ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О ВОСПЛАМЕНЕНИИ И ВЫГОРАНИИ ЧАСТИЦЫ

Система уравнений (16-3), (16-4), (16-9), (16-15), (16-16), (16-17) и (16-18), описывающих горение частицы пылевидного топлива, была решена на ЭВМ [Л. 51]. Проведенные расчеты позволили исследовать динамику горения частиц различных размеров в средах различного со­става по содержанию горючих и инертных веществ при ряде значений начальной температуры. В результате расчетов найдены зависимости изменения во времени температуры и размера частиц, температуры га­зов, концентрации кислорода и продуктов сгорания С02 и СО у реаги­рующей поверхности и в газовой среде, а также режима протекания процесса горения.

Для каждого рассмотренного размера частицы произведены рас­четы по выгоранию последовательно для ряда значений а в зависимости от степени рециркуляции газов г с температурой Гр. Сравнением рас - 23—541 353
четов для различных а выявлены оптимальные условия для реагирова­ния частицы данного размера по а и г при заданных значениях Тг. о и Ти Далее сопоставлением расчетов для частиц различных размеров выявлены особенности ИХ горения. Для выявления ВЛИЯНИЯ Тг. о И 7 по некоторым вариантам произведены расчеты с изменением этих пара­метров.

Режим протекания процесса горения определялся вычислением па­раметра, характеризующего степень его кинетичносги:

(16-20)

При кинетическом режиме 01-------- *1, При диффузионном (0—>0. Ниже

Анализируется решение для следующих вариантов: топливо — пыль АШу размер частиц 6о=5; 8,5; 35; 100 и 300 мкм; режимные условия: коэффициент избытка воздуха в пылевоздушной смеси а = 0,1; 0,3; 0,5;

1, а для некоторых вариантов 2,5 и 5; коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания а—1,2; степень рециркуляции г=0; 0,5; 1; 2; 4; 10; температура облучателя 1500°С; температура рециркулирующих га­зов 1300, 1500°С; температура подогрева воздуха 7=100, 300 и 500°С.

Значения физико-химических констант приняты следующими: ко­эффициент теплопроводности и диффузии 2,08-10-5 кВт/(м-К), Ь = =4,3-10-8 кВт/!(м-К2); А)=0,18-104 м2/с; теплоемкость газов и частиц. сг=1,46 кДж/(м3-'К); Сч —0,96 кДж/(кг-К); кинетические константы реакций образования СО и СОг, восстановления С02 и горения СО: ^01 = 0,125-105 м/с, £1 = 0,247• 105 кДж/моль; £02=0,48-104; £2=0,2ЗЗХ Х'Ю5; ^2,1 = 0,11 - Ю5; Е2Л = 0,42 • 105; х1)2 = 0,47-107; £Ь2=0,75 • 104.

Сопоставление расчетов для мелких и крупных частиц показало,, что время выгорания мелких частиц несоизмеримо мало по сравнению со временем выгорания крупных.

Имея это в виду, можно сделать вывод о том, что при горении полидисперсной пыли крупные частицы вступают в процесс реагирова­ния после некоторой задержки, а в это время реагируют в основном мелкие частицы, которые находятся в газовой среде с большим избыт­ком воздуха. Поэтому расчеты проводились и для значений коэффици­ента избытка воздуха, больших единицы.

Результаты расчетов для частиц различных размеров при наиболее характерных режимных условиях представлены ниже графически. Ин­тенсивность нарастания температуры и тепловыделения характеризует развитие процесса и наступление воспламенения, а изменение размера частиц — скорость выгорания.

Период воспламенения складывается из продолжительности нагре­ва частицы до температуры окружающей среды тн и самого периода индукции Тг, т. е. времени, затрачиваемого на самопроизвольное по­вышение температуры в процессе химического реагирования, приводя­щего к воспламенению:

Тв = Тн + Тг. (16-21)

Период индукции определяется как промежуток времени, в тече­ние которого температура частицы повышается от Гг.0 до критического значения.

Горение мелких частиц

Реагирование мелкой пыли в атмосфере воздуха, нагретого до тем­ператур 400—500°С, при наличии облучателя с температурой 1500°С протекает не интенсивно. Вследствие интенсивной теплоотдачи воздуш - 354

Ной среде, несмотря на большую лучевоспринимающую поверхность, температура мелких частиц повышается медленно и за ограниченный, практически приемлемый период индукции воспламенения не проис­ходит.

