4.4. Горение угольной пыли в факеле
Пылевидный способ сжигания твердых топлив в факеле имеет определенные преимущества перед другими способами сжигания: позволяет сжигать многозольные и высоковлажные топлива, увеличить плотность теплового потока, полностью механизировать и автоматизировать подачу и сжигание топлива, удаление шлаков и золы.
Особенности:
В факеле горят частицы, размеры которых отличаются на один-два порядка, т.е. сжигают полифракционную пыль. Измельчение обеспечивает хороший контакт горючего и окислителя и быстрое выгорание топлива.
Пылинки вследствие своего малого размера движутся практически вместе с потоком газов, скорости их обтекания невелики. И даже для крупных частиц (200-300 мкм) можно считать, что критерий Шервуда стремится к минимальному значению, равному двум.
Наличие летучей части принципиально отличает процесс выгорания натурального топлива от процесса выгорания чистого углерода. Летучие вещества существенно облегчают воспламенение. Летучие, выделяемые мелкими частицами (до 200 мкм), насыщают газовый объем, образуя горючую газовоздушную смесь, которая и начинает гореть. Для крупных частиц (более 500 мкм) воспламенение летучих начинается около поверхности частицы.
В начале процесса горения может наблюдаться одновременное выгорание летучих и кокса. Однако горение коксового остатка является наиболее длительной стадией (до 90 % общего времени горения частицы).
Необходимо учитывать, что частицы горят не отдельно друг от друга, а во взаимодействии. Совместное горение частиц определяет изменение концентрации кислорода по длине факела. В начале факела, в зоне высоких концентраций кислорода, будет выгорать большое количество мелких пылинок, а горение средних и крупных пылинок будет происходить в зоне с низкой концентрацией кислорода. Поэтому для полного выжигания нужно или растягивать факел или уменьшать размер частиц.
Аналитический расчет выгорания твердого топлива в неизотермическом трехмерном полидисперсном факеле возможен только с использованием численных методов. Рассмотрим упрощенную модель выгорания монодисперсной пыли в изотермических условиях по длине факела (одномерная задача).
Для расчета выгорания частицы в одномерном факеле может быть использовано уравнение для скорости выгорания одиночной частицы [20]
(4.28)
или уравнение, записанное через изменение диаметра частицы:
. (4.29)
При выгорании угольной пыли концентрация по длине факела постоянно уменьшается. Она связана с коэффициентом избытка воздуха и текущей механической неполнотой сгорания соотношением (2.44):
. (4.30)
В свою очередь, механическая неполнота сгорания пропорциональна отношению кубов диаметров текущего и начального диаметра частиц:
. (4.31)
Заменяя
изменение во времени на изменение по
длине факела
и подставляя в (4.28) выражения (4.29) и
(4.30), получим дифференциальное уравнение
для изменения диаметра выгорающих
частиц по длине факела:
. (4.32)
Интегрирование данного уравнения при начальных условиях l = 0, c = c0, δ = δ0 позволяет получить изменение потерь с механической неполнотой сгорания по длине факела (рис. 4.7). При коэффициенте избытка воздуха = 1 длина факела стремится к бесконечности. С увеличением коэффициента избытка воздуха длина факела заметно уменьшается.
Рис. 4.7. Потери с
механической неполнотой сгорания по
длине факела при различных коэффициентах
избытка воздуха
