книги из ГПНТБ / Оренбах М.С. Реакционная поверхность при гетерогенном горении

занных с внешней поверхностью (рис. VII — 1) . Объем микро­ пор при тепловом ударе возрастает слабо, вследствие высо­ кой прочности стенок микропор (§ II—1). Под действием высокого давления летучих, возникающего внутри частиц, происходит разрушение некоторых из них, в результате чего в экспериментах наблюдалось образование мелких частичек. Такое же явление отмечено при киносъемке воспламеняющих­ ся закрепленных частиц бурого угля [2] . Форма частиц бу­ рого, угля при тепловом ударе меняется слабо, а размер ча­ стиц составляет 80% начального (см. прилож., фото 13).

У антрацита вследствие малого выхода летучих веществ скорость движения выделяющихся продуктов разложения и давления внутри пор невелика. Поэтому даже при очень вы­ сокой скорости нагрева антрацит мало меняет свою пори­ стую структуру. Этому способствует полное отсутствие спе­ кающих свойств и высокая степень конденсированности вещества антрацита. Однако пористость коксовых остатков, полученных при нагреве частиц антрацита размером 80— 100 мк при температуре 1600°С, несколько выше, чем исход­ ного топлива, и главным образом за счет крупных пор (рис. VII—2). Микропоры при этом не образуются. Под мик­ роскопом можно заметить появление крупных трещин в теле частиц, вызванных, очевидно, термическими напряжениями, возникающими при нагреве антрацита (см. прилож., фото 14). Форма частиц антрацита, как и бурого угля, при нагреве остается неизменной. Это относится и к размеру частиц. Об­ щая пористость коксовых остатков антрацита не превышает 10%),а его кажущийся удельный вес возрастает по отношению к углто с 1,48 до 1,55 г/см3 за счет увеличения истинной плот­ ности вещества угля при нагреве.

В отличие от бурого угля и антрацита, все каменные угли при медленном нагреве в области температур 450—500° С в той или иной мере обладают пластичностью или же диспер­ гируются в жидкой фазе, выделяющейся при разложении угля. Поэтому при воздействии теплового удара'' мелкие ча­ стицы каменных углей вспучиваются, меняют форму и раз­ меры частиц. Форма, размер и пористая структура образу­ ющихся коксовых остатков зависит от степени метаморфизма угля и его петрографического состава.

Компоненты группы фюзена обладают жесткой кристал­ лической структурой и выделяют при нагреве мало летучих веществ. Фюзенизированные частицы даже при высоких ско­ ростях нагрева слабо меняют свою структуру, и их коксовые остатки легко различаются под микроскопом [6] . В камен­ ных углях, как правило, преобладают другие петрографиче­ ские составляющие (витрен, дюрен, кларен), определяющие пористое строение основной части коксовых остатков.

Влияние степени метаморфизма при высоких скоростях нагрева угольных частиц проявляется слабее, чем при мед­ ленном нагреве угля. Даже невспучивающиеся длиннопламенные и тощие угли под влиянием теплового удара увели­ чиваются в размерах и принимают округлую форму [2, 7 и др.]. В опытах с быстрым нагревом частиц диаметром око­ ло 2 мм наблюдалось почти одинаковое для всех каменных углей (с выходом летучих от 9 до 40%) увеличение размера частиц 1,52 ч- 1,72 раза [7] . Это связано с большим размером частиц.

7

4s

3 2

При нагреве мелких частиц каменных углей увеличение размера частиц и их пористости зависит от марки, угля.

При многократном нагреве в проточной камере частиц черемховского длиннопламенного угля размером более 127 мк при 1300° С, его пористость, доступная вдавливанию ртути, увеличивается с 0,05 до 0,65 г/см3 (рис. VII—3), кажущийся удельный вес снижается с 1,42 до 0,74 г/см, а общая пори­ стость достигает 62%. Потеря веса при нагреве достигала 48%. В основном возрастает при нагреве объем крупных пор. Аналогичные данные получены при нагреве взвеси частиц угля марки СС с выходом летучих 18% (рис. VII — 4) . Пори­ стость угля возросла с 0,13 см3 /г до 1,0 см3 /г, а его кажущий­ ся удельный вес снижается до 0,630 г/см3 .

