Горение композиционных топлив
Композиционными топливами являются водомазутные эмульсии, мазутоугольные и водомазутоугольные суспензии, водоугольные суспензии, угольные гранулы и брикеты.
Горение водомазутных эмульсий. Водомазутная эмульсия, содержащая до 10—15 % (иногда до 30—50 %) воды, вводится в топочный объем аналогично мазуту, в распыленном подогретом состоянии. При одном и том же расходе мазута (для обеспечения заданной теплопроизводительности) применение водомазутной эмульсии с содержанием некоторого количества воды приводит к увеличению удельного количества образующихся при распыливании топлива капель в единице объема топочного пространства и как следствие — к увеличению удельной поверхности реагирования (т. е. к увеличению суммарной скорости выгорания топлива).
Введение в объем капель мазута мелких капель воды (размером менее 0,007 мм) вследствие большей разности температур испарения воды и мазута приводит при нагреве капли топлива к перегреву воды, внутри капли, повышению в капельках воды давления, прорыву испаряющейся воды сквозь слой мазута во вне объема капли топлива, увлечению за собой части топлива и искривлению в связи с этим внешней поверхности капли эмульсии. Этот процесс называется явлением микровзрыва. Искривление поверхности капли столь сильно, что существенно увеличивает удельную поверхность реагирования топлива и как следствие увеличивает суммарную скорость его выгорания (рис. 2.19). Присутствие в капле топлива воды, на нагрев и перегрев которой затрачивается определенное количество теплоты, способствует возникновению поля температур внутри капли топлива от центра к ее периферии, что тормозит прогрев внутренних областей капли и способствует сдерживанию процессов пиролиза и коксования мазута (т. е. уменьшению образования твердых углеродных соединений — сажи и кокса, сопровождающих эти процессы).
Вода, испаряющаяся из капли топлива, диффундирует сначала в паровую зону продуктов разложения мазута, располагающуюся вокруг поверхности капли, и далее через зону горения — в окружгющую каплю среду. Повышенная концентрация в связи с этим водяных паров в зоне горения способствует более полному догоранию оксида углерода и углеводородных газов, уменьшает температуру на поверхности зоны горения и в факеле в целом, что приводит к уменьшению образования вредных выбросов. Таким образом, введение воды в мазут с образованием водомазутной эмульсии повышает скорость горения этого топлива, уменьшает сажеобразование при горении, уменьшает образование окислов азота и их выброс с продуктами сгорания, улучшает условия эксплуатации оборудования.
Однако введение воды в топливо требует дополнительных затрат на ее испарение в количестве 24,62 кДж энергии на 1 % влажности топлива. При 15 % влажности это составляет 369 кДж на 35 200 кДж/кг этого топлива, что соответствует дополнительному увеличению на --1,05 % расхода этого топлива, что ниже потерь топлива с механической и химической неполнотой сгорания, обычно имеющих место при сжигании мазута, особенно если он обводнен, за счет разогрева его острым паром, что часто имеет место. При использовании водомазутной эмульсии с И7Г15% в паровых котлах КПД котлов увеличивается по сравнению с сжиганием в них мазута.
Горение водоугольных суспензий. Водоугольные суспензии содержат от 28 до 50 % воды и представляют собой смесь очень мелких частиц угля и воды. Для понижения вязкости этих суспензий в них вводят поверхностно-активные вещества, например полифенольный лесохимический реагент Г1ФЛХ-1, гексамета- фосфат натрия (ГМФ Na) и др. Сжигание водоугольных суспензий в топочном объеме производится аналогично Мазуту путем распыливания их в потоке воздуха. Размер капель суспензии, образующихся при этом, составляет от 0,05 до 0,2—0,3 мм. В каждой капле суспензии сохраняется первоначальный ее состав. Число частиц угля в капле составляет несколько тысяч размером от 0 до 0,2 мм. Частиц угля в массе суспензии от 0,1 до 0,2 мм не превышает 1—2 %.
Распыленные капли водоугольной суспензии в потоке воздуха, попадая в высокотемпературную окислительную среду, сначала подсыхают с поверхности (стадия поверхностного испарения влаги), затем зона испарения влаги проходит внутрь капель, образуя на поверхности высокопористый прочный конгломерат частиц угля с высоким термическим сопротивлением. Это приводит к тому, что уже в начальный период испарения влаги в массе капли суспензии в зоне испарения происходят процессы на поверхности угольных частиц, снижающие энергию активации их реакции с кислородом. Задолго до завершения испарения влаги температура образовавшегося на поверхности капли агломерата угольных частиц достигает температуры воспламенения, что приводит к воспламенению угольных частиц в агломерате.
