6.5 Горение пылевидного топлива в факеле

При факельном сжигании твердого топлива время пребывания топлива в топке не превы­шает 1,5—2,5 с. За такое короткое время должны произой­ти все стадии горения частицы топлива (нагревание, вы­деление влаги и летучих веществ, воспламенение и горение летучих веществ и 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. Поэтому при факельном сжигании твердого топлива применяют пыль тонкого помола с раз­мером частиц от 50—60 до 150—200 мкм. При этом оптимальный размёр частиц тем меньше, чем меньше выход летучих веществ. Так, при сжигании топлива с ма­лым выходом летучих V до 10 % (антрацит, тощие уг­ли) оптимальный размер частиц топлива составляет 60— 100 мкм, для углей с выходом летучих 20—40 % — 100—150 мкм, для топлива с высоким выходом летучих, (бурые угли, торф) — 150—200 мкм.

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 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 частиц 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 необходимо стремиться создать 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 °С). Поэтому в кинетическом уравнении (3) горения частицы кокса константа ско­рости химической реакции k, имеющая экспоненциаль­ную зависимость от температуры, 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 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.

Рис. 36. Схемы вихревых пылеугольных горелок: а — двухулиточная; б — прямоточно-улиточная.

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, а также 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 закругливанием в улиточном аппарате и с конусом-рассекателем. В двухулиточной горелке (рис. 47, а) завихривание первичной пылевоздушной смеси происходит с помощью улитки, а вторичного воздуха — при помощи улитки 2. В прямоточно-улиточной горелке (рис. 47, б) аэропыль подается но 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 полного 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.