Горение твердого топлива
Твердое топливо является термически нестойким органическим веществом, процесс горения которого протекает через ряд стадий. Основной стадией, определяющей интенсивность всего процесса в целом, является стадия горения так называемого коксового остатка — углерода, оставшегося в частице топлива после завершения деструкции вещества исходного топлива и выхода летучих веществ. В основе процесса горения частиц углерода лежат гетерогенные химические реакции взаимодействия углерода с окружающими горящую частицу газами: 02, Н20, С02 и др. Наиболее глубокие исследования горения углерода проведены в СССР А. С. Предводителевым, Л. Н. Хитриным, Г. Ф. Кнорре, Б. В. Канторовичем и др.
В основе процесса горения частицы углерода, движущейся в потоке воздуха, лежит модель, предложенная Л. Н. Хитриным, согласно которой угольные частицы малых размеров приобретают скорость, близкую к скоростям движения потока воздуха. При таком условии вынужденный конвективный перенос массы отсутствует и частица выгорает равномерно. При этом возможны четыре режима взаимодействия углерода с кислородом воздуха в зависимости от температуры среды (рис. 2.14). Основными реакциями в модели считаются реакции углерода с кислородом, поступающим к поверхности частицы за счет диффузии из основного потока с образованием оксида и диоксида углерода. Продукты сгорания диффундируют от поверхности частицы в окружающее ее пространство. При невысоких температурах (973 К) (реакция 1) реакции окисления углерода протекают с образованием СО и СОг. При более высоких температурах (1070—1470 К) возможна вторичная реакция догорания образовавшегося СО вблизи поверхности частицы так, что в окружающую среду будет отводиться только или преимущественно диоксид углерода (СОг) (реакция 1). При этом часть образовавшегося СОг может при Т = = 1473—1573 К вновь продиффундировать к поверхности углерода и вступить с ним в эндотермическую реакцию с образованием оксида углерода (реакция 2), который затем догорит в результате взаимодействия с кислородом в зоне пламени вокруг частицы.
При высоких температурах (выше 1470—1570 К), как правило, кислород не достигает поверхности частицы и процесс горения протекает по гетерогенной реакции С+ +С02 = 2С0 С последующим догоранием СО на некотором расстоянии от поверхности в зоне пламени (реакция 2). В случае омывания частицы потоком окислителя с большой скоростью (Re>100) с лобовой стороны частицы будут протекать только гетерогенные реакции (реакции 1 и 2, рис. 2.14,6); догорание же оксида углерода будет наблюдаться в кормовой части потока на границе циркуляционной зоны (реакция 3, рис. 2.14,6), а вторичные реакции C-f-C02 будут иметь место главным образом в тыльной части углеродной частицы (схема 2, рис. 2.14,6), где кислород отсутствует, но имеются хорошие тепловые условия для обеспечения эндотермических реакций.
Важной отличительной особенностью горения коксового (углеродного) остатка частицы твердого топлива является его высокая пористость, что обеспечивает диффузию внутрь углеродной частицы активных по отношению к углероду газов (С02, 02, Н20). Л. Н. Хитрин оценивает величину удельной внутренней поверхности частицы, приходящейся на единицу ее объема, для древесного угля от 57 до 114 см2/см3, для электродного угля от 70 до 500 и для антрацита около 1000 см2/см3. В ходе реагирования внутренняя поверхность частицы увеличивается за счет испарения влаги, выхода летучих веществ, изменения температуры и других факторов.
Чем больше проницаемость материала, интенсивнее диффузия газов внутрь его и чем медленнее протекает реакция, тем глубже проникание кислорода и других газов внутрь частицы и тем большая масса участвует в реакции. Процесс внутренней диффузии можно рассматривать как самостоятельный, не зависящий от характера диффузионных процессов в зоне горения: В этом случае суммарную скорость гетерогенной реакции через потребление кислорода можно записать (согласно Л. Н. Хит- рину):
Эффективный коэффициент внутренней диффузии Д зависит от пористости материала, величины и свойств поверхности пор. Величина внутридиффузионного потока зависит от проницаемости материала и интенсивности реагирования на поверхности его пор. Она определяется значениями кинетических констант и размером внутренней реакционной поверхности в единице объема частицы. Чем выше активность и воспламеняемость твердого топлива и чем при меньших температурах оно воспламеняется, тем в меньшей степени увеличивается его внутренняя поверхность во время его термической деструкции на начальных стадиях горения и тем меньшее значение в процессе имеет внутреннее реагирование. И, наоборот, чем менее реакционное топливо, чем труднее оно воспламеняется, тем процессы, приводящие к раскрытию пор угольного вещества, протекают полнее и тем выше значение внутреннего реагирования.
