Файл: 8 Сжигание твердого топлива Лекция 14 Горение твердых топлив Горение твердых топлив имеет рад стадий подогрев, подсушка топлива, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих и кокса. Из всех этих стадий определяющей является стадия горения коксов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 14
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Тема 8: Сжигание твердого топлива Лекция 14: Горение твердых топлив Горение твердых топлив имеет рад стадий подогрев, подсушка топлива, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих и кокса. Из всех этих стадий определяющей является стадия горения коксового остатка, те. стадия горения углерода, интенсивность которой и определяет интенсивность топливосжигания и газификации в целом. Определяющая роль горения углерода объясняется следующим во-первых, твердый углерод, содержащийся в топливе, является главной горючей составляющей почти всех натуральных твердых топлив. Так, например, теплота сгорания коксового остатка антрацита составляет 95 % теплоты сгорания горючей массы во-вторых, стадия сгорания коксового остатка оказывается наиболее длительной из всех стадий и может занимать до 90% всего времени, необходимого для горения в-третьих, процесс горения имеет решающие значения в создании тепловых условий протекания других стадий. Следовательно, основой правильного построения технологического метода сжигания твердых топлив является создания оптимальных условий для процесса горения углерода. Основой горения пылевидных топлив является химическое реагирование горючих составляющих топлива с кислородом воздуха. Однако химические реакции горения протекают в мощных пылегазовоздушных потоках за чрезвычайно короткое время (от 1 до 2 с) пребывания топлива и окислителя в топочной камере. Эти реакции совершаются в условиях сильного взаимного влияния с одновременно протекающими физическими процессами. Такими процессами являются
1) процесс движения подаваемых в топочную камеру составляющих горючую смесь газовых и твердых диспергированных веществ в системе струй, переходящих в потоки распространяющихся в ограниченном пространстве топочной камеры с развитием вихревых течений, в совокупности составляющих сложную структуру аэродинамики топки
2) турбулентная и молекулярная диффузия и конвективный перенос исходных веществ и продуктов реакции в газовом потоке, а также перенос газовых реагентов к диспергированным частицам
3) теплообмен в газовых потоках продуктов сгорания и исходной смеси, между газовыми потоками и содержащимися в них частицами топлива, а также передача тепла, выделяющегося при химическом превращении в реагирующей среде
4) радиационный теплообмен частиц с газовой и пылегазовоздушной смеси с экранными поверхностями в топочной камере
5) нагрев частиц, возгонка летучих, переноси горение их в газовом объеме и др. Таким образом, процесс горения твердого топлива является сложным гетерогенным физико-химическим процессом, состоящим из двух этапов подвода кислорода к поверхности топлива турбулентной и молекулярной диффузией и химической реакции на ней.
1) процесс движения подаваемых в топочную камеру составляющих горючую смесь газовых и твердых диспергированных веществ в системе струй, переходящих в потоки распространяющихся в ограниченном пространстве топочной камеры с развитием вихревых течений, в совокупности составляющих сложную структуру аэродинамики топки
2) турбулентная и молекулярная диффузия и конвективный перенос исходных веществ и продуктов реакции в газовом потоке, а также перенос газовых реагентов к диспергированным частицам
3) теплообмен в газовых потоках продуктов сгорания и исходной смеси, между газовыми потоками и содержащимися в них частицами топлива, а также передача тепла, выделяющегося при химическом превращении в реагирующей среде
4) радиационный теплообмен частиц с газовой и пылегазовоздушной смеси с экранными поверхностями в топочной камере
5) нагрев частиц, возгонка летучих, переноси горение их в газовом объеме и др. Таким образом, процесс горения твердого топлива является сложным гетерогенным физико-химическим процессом, состоящим из двух этапов подвода кислорода к поверхности топлива турбулентной и молекулярной диффузией и химической реакции на ней.
