Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы газификации и горения твердого топлива. Учебное пособие
.pdf
81
Рис. 6.2. Температурный режим при горении отдельной частицы твердого
топлива: 1 – температура газовой среды вокруг частицы; 2 – температура
частицы; 3 – воспламенение коксового остатка; 4 – завершение горения
коксового остатка; I – зона термической подготовки; II – зона горения
летучих веществ; III – зона прогрева коксового остатка;
IV – зона горения коксового остатка
В итоге общая длительность горения твердой частицы
(1,0–2,5 с) в основном определяется горением коксового остатка
(около 2/3 общего времени горения). Для топлив, имеющих большой
выход летучих веществ, коксовый остаток составляет менее половины начальной массы частицы, поэтому их сжигание при разных
начальных размерах происходит достаточно быстро и возможность
недожога снижается. Старые по возрасту топлива имеют плотную
коксовую частицу, горение которой занимает почти все время пребывания в топочной камере [16].
Коксовый остаток большинства твердых топлив в основном, а
для ряда твердых топлив целиком, состоит из углерода (от 60 до 97 %
массы частицы). Учитывая, что углерод обеспечивает основное тепловыделение при сжигании топлива, рассмотрим динамику горения
углеродной частицы с поверхности. Кислород подводится из окружающей среды к частице углерода за счет турбулентной диффузии –
турбулентного массопереноса, имеющего достаточно высокую интенсивность, однако непосредственно у поверхности частицы сохраняется тонкий газовый слой (пограничный слой), перенос окислителя
через который осуществляется по законам молекулярной диффузии
(рис. 6.3).
t
82
Рис. 6.3. Схема горения углеродной частицы: 1 – поверхность
углеродной частицы; 2 – ламинарный пограничный слой;
3 – зона турбулентного потока
Этот слой в значительной мере тормозит подвод кислорода к
поверхности. В нем происходит догорание горючих газовых компонентов, выделяющихся из частицы в ходе термического разложения [17].
При горении углерода возможны две первичные реакции прямого гетерогенного окисления:
С + О2 = СО2 + 34 МДж/кг;
2С + О2 = 2СО + 10,2 МДж/кг.
В результате образования СО2 и СО могут протекать две вторичные реакции:
окисление оксида углерода:
2СО + О2 = 2СО2 + 12,7 МДж/кг;
восстановление диоксида углерода:
СО2 + С = 2СО – 7,25 МДж/кг.
Кроме того, в присутствии водяных паров на раскаленной поверхности частицы, т. е. в высокотемпературной области, происходит газификация с выделением водорода:
С
сп
Газовоздушный
поток
С
пов
С
пот
σ
83
С + Н2О = СО + Н2.
Вышеуказанные гетерогенные реакции свидетельствуют о
непосредственном горении углерода, сопровождающемся убылью
углеродной частицы в весе, а гомогенная реакция протекает около
поверхности частицы за счет кислорода, диффундирующего из окружающего объема, и компенсирует снижение температурного уровня
процесса, возникающее как следствие эндотермической реакции.
Соотношение между СО и СО2 у поверхности частицы зависит
от температуры газов в этой области. Так, например, согласно экспериментальным исследованиям, при температуре 1200 ℃ протекает
реакция
4С + 3О2 = 2СО + 2СО2 (Е = 84 ÷ 125 кДж/г-моль),
а при температуре выше 1500 ℃
3С + 2О2 = 2СО + СО2 (Е = 290 ÷ 375 кДж/г-моль).
Очевидно, что в первом случае СО и СО2 выделяются примерно
в равных количествах, тогда как при повышении температуры объем
выделившегося СО в 2 раза превышает СО2 [18].
Количество кислорода, подводимого в единицу времени к единице поверхности частицы посредством турбулентной диффузии,
определяется по формуле
Gок = A(C
пот
– Cсл),
где C
пот
– концентрация кислорода в окружающем частицу потоке;
C
сл
– то же на внешней границе пограничного слоя, А – коэффициент
турбулентного массообмена.
Такое же количество кислорода поступает через пограничный
слой δ за счет молекулярной диффузии:
Gок = D(Cсл – C
пов
) / δ,
где C
пов
– то же на поверхности топлива; δ – толщина пограничного
слоя; D – коэффициент молекулярной диффузии через пограничный
слой.