Особенно значительна роль внутреннего реагирования при горении композиционных топлив — топливных гранул, капель топливных суспензий и др. С повышением температуры горения значение внутреннего реагирования ослабевает. При сжигании высокозольных твердых топлив даже при высоких температурах значение внутреннего реагирования существенно возрастает, так как зольная оболочка, образующаяся при выгорании такой частицы, становится дополнительным сопротивлением для диффузии газов к поверхности реагирования. Однако влияние этой оболочки на процесс сказывается только при горении крупных частиц топлива; при пылевидном сжигании даже при зольности топлива 30—35 % это влияние несущественно.
При горении частицы натурального твердого топлива стадии горения коксового (углеродного) остатка предшествует ряд факторов, существенно влияющих на процесс в целом, а именно: подогрев и подсушка частицы топлива; деструкция вещества топлива с выделением летучих; горение летучих и др. Важной особенностью горения этих частиц является четко выраженная стадийность с резким изменением характера закономерностей развития каждой стадии во времени. Экспериментальные исследования динамики выгорания частицы твердого топлива (рис. 2.15), выполненные практически на всех марках угля в широком диапазоне температур среды (от 573 до 1273 К), позволили создать модель горения частицы натурального топлива — угля, включающую 10, а для высоковлажных углей и водоугольных суспензий — 11 стадий процесса.
При вводе частицы в высокотемпературную окислительную среду она вначале проходит стадию прогрева I при определяющем влиянии внешнего теплообмена и массопереноса на изменение массы и температуры частицы. При выгорании частицы высоковлажного топлива или капли водоугольной суспензии вслед за стадией прогрева наблюдается стадия поверхностного испарения влаги (на схеме не показана), протекающая при постоянной температуре частицы. Собственно процесс горения частицы начинается со стадии II— стадии дальнейшего прогрева частицы и начала низкотемпературных экзотермических реакций внутри объема частицы, что приводит к достаточно резкому увеличению ее температуры при непрерывной скорости изменения температуры и потери массы.
Стадия III характерна уменьшением скорости роста температур в связи с началом эндотермических реакций деструкции угольного вещества с выходом летучих продуктов этой деструкции. Стадия завершается воспламенением летучих вокруг частицы, что приводит к интенсификации процессов деструкции внутри частицы. Эти процессы продолжаются во время IV стадии — стадии горения летучих; V—стадия параллельного протекания процессов горения летучих вокруг объема частицы и начала поверхностного гетерогенного горения углерода, о чем свидетельствует резкое возрастание температуры поверхности частицы; VI — стадия активного поверхностного горения с догоранием вокруг поверхности еще выделяющихся летучих. Во время этой стадии достигается максимальная температура поверхности частицы.
Во время I—V стадий происходит изменение структуры реагирующей частицы с резким увеличением ее пористости и активации открывающейся поверхности. На стадии VII наблюдается активное горение коксового (углеродного) остатка частицы с догоранием еще выделяющихся летучих на ее поверхности. Эта стадия характеризуется резким падением температуры на поверхности частицы. VIII стадия — это горение коксового остатка, как правило, самая продолжительная стадия, протекающая при плавном снижении температуры поверхности и развитии реакций внутри объема частицы. Процесс горения заканчивается стадией догорания коксового остатка (стадия IX), в основе которой лежит внутреннее реагирование углерода частицы с диффундирующими внутрь ее газами, и стадией X — стадией охлаждения зольного остатка частицы до температуры среды. Важно, что практически все стадии протекают при разных режимах горения от чисто диффузионных (стадии I, II. IV, VII, VIII, IX) до кинетических (стадии III, VI).
В целом же весь процесс выгорания частицы натурального твердого топлива суммарно можно рассматривать как протекающий в промежуточном режиме ближе к диффузионному, а для инженерных расчетов — в чисто диффузионном режиме. При термической деструкции угольного вещества (стадии II, III, IV, V) происходит выделение продуктов деструкции в виде газа, кислоты, воды и смолы. Относительная доля выделяющихся газа и жидкости зависит от скорости нагрева частицы: чем выше скорость нагрева, тем выход этих веществ больше. По мере движения к поверхности частицы вода и кислоты испаряются, а смола и газообразные углеводороды подвергаются вторичному разложению. Водяной пар, проходя через раскаленную углеродную поверхность, на стадиях IV и V может вступать в реакцию с углеродом и интенсифицировать процесс.
