизи частицы способствует воспламенению частицы.

В. И. Блинов впервые дал формулу для определения времени выго­рания углеродной частицы с учетом процесса диффузионного поступле­ния газовых реагентов к поверхности частицы и протекания химических реакций на ней. На основании аналогии между процессами массо - и теплообмена в расчетах диффузии были использованы имеющиеся экс­периментально определенные зависимости для интенсивности теплооб­мена частицы.

Одновременно образование С02 и СО при горении углерода было получено и другими исследователями.

О. А. Цухановой и Л. А. Колодкиной [Л. 43] было исследовано го­рение неподвижно закрепленной частицы углерода с начальным диа­метром 16 мм в вынужденном потоке. При малых скоростях потока, не превышающих 0,3—0,4 м/с, горение частицы проходило сравнительно равномерно и шар был окутан тонкой светящейся пленкой. При скорос­тях свыше 2,0 м/с выгорание частицы становилось все более несиммет­ричным. Горение частицы практически происходило только с лобовой стороны и очень мало с тыльной части, а от шарика вдоль по потоку тянулся светящийся хвостообразный след газового пламени. Наличие газового пламени указывает на то, что в процессе реагирования на ло­бовой стороне частицы наряду с углекислотой образуется и окись угле­рода, которая сдувается потоком и, сгорая, препятствует подводу кислорода к тыльной части шара, а следовательно, и горению этой части.

Экспериментально обнаруженное появление пламени за частицей, горящей в потоке, и голубоватого пламени вокруг частицы, реагирую­щей в неподвижной среде, было объяснено образованием окиси углерода и углекислоты в процессе первичного реагирования углерода с кислоро­дом и последующим горением СО.

Таким образом, существуют два режима горения частицы: при ма­лых скоростях обтекания (Не<100) горение частицы происходит с на­ложением процесса горения окиси углерода на процесс горения углеро­
да. При больших скоростях обтекания горение окиси углерода простран­ственно отделяется от горения углерода.

В. И. Бабием и И. Ф. Поповой [Л. 45] при исследовании мелких частиц размером 150 мкм не было обнаружено горения летучих у по­верхности частиц пламенем. По мере уменьшения диаметра частицы на­ступает момент, при котором горение летучих переходит в кинетический режим и выгорание их распространяется на объем газа.

Аналогичные результаты по выходу летучих были получены в иссле­дованиях горения частиц натуральных топлив. Опыты показывают, что процесс горения частицы угля можно представить следующим образом.

По мере нагрева частица подогревается, подсушивается, затем на­чинается возгонка топлива. Чем больше содержание летучих в топливе, тем интенсивнее происходит их выход. Выход летучих начинается при температурах тем более высоких, чем старее топливо. Из бурых углей выход летучих начинается при температуре около 170°С, из газового уг­ля— около 210°С, из ПЖ — около 260°С, из тощих углей — около 320°С, из антрацита — около 380°С [Л. 46]. Выход летучих продолжается вплоть до температур порядка 800—1000°С.

При горении мелких частиц благодаря высокой интенсивности теп­ло - и массообмена основная доля летучих выделяется и диффундирует в окружающую среду, где, образуя горю­чую газовую смесь, сгорает в газовом объеме.

В случае горения крупных частиц размером более 0,5—1 мм вследствие не­достаточно интенсивного диффузионного обмена летучие воспламеняются около поверхности в пределах пограничной пленки и выгорают за небольшой период времени, составляющий примерно 10% времени полного сгорания частицы.

После выхода и сгорания основной массы летучих кокс оказывается доста­точно нагретым и энергично соединяется с поступающим кислородом.

Из опытов по воспламенению и горе­нию топлив и, в частности, из опытов

С. Л. Шагаловой [Л. 47] по воспламене­нию топливной пыли в замкнутых сосу­дах, данные которых по выгоранию лету­чих и кокса некоторых топлив приведены на рис. 15-3, видно, что в на­чальной стадии процесса выгорают в основном летучие. Вскоре после воспламенения мелких частиц начинается также и горение кокса. В дальнейшем горение летучих и кокса протекает параллельно при зна­чительной продолжительности совместного горения, но с некоторым опе­режением горения летучих.

Б. Д. Кацнельсоном и И. Я. Мароне [Л. 48, 49] были поставлены эксперименты по исследованию воспламенения индивидуальных пыли­нок фотографированием их при падении в кварцевой трубке в среде с высокой температурой. Было установлено, что с увеличением размера частиц время воспламенения увеличивается.

