Горение пылевидного топлива в факеле

Пылевидный способ сжигания твердых топлив в факеле имеет определенные преимущества перед другими способами (например, слоевым), так как позволяет сжигать многозольные и высоковлажные топлива, полностью механизировать и автоматизировать подачу и сжигание топлива, удаление шлаков и золы. При подготовке исходного топлива существующими методами (дробление, размол) в факеле горят частицы, размеры которых отличаются друг от друга на один-два порядка, то есть в топочной камере сжигается полифракционная пыль.

Горение угольной пыли происходит во взвешенном состоянии в газовоздушных потоках при движении их через топочную камеру. Поэтому протекание горения ограничивается топочным пространством и чрезвычайно коротким временем пребывания частиц в топке, составляющим 1-3 с. За такое короткое время должны произойти все стадии горения частицы топлива (нагревание, выделение влаги и летучих веществ, воспламенение и горение летучих веществ и углерода коксового остатка). Наиболее длительной является стадия горения углерода коксового остатка. Продолжительность этой стадии определяется размером частиц и содержанием углерода в частице кокса, величина которого зависит от выхода летучих веществ из топлива.

Угольная пылинка, обычно имеющая продолговатую форму и шероховатую поверхность, имеет большую парусность. Пылевидные частицы при установившемся движении парят в высокотемпературной газовоздушной среде и практически следуют вместе с газовоздушным потоком с той же скоростью. При малой относительной скорости движения частиц в потоке, практически равной нулю, уменьшается интенсивность обмена газов на их поверхности. Однако значительное увеличение поверхности пыли при тонком размоле и молекулярной диффузии обусловливает высокую интенсивность пылевидного сжигания.

При факельном сжигании твердого топлива применяют пыль тонкого помола с размером частиц от 50-60 мкм (антрацит, тощие угли) до 150-200 мкм (бурые угли, торф). Как видно, оптимальный размер частиц тем меньше, чем меньше выход летучих веществ.

Для подсушки топлива, повышения температурного уровня в топке и интенсификации процесса сжигания применяют подогрев воздуха, идущего на горение. Так при сжигании высоковлажных бурых углей, а также антрацита и тощих углей осуществляют подогрев воздуха до 350-400^оС. При сжигании сухих каменных углей подогревают воздух до 250-300^оС.

При очень малом времени пребывания частиц угольной пыли в факельной топке продолжительность выделения и горения летучих соизмерима с продолжительностью горения коксового остатка. Горение летучих затягивается почти на весь период горения пыли в факеле. При очень малой относительной скорости движения частицы в газовоздушном потоке горение летучих происходит непосредственно вблизи поверхности частицы кокса и выделяемая при этом теплота влияет на прогрев и воспламенение частицы кокса. Следовательно, чем выше выход летучих веществ из топлива, тем их горение интенсивнее влияет на горение частицы кокса.

Угольная пыль отличается полифракционным составом с частицами различных размеров. Горение угольной пыли в факеле начинается с мелких фракций. Выделяемая при этом теплота ускоряет прогрев более крупных фракций, но их горение завершается в зоне, где значительная часть кислорода уже израсходована. Поэтому горение крупных фракций сопровождается потерями теплоты от механического недожога частиц кокса, уносимых из топки дымовыми газами.

Стадия подготовки топлива к горению, предшествующая воспламенению летучих горючих и кокса, завершается на начальном участке факела протяженностью не более 0,6-1 м. Далее в условиях высокой концентрации горючего и окислителя и при повышенной турбулентности потока, создаваемой горелкой, протекают процессы активного горения летучих веществ и кокса. На этом участке факела в основном завершается выгорание топлива и происходит интенсивное выделение теплоты. Зона топочной камеры, в пределах которой горение топлива практически завершается и выделяется 85-90% теплоты топлива, а также устанавливается наиболее высокая температура, называется зоной ядра горения. Она занимает 20-30% объема топочной камеры.

В остальной части топки в условиях пониженной концентрации горючего и окислителя и слабой турбулизации газового потока происходит догорание частиц кокса. С целью повышения интенсивности горения в этой зоне создают такой аэродинамический режим, при котором турбулизация газового потока будет распространяться на весь объем топочной камеры. В зоне догорания тепловыделение, как правило, ниже отвода теплоты в среду, окружающую факел (экраны топки котлоагрегата, нагреваемые материалы и изделия огнетехнических установок, наружные ограждения топки), поэтому температура газов в зоне догорания понижается.

