Кинематика выгорания частиц твердого топлива при факельном способе сжигания в котле

Тепловые реакции окисления химических элементов топлива

Химический элемент топлива	Плотность веществ, кг/м^3	Реакция окисления	Удельная (объемная)теплота сгорания
Для твердых тел, МДж/кг	Для жидкостей и газов, МДж/м^3
Углерод			33,91 4,4	-
Окись углерода	1,25	СО + 0,5О2 = СО2	10,11	12,64 12,65
Водород	0,09		103,0	10,8
Сера			10,89	-
Сероводород	1,52		-	23,38 23,4
Азот	1,25
Метан	0,716		-	35,82 35,85
Этан	1,342		-	63,75 63,8
Пропан	1,967		-	91,1 91,3
Бутан	2,593		-	118,45 118,7
Пентан	3,218		-	146,08 146,2
Этилен	1,25		-	59,07 59,1
Пропилен	1,877		-	85,86 86,1
Бутилен	2,503		-	113,5 113,6
Бензол	3,485		-	140,37 141,5
Гексан	3,848	С6Н14 + 9,5О2 = 6СО2 + 7Н2О	-	173,17
Гептан	4,474	С7Н16 + 11О2 = 7СО2 + 8Н2О	-	200,55

Поведение пылинок твердого топлива и механизм выгорания их в факеле определяется взаимодействием твердых частичек топлива с газовоздушным потоком, обтекающим их. В процессе сжигания угля в камерной топке котла должен соблюдаться подвод теоретически необходимого количества воздуха V⁰ для выгорания одного килограмма топлива [31, 37]. Для суммарного расхода топлива, подаваемого в топку, это условие, безусловно, соблюдается с некоторым избытком воздуха , определяемом конкретной конструкцией котла, маркой топлива и типом шлакоудаления.

Частица топлива, измельченная в системе пылеприготовления до размеров 20¸100 мкм [9, 34], попадая в топку с воздухом, должна нагреваться до температуры воспламенения (для антрацитового штыба - АШ, например, более чем 800 ⁰С) и выгореть за период времени, равный длительности пребывания пылинки в топке. Для улучшения условий воспламенения и сгорания частиц угля, помимо тонкого помола топлива, необходимо иметь высокую температуру газов в факеле (до 1500¸1700 ⁰С) и воздуха на входе в топку (для АШ не ниже 400 ⁰С) [37]. В топке котла при высоких температурах возрастает удельный объем газов, что приводит к увеличению скорости движения среды (до 7¸10 м/с) и уменьшению времени пребывания топливных частиц, движущихся в потоке газов. Например, в топках котлов ТП-110 и ТП-210 газовоздушная смесь изменяет свой удельный объем от v = 1,4 м³/кг на входе (t = 200 ⁰С) до v = 5,35 м³/кг в центре (t = 1500 ⁰С) и до v = 3,55 м³/кг на выходе из топки (t = 900 ⁰С).

В равномерном потоке, как известно [31], пылинки угля отстают от движущейся газовой среды на величину, равную скорости витания частиц:

(2.1)

где , - скорости газа и твердых частиц соответственно в равномерном потоке, м/с;

, - плотности газа и частицы топлива соответственно, кг/м³;

- условный диаметр частицы, м;

С - коэффициент сопротивления частицы топлива при обтекании ее газовым потоком.

Частицы угля размером = 20 мкм (при = 1300 кг/м³ и = 0,7 кг/м³) имеют скорость витания @ 0,014¸0,02 м/с.

При движении твердой частицы размером до 500 мкм (низкореакционные энергетические угли при факельном сжигании не имеют больших размеров) в равномерном газовом потоке соблюдается ламинарный режим обтекания пылинок, когда критерий Рейнольдса меньше единицы:

где - кинематическая вязкость газа, м²/с.

Коэффициент сопротивления частицы при Re £ 1,0 определяется простым соотношением: С = 24 / Re.

Как показывает анализ, максимальные изменения скорости витания в топке возможны не более чем на 10 % при изменении режима работы котла. На рис. 2.2,в графически показано изменение скорости витания в зависимости от размеров частиц.

За время пребывания в топке , с., твердую частицу топлива обтекает количество воздуха V_B, м³, определяемое по уравнению

где - площадь характерного сечения частицы, м²;

- отставание пылинки топлива от газового потока в единицу времени, м/с; при равномерном движении можно принимать, что = ;

- объем частицы топлива, м³;

- объем газов, обтекающих частицу с обеих сторон и участвующих в процессе окисления, м³; с небольшими погрешностями, связанными с гидравлическими потерями при обтекании, можно принять = .

