Горение твердого топлива

Лекция 10 Горение твердого топлива Углерод - преобладающий элемент органической части всех видов твердого топлива. С учетом этого рассмотрим сначала процесс горения чистого углерода как простейшую модель основных процессов, протекающих при сгорании природного твердого топлива. Установлено, что при горении углеродной поверхности в сухом воздухе (кислороде) на ней одновременно протекают три гетерогенные химические реакции. Две из них - это взаимодействие углерода с кислородом: Установлено, что при горении углеродной поверхности в сухом воздухе (кислороде) на ней одновременно протекают три гетерогенные химические реакции. Две из них - это взаимодействие углерода с кислородом: C + O2 = CO2 (1) 2C + O2 = 2CO (2) В третьей реакции окислителем служит конечный продукт горения - диоксид углерода: C + CO2 = 2CO (3) Перечисленные гетерогенные реакции сопровождаются гомогенной реакцией сгорания монооксида углерода, образующегося по (2) и (3): 2CO + O2 = 2CO2 (4) При наличии в окислителе (воздухе или кислороде) водяных паров к указанным выше реакциям прибавляется еще целый ряд реакций, из которых основными являются: окисление углерода водяным паром с образованием СО и СO2: C + H2O = CO + H2 (5) C + 2H2O = CO2 + 2H2 (6) сгорание выделяющихся горючих газов: СО - по реакции (4) и H2 - по реакции 2H2 + O2 = 2H2O (7) Таким образом, даже простейшая модель горения твердого топлива получается достаточно сложной и включает в себя много звеньев - реакций, протекающих на горящей твердой поверхности и в объеме газовой фазы как последовательно, так и параллельно друг с другом. Относительная роль каждой из перечисленных реакций может изменяться в зависимости от условий горения. Так, с повышением температуры усиливается образование CO по реакциям (2), (3) и (5) и тормозится образование CO2. Кинетический и диффузионный режимы горения твердого топлива. Важные особенности влияния условий горения твердого топлива на скорость этого процесса обусловлены тем, что протекание гетерогенных реакций зависит от доставки исходных веществ в реакционную зону и удаления продуктов реакции из этой зоны, т.е. от процессов массопереноса. В частности, реакции (1) - (3), (5) и (6) могут происходить лишь в той мере, в какой поступают к горящей поверхности реагенты-окислители O2, CO2, H2O. Чтобы выявить возможную роль процессов массопереноса, ограничимся рассмотрением одной гетерогенной реакции (1). В качестве модели реакционной системы возьмем углеродную частицу, летящую в газовом потоке через топочную камеру. Будем исходить из того, что температура частицы достаточна для протекания реакции горения углерода. Вокруг частицы имеется кислород, концентрация которого составляет с0. При движении газовзвеси, содержащей частицы не очень малых размеров (свыше 0,10 мм), скорости частицы отличаются от скорости газового потока - в основном из-за действия на частицу силы тяжести. Следовательно, имеет место движение частиц относительно газового потока. Сам газовый поток в топочной камере носит турбулентный характер, благодаря чему газовая среда хорошо перемешивается. Исключение составляет слой газа, непосредственно примыкающий к частице. Этот слой (рис.1) практически неподвижен относительно ее поверхности и движется вместе с ней относительно газового потока. Доставка кислорода, необходимого для протекания реакции (1) на поверхности частицы, может происходить только за счет его диффузии сквозь заторможенный газовый слой, который поэтому называют диффузионным слоем. Рис. 1. Диффузионный газовый слой вокруг горящей углеродной частицы Диффузия кислорода возникает благодаря наличию разности его концентраций в омывающем частицу потоке c0 и вблизи поверхности частицы cП. Плотность потока кислорода GO2, моль/(см2·с), можно выразить формулой, основанной на закономерностях тепломассообмена: GO2 = αм*(Сп – Со) (8) где М - коэффициент массообмена. Кислород, поступивший к поверхности частицы, реагирует c углеродом по реакции (1). Скорость расходования (плотность потока) углерода GC моль/(см2·с), определяется законом действия масс: GC = KcП (9) где K - константа скорости реакции. При установившемся режиме реагирования достигается равенство GC - GO2 или αм*(Сп – Со) = KcП (10) откуда имеем Сп = αм* Со/ (αм + k) (11) Подставив это значение сП - в выражение (9), получим формулу, которая определяет скорость горения углерода. Из этой формулы видно, что возможны два предельных режима горения частицы. Первый из них получается когда M << K или 1/M >> 1/K, т.е. в знаменателе правой части равенства можно пренебречь слагаемым 1/K. Значит, скорость горения определяется только закономерностями диффузии. Такой режим горения называют диффузионным. Если K и M - соизмеримы друг с другом, то скорость горения существенно зависит и от диффузии, и от химической кинетики. Это - переходный (промежуточный) режим горения. Соотношение между K и M зависит в первую очередь от температуры, которая очень сильно влияет на константу скорости реакции K и значительно слабее - на коэффициент массообмена M. С понижением температуры константа K уменьшается гораздо быстрее, чем коэффициент M, поэтому при невысоких температурах обычно получается K << M, т.