Совместное решение вышеуказанных уравнений приводит к
выражению
84
Gок = kд(C
пот
–
C
пов
) / δ,
где обобщенная константа скорости диффузии рассчитывается по
формуле
kд = AD / (A ∙ δ +
D).
Установлено, что подвод кислорода к реагирующей поверхно-
сти твердого топлива определяется константой скорости диффузии и
разностью концентраций кислорода в потоке и на реагирующей поверхности.
При протекании процесса горения количество кислорода, под-
водимого диффузией к поверхности реагирования, равно количеству,
прореагировавшему на поверхности в результате химической реакции. Отсюда скорость реакции горения углерода с поверхности Ks
находится из равенства массовых скоростей двух процессов – диффузионного подвода и расхода кислорода на поверхности в результате химической реакции
Ks = βk
д
(
C
пот
– C
пов
)
,
где β – отношение расхода углерода и кислорода в химической реакции. Так, например, в реакции C + O2 = CO2 значение β = 12/32 =
= 0,375.
В соответствии с законом Аррениуса определяющим параметром скорости химической реакции является температура процесса.
Константа скорости диффузии kд слабо изменяется с ростом темпе-
ратуры, в то время как константа скорости реакции kр имеет экспоненциальную зависимость от температуры.
При относительно невысокой температуре (800–1000 ℃) химическая реакция протекает медленно, несмотря на избыток кислорода
около твердой поверхности, так как kд >> kр. В этом случае горение
тормозится кинетикой химической реакции, вследствие чего эту зону
температур называют областью кинетического горения.
Наоборот, при высоких температурах горения (выше 1500 ℃) и
сжигании угольной пыли значение kр >> kд и процесс горения тормо-
зится условиями подвода (диффузии) кислорода к поверхности частицы. Этим условиям соответствует область диффузионного горения. Создание в этой зоне температур факела дополнительных
85
условий для перемешивания горящей смеси (увеличение значения kд)
способствует ускорению и углублению выгорания топлива.
Аналогичный эффект в части интенсификации горения достигается уменьшением размера частиц пылевидного топлива. Частицы
малых размеров имеют более развитый теплообмен с окружающей
средой и, таким образом, более высокое значение kд. Повышение
температуры приводит к смещению процесса окисления в область
диффузионного горения [18].
Область чисто диффузионного горения пылевидного топлива
характерна для ядра факела, отличающегося наиболее высокой температурой горения, и зоны догорания, где концентрации реагирующих веществ уже малы и их взаимодействие определяется законами
диффузии. Воспламенение любого топлива начинается при относительно низких температурах в условиях достаточного количества
кислорода, т. е. в кинетической области. В этой области горения
определяющую роль играет скорость химической реакции, зависящая от таких факторов, как реакционная способность топлива и уровень температуры. Влияние аэродинамических факторов в этой области горения незначительно.
Вопросы для самопроверки
1. Охарактеризуйте основные механизмы, протекающие при
горении частицы твердого топлива.
2. Какие этапы проходит углеродная частица в процессе сжи-
гания?
3. Какие технологические параметры влияют на эффектив-
ность протекания процессов горения ТГИ?
86
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Школлер, М. Б. Современные энерготехнологические про-
цессы глубокой переработки твердых топлив / М. Б. Школлер,
С. Н. Дьяков, С. П. Субботин. – Кемерово : Кузбассвузиздат, 2012. –
287 с. – ISBN 978-5-202-01137-5. – Текст : непосредственный.
2. Камнева, А. И. Теоретические основы химической техноло-
гии горючих ископаемых : учебник для студентов химико-технологических вузов по специальности «Химическая технология топлива
и углеродных материалов» / А. И. Камнева, В. В. Платонов. –
Москва : Химия, 1990. – 287 с. – ISBN 5-7245-0506-1. – Текст : непосредственный.
3. Бухаркина, Т. В. Химия природных энергоносителей и угле-
родных материалов : учеб. пособие / Рос. хим.-технол. ун-т
Д. И. Менделеева (РХТУ им. Д. И. Менделеева) ; Т. В. Бухаркина,
С. В. Вержичинская, Н. Г. Дигуров, Б. П. Туманян. – Москва : РХТУ,
2009. – 195 c. – ISBN 5-7237-0139-8. – Текст : непосредственный.
4. Кауфман, А. А. Технология коксохимического производ-
ства: учеб. пособие для вузов / А. А. Кауфман, Г. Д. Харлампович. –
Екатеринбург : ВУХИН-НКА, 2005. – 288 с. – ISBN 5-9900190-1-7. –
Текст : непосредственный.