Нагрев и реагирование естественным образом могут быть сущест­венно интенсифицированы рециркуляцией и смешением с пылевоздуш­ной средой горячих продуктов сгорания.

Ниже на рис. 16-1 —16-4 приводятся результаты решения указанной системы уравнений с учетом рециркуляции продуктов сгорания для частицы 8,5 мкм при ТР=1500°С и Т1 = 300°С, значениях коэффициента избытка воздуха а от 0,1 до 5 и степенях рециркуляции от 0,5 до 10. Как при малых, так и больших избытках воздуха и степенях рецирку­ляции мелкая частица практически мгновенно (1 -10~3 с) нагревается до начальной температуры реагирующей газовой смеси Гг.0.

При малых и умеренных избытках воздуха и степенях рециркуля­ции (а^1,0 и г=0,5—2), а следовательно, при повышенной реакцион­ной поверхности, приходящейся на единицу объема реагирующей газо­вой смеси /УУр. см, за счет тепла химического реагирования частицы эта смесь быстро нагревается. При повышенном температурном уровне про­цесса углерод реагирует с большим выходом СО, который при интесив - ном массообмене переносится от поверхности мелкой частицы и сгорает в газовой среде, усиливая ее нагрев.

При интенсивной теплоотдаче мелкой частицы передача выделяю­щегося тепла происходит при малой разности температур частиц и га­зов. Вследствие этого температура газов (реагирующей тазовой смеси) в ходе реагирования интенсивно повышается, близко следуя за все возрастающей температурой частицы. Практически температура газа повышается так же, как температура частицы, т. е. эти температуры возрастают, оставаясь почти равными друг другу. Резкое повышение температуры газовой среды вызывает прогрессивный рост температуры частицы, скорости реагирования и температуры самих газов. В этих условиях при начальной температуре реагирующей смеси Гг. о=1030 К (рис. 16-1) и соответственно при Тг. о=1430 К ;(рис. 16-2) мелкая уголь­ная пыль быстро воспламеняется и интенсивно выгорает при развиваю­щихся высоких температурах.

При данном значении г началь­ная температура реагирующей смеси не зависит от а. Уменьшение а, вы­зывающее пропорциональное умень - поо шение количества рециркулирую­щих газов, вследствие увеличения удельной реакционной поверхности //Ур. см способствует усилению на­грева газов за счет тепла химическо­го реагирования и значительно ин­тенсифицирует воспламенение. По­этому с уменьшением а температура частицы и газовой среды резко воз­растает, период индукции воспламе­нения уменьшается (кривые /, 2 иЗ на рис. 16-1 и 16-2).

С увеличением г эффективность действия этого режимного фактора
уменьшается (рис. 16-3, 16-4). При этом в случае, когда г = 0,5ч-2 (рис. 16-1, 16-2), выгорание интенсифицируется, а при больших значе­ниях г (г=4,10), напротив, несколько замедляется (рис. 16-3, 16-4).

При больших избытках воздуха (кривые 5 и 6 на рис. 16-2) силь­но увеличивается объем реагирующей смеси Ур. см за счет увеличения количества воздуха, а также пропорционального увеличения количест­ва рециркулирующих га­зов. При этом значитель­но уменьшается реакцион­ная ПОВерХНОСТЬ //Кр. см, приходящаяся на едини­цу объема газов. Сущест­венно уменьшается нагрев газовой среды за счет тепла химического реаги­рования, замедляется по­вышение ее температуры и практически одинаковой с ней температуры части­цы, что задерживает раз­витие процесса горения.

В случае, когда а—2 при г=2 (кривые 5 и 6 на рис. 16-2), заметно по­нижается температурный уровень процесса и ин­тенсивность его протека­ния, период воспламене­ния увеличивается до т'в=0,в145 с, а период вы­горания — до т=0,04 с.

При а=5 настолько увеличивается Ур. см и уменьшается /УУр. См, что процесс протекает при ма­лом приросте температу­ры или изотермически при высоких значениях Гг.0. Но вследствие пониже­ния температурного уров­ня процесса существенно увеличивается период выгорания (рис. 16-2, кривая 6).