Рассмотрим общую теорию гетерогенного горения на примере горения сферической частицы углерода, принимая следующие условия концентрация кислорода по всей поверхности частицы одинакова скорость реагирования кислорода с углеродом пропорциональна концентрации кислорода у поверхности, те имеет место реакция первого порядка, что для гетерогенных процессов наиболее вероятно реакция протекает на поверхности частицы с образованием конечных продуктов сгорания, а вторичные реакции в объеме, а также и на поверхности частицы отсутствуют. В такой упрощенной постановке скорость горения углерода можно представить зависящей от скорости двухосновных его стадий, а именно от скорости подвода кислорода к межфазной поверхности и от скорости самой химической реакции, протекающей на поверхности частицы. В результате взаимодействия этих процессов наступает динамически равновесное состояние между количеством доставляемого диффузией и расходуемого на химическое реагирование кислорода при определенной величине его концентрации на поверхности углерода. Скорость химической реакции г кислорода/(см
2
с), определяемая как количество кислорода, потребляемого единицей реакционной поверхности за единицу времени, может быть выражено следующим образом К, (14.1) где
К
константа скорости химической реакции концентрация кислорода у поверхности частицы. С другой стороны, скорость горения равна удельному потоку кислорода к реагирующей поверхности, доставляемого диффузией
)
(
0 д (14.2) где
д
коэффициент диффузионного обмена концентрация кислорода в потоке, в котором сгорает частица углерода. Подставляя значения
S
C
изв уравнение (14.20), получим выражение для скорости гетерогенного горения через количество кислорода, потребляемого единицей поверхности за единицу времени
д
O
S
К
C
W
1 1
0 2
(14.3) Обозначая через
2
с), определяемая как количество кислорода, потребляемого единицей реакционной поверхности за единицу времени, может быть выражено следующим образом К, (14.1) где
К
константа скорости химической реакции концентрация кислорода у поверхности частицы. С другой стороны, скорость горения равна удельному потоку кислорода к реагирующей поверхности, доставляемого диффузией
)
(
0 д (14.2) где
д
коэффициент диффузионного обмена концентрация кислорода в потоке, в котором сгорает частица углерода. Подставляя значения
S
C
изв уравнение (14.20), получим выражение для скорости гетерогенного горения через количество кислорода, потребляемого единицей поверхности за единицу времени
д
O
S
К
C
W
1 1
0 2
(14.3) Обозначая через
д
каж
К
К
1 1
1
(14.4) Можно выражение (14.3) представить в виде
0 2
С
K
W
каж
O
S
(14.5) По своей структуре выражение (14.5) подобно кинетическому уравнению (14.1) реакции первого порядка. В ней константа скорости реакции К заменена коэффициентом
каж
K
, который зависит как от реакционных свойств горючего, таки от закономерностей переноса и поэтому назван кажущейся константой скорости горения твердого топлива. Скорость химической реакции горения зависит от природы топлива и физических условий концентрации реагирующего газа на поверхности, температуры и давления. Температурная зависимость химической реакции является наиболее сильной. В области низких температур скорость химической реакции мала и по потреблению кислорода во много раз меньше скорости, с которой кислород может быть доставлен диффузией. Процесс горения ограничивается скоростью самой химической реакции и не зависит от условий подвода кислорода, те. скорости воздушного потока, размера частиц и т.д. Поэтому эта область протекания гетерогенного горения называется – кинетической. В кинетической области горения
К
д
, поэтому в формуле (14.3) величиной д можно пренебречь по сравнению с К и тогда получим
0 2
С
K
W
O
S
Различные области протекания гетерогенного горения графически изображены на рисунке 14.1.
1, 1' – кинетическая 2, 2' – промежуточная 3, 3' – диффузионная Рисунок 14.1 – Области протекания гетерогенной реакции
Кинетическая область I характеризуется кривой 1, которая показывает, что с увеличением температуры скорость горения резко увеличивается согласно закону Аррениуса. При некоторой температуре скорость химической реакции становится соизмеримой со скоростью доставки кислорода к реакционной поверхности и тогда скорость горения становится зависящей не только от скорости химической реакции, но и от скорости доставки кислорода. В этой области, называемой промежуточной на рисунке 14.1, область II, кривая 1 – 2), скорость протекания этих двух стадий соизмерима, ни одной из них нельзя пренебречь и поэтому скорость горения определяется величиной (14.3). С увеличением температуры скорость горения увеличивается, нов меньшей степени, чем в кинетической области, причем рост ее постепенно замедляется и, наконец, достигает своего максимума при переходе в диффузионную область (область III, кривая 2 – 3), оставаясь также независящей от температуры. При более высоких температурах в этой области скорость химической реакции настолько увеличивается, что доставляемый диффузией кислород мгновенно вступает в химическую реакцию, в результате чего концентрация кислорода на поверхности становится практически равной нулю. В формуле (14.3) можно пренебречь значением К по сравнению с д и тогда получим, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к реакционной поверхности, те.