В конце III стадии процесса происходит воспламенение частицы топлива, которое практически во всех случаях начинается с воспламенения выделившихся из нее горючих летучих, имеющих более низкую температуру воспламенения, чем коксовый (углеродный) ее остаток. В связи с этим роль летучих в процессе воспламенения во многом является решающей. Выход летучих является следствием деструкции угольного вещества; чем выше интенсивность их выхода, тем больше глубина деструкции, прямым следствием которой является активация образующейся новой реакционной поверхности твердого остатка за счет повышения пористости частицы. Образование летучих в объеме частицы приводит к повышению ее внутреннего давления и к разработке поверхности твердого остатка, что способствует существенной интенсификации процесса горения в целом, особенно на заключительной его стадии.
В то же время выделяющиеся летучие обволакивают частицу и при определенных условиях на стадии IV и V (частично) препятствуют диффузии кислорода к поверхности частицы и тем самым в известной степени несколько тормозят основные гетерогенные реакции горения. Однако, как показали исследования, это наблюдается только у относительно крупной частицы размером 1,0 мм и более. Чем выше размер частицы, тем относительно меньшая доля летучих выделяется до момента их воспламенения и тем большая их часть выгорает параллельно с гетерогенным реагированием на поверхности частицы.
При сжигании частиц топлива в потоке большое значение в процессе воспламенения играет время индукции Тинд, т. е. время, затрачиваемое на самопроизвольное повышение температуры в процессе химического реагирования горючего с окислителем, приводящего к воспламенению. Величина тИнД определяется как промежуток времени, в течение которого температура частицы повышается от начальной до температуры воспламенения. Чем выше температура среды, в которую введена частица топлива, тем меньше время индукции. Для оценки процесса воспламенения твердых топлив иногда пользуются параметром условная температура воспламенения— минимальная температура среды, при которой происходит воспламенение частицы при длительном ее пребывании в ней (т. е. при ТцНд 0). Эта температура воспламенения зависит не только от вида топлива, но и от тепловых условий взаимодействия частицы со средой. Так, для одиночной мелкой частицы эта температура меняется от 1170—1270 К для антрацита до 800—850 К для бурого угля. Для частиц тех же топлив, находящихся в контакте с другими такими же частицами (например, в слое), эта температура снижается почти в 2 раза, что свидетельствует о более благоприятных условиях воспламенения топлива при слоевом его сжигании.
При инженерных расчетах времени горения частицы твердого топлива стадии горения условно объединяют в четыре укрупненные расчетные стадии (см. рис. 2.15):
1) от момента ввода частицы в зону горения до момента воспламенения летучих (стадии /, II и III); время этой стадии рассчитывают как время выхода летучих твл
2) от момента воспламенения летучих до конца их видимого горения (стадии IV, V); время этой стадии рассчитывают как время видимого горения летучих тгл; 3) от момента прекращения видимого горения летучих до начала активного горения коксового остатка (стадия VI); время стадии рассчитывают как время прогрева коксового остатка до его воспламенения твл; 4) от момента начала активного горения коксового остатка до завершения процесса (стадии VII, VIII, IX); время стадии рассчитывают как время горения коксового остатка тГк).
Эти условные времена расчетных стадий горения частицы рассчитывают на основании экспериментальных данных, полученных при изучении изменения цветовой температуры частицы в процессе горения, а также визуального наблюдения за процессом с применением киносъемки. Расчетные зависимости позволяют определить влияние начального размера частицы d, мм; температуры среды Гг, К; концентрации кислорода 02, %; плотности частицы рчт, кг/м3, на время протекания расчетных стадий процесса. При этом принято, что
В. И. Бабий и И. П. Иванова получили следующие эмпирические зависимости для времен расчетных стадий процесса:
Коэффициенты k в формулах суммарно характеризуют физико-химические свойства исходных топлив и получены экспериментально. Для углей (бурых, каменных и антрацитов) значения k меняются в пределах: &Вл — от 0.82 до 1,06; 6ГЛ — от 1,00 до 1,42; kBK — от 0,8 до 1,59;. гк — от 0,45 до 1,02. Анализ формул показывает, что расчетная стадия выхода летучих, определяемая твл,- пропорциональна интенсивности теплового излучения на поверхность капли (твлГ4) н время ее протекания практически линейно зависит от диаметра частицы (тВл~08), что свидетельствует об участии всей массы частицы в этом процессе.
Время расчетной стадии горения летучих (2—3) определяется только величиной поверхности частицы топлива (тлг~2), поскольку горение летучих протекает вокруг частицы и не зависит ни от температуры среды, ни от других параметров. Время протекания расчетной стадии горения коксового остатка тГк линейно зависит от концентрации кислорода (что свидетельствует о первом порядке реакции), пропорционально поверхности частицы d2 (это означает, что относительно малая роль внутреннего реагирования) и слабо зависит от температуры среды ТгкГ-09 (что является следствием преимущественно диффузионного режима горения). Приведенные формулы позволяют получить сравнительные данные о поведении частиц углей различных марок при их выгорании.