Наиболее высокой пористостью обладают коксовые остат­ ки мелких частиц газовых углей и, по-видимому, угли, ис­ пользуемые для коксования.

форму. В зависимости от степени метаморфизма и петро­ графических свойств угля, его коксовые остатки представля­ ют собой либо полые шаровидные частицы с тонкой стенкой, либо округлые частицы ячейковой структуры [8]. Частицы, состоящие из витрена, приобретают при нагреве более высо­ кую пористость, чем частицы дюрена или кларена. Как пра­ вило, внутренний объем вспученных частиц сообщается

сокружающим частицу пространством по отверстиям,

как и медленном нагреве протекает в области температур 450—550° С. Это подтверждается тем, что коксы, полученные при быстром нагреве мелких частиц газового угля в области температур 600—1600° С, имеют аналогичные структуры полых сфер. С ростом температуры камеры, а значит, и темпа на­ грева, уменьшается толщина стенок частиц и возрастают их размеры. Под влиянием внутреннего давления, возникающе­ го при быстром выходе летучих, частицы, обладающие высо­ кой пластичностью в этой области температур, увеличиваются в объеме до момента, когда продукты разложения через образующиеся отверстия не получат свободного выхода на­ ружу. При дальнейшем нагреве размер частиц остается по­ стоянным или даже несколько снижается [2] . При формиро­ вании пористой структуры коксовых частиц в инертной среде

же время с уменьшением размера нагреваемых во взвеси частиц каменных углей их пористость и объем частиц зако­ номерно увеличиваются [9].

Н а г р е в в о к и с л и т е л ь н о й с р е д е. Скорость нагрева угольных частиц в окислительной среде должна быть более высокой, чем в инертной. Это вызвано дополнительным вы­ делением тепла за счет воспламенения и горения летучих веществ вокруг частицы и в потоке пылевзвеси. Как правило, пористость коксовых частиц, полученных после выгорания летучих, значительно выше, чем в инертном газе.

Д а же коксовые остатки, образующиеся при выгорании антрацитовых частиц размерам 83—100 мк на 52%, имеют

же частично связано с внутренним горением в образующихся

параллельную направленность, связанную, как было ранее показано, с направлением напластования угля.

Коксовые остатки, полученные после частичного выгора­ ния мелких частиц бурого угля, обладают более высокой по­ ристостью, чем полученные в инертной среде (см. прилож., фото 17). Однако этот рост происходит в основном за счет

горания далее при малом времени пребывания в камере сго­ рания при 1400° С связана с высоким выходом летучих ве­ ществ, который значительно превышает выход летучих, определяемый стандартным методом. В опытах с частицами 80—100 мк потеря веса в инертной среде была более 60%. Это объясняется, как было показано в [10], частичной гази­ фикацией коксовых остатков влагой и продуктами разложе­

с небольшим временем пребывания угля в камере сгорания, оказывается, что не все частицы успевают прогреться и под­ вергнуться разложению. В этом случае под микроскопом в остатках после выгорания можно наблюдать наряду с кок­ совыми частицами частицы угля.

Тем не менее, пористость остатков, полученных после вы­ горания на 43% фракции 200—300 мк бурого угля при

ных частиц кокса особенно сильно возрастает объем пор размером выше 10 мк, которые по существу являются макро­ трещинами.

Особенно значительно увеличивается пористость коксов, полученных при нагревании в окислительной среде частиц

достигала 48%. Кажущийся удельный вес соответственно снизился с 0,74 до 0,511 г/см3 . Эти данные подтверждают

О возрастании пористости при выгорании антрацита сви­ детельствует постоянное увеличение насыпного объема антра­ цита в зависимости от времени горения (рис. VII—5). Навес­ ка антрацита многократно пропускалась через камеру сгора­ ния, и после каждого раза определяется ее объем той же фракции.

Изучение шлифов, изготовленных из сильно выгоревших

вому удару, на поверхности недогоревших частиц видны эллипсообразные отверстия. По-видимому, отверстия появля­ ются во время воспламенения антрацита и расширяются при выгорании. Образование отверстий связано с физико-химиче­

медленном нагреве. На недогоревших остатках кокса не от­ мечено образования глубоких трещин и углублений (см. при­ лож., фото 22). Однако на частицах недожога кокса появля­ ются неглубокие раковины, что свидетельствует об избира­ тельности процесса окисления, т. е. о наличии влияния неодинаковой химической активности внешней поверхности даже при высоких температурах горения. В то же время, это указывает, что концентрация окислителя на внешней поверх­ ности значительна. Иначе при выгорании происходило бы

. сглаживание поверхности частиц кокса.