0 2
С
W
д
O
S
и поэтому эта область горения называется диффузионной. В диффузионной области скорость горения практически не зависит от свойств топлива и температуры. В этой области на скорость горения сильно влияет условие доставки кислорода, а именно аэродинамические факторы относительная скорость газового потока и размера частиц топлива. С увеличением скорости газового потока и уменьшением размера частиц, тес ускорением доставки кислорода, скорость диффузионного горения увеличивается. Процесс горения протекающий в диффузионной области, может перейти в промежуточную (кривая 1' – 2') или даже в кинетическую область при усилении диффузии, например, при увеличении скорости потока W или приуменьшении размера частиц. Таким образом, при увеличении скорости газового потока и при переходе к мелким частицам процесс сдвигается в сторону кинетического горения. Рост температуры сдвигает процесс в сторону диффузионного горения (кривая 2' – 3'). Протекание гетерогенного горения в той или иной области для какого-либо частного случая зависит отданных конкретных условий. Независимо оттого, по какому механизму развивается горения угля, первичными продуктами горения является одновременно углекислота и окись углерода. При высокой влажности топлива, когда в продуктах сгорания может находится значительное количество водяных паров, или при окислении углерода водяным паром в первичных продуктах возможно появление водорода и метана. Таким образом, для углерода характерно качественное многообразие протекающих реакций. Основным итогом химической стороны процесса взаимодействия углерода с кислородом при высоких температурах является
0 2
С
W
д
O
S
и поэтому эта область горения называется диффузионной. В диффузионной области скорость горения практически не зависит от свойств топлива и температуры. В этой области на скорость горения сильно влияет условие доставки кислорода, а именно аэродинамические факторы относительная скорость газового потока и размера частиц топлива. С увеличением скорости газового потока и уменьшением размера частиц, тес ускорением доставки кислорода, скорость диффузионного горения увеличивается. Процесс горения протекающий в диффузионной области, может перейти в промежуточную (кривая 1' – 2') или даже в кинетическую область при усилении диффузии, например, при увеличении скорости потока W или приуменьшении размера частиц. Таким образом, при увеличении скорости газового потока и при переходе к мелким частицам процесс сдвигается в сторону кинетического горения. Рост температуры сдвигает процесс в сторону диффузионного горения (кривая 2' – 3'). Протекание гетерогенного горения в той или иной области для какого-либо частного случая зависит отданных конкретных условий. Независимо оттого, по какому механизму развивается горения угля, первичными продуктами горения является одновременно углекислота и окись углерода. При высокой влажности топлива, когда в продуктах сгорания может находится значительное количество водяных паров, или при окислении углерода водяным паром в первичных продуктах возможно появление водорода и метана. Таким образом, для углерода характерно качественное многообразие протекающих реакций. Основным итогом химической стороны процесса взаимодействия углерода с кислородом при высоких температурах является
2 2
CO
O
C
и
CO
O
C
2 Эти реакции принято называть первичными. Кроме этих реакций могут быть
CO
O
CO
2 и
CO
CO
C
2 Эти реакции называются вторичными. Разберем схему реагирования частиц углерода, обтекаемой потоком с малой скоростью (рисунок 13.2, а. При сравнительно невысоких температурах или повышенных скоростях обтекания образующаяся окись углерода может быть вынесена в окружающую среду (I). При более высоких температурах СО может вступать во вторичную реакцию и сгореть, потребляя часть кислорода, поступающего к поверхности частицы (I'). Углекислота может частично возвратиться на поверхность частицы ив случае достаточной температуры выше 1200 – 1300 С вступить во вторичную реакцию с углеродом, образуя СО (II). При очень высоких температурах процесс восстановления может протекать настолько быстро, что во вторичном реагировании будет образовываться такое количество СО, которое, сгорая будет потреблять все количество кислорода до поступления его к частице. В этом случае кислород не будет достигать поверхности частицы и основными процессам станет реагирование углерода с
