Роль вторичного реагирования

Поток кислорода, поступающего на реагирование j, связан с потоком реагирующего углерода j_с соотношением , где   стехиометрический коэффициент, зависящий от выхода конечных продуктов СО и СО₂.

При реагировании только до СО₂ (С + О = СО₂) .

При реагировании только до СО (2С + О₂ = 2СО) .

Таким образом, количество газифицированного углерода зависит от того, какие протекают реакции.

Процесс химического реагирования углеродной частицы, обтекаемой потоком с малой скоростью может быть представлен следующей схемой (рис. 4.3):

Рис. 4.3. Влияние вторичного реагирования на поток газифицированного углерода

1. При сравнительно невысоких температурах t  700 С кислород реагирует с углеродом с образованием СО и СО₂. Реакции (р3) и (р4) при этих температурах практически не идут. Поскольку СО и СО₂ образуются в практически равных количествах, стехиометрический коэффициент ν≈(0,75+0,375)/2≈0,5.

2. При более высоких температурах t = 700-1200 C оксид углерода может вступить во вторичную реакцию (р3) и сгореть в пограничном слое, потребляя часть кислорода, поступающего к поверхности частицы. В этом случае сумма реакций (р2) и (р3) может быть представлена результирующей реакцией (р1):

2С + О₂ = 2СО

2СО + О₂ = 2СО₂

2С + 2О₂ = 2СО₂

и стехиометрический коэффициент ν = 0,375.

3. При температуре более 1200 С становится заметной реакция (р4), углекислота может частично возвратиться и вступить во вторичную реакцию с углеродом, образуя оксид углерода. Поэтому при температурах t = 1200-1300 С стехиометрический коэффициент возрастает и может быть принят в этом диапазоне температур равным ν≈0,5.

4. При очень высоких температурах t > 1300 C процесс восстановления СО₂ по реакции (р4) может протекать настолько быстро, что при вторичном реагировании будет образовываться такое количество оксида углерода, на окисление которого затратится весь кислород. В этом случае кислород не будет достигать поверхности частицы и основным процессом станет реагирование углерода с углекислотой. В этом случае результирующей реакцией является реакция (р2):

(С + СО₂ = 2СО)·2

2СО + О₂ = 2СО₂

2C + O₂ = 2CO,

и стехиометрический коэффициент равен ν = 0,75.

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.