С увеличением г повышается начальная температура реагирующей смеси, но одновременно увеличивается ее масса, уменьшаются удельная реакционная поверхность /УУр. см и концентрация кислорода. В резуль­тате совместного действия указанных факторов в начале с увеличением г до определенной величины воспламенение и выгорание интенсифици­руются, при дальнейшем увеличении г больше сказывается разбавление реагирующей смеси инертными газами, замедляется рост температуры газов и мало отличающейся от нее температуры частицы, снижается температурный уровень процесса, увеличивается период воспламенения и горения.

Так, для а= 1 при г=0,5 прирост температуры газов составляет 1420°С, при г=2 — 710°С, при г—4 — 420°С, а при г=10 — лишь 180°С, 356
т. е. имеет место практически изотермическое горение при высоком тем­пературном уровне.

В исследованных вариантах вследствие интенсивной диффузии про­цесс горения мелкой пыли протекает в кинетической или промежуточ­ной области при повышенной величине концентрации кислорода у по­верхности частицы, мало отличающейся от концентрации в объеме газовой среды.

Итак, горение мелкой частицы можно характеризовать следующим образом. При умеренных избытках воздуха и степени рециркуляции (а=^1,5; г = 0,5—2) мелкая частица интенсивно воспламеняется и вы­горает. С уменьшением а до 0,1 воспламенение интенсифицируется, но с увеличением г эффективность этого воздействия ослабевает. При боль­ших избытках воздуха вследствие понижения температурного уровня процесса выгорание затягивается.

С увеличением г до определенного для данных условий значения благодаря повышению начальной температуры реагирующей смеси вос­пламенение и выгорание интенсифицируются. Дальнейшее увеличение г из-за значительного снижения температурного уровня процесса и умень­шения концентрации кислорода приводит к ухудшению воспламенения и горения. По условиям воспламенения и горения мелкой частицы (8,5 мкм) при 7,Р=1300°С, Гі = 300°С оптимальным является степень рециркуляции г=3, а при 7Р=1500°С — г = 2.

Горение крупных частиц

Горение крупных частиц существенно отличается от горения мелких.

Из-за уменьшения интенсивности диффузии при менее высоких тем­пературах горение крупных частиц переходит в диффузионный режим, в котором скорость реагирования при одинаковых температурах мень­ше, чем в кинетическом. В результате этого и уменьшения удельной реакционной поверхности //Усм в процессе горения за счет тепловы­деления газовая среда нагревается слабее, чем при горении мелких частиц. С другой стороны, при меньшей интенсивности теплообмена передача выделяющегося тепла совершается при большей разности меж­ду температурами частицы и газов, что обусловливает достаточно вы­сокие температуры горения крупных частиц, приближающиеся к тем­пературному уровню горения мелкой частицы, но период воспламенения

И горения значительно больше, чем у мелких частиц. При г=2 и а = = 0,3; 0,5; 1; 2 и 5 (рис. 16-5) максимальное превышение температуры частицы с диаметром 100 мкм над температурой газов соответственно составляет 375, 435, 564, 480, 525°С, тогда как в аналогичных условиях горения частицы 8,5 мкм максимальное превышение температуры над температурой газов составляет 80, 68, 52, 45, 38°С.

При умеренных степенях рециркуляции,'(г = 0,5-т-2) с уменьшением коэффициента избытка воздуха вследствие увеличения удельной реак­ционной поверхности //Уем нагрев газов усиливается. Однако посколь­ку реагирование происходит в диффузионной области, это не приводит к интенсификации горения.

Напротив, при больших избытках воздуха газовая среда за

Счет тепловыделения при горении нагревается меньше, но так как кон­центрация кислорода увеличивается, а величина Гг.0 остается такой же, горение протекает более интенсивно. Так, при |а = 2 горение существен­но интенсифицируется по сравнению с а=1, а при а = 5, при котором температура частицы и газов в основной стадии горения значительно ниже, интенсивность горения практически такая же, как при а=2 (рис. 16-5).

При а>1 имеет место резкое падение температуры частицы в ко­нечной стадии ее выгорания вследствие резкого уменьшения разности температур между выгорающей частицей с сильно уменьшившимся раз­мером и газами.

Вследствие большей разности температур частиц и газов крупные частицы в условиях а>1, имея более высокую температуру, реагируют интенсивнее, чем мелкие, реагирование которых при больших а замед­ляется. Это более резко выявляется при меньших величинах Гр.

Период воспламенения крупных частиц б0=1ОО, 300 мкм от а не зависит.