е имеет место кинетический режим горения. Рост температуры вызывает резкое возрастание K и умеренное увеличение M; при достаточно высокой температуре соотношение между этими кинетическими характеристиками изменяется на K >> M, что означает переход горения в диффузионный режим. Рис. 2. Области на кривой зависимости скорости гетерогенного горения от температуры: 1 - кинетическая; 2 - переходная; 3 - диффузионная. На рис.2 приведен схематичный график зависимости скорости горения от температуры. Рассмотренным выше режимам горения на графике отвечают соответствующие области: кинетическая, переходная и диффузионная. На коэффициент M влияет не только температура, но также и размер частицы. Уменьшение размера частиц (вследствие выгорания топлива) влечет за собой быстрый рост M. Частицы угольной пыли, имеющие начальные размеры в основном 0,1 - 1,0 мм, попадая в высокотемпературную зону топочной камеры начинают гореть чаще всего в диффузионном режиме. В дальнейшем из-за уменьшения размеров частиц и соответствующего возрастания M достигается соотношение M >> K, т.е. догорание частиц всегда происходит в кинетическом режиме. Особенности горения реального твердого топлива Природное твердое топливо отличается от рассмотренного выше модельного топлива - углерода - более сложным составом горючей части, а также присутствием в топливе балласта - влаги и минеральных примесей. Содержащаяся в топливе влага влияет на процесс горения следующим образом. Во-первых, на начальном этапе прогревания топливных частиц (до 100°С) влага из них испаряется, поглощая теплоту испарения. Из-за этого замедляется рост температуры частицы и удлиняется интервал времени до ее воспламенения. Во-вторых, за счет испарения влаги повышается концентрация водяного пара в газовой среде вокруг горящих частиц топлива, в результате усиливается роль химических реакций (5) - (7). Минеральные примеси при умеренном содержании их в топливе (Ad < 30%) практически не влияют на процесс горения, но при высокой зольности топливных частиц возможно образование на их поверхности пористого слоя из спекшейся золы. Этот слой создает дополнительное сопротивление на пути диффузии окислителей (O2, СO2, Н2O) к несгоревшей части горючего вещества, т.е. он способен в определенной мере тормозить процесс догорания частиц. Главная особенность горения реального топлива по сравнению с горением чистого углерода состоит в том, что топливо в процессе нагревания его до температуры воспламенения (600 - 1000°C) подвергается термическому разложению. При этом выделяются Летучие вещества, содержащие много горючих компонентов. Такие компоненты, поступая в нагретую кислородосодержащую газовую среду, сгорают в ней. Выделяется теплота, которая способствует ускоренному прогреванию частиц не летучего (коксового) остатка топлива и быстрейшему их воспламенению. По химическому составу коксовый остаток - это почти чистый углерод, поэтому ход дальнейшего процесса горения частиц соответствует описанному ранее горению углерода. Роль летучих веществ топлива в процессе его горения может быть различной в зависимости от свойств топлива, определяемых показателем выхода летучих веществ Vr. Если этот показатель достаточно велик (Vr > 30%), летучие вещества, выделяемые топливной частицей, сгорают в непосредственной близости от нее, быстро нагревая коксовый остаток до высокой температуры. Так происходит при сжигании бурых углей, а также каменных углей с низкой степенью углефикации. Частицы этих видов топлива легко воспламеняются и сгорают за короткое время. Это считают признаком высокой реакционной способности топлива. Напротив, угли высокой степени углефикации, например антрациты, выделяют при нагревании мало летучих веществ, горение которых практически не изменяет темп прогрева частиц нелетучего остатка. Воспламенение затягивается и для полного сгорания частиц требуется значительное время. Топливо в этом случае имеет низкую реакционную способность. Чтобы сократить потери энергии от неполноты сгорания низкореакционного топлива, приходится принимать специальные меры: производить более тонкий помол топлива перед сжиганием и создавать зону повышенных температур в той части топки, где происходит прогревание частиц топлива перед воспламенением. Достигается это с помощью так называемого "зажигательного пояса" - слоя жароупорной теплоизоляционной массы, которой покрывают панели экранных труб в определенной части топки, чтобы уменьшить отвод теплоты от факела к экранам. Для повышения температуры в зоне прогрева, воспламенения и выгорания низкореакционного топлива также увеличивают температуру подогрева воздуха, подаваемого в топку. Взаимосвязь рассмотренных выше процессов при горении твердого топлива можно наглядно проследить по схеме, представленной на рис. 3. Рис.3. Совокупность основных процессов, протекающих при сгорании частицы твердого топлива: 1 - частица топлива; 2 - нагревание частицы; 3 - испарение влаги; 4 - выделение и горение летучих веществ; 5 - горение коксового остатка; 6 - золовая частица.