2
CO
(II'). В случае омывания частиц потоком с большой скоростью с лобовой стороны могут протекать только гетерогенные процессы I и II' (рисунок 14.2, б. Процесс догорания СО удаляется от частицы и протекает на границе циркуляционной зоны в кормовой части потока (III). Процесс восстановления (II') может идти с лобовой стороны, но главным образом протекает в тыльной части, где кислород отсутствует. При высоких температурах его интенсивность возрастает и выгорание тыльной стороны частицы становится заметным. При температурах от 900 до 1300 С можно считать, что осуществляются только процессы I и III, пространственно удаленные друг от друга. Если в процессе горения углерод реагировал бы только с кислородом с образованием
CO
и
2
CO
, которые не вступили бы во вторичное реагирование, а отводились в окружающее пространство, тов стационарных условиях скорость горения равнялась бы величине диффузионного потока кислорода, поступающего в единицу времени к единице поверхности.
Рисунок 14.2 – Схема реагирования частицы углерода Приравнивая количество
2
O
, расходуемого на реагирование с углеродом, к его количеству, поступающему диффузией, получим зависимость для удельной скорость горения углерода по расходу кислорода от интенсивности диффузионных процессов
2
O
S
W
, по типу уравнения
д
O
S
К
C
W
1 1
0 При этом предполагается, что скорость реагирования углерода и пропорциональна концентрации кислорода у поверхности. Количество углерода, которое может газифицироваться при потреблении кислорода, зависит от состава образующихся окислов, те. отношение
2
/ CO
CO
. Если обозначить через отношение массы газифицированного углерода к массе израсходованного
2
O
, то при потреблении кислорода в количестве
S
O
2
с единицы поверхности частицы будет газифицировано углерода в количестве
д
S
O
S
К
C
O
К
W
1 1
0 2
2
, (14.6) которое называется удельной поверхностной скоростью горения углерода. Величина
может изменяться от значения 0,375, соответствующего случаю расходования кислорода только надо значения 0,75, соответствующего случаю расходования кислорода только на
CO
. В этих пределах
2
O
S
W
также меняется вдвое, причем наибольшая скорость расходования углерода получается при максимальном выходе оксида углерода.
2
O
, расходуемого на реагирование с углеродом, к его количеству, поступающему диффузией, получим зависимость для удельной скорость горения углерода по расходу кислорода от интенсивности диффузионных процессов
2
O
S
W
, по типу уравнения
д
O
S
К
C
W
1 1
0 При этом предполагается, что скорость реагирования углерода и пропорциональна концентрации кислорода у поверхности. Количество углерода, которое может газифицироваться при потреблении кислорода, зависит от состава образующихся окислов, те. отношение
2
/ CO
CO
. Если обозначить через отношение массы газифицированного углерода к массе израсходованного
2
O
, то при потреблении кислорода в количестве
S
O
2
с единицы поверхности частицы будет газифицировано углерода в количестве
д
S
O
S
К
C
O
К
W
1 1
0 2
2
, (14.6) которое называется удельной поверхностной скоростью горения углерода. Величина
может изменяться от значения 0,375, соответствующего случаю расходования кислорода только надо значения 0,75, соответствующего случаю расходования кислорода только на
CO
. В этих пределах
2
O
S
W
также меняется вдвое, причем наибольшая скорость расходования углерода получается при максимальном выходе оксида углерода.