С увеличением г до некоторого предела вследствие значительного увеличения Гг. о воспламенение частиц интенсифицируется. Но так как при этом уменьшаются концентрация кислорода и удельная реакцион­ная поверхность //Уем, горение замедляется и протекает при малом росте температуры частицы и меньшей разности температур между ча­стицей и газом.

При больших г уменьшение а практически не отражается на тем­пературе частиц, но в результате уменьшения концентрации кислорода выгорание замедляется.

Зависимость периода воспламенения от степени рециркуляции име­ет экстремальный характер. С увеличением 60 до 100 мкм оптимальная степень рециркуляции по воспламенению г0пт растет, затем падает.

Период воспламенения крупных частиц много больше, чем мелких, в особенности при больших г и малых а. Так, при а = 0,1 и г= 10 (7р = = 1500°С) период воспламенения крупных частиц |(бо=Ю0 мкм) на порядок больше периода воспламенения мелких частиц (6о=8,5 мкм) при аналогичных условиях.

В одинаковых режимных условиях при горении крупной частицы перенос СО, образующегося при менее высоких температурах в мень­шем количестве, происходит менее интенсивно, поэтому концентрация СО в газовом объеме получается меньше, чем при горении мелкой частицы.

Из выявленной динамики процесса реагирования следует, что основные особенности горения частиц твердого топлива различных раз­меров проистекают из очень большой разницы в их удельной реакци­онной поверхности, приходящейся на единицу массы газовой среды, а также из 'большой разницы в интенсивности тепло - и массообмена частиц с газовой средой. Удельная реакционная поверхность, приходя­щаяся на единицу массы реагирующей смеси, обратно пропорциональ­на размеру частиц топлива, коэффициенту избытка воздуха и степени рециркуляции продуктов сгорания. Интенсивность тепло - и массообмена также обратно пропорциональна размеру частиц.

В газовоздушной смеси с малыми и умеренными значениями ко­эффициента избытка воздуха (а = 0,3-г-1,3) мелкая пыль с большой удельной реакционной поверхностью, отвечающей небольшим избыткам воздуха по количеству топлива, реагирующего в данный момент време­ни, в топочных условиях интенсивно реагирует. Тепло, выделяющееся в процессе горения и воспринимаемое от облучателя развитой поверх­ностью мелкой пыли, интенсивно отдается газовой среде реагирующей смеси. Температура среды быстро повышается и вследствие интенсив­ной теплоотдачи от частицы к газу, обусловливающей малую разность температур между ними, близко следует за все возрастающей темпера­турой частицы. Прогрессирующий рост температуры частиц и газовой среды приводит к интенсивному воспламенению и при интенсивном массообмене к быстрому выгоранию мелких частиц в кинетической или промежуточной области при высоком температурном уровне.

С уменьшением избытка воздуха нагрев газовой среды усиливается, что приводит к интенсификации горения мелкой пыли. Напротив, при больших избытках воздуха, приводящих к увеличению суммарной те­плоемкости газовой среды реагирующей смеси, нагрев ее за счет тепла, выделяющегося при реагировании частиц, уменьшается. Из-за неболь­шой разности температур мелких частиц и газовой среды при интен­сивной теплоотдаче температура частиц удерживается на невысоком уровне, что замедляет воспламенение и выгорание мелкой пыли при больших избытках воздуха и большой степени рециркуляции газов.

Напротив, при реагировании крупных частиц с малой удельной ре­акционной поверхностью температура газовой среды повышается мед­ленно, что приводит к увеличению периода воспламенения. Но вслед­ствие менее интенсивного теплообмена отдача тепла реагирования и воспринимаемого от облучателя происходит при большой разности тем­ператур и на частице устанавливается повышенная температура.

Горение крупных частиц в смеси с умеренными избытками воздуха, когда частицы приобретают достаточно высокую температуру, значи­тельно превышающую температуру медленно нагревающейся газовой среды, при менее интенсивном массообмене протекает в диффузионной области с несколько меньшей скоростью, чем торение мелкой пыли, которое при одинаковых условиях протекает в промежуточной или ки­нетической области при более высокой температуре частиц.

В результате замедленного нагрева газовой среды уменьшение из­бытка воздуха слабо влияет на скорость выгорания крупных частиц, но в то же время резко интенсифицирует горение мелких.

«При больших избытках воздуха горение крупных частиц, протекаю­щее в диффузионной области, несколько интенсифицируется и, напро­тив, горение мелких частиц существенно замедляется.