5. Мирошниченко, Д. В. Особенности окисления угля шахто-
управления «Покровское» в лабораторных и естественных условиях.
Сообщение 2. Лабораторные коксования опытных шихт / Д. В. Мирошниченко, И. Д. Дроздник, Ю. С. Кафтан. – Текст : непосредственный // Кокс и химия. – 2015. – № 5. – С. 6–11.
6. Кауфман, А. А. Мастер коксового производства / А. А. Ка-
уфман. – Екатеринбург : ВУХИН, 2002. – 227 с. – Текст : непосредственный.
7. Нестеренко, Л. Л. Основы химии и физики горючих ископа-
емых / Л. Л. Нестеренко, Ю. В. Бирюков, В. А. Лебедев. – Киев : Вища
школа, 1987. – 359 с. – Текст : непосредственный.
8. Химические вещества из угля / [Ф. Шнур, Г. Коллинг,
Е. Аланд и др.] ; под общ. ред. Ю. Фальбе. – Москва : Химия, 1980. –
616 с. – Текст : непосредственный.
9. Федосеев, С. Д. Полукоксование и газификация твердого
топлива : учебник для химико-технологических вузов / С. Д. Федосеев, А. Б. Чернышев. – Москва : Гостоптехиздат, 1960. – 326 c. –
Текст : непосредственный.
87
10. Крейнин, Е. В. Проблемы подземной газификации углей /
Е. В. Крейнин, А. Ю. Зоря. – Текст : непосредственный // Химия твердого топлива. – 2009. – № 4. – С. 22–26.
11. Альтшулер, В. С. Новые процессы газификации твердого
топлива. – Москва : Недра, 1976. – 280 с. – Текст : непосредственный.
12. Ахметов, С. А. Технология переработки нефти, газа и твер-
дых горючих ископаемых / С. А. Ахметов, М. Х. Ишмияров,
А. А. Кауфман. – Санкт-Петербург : Недра, 2009. – 827 с. – ISBN 978-
5-94089-124-4. – Текст : непосредственный.
13. Крейнин, Е. В. Новая технология подземной газификации
угольных пластов / Е. В. Крейнин. – Текст : непосредственный // Химия твердого топлива. – 1995. – № 6. – С. 58–65.
14. Померанцев, В. В. Основы практической теории горения :
учеб. пособие для вузов / В. В. Померанцев, К. М. Арефьев, Д. Б. Ахмедов. – Ленинград : Энергоатомиздат, Ленингр. от-ние. – 1986. –
312 с. – Текст : непосредственный.
15. Мунц, В. А. Горение и газификация органических топлив :
учеб. пособие / В. А. Мунц, Е. Ю. Павлюк. – Екатеринбург : Изд-во
Урал. ун-та, 2019. – 148 с. – ISBN 978-5-7996-2635-8. – Текст : непосредственный.
16. Кузнецов, Н. М. Топливо. Материальный баланс процесса
горения : учеб. пособие / Н. М. Кузнецов, Е. А. Блинов, А. Н. Кузнецов. – Ленинград : СЗПИ, 1989. – 86 с. – Текст : непосредственный.
17. Химическая технология твердых горючих ископаемых :
учебник для вузов / под ред. Г. Н. Макарова и Г. Д. Харламповича. –
Москва : Химия, 1986. – 496 с. – Текст : непосредственный.
18. Белоусов, В. Н. Топливо и теория горения : учебное пособие
[для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки магистров «Теплоэнергетика и теплотехника»] / В. Н. Белоусов,
В. В. Сергеев ; С.-Петерб. гос. политехн. ун-т. – Санкт-Петербург :
Издательство Политехнического университета, 2014. – 231 с. – Текст :
непосредственный.
88
Ушаков Андрей Геннадьевич
Ушакова Елена Сергеевна
ПРОЦЕССЫ ГАЗИФИКАЦИИ И ГОРЕНИЯ
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Учебное пособие
Редактор Салтымакова О. А.
Подписано в печать 28.02.2022. Формат 60×84/16
Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman». Уч.-изд. л. 5,5
Тираж 100 экз. Заказ......
Кузбасский государственный технический университет
имени Т. Ф. Горбачева, 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28
Издательский центр УИП Кузбасского государственного технического
университета имени Т. Ф. Горбачева, 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]