В зоне ядра факела горение протекает при высокой температуре (1400-1600^оС). Кинетическое уравнение гетерогенного горения частицы кокса имеет вид

W = Со₂⁰ / (1/α_д + 1/k),

где W – скорость реакции гетерогенного горения (количество кислорода, потребляемое единицей реакционной поверхности за единицу времени), моль/(м²∙с);

Со₂⁰ – концентрация кислорода в объеме, окружающем частицу, моль/м²;

α_д - коэффициент диффузионного массообмена, м²/с;

k – константа скорости химической реакции, м²/c.

Константа скорости химической реакции, имеющая экспоненциальную зависимость от температуры (см. уравнение Аррениуса в разделе 2), при высокой температуре в зоне ядра факела горения, достигающей 1400-1600^ОС, приобретает очень высокое значение. В этой же зоне вследствие высокой концентрации горючего и окислителя и повышенной турбулизации потока коэффициент диффузионного массообмена α_д также будет максимальным. Учитывая низкую относительную скорость движения частиц в потоке, его абсолютная величина будет сравнительно невелика и α_д >> k. Таким образом, в зоне ядра факела диффузионные процессы являются определяющими для горения пылеугольного факела.

При переходе из зоны ядра факела в зону догорания и охлаждения происходит изменение как кинетических, так и диффузионных условий горения. Константа скорости химической реакции k уменьшается вследствие понижения температуры, а коэффициент диффузионного массообмена α_д – вследствие уменьшения турбулентности газового потока. В зависимости от конкретных условий в зоне дожигания и охлаждения могут наблюдаться различные условия реагирования.

Например, при значительном понижении температуры горение происходит в промежуточной области. Если же в зоне догорания температура остается достаточно высокой, то горение может перейти в диффузионную область реагирования. Таким образом, для всего факела в целом определяющим фактором горения являются процессы диффузионного массообмена на поверхности частицы кокса. При слабой турбулентности газового потока в факеле горение может не завершиться в пределах топочной камеры, что вызовет увеличение потерь теплоты с механической неполнотой горения топлива.

Для полного горения важное значение имеет раннее устойчивое воспламенение частиц топлива, подаваемых в топку вместе с воздухом. Чтобы ускорить прогревание пылевоздушной струи, разделяют воздух на первичный и вторичный. Кроме того, обеспечивают рециркуляцию топочных газов в корень факела. При сжигании угольной пыли для раскрытия потоков топлива и воздуха в корне факела кроме горелки с лопаточным аппаратом применяют также горелки с закручиванием в улиточном аппарате и с конусом-рассекателем. В двухулиточной горелке (рис.7.1, а) завихривание первичной пылевоздушной смеси происходит с помощью улитки 1, а вторичного воздуха – при помощи улитки 2. В прямоточно-улиточной горелке (рис.7.1, б) аэропыль подается по прямоточному каналу и разделяется в стороны рассекателем 5, а вторичный воздух закручивается в улиточном аппарате. Таким образом, смесь топлива с воздухом выходит в топку в виде завихренного полого конуса, в котором максимальная концентрация пыли будет на его внутренней поверхности, куда подмешивается осевой поток рециркулируемых топочных газов 4, обеспечивая прогрев и воспламенение пыли. Периферийный поток 3 прогревает факел снаружи.

Вследствие низкой концентрации пыли в факеле, около 20-30 г в 1 м³, запас топлива в топке ничтожный, поэтому пылеугольные топки малоинерционны и управление ими хорошо поддается автоматизации. Пылеугольные топки допускают работу с небольшими избытками воздухаи, неограничивая подогрев воздуха, позволяют иметь температуру на выходе из топочной камеры, приемлемую по условиям надежности работы и экономичности.

Рис. 7.1. Схемы вихревых пылеугольных горелок:

а – двухулиточная; б – прямоточно-улиточная

К недостаткам камерных топок относятся: расход энергии на приготовление пыли, значительный унос золы газами в конвективные газоходы, вызывающий износ хвостовых поверхностей нагрева и необходимость установки золоуловителей.