Зависимости (41-43) справедливы и для формы частиц радикально отличающейся от сферической, при этом используется некоторый «эффективный» диаметр deff, см. [8].

Изображенное на рис. 19 всплытие палочки и погружение камня демонстрирует возможность применения кипящего слоя для обогащения (отделения от «пустой породы») полезных ископаемых, например каменного угля или железной руды. Уголь легче «пустой породы», а железная руда тяжелее. В обоих случаях было бы выгодно использовать в качестве продувающего вещество с промежуточным значением плотности, во всяком случае – вещество значительно тяжелее воздуха. Иногда применяют воду, но это создает свои экологические проблемы (огромные ядовитые озера - отстойники). Более прогрессивен «сухой» способ, когда вместо воды используется псевдоожиженная песчано-воздушная смесь, плотность которой в зависимости от скорости продувки может изменяться в широких пределах, см. (40).

3.2.2. Применение кипящего слоя для сжигания горючих материалов.

³

Рис. 21 (фрагмент рис. 19)

В отличие от схемы рис. 19 здесь присутствует бункер, из которого в кипящий слой непрерывно поступает угольная крошка (размер несколько мм, расход около 1/17 массового расхода воздуха), и змеевик (теплообменник). В него подается вода, а выходит из него пар для паровой турбины ТЭЦ. В стационарном режиме угольная крошка составляет 3-5% всей массы слоя. Каждая частица, попадая в слой, зажигается от контактов с горячими песчинками и путешествует в слое, уменьшаясь в размерах и отдавая тепло сгорания обдувающему воздуху и контактирующим песчинкам. Зола и недогоревшие угольные частицы размером менее 1 мм выносятся из слоя потоком газообразных продуктов сгорания. Выполняется тепловой баланс

Q_coM*_co = (M*_co+M*_a)c(T-T₀) + sV(T-T_b) (44)

Здесь Q_co – тепловой эффект сгорания угля, кДж/кг; M*_co, M*_a – полные массовые расходы угля и воздуха, кг/c; c – средняя теплоемкость газовой смеси, Дж/гК; T, T₀, T_b – температура слоя, подаваемого воздуха и кипящей воды в трубах;  - коэффициент теплообмена, кВт/мК, V –объем слоя, м³; s – поверхность труб в единице объема, м²/ м³.

Интересно сравнить это устройство и топку с пылеугольным факелом (см. соседний фрагмент на рис. 1).

Она тоже может быть использована для получения пара, но для этого из нее горячие продукты сгорания нужно направить в отдельно стоящий теплообменник, общую длину труб которого (при одинаковой мощности устройства) придется взять значительно большей длины изображенного на рис. 21 змеевика. Таким образом, топка с кипящим слоем имеет преимущество: компактность. Теперь поясним, почему в отличие от топки с кипящим слоем топку с пылеугольным факелом нельзя применять с компактным теплообменником, который входил бы в ее конструкцию. Причина кроется в радикальном различии коэффициентов теплообмена в этих топках. В обоих случаях имеет место конвективный перенос тепла турбулентными пульсациями. Разница – в плотности теплоносителя. В пылеугольной камере сгорания вблизи форсунок смесь содержит 1/17 по массе долю угля, а ближе к выходу это почти чистый газ. В кипящем слое, если скорость продувки не на много превышает необходимую для псевдоожижения, средняя плотность имеет порядок плотности воды. Удельная теплоемкость на единицу массы с_р для продуктов сгорания и для песка – одного порядка, а теплоемкость на единицу объема с_р отличается в сотни раз. Перенос тепла турбулентными пульсациями пропорционален объемной теплоемкости, и поэтому в кипящем слое он на два порядка эффективнее, чем в пылеугольной камере сгорания или в присоединенном к ней теплообменнике. Это относится и к теплообмену с поверхностью (труб), который обычно описывают соотношением Ньютона q = S(T - T_п), где q – тепловой поток, S – поверхность теплообменника, Т_п – его температура (обычно близкая к температуре кипения воды в трубах теплообменника). Если в установке с кипящим слоем  на два порядка больше, это значит, что при одинаковом теплосъеме q можно в кипящем слое использовать теплообменник с поверхностью во столько же раз меньшей, чем в паровом котле с пылеугольной горелкой.

Еще два преимущества топок с кипящим слоем связаны с возможностью «безболезненного» снижения в них температуры до интервала 800-900 ^оС по сравнению с используемой в пылеугольных горелках температурой 1300 ^оС.

«Технологическое» преимущество:

При температуре около 1050 ^оС плавится зола. В пылеугольных горелках расплавленная зола в виде мелких капелек выносится потоком продуктов сгорания в теплообменник и там при контакте с трубами при температуре Т_п застывает на них, создавая очень прочное и все более толстое теплоизоляционное покрытие, а с ним и серьезные проблемы по его периодическому удалению. В топках с кипящим слоем сухая зола без вреда для змеевика выносится из слоя потоком газа и далее может быть легко отделена от газа в циклоне.

«Экологическое» преимущество:

Известно, что при нагреве воздуха до высокой температуры азот и кислород начинают взаимодействовать, образуются окислы азота, которые при больших масштабах сжигания топлива могут вызвать кислотные дожди. При температуре около 850 ^оС образуется минимальное количество окислов азота

Рис. 22. Схема зависимости выхода вредных газов от температуры

Теперь поясним, почему в кипящем слое можно снизить температуру до оптимальных значений 800-900 ^оС, а в пылеугольной топке нельзя. Причина – в огромном различии времен пребывания угольной частицы в этих топках. В кипящем слое независимо от его температуры частица циркулирует пока не сгорит почти полностью (типичная ситуация: из бункера поступают частицы размером 5 мм, а не удерживаются в слое и уносятся частицы выгоревшие до размера около 1 мм, что составляет долю (1/5)³ = 1/125). В случае снижения температуры слоя уменьшится скорость реакций, возрастет время пребывания частицы в слое, а массовая доля выносимого угля останется прежней (на самом деле даже немного уменьшится). Иная ситуация в пылеугольной топке. Здесь время пребывания угольной пылинки в камере сгорания мало, и нужна только высокая температура (около 1300 ^оС) чтобы пылинка успела сгореть в камере. В случае снижения температуры из-за очень сильной зависимости скорости реакций от температуры горение не успевает завершиться в камере.