Время выгорания частицы углерода

Для многих задач практики сжигания наиболее интересной величиной является длительность горения частицы топлива. В частности, в случае пылеугольного сжигания, когда твердое топливо движется вместе с воздухом, именно время сгорания топлива важно для расчета габаритов топки.

Подставляя (4.9) в (4.4), рассчитаем время, в течение которого радиус частицы кокса уменьшается от начального размера r₀ до 0, учитывая, что :

. (4.11)

Таким образом, полное время горения частицы описывается зависимостью, представляющей собой сумму «кинетического» и «диффузионного» времени горения. При пылеугольном сжигании Sh→2, и тогда полное время сгорания одиночной углеродной частицы может быть рассчитано как

. (4.12)

Исследования, проведенные в ВТИ, показали, что горение частиц размером более 100 мкм идет в диффузионной области. В кинетической области идет горение частиц антрацита размером менее 100 мкм. Время выгорания для частиц от 100 мкм до 1 мм может быть рассчитано по эмпирической формуле [16]

, (4.13)

где k_г.к – коэффициент, учитывающий свойства угля; ρ – плотность топлива, кг/м³ ; δ – диаметр частиц топлива, м; T – температура, К; О₂ – концентрация кислорода, %. Сопоставим эмпирическую формулу с аналитическим выражением (4.12) для диффузионного режима выгорания одиночной частицы:

. (4.14)

Подставим в (4.14) выражения для расчета коэффициента молекулярной диффузии (4.10) и концентрации кислорода в виде

. (4.15)

После преобразований получим

. (4.16)

Аналитическое выражение с точностью до постоянной К совпадает с эмпирическим. Это обстоятельство и свидетельствует о том, что горение коксовых частиц с размером более 100 км при температуре более 1200 °С протекает в диффузионной области реагирования.

4.2. Слоевые топки

Для парогенераторов малой и средней мощности слоевые топки получили достаточно широкое применение благодаря следующим преимуществам: простота эксплуатации, возможность сжигания различных топлив, небольшие объемы топок, возможность работы со значительными колебаниями нагрузки, не дорогие пылеприготавливающие устройства.

Топки с неподвижным слоем применяются в котлах малой производительности, до 0,3 кг/с (1 т/ч). Колосниковая решетка поддерживает сжигаемое топливо и одновременно служит для распределения воздуха, подаваемого через слой. Загрузка топлива осуществляется либо вручную, либо с использованием забрасывателей.

Предел форсировки слоя определяется его гидродинамической устойчивостью. При повышенной скорости дутья мелкие частицы начинают выноситься из слоя. В местах выноса сопротивление слоя падает и в образовавшиеся кратеры устремляется большая часть воздуха, что приводит к неустойчивому горению.

Слоевой, факельный и циклонный способы сжигания твердого топлива

Топочные устройства котлов могут быть слоевые - для сжигания крупнокускового топлива и камерные - для сжигания газообразного, жидкого и твёрдого пылевидного топлива.

Некоторые из вариантов организации топочных процессов представлены на рис.15.1.

Слоевые топки бывают с плотным и кипящим слоем, камерные подразделяются на факельные и циклонные.

Рис. 15.1. Схемы организации топочных процессов

При сжигании в плотном слое воздух для горения проходит через слой, не нарушая его устойчивости, т.е. сила тяжести частиц топлива больше динамического напора воздуха.

При сжигании в кипящем слое из-за повышенной скорости воздуха нарушается устойчивость частиц в слое, они переходят в состояние «кипения», т.е. переходят во взвешенное состояние. При этом происходит интенсивное перемешивание топлива и окислителя, что способствует интенсификации процесса горения.

При факельном сжигании топливо сгорает в объёме топочной камеры, для чего частицы твердого топлива должны иметь размер до 100 мкм.

При циклонном сжигании частицы топлива под влиянием центробежных сил отбрасываются на стенки топочной камеры и, находясь в закрученном потоке в зоне высоких температур, полностью выгорают. Допускается размер частиц больший, чем при факельном сжигании. Минеральная составляющая топлива в виде жидкого шлака удаляется из циклонной топки непрерывно.