6.4 Горение твердого топлива в слое

При слоевом процессе 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. 34).

Рис. 34. Структура слоя частиц топлива: 1 — щели; 2 — полости.

Плотность укладки частиц в слое характеризуется его порозностью П, которая выражает долю объема пу­стот между частицами на единицу объема слоя в за­сыпке V_H:

П=V_П/V_H=(V_H – V_Ч)/V_H=1 – V_Ч/V_П=1 – ρ_Н/ρ_К

где V_П — объем пустот в некотором объеме слоя V_H, м³;

V_Ч — объем, занимаемый коксовыми частицами, м³;

ρ_Н и ρ — кажущаяся и насыпная плотности, кг/м³.

Порозность слоя зависит от фракционного состава и формы кусков топлива, способа его подачи на решетку, конструкции решетки, процесса горения и др. Чем круп­нее куски топлива и меньше плотность укладки частиц топлива в слое, тем больше порозность и меньше аэроди­намическое сопротивление слоя. По данным Централь­ного научно-исследовательского и проектно-конструкторского котлотурбинного института (ЦКТИ), пороз­ность слоя частиц угля размером от 2—5 до 18—25 мм именяется в пределах от П = 0,46 до П = 0,48.

Поверхность частиц в единице объема слоя, м²/м³:

; (91)

где s и V — поверхность и объем одной частицы. Для частиц шаровой формы отношение

и ; (92)

где r — радиус шаровой частицы, м.

В различных участках слоя порозность может быть различной, что оказывает влияние на работу слоя. Участки слоя с наиболее высокой порозностью будут ин­тенсивнее продуваться воздухом, чем участки с меньшим значением П, что вызывает тепловую неравномерность работы отдельных участков слоя.

Движение потока воздуха и продуктов сгорания внутри слоя имеет сложный характер. В узких щелях воздух и газ движутся по сложному извилистому пути с достаточно высокими скоростями. Скорость движения газа резко понижается при переходе в сравнительно

Рис. 35. Динамика газообразования в коксовом слое при высоте слоя больше (а) и меньше (б) высоты кислородной зоны:

1 — кислородная зона; 2 — восстановительная зона.

просторные полости, струи отрываются от «стенок» рас ширяющейся 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.

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

В слое кокса в зависимости от его толщины, скорость дутья и температурного режима устанавливаются раз личные 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 углерод! с образованием оксида углерода и двуокиси углерод и вторичные реакции горения СО.

В результате израсходования кислорода на экзотермические реакции горения углерода и оксида углерод в кислородной зоне содержание СО₂, температур слоя и продуктов сгорания непрерывно возрастает (рис. 35, а). При этом окисление углерода возможно как кислородом, так и СО₂, образующимся в результате горения СО.

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

Окисление углерода при помощи СО₂ наиболее веро­ятно в расширяющихся полостях, где скорость газовоздушной струи резко уменьшается и струя отрывается от «стенок». В этом случае подвод окислителя О₂ и СО₂ к углеродной поверхности осуществляется в основном пу­тем диффузии. Так как кислород, диффундирующий к поверхности, расходуется на реакцию горения СО, об­разующуюся на углеродной поверхности, и концентра­ция его уменьшается, а концентрация СО₂ соответствен­но увеличивается, то достигать углеродной поверхности будет преимущественно СО₂. Значение двуокиси углерода как окислителя возрастает по высоте слоя вслед­ствие уменьшения концентрации кислорода и повыше­ния температуры слоя.

Высота кислородной зоны практически не зависит от скорости дутья. Она пропорциональна размеру частиц и составляет около 2—3 диаметров частиц. Если высота слоя топлива больше высоты кислородной зоны, то при переходе газообразных продуктов в бескислородную зо­ну наступает изменение процесса газообразования. В этой зоне, называемой восстановительной, преимущественно проходят эндотермические реакции восстанов­ления СО₂ на углеродной поверхности, в результате чего уменьшаются температура слоя и концентрация СО₂, а концентрация СО соответственно увеличивается (рис. 35, а).

Следует отметить, что вследствие сложной и неоднородной структуры слоя границы между зонами горения кокса не имеют четкого очертания, они размыты. Ука­занная на схеме граница зон горения условна.

В топках, предназначенных для сжигания топлива с целью выделения теплоты, высота слоя топлива долж­на быть меньше высоты кислородной зоны (рис. 35, б). Высота слоя выбирается с таким расчетом, чтобы избыт­ка кислорода, выходящего из слоя, было достаточно для окисления оксида углерода, образующегося в кис­лородной зоне коксового слоя. В объеме над слоем в ре­зультате горения СО концентрация последней будет уменьшаться, а концентрация СО₂ и температура газов увеличиваться.

При сжигании топлива избыток кислорода должен обеспечить также полное горение летучих веществ, вы­деляемых из топлив при его термическом разложении. Если кислорода, выходящего из слоя, недостаточно для полного горения оксида углерода (11) и летучих веществ, то непосредственно в топочный объем вводится дополнительное количество воздуха. В этом случае воздух, поддаваемый в слой, называется первичным, а в объем топ­ки -вторичным.

Летучие вещества в своем составе содержат газо- и парообразные углеводороды С_mН_n, которые при недоста­точно тщательном перемешивании с воздухом подверга­ются термическому разложению с образованием частиц сажи. Последние в объеме топочной камеры полностью не сгорают, что является причиной значительных потерь теплоты топлива. Поэтому при сжигании топлив, осо­бенно 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.

Запас топлива в слое, соизмеримый с его расходом за 1 ч, обеспечивает высокую устойчивость слоевого го­рения, а высокая температура в кислородной зоне кок­сового слоя (1700—1900 °С) создает условия для быст­рого протекания химических реакций. Поэтому скорость горения в коксовом слое в основном определяется ин­тенсивностью массообмена и горение протекает в диффу­зионной области. Основным способом интенсификации слоевого горения является увеличение скорости дутья.