В процессе выгорания высокопористых коксовых остатков бурых углей также наблюдается изменение пористой струк­ туры. Это неоднократно отмечалось в экспериментах с круп­ ными частицами угля, в пределах степени выгорания 20— 60%, когда не было уверенности, что все частицы угля про­ шли стадию разложения. Для получения более четких данных проводились опыты по выгоранию при 1600° С коксовых ча-

антрацита процесс протекает во внешней промежуточной об­ ласти [14].

Результаты экспериментов, проведенных в области низких температур, показывают, что за исключением кокса бурого угля, все мелкие частицы коксовых, полученных при медлен­ ном нагреве, реагируют в начале процесса окисления вблизи внешней поверхности (глава V ) . В области температур, со­ ответствующих воспламенению пылевзвеси, доля внутреннего

ожидать, что при горении угольных частиц в пылевзвеси ре­ акционная поверхность должна располагаться на внешней поверхности частиц [15]. В настоящее время это положение считается общепринятым п используется в аналитических рас­ четах горения мелких частиц в факеле [3, 16].

Однако этому положению противоречит обнаруженное в опытах изменение пористой структуры коксовых остатков при горении мелких частиц ископаемых углей в зоне высоких температур. Экспериментальные данные о пористой структуре

ют в какой-то мере оценить роль внутреннего и внешнего реагирования угольных частиц в пылевзвеси. Возможные пределы колебаний степени внешнего и внутреннего горения оценивались по соотношениям (IV—9) и (VI—17) аналогично тому, как это сделано в § VI—3. Правильность определения кажущихся удельных весов коксовых остатков дополнитель­ но контролировали анализами насыпных весов коксов. Рас­ четы проведены для коксовых остатков антрацита и бурого угля, которые обладают более или менее однородным рас­ пределением пор в объеме частиц. Хотя расчеты являются приближенными, так как не отражают механизма, внешнего реагирования пористых топлив, они показывают, что доля внутреннего реагирования при высокотемпературном горении коксовых остатков мелких частиц антрацита лежит в пре­ делах 6-f-25%, а у бурых углей в интервале 12-г-55%*.

По-видимому, для горения пылевзвеси антрацита и бурого угля более достоверными являются нижние пределы приве­ денных цифр. Это объясняется следующими обстоятельства­ ми. При горении пылевзвеси монофракционного состава не

* Более точные значения фи/ср , подсчитанные по выражениям, приве­ денным в примечании к § IV—1, равны для антрацита 12%, для кокса бу­ рого угля 26%. Указанные значения получены при ф = 6 0 % . При более вы­ соком выгорании фи/ф несколько уменьшается.

все частицы топлива одновременно воспламеняются и равно­ мерно выгорают. Определенное количество частиц успевает в опыте полностью выгореть, в то время как другие лишь слабо затронуты горением. Явления неравномерного выгора­ ния отдельных частиц одной и той же фракции наблюда­ ются не только в лабораторных установках, но и в факеле [4] . Это связано с неодинаковыми реакционными свойствами от­ дельных частиц, отличиями в их форме, размерах и т. д. Экспериментальные данные показывают, что при частичном выгорании навески антрацита, бурого угля или их коксовых остатков появляется значительное количество мелких частиц

ния [17]. Все это свидетельствует, что полностью выгоревшие частицы сгорали при более высокой скорости горения, чем собранные в недожоге, и поэтому разработка пор в этих ча­ стицах должна быть меньше.

Широкий диапазон расчетных величин доли внутреннего горения при горении пылевзвеси антрацита и бурых углей объясняется большой разработкой внутреннего пространства иедогоревших частиц. В то же время при реагировании в области значительно более низких температур у этих мате­ риалов доля внутрипористого горения невелика (§ VI—3).

Кажущаяся аномальность поведения мелких частиц ан­ трацита и бурого угля при горении в области высоких темпе­ ратур, очевидно, объясняется тем, что при воспламенении