В. И. Бабием и И. П. Ивановой [Л. 50] были измерены температуры горящих частиц диаметром 0,1—1 мм при температуре газовой среды 1200—1800 К и концентрации кислорода 21—5%. Установлено, что тем­
пература частицы превышает температуру газовой среды. Максимальное превышение температуры частиц над температурой газовой среды со­ставило ЬОСГС.

С. Н. Шориным были проведены аналитические исследования само­воспламенения и горения углеродных частиц, а П. А. Серебряковым — экспериментальные исследования реагирования угольной пыли с огра­ниченным количеством воздуха, отражающие в этом отношении реаль­ные условия горения з камерных топках. В аналитических исследова­ниях были приняты следующие допущения: тепло, выделяющееся при реагировании, поглощается частицей и окислителем с одновременным и одинаковым повышением их температуры. Горение протекает в кинети­ческом режиме. Отвод тепла из реакционного объема не учитывался. При принятых допущениях и упрощающих условиях расчетом определе­но изменение температуры частицы во времени. Из уравнения теплового баланса реагирующих частиц определено время выгорания. По выгора­нию определены текущие значения концентрации кислорода в смеси и радиус частиц.

Исследование горения с ограниченным количеством воздуха позво­лило получить результаты, характерные для практики пылесжигания. Получено, что период индукции увеличивается с увеличением размера частиц и избытка воздуха, а температура воспламенения понижается с уменьшением размера частиц, тогда как в ранее проведенных иссле­дованиях относительно зависимости температуры воспламенения от диа­метра для мелких частиц был получен противоположный результат, что объясняется наличием большого избытка воздуха.

П. А. Серебряковым экспериментальные исследования проводились следующим образом. В фарфоровую трубку, помещенную в графито­вую печь, после нагрева потока воздуха до определенной температуры и выключения печи подавалась угольная пыль и измерялась температу­ра реагирующей смеси на выходе трубки. Разность между темпера­турой реагирующей смеси на выходе из трубки и температурой на входе в нее АТ, определенная с поправкой на нагрев пыли, характеризует раз­витие процесса реагирования. За температуру воспламенения принима­лось значение начальной температуры воздуха, при которой разогрев АТ достигает критической величины АТк, определяемой по стационар­ной теории теплового самовоспламенения.

Из работ по исследованию процессов горения одиночной частицы можно сделать следующие выводы.

1) В различных экспериментальных и аналитических работах по исследованию воспламенения и горения углеродных частиц и пылевоз - душной смеси были получены существенно отличающиеся результаты по температуре и периоду воспламенения и влиянию на них режимных факторов. Некоторые из этих результатов противоречили практике пы­лесжигания. Это происходило вследствие того, что экспериментальные исследования проводились в различных аппаратурных и режимных усло­виях, а аналитические — при различных предположениях и допущениях.

2) Для получения закономерностей горения, отвечающих реальным условиям пылесжигания, необходимо как в экспериментальных, так и в аналитических работах изучать горение частиц с ограниченным коли­чеством воздуха при наличии рециркуляции продуктов сгорания. Про­цесс горения необходимо рассматривать комплексно во всей совокуп­ности химических и физических явлений при возможно полном физиче­ском моделировании в экспериментальных исследованиях и математи­ческом моделировании в аналитических исследованиях. Разобраться

В сложной ситуации воспламенения и горения одиночных частиц можно, исходя из нестационарной теории теплового самовоспламенения, изло­женной в § 5-9.

3) В процессе горения изменяется температура частиц и газовой среды, причем температура частиц может значительно превышать тем­пературу среды.

4) Можно считать установленным, что в случае крупных частиц при малых скоростях обтекания летучие и окись углерода, образовав­шаяся в первичном реагировании, сгорают у поверхности, а при больших скоростях уносятся потоком и сгорают за тыльной стороной частиц, образуя газовый факел. В случае же мелкой пыли вследствие интенсив­ного массообмена летучие уносятся и сгорают в газовой среде. Следо­вательно, можно считать, что горение летучих и кокса происходит в виде последовательных стадий.

5) Первичными продуктами реагирования углерода с кислородом являются С02 и СО. При повышении температуры выход СО увеличи­вается. При высоких температурах углерод реагирует с С02 с образова­нием СО. Окись углерода, образованная при первичном реагировании, может догорать в газовой среде.

6) На горение углерода коксового остатка зола не оказывает су­щественного влияния.