Для определения диффузионных потоков можно исходить из тождественности переносу тепла. При малых скоростях обтекания сферических частиц, когда концентрация
2
O
у стенки по всей поверхности практически одинакова, аналогично тепловому критерию Нуссельта используется диффузионный критерий Нуссельта
D
d
Nu
д
диф
где
)
2
( R
d
– диаметр сферической частицы
D
коэффициент молекулярной диффузии. Подставив значения д в (14.6), получим общее выражение для удельной скорости горения углерода
диф
O
S
Nu
d
D
К
C
W
1 1
0 2
(14.7) Так как
(Re)
f
Nu
диф
, то скорость горения зависит от скорости потока и диаметра частицы. С уменьшением размера частицы и увеличением скорости обтекания
2
O
S
W
возрастает. Влияние температуры мало и определяется зависимостью от нее
0
C
и В случае, если горение окиси углерода интенсифицируется при отсутствии восстановления
2
CO
,
стремиться к значению 0,375, а удельная скорость горения
– к величине
2 0
32 12 2
диф
O
S
Nu
d
D
C
W
При этом образуется
2
CO
, этот режим соответствует диффузионной области окислительных реакций, которая наступает при температурах примерно в 1000 Св зависимости от условий диффузии и свойств угля. Скорость горения в этой области не зависит от температуры, а определяется интенсивностью диффузионного подвода кислорода, достигающего предельного значения приданных условиях процесса. Чем больше скорость дутья, тем при более высокой температуре процесс переходит в диффузионную область. При этих температурах (от 1000 до 1100 С) начинает значительно ускоряться процесс восстановления
2
CO
и с увеличением температуры быстро прогрессирует, в результате чего удельная скорость горения начинает с возрастанием температуры увеличиваться. Предел увеличения из – за интенсификации восстановления
2
CO экспериментально еще не определен.
2
O
у стенки по всей поверхности практически одинакова, аналогично тепловому критерию Нуссельта используется диффузионный критерий Нуссельта
D
d
Nu
д
диф
где
)
2
( R
d
– диаметр сферической частицы
D
коэффициент молекулярной диффузии. Подставив значения д в (14.6), получим общее выражение для удельной скорости горения углерода
диф
O
S
Nu
d
D
К
C
W
1 1
0 2
(14.7) Так как
(Re)
f
Nu
диф
, то скорость горения зависит от скорости потока и диаметра частицы. С уменьшением размера частицы и увеличением скорости обтекания
2
O
S
W
возрастает. Влияние температуры мало и определяется зависимостью от нее
0
C
и В случае, если горение окиси углерода интенсифицируется при отсутствии восстановления
2
CO
,
стремиться к значению 0,375, а удельная скорость горения
– к величине
2 0
32 12 2
диф
O
S
Nu
d
D
C
W
При этом образуется
2
CO
, этот режим соответствует диффузионной области окислительных реакций, которая наступает при температурах примерно в 1000 Св зависимости от условий диффузии и свойств угля. Скорость горения в этой области не зависит от температуры, а определяется интенсивностью диффузионного подвода кислорода, достигающего предельного значения приданных условиях процесса. Чем больше скорость дутья, тем при более высокой температуре процесс переходит в диффузионную область. При этих температурах (от 1000 до 1100 С) начинает значительно ускоряться процесс восстановления
2
CO
и с увеличением температуры быстро прогрессирует, в результате чего удельная скорость горения начинает с возрастанием температуры увеличиваться. Предел увеличения из – за интенсификации восстановления
2
CO экспериментально еще не определен.
Предполагается, что этот предел наступает при дальнейшем увеличении температуры, когда процесс переходит в диффузионную область реакции восстановления
2
CO
, в которой удельная скорость горения равна
R
D
C
W
O
S
0 32 24 При этом образуется только оксид углерода и отсутствует объемное горение. Анализ опыта сжигания твердых топлив в пылевидном состоянии и выводы из аналитического исследования процесса горения угольной пыли с учетом технологической схемы сжигания, аэродинамической организации топочного процесса, его теплового и воздушного режимов, 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. 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 горелочных 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 реагировании 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.
2
CO
, в которой удельная скорость горения равна
R
D
C
W
O
S
0 32 24 При этом образуется только оксид углерода и отсутствует объемное горение. Анализ опыта сжигания твердых топлив в пылевидном состоянии и выводы из аналитического исследования процесса горения угольной пыли с учетом технологической схемы сжигания, аэродинамической организации топочного процесса, его теплового и воздушного режимов, 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. 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 горелочных 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 реагировании 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.