Горение твердого топлива в слое

Слоевой метод сжигания твердого топлива занимает видное место в технологии сжигания наряду с факельными методами. Слоевые топки и аппараты для сжигания топлива широко применяются в энергетике, металлургии и химическом производстве. Высокая стабильность процесса горения в широком диапазоне форсировок, возможность сжигания топлив с различной влажностью, отсутствие сложной и энергоемкой системы пылеприготовления, простота в управлении – все эти обстоятельства делают слоевые топочные устройства в установках сравнительно небольшой производительности предпочтительными.

В слоевых топках имеется значительный запас топлива, соизмеримый с его часовым расходом. Наличие значительного количества горящего топлива стабилизирует процесс горения. В слое при повышенных скоростях обтекания частиц топлива горение обычно протекает в диффузионной области. Поэтому слоевой процесс интенсифицируется форсировкой воздушного потока, а топливо подают в зависимости от изменения скорости горения. Форсировка дутья, а следовательно, и интенсификация сжигания ограничивается аэродинамической устойчивостью слоя и появлением значительного уноса штыбовых фракций. Для слоевого сжигания оптимальными являются куски величиной 20-30 мм, так называемый сорт «орешек», при которых обеспечивается достаточно устойчивое залегание частиц в слое и достаточно развитая поверхность реагирования.

При слоевом процессе сжигания куски топлива образуют слой, через который проходит воздух, необходимый для горения. Влага и летучие вещества из свежего топлива выделяются сравнительно быстро, а горение летучих веществ протекает главным образом в объеме вне слоя. Поэтому слой в основном состоит из частиц кокса, горение которых и определяет слоевой процесс.

В слое частицы кокса различного размера и формы образуют сложную систему каналов, включающих сравнительно просторные полости и узкие щели (рис.7.2). Движение потока воздуха и продуктов сгорания внутри слоя имеет сложный характкр. В узких щелях воздух и газ движутся по сложному извилистому пути с достаточно высокими скоростями. Скорость движения газа резко понижается при переходе в сравнительно просторные полости, струи отрываются от «стенок» расширяющейся полости и образуются местные зоны завихрения и циркуляции газовоздушного потока. При таком характере движения создаются благоприятные условия для интенсивного обдувания поверхности коксовых частиц газовоздушными струями и тщательного их перемешивания.

Рис. 7.2. Структура слоя частиц топлива:

1 – щели; 2 – полости

Каналы в слое топлива можно рассматривать как газовые микрогорелки, в которых протекает не только горение газа, но и его образование.

В слое топлива в зависимости от его толщины, скорости дутья и температурного режима устанавливаются различные зоны горения и газификации топлива. Участок слоя, в котором имеется свободный, еще не израсходованный кислород, называется кислородной зоной. В этой зоне протекают первичные реакции окисления углерода с образованием оксида углерода СО, диоксида углерода СО₂ и вторичные реакции горения СО.

В результате израсходования кислорода на экзотермические реакции горения углерода и оксида углерода в кислородной зоне содержание СО₂, температура слоя и продуктов сгорания непрерывно возрастают. При этом окисление углерода возможно как кислородом, так и СО₂, образующимся в результате горения СО.

В щелях между частичками за счет большой скорости движения газовоздушных струй с поверхности частицы сдуваются продукты первичных реакций. Поэтому кислород, находящийся в газовоздушном потоке, получает возможность контакта с углеродной поверхностью.

Высота кислородной зоны практически не зависит от скорости дутья. Она пропорциональна размеру частиц и составляет около 2-3 диаметров частиц.

В топках, предназначенных для сжигания топлива с целью выделения теплоты, высота слоя топлива должна быть меньше высоты кислородной зоны. Высота слоя выбирается с таким расчетом, чтобы избытка кислорода, выходящего из слоя, было достаточно для окисления оксида углерода СО, образующегося в кислородной зоне коксового слоя. В объеме над слоем в результате горения оксида углерода его концентрация будет уменьшаться, а концентрация диоксида углерода СО₂ и температура газов увеличиваться.

При сжигании топлива избыток кислорода должен обеспечить также полное горение летучих веществ, выделяющихся из топлива при его термическом разложении. Если кислорода, выходящего из слоя, недостаточно для полного горения СО и летучих веществ, то непосредственно в топочный объем вводится дополнительное количество воздуха. В этом случае воздух, подаваемый в слой, называется первичным, а в объем топки – вторичным.

Летучие вещества в своем составе содержат газообразные и парообразные углеводороды С_mH_n, которые при недостаточно тщательном перемешивании с воздухом подвергаются термическому разложению с образованием частиц сажи. Сажа в объеме топочной камеры полностью не сгорает, что является причиной значительных потерь теплоты топлива. Поэтому при сжигании топлив с высоким выходом летучих веществ, необходимо обеспечить тщательное перемешивание воздуха с продуктами, выделяемыми из слоя. С этой целью применяют подачу вторичного воздуха в виде струй с высокой скоростью, пронизывающих все сечение объема топки. Такая подача воздуха называется острым дутьем.

Высокая температура в кислородной зоне коксового слоя (1700-1900^оС) создает условия для быстрого протекания химических реакций. Поэтому скорость горения в коксовом слое в основном определяется интенсивностью массообмена и горение протекает в диффузионной области.

Контрольные вопросы

1. Напишите первичные и вторичные реакции окисления углерода.

2. Как влияет температура на процесс горения углерода?

3. Что такое диффузионный и кинетический режимы горения углерода?

4. Какие особенности слоевого горения твердого топлива?

5. Какие особенности горения пылевидного топлива в факеле?

6. Укажите основные способы стабилизации воспламенения пылеугольного факела.

7. Какие способы применяют для интенсификации горения пылеугольного факела?