Масса частицы топлива т, кг, находится по формуле

Реальное количество воздуха, участвующего в реакции окисления частицы угля, движущейся в равномерном потоке, в пересчете на единицу массы, определяется по уравнению

где - коэффициент, учитывающий уменьшение концентрации кислорода в топочных газах по мере движения частицы в топке.

В дифференциальной форме уравнение (2.2) имеет следующий вид

где Н - высотный размер, м, по которому в топке возможно изменение скорости витания; максимально это высота топочного пространства.

Анализ показывает, что все величины уравнения (2.2) не имеют постоянных значений в процессе выгорания и движения пылинки в топке котла.

В действительности частица топлива имеет более сложную форму, чем шаровую, принятую условно в приведенных уравнениях. Для сложной формы частицы топлива реальное соотношение «топливо - воздух» (величина V^р) будет уменьшаться. Во-первых, потому, что, как известно [31], скорость витания тела более сложной формы уменьшается по сравнению с шаром согласно уравнению

где коэффициент зависит от формы частицы и изменяется от = 1,0 (для шара) до = 5,0 (для тела в виде пластинки). Во- вторых, отношение площади характерного сечения к объему частицы F_x / V_ч также уменьшается при любой другой форме, кроме шаровой, так как при обтекании потоком тело стремится занять ориентацию, удобную для движения, т.е. удлиненной формой вдоль направления движения.

Следует отметить, что существуют разные точки зрения на изменение размеров сгорающих частиц. Известно мнение [32, 40], что при горении частица не изменяет свою начальную форму - она остается в размерах зольного каркаса с увеличившейся порозностью. Есть также утверждение [34], что частицы сгорают полностью, уменьшаясь в размерах до нуля, а процесс выделения золы происходит на стадии приготовления пыли в системе пылеприготовления. Здесь принято, что в процессе выгорания тело пылинки (условный диаметр d_ч) уменьшается до размеров зольного остатка; d_ч = f(A), где A - содержание золы в частице топлива. При этом увеличивается порозность пылинки, что несколько уменьшает динамику изменения объема частицы и уменьшает ее плотность. Следовательно, с одной стороны реальное соотношение «топливо - воздух» (величина V ^р) для частицы будет увеличиваться, поскольку уменьшается ее размер при выгорании, однако это увеличение будет тем меньше, чем большую зольность имеет топливо. С другой стороны, скорость витания частицы в процессе выгорания и движения ее в равномерном потоке будет падать, что также отражается на изменении величины V ^р, уменьшая ее. Однако уменьшение числителя и знаменателя уравнения (2.2) не равнозначно и приводит к увеличению величины V^р в соотношении равном .

В процессе выгорания частицы топлива в топке концентрация кислорода в топочных газах уменьшается. Отсюда коэффициент k, находящийся в прямо пропорциональной зависимости от величины ,падает, уменьшая реальное соотношение «топливо - воздух» (V ^р) для частицы топлива.

Следовательно, реальное количество воздуха, обтекающего частицу топлива V^р, в процессе выгорания в топке котла и движения ее в равномерном потоке изменяется в сторону уменьшения или увеличения в зависимости от доминирующих преимуществ одного или другого из вышеуказанных факторов.

При изменении нагрузки котла изменяются скорость движения и плотность топочных газов, что приводит к изменению времени пребывания частицы топлива в топке. Таким образом, реальное соотношение «топливо - воздух» для частицы при переменных режимах работы котла также изменяется.

На рис. 2.2 приведены расчетные зависимости реального количества воздуха V^р, участвующего в процессе окисления частицы топлива определенного размера d_ч при заданных скоростях потока и_Г. Зависимости построены при «застывших» условиях, т.е. при выгорании частица имеет не изменяющуюся форму шара, одинаковую концентрацию кислорода и стационарный (но может быть и неноминальный) режим работы котла.

Величина , с, определялась из соотношения:

где Н - высота топочного пространства, где происходит процесс выгорания частиц; в расчете принималось расстояние от устья горелок до середины окна выхода из топки Н = 20 м. Котлы, работающие на АШ, например, ТП-210, ТП-110 имеют Н = 19 м.

Расходная скорость топочных газов в топке котла u_Г имеет различные значения в зависимости от нагрузки котла. При скорости газов u_Г = 8 м/с (номинальная нагрузка котла) время пребывания в зоне горения пылинки размером 20 мкм составляет 2,5 с. Известно [9, 34], что время пребывания частичек в топке котла, по разным данным, равно 2…10 с.

Рис.2.2. Зависимость V ^p = f(d_ч, u_Г).