Влага суспензии из центральных районов капли, диффундируя к поверхности, переносит частицы угля к ее периферии так, что к концу процесса испарения вместо капель образуется ксеносфера (полая сфера) процесс горения которой завершается образованием аналогичной ксеносферы, но состоящей только из частиц золы угля суспензии. Влага топлива, проходя сквозь зону горения, активно участвует в реакции с углеродом: С+Н20-СО+Н2, а образующиеся продукты реакции в присутствии водяного пара полностью догорают вокруг поверхности образовавшегося агломерата капли (рис. 2.20).
Эти важные особенности закономерностей процесса горения водоугольных суспензий приводят: к высокой теплоте выгорания топлива (99—99,5 % при полном отсутствии химической неполноты сгорания); возможности снижения избытка воздуха с 25 % (для угля) до 5—7 % (для суспензии); резкому уменьшению образования летучей золы и устранению необходимости периодической чистки поверхностей нагрева котла от загрязнений; уменьшению образования вредных выбросов (пыли, окислов серы и азота) в связи с отсутствием летучей золы и угольной пыли, снижением температуры горения (окислы азота) и возможности введения в массу суспензии необходимых присадок, которые позволяют связать до 70 % окислов серы.
Применение водоугольных суспензий в качестве топлива позволяет не только существенно улучшить условия эксплуатации котла или печей, но и заменить железнодорожный и другие виды транспорта твердого топлива трубопроводным транспортом, существенно снизить потери топлива при его транспортировании, хранении и топливоподготовке, а также снизить стоимость выработки тепловой и электрической энергии при использовании твердого топлива за счет ликвидации системы топливо- приготовления, включая сушку и размол топлива на тепловых станциях. Водоугольные суспензии из угля с малым содержанием золы позволяют использовать их в топочных устройствах теплогенераторов, предназначенных для работы на мазуте, практически без реконструкции, что нашло распространение уже сейчас в ряде стран в связи с ростом цен на мазут. В то же время применение твердого топлива в виде высококонцентрированных водоугольных суспензий требует некоторого дополнительного расхода топлива, связанного с необходимостью испарения влаги топлива, в количестве 4—6 % при влажности суспензии 30—35 %
Горение мазутоугольных и водомазуто-угольных суспензий. Мазутоугольные и водомазутоугольные суспензии с содержанием угля до 50 % и воды (как стабилизатора суспензии) до 15—20 % применяют в качестве альтернативного топлива в топочных устройствах, преназначенных для работы на жидком топливе. Эти суспензии имеют размер частиц угля существенно меньший, чем в водоугольных суспензиях (до 0,03— 0,05 мм). Их процесс горения также происходит с образованием пористых полых сферических агломератов (ксеносфер), однако присутствие мазута в суспензии снижает активность воды в процессе их горения. Капли такой суспензии вначале прогреваются до температуры испарения углеводородных компонентов топлива, затем они испаряются при скоростях меньших, чем в каплях из чистого мазута, что снижает их склонность к сажеобразованию. После испарения и выгорания основной массы мазута начинается гетерогенное реагирование спекшихся в пористый агломерат частиц угля с определенной долей внутреннего реагирования. Закономерности горения такого агломерата аналогичны горению частицы натурального угля.
Горение угольных гранул и брикетов.
Отличительной особенностью горения угольных гранул так же, как и горения угольных суспензий, является образование в процессе горения высокопористого прочного агломерата, сначала угольного, а в конце горения— зольного. Структура зольного агломерата обеспечивает равномерный выход из его объема летучих и других газообразных соединений без образования трещин в грануле и нарушения ее прочности, а на стадии догорания — активную диффузию кислорода и других газообразных реагентов внутрь объема гранулы, что способствует достаточно интенсивному внутреннему реагированию углерода гранулы с окислителем и высокой полноте выгорания топлива. Сохранность формы топлива в процессе его горения обеспечивает минимальные его потери с провалом под решетку и с уносом потоком продуктов сгорания, а достаточно медленный прогрев гранул из-за их пористости приводит к равномерному выходу летучих, которые сгорают вблизи поверхности гранул без образования факела над слоем топлива, что существенно снижает химическую неполноту горения.
Угольные брикеты в отличие от угольных гранул являются топливом с достаточно плотной массой, поскольку они получаются под давлением свыше 100 МПа. Их горение протекает аналогично горению плотных кусков натурального угля. Высокая плотность массы брикетов, их строго постоянный размер обеспечивают их равномерное поверхностное горение с относительно невысокой скоростью при равномерном их обтекании потоком воздуха, что не имеет места при сжигании в слое угля. Невысокая скорость горения особенно важна в котлах длительного горения (в отопительных котлах и бытовых нагревательных приборах на твердом топливе), где обычно брикеты и применяются.