Как видно из рис.2.2, даже при самых малых нагрузках котла при скорости газов в зоне горения u_Г = 2 м/с, когда время пребывания в топке частиц угля размером 20 мкм равно примерно 10 с., «застывшее» реальное соотношение V ^р оказывается меньше теоретически необходимого для АШ (V^р 2,0 м³/кг вместо рекомендуемых V ⁰ = 6,0 м³/кг), несмотря на то, что воздух в топку поступает с избытком ( = 1,2), т.е. такая частица в равномерном потоке воздуха не успевает сгореть в топке котла. На рис. 2.2 показана область (заштрихована) реальных изменений скоростей газов в топке при сжигании угольной пыли в маневренных режимах, когда нагрузка котла может быть снижена до 0,7 от номинальной. Следовательно, в процессе горения мелких частиц низкореакционного топлива в равномерном потоке газов воздух оказывается невостребованным, и с увеличением скорости размеры несгорающих и количество несгоревших частиц увеличиваются. Другие марки топлива (см. рис.2.2) имеют преимущества при сжигании, поскольку для них количество теоретически необходимого воздуха V⁰ рекомендуется принимать меньше, чем для АШ.

Очевидно, чтобы обеспечить благоприятные условия для сжигания пылинок угля в факеле, необходимо создавать неравномерность движения топочных газов и твердых частиц угля в них. Нестационарность движения может быть организована в результате абсолютного (например, пульсирующего) или векторного (вихревого) изменений скорости газов, или столкновений пылинок между собой в потоке. Частицы твердого топлива, обладающие большей инертностью, чем газовая среда, запаздывают при изменении движения, как показано на рис. 2.3. При неустановившемся режиме движения принятое ранее соотношение u = u_В нарушается. Разность между скоростями топочных газов и частицы u в этом случае увеличивается по сравнению со скоростью витания u_В ( u u_В). Таким образом, любое нарушение равномерности движения потока газов с пылинками угля увеличивает реальное соотношение «топливо - воздух» (V ^р), что способствует лучшему и более полному выгоранию углерода в частице угля.

При изменении скорости газового потока u_Г скорость движения твердой частицы u_Т изменяется по апериодическому закону

где Т = – постоянная времени или время инерционного запаздывания частицы при неустановившемся движении, с;

- разность между новым и старым установившимися значениями скоростей частицы, м/с; для одной и той же пылинки можно принять, что .

Отсюда изменение скорости частицы во времени при переходном процессе определится из уравнения

Инерционное запаздывание частицы при переходном процессе можно рассчитать из соотношения силы динамического давления газа на пылинку и реакции на действие этой силы.

Рис. 2.3. Изменение и в зависимости от при переменных режимах.

В диапазоне максимальных изменений скорости частицы согласно рис. 2.3 можно принять, что

Тогда время инерционного запаздывания частицы определится из уравнения

(2.3)

Учитывая, приведенное выше уравнение изменения скорости движения частицы, можно рассчитать разность скоростей движения частицы и газового потока по уравнению

Очевидно, основной причиной изменения скорости газов в топке котла является вихревое движение потока (вихревые горелки), т.е. векторное изменение скорости. Анализируя уравнение (2.3) видно, что инерция пылинки угля прямо пропорционально зависит от размера частицы, т.е. более крупные частицы имеют большее отставание в движении по отношению к газовоздушному потоку при горении, чем мелкие, так как при переходных процессах инерция движения крупных частиц в газовом потоке увеличивается. Разность в скоростях движения частицы и газа за время пребывания пылинки в топке приближенно можно определить также из выражения

где n – количество периодов переходных режимов осредненных по за время пребывания частицы в топке.

Если учесть, что после вихревой горелки в открытой камере топки поток газа успевает сделать всего один - два оборота [41], а затем движение становится равномерным, то можно принять, что

Анализ последнего уравнения показывает, что при вихревом движении для частиц любых размеров реальное соотношение «топливо-воздух» V ^р увеличивается в десятки и сотни раз по сравнению с равномерным движением, что обеспечивает выгорание частицы угля.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Высокореакционные топлива (например, бурый, газовый угли), имеющие величину теоретически необходимого количества воздуха в 1,5¸2,0 раза меньшую, а рекомендуемые размеры частиц, поступающих в топку, в 2¸3 раза большие, чем для низкореакционных топлив, не имеют проблем при сжигании топлив в камерных топках котлов даже при равномерном движении пылегазовоздушной смеси.

2. Увеличение зольности топлива ухудшает возможные условия востребованности кислорода частицей топлива; так как при этом уменьшается реальное соотношение «воздух-топливо» (V ^р).

3. При факельном сжигании твердых низкореакционных топлив предпочтительным является организация различных вихревых потоков в камерной топке и других мероприятий, связанных с нестационарностью процессов движения сред.

Дата добавления: 2017-02-01