УДК 519
Особенности сжигания водоугольного топлива
Ю. А. Сенчурова
Филиал КузГТУ в г. Белово
Горение водоугольных суспензий является гетерогенным процессом химического взаимодействия твердого топлива с окислителем, осложненным параллельно протекающей генерацией пара в суспензии, что существенно меняет реакционные характеристики топлива и условия тепло - и массообмена как на поверхности, так и в его объеме, и приводит к интенсификации суммарной скорости выгорания и высоким тепловым напряжениям процесса [1].
Цепной характер процессов окисления и горения угля в известной степени предопределяет решающую роль воды и водяного пара. Основными суммарными (итоговыми) реакциями горения водоугольных суспензий в среде газообразного окислителя (воздуха) являются реакции окисления и горения угля с кислородом и водяным паром, а также вторичные реакции восстановления углекислоты, конверсии окиси углерода, метанообразования и др. Особенностью этих реакций при горении водоугольных суспензий является их протекание при высокой концентрации водяного пара и температурах близких к теоретическим температурам горения углерода.
Анализ реакций окисления и горения частиц угля в присутствии воды и водяного пара, проведенный в [2] показывает, что влага может интенсифицировать реакции с углеродом как через свободные гидроксильные радикалы, так и путем механического переноса других окислителей, растворенных в воде, к поверхности угля. Низкотемпературные реакции окисления угля в присутствии воды протекают с очень низкой энергией активации. Вымывая из угольных пор и с поверхности углекислоту, метан и азот вода значительно повышает сорбционную способность угля по отношению к кислороду и увеличивает скорость десорбции продуктов реакции, улучшая массообмен на поверхности угля.
Экспериментально установлено, что при поверхностном горении слоя смеси мелких частиц угля с водой в результате градиентов влажности и температуры имеет место непрерывный транспорт влаги из внутренних слоев топлива к горящей поверхности, осложненной процессами испарения влаги и газообразования в результате взаимодействия влаги и углерода топлива по мере его прогрева. Процесс горения такой смеси сопровождается образованием узкой зоны перегрева водяных паров, расположенной непосредственно за зоной поверхностного горения и характеризующейся высоким термическим сопротивлением и большими градиентами температуры и концентрации водяного пара.
Согласно [2], отличительными особенностями воспламенения и горения капли водоугольной суспензии являются высокие концентрации водяного пара около поверхности реагирования, относительно большие размеры капель суспензии, вступающие в реакцию с кислородом воздуха по сравнению с угольной пылью, и, как следствие этого, определяющая роль массо - и теплопереноса не только при горении капли, но и в значительной степени при ее воспламенении.
В результате экспериментов, проведенных в [3], получено, что процесс испарения, воспламенения и горения капли водоугольной суспензии происходит в определенной последовательности и состоит из нескольких стадий.
Непосредственно после ввода капли в камеру сжигания с ее поверхности начинается испарение, которое происходит при постоянной температуре капли и понижении температуры среды (за счет затрат тепла на испарение). Видимые изменения цвета, объемы и формы капли отсутствуют. С ростом температуры на поверхности капли начинается вторая стадия, в течение которой продолжаются дальнейший прогрев капли, перегрев водяных паров и взаимодействие топлива с водяным паром. Выравнивается температура среды. Капля начинает увеличиваться в объеме. Реакция взаимодействия углерода топлива с водой и водяным паром является эндотермической, и температуры растут. Минимальная температура среды, при которой происходит воспламенение капель водоугольных суспензий, составленных из углей различных марок, различна, но для всех суспензий она значительно ниже, чем для сухих углей тех же марок. Увеличение размеров капли является следствием интенсивного парообразования и термического разложения угля внутри капли. Повышение объема капли приводит к увеличению пористости высохших слоев, что уменьшает теплоперенос в центральную область капли и снижает скорости испарения влаги и термического разложения угольных частиц. Третья стадия начинается воспламенением из капли горючих газов, при этом происходит дальнейшее увеличение как температуры окружающей среды, так и самой капли. Капля становится светлой и в некоторых случаях больше объемом. Догорание коксового остатка – четвертая (последняя) стадия процесса. Она мало чем отличается от выгорания частицы сухого угля, однако скорость выгорания капли из-за сильно развитой удельной поверхности горения больше, чем при горении частички сухого угля.
Таким образом, горение капли суспензии рассматривается как гетерогенный процесс, протекающий при непрерывно меняющихся объеме и составе топлива, осложненный процессом объемного догорания непрерывно генерируемых из центральной части капли горючих газов.
В данной работе представлена модель процесса распыления и сжигания суспензионного угольного топлива (ВУТ). Эффективность сжигания ВУТ существенно зависит от качества распыления топлива [4].
Устойчивость и полнота выгорания топлива в камере сжигания определяются степенью распыла вводимого в камеру топлива и совершенством аэродинамики газовых потоков внутри камеры. Эти качества обеспечивают надежные условия воспламенения и стабилизации факела, надежное смешение топлива с окислителем и распределение температур, а также оптимальные условия выгорания топлива по всему объему камеры. Качество распыления водоугольной суспензии в камере сжигания зависит от совершенства конструкции распыляющего устройства и свойств топлива.
Известно, что сжигание водоугольного топлива существенно отличается от аналогичного процесса при использовании пылевидного угля [5]. При этом утверждается, что влияние марки угля и его зольности на температуру воспламенения и устойчивость горения несущественно. Однако результаты стендовых испытаний и опыт эксплуатации показывают, что при сжигании партий ВУТ, приготовленных из высокометаморфизованных углей и антрацитов, требуется более высокий первоначальный нагрев топочного пространства для инициирования процесса воспламенения топлива и дальнейшего его стабильного горения. Аналогичное явление зафиксировано и при использовании водоугольного топлива, приготовленного из высокозольных угольных шламов. Все это указывает на то, что механизм распыления и модели воспламенения и сжигания водоугольного топлива требуют корректировки.
Учитывая полидисперсность частиц угля в ВУТ, при распылении образуются как чисто угольные частицы («капли-частицы» крупнее 80-100 мкм), с которых за счет сил гидродинамического трения срывается жидкая пленка с наиболее тонкими частицами, так и водоугольные капли, состоящие из тонких частиц угля и жидкой фазы. Поэтому механизмы воспламенения и сжигания полидисперсного потока капель ВУТ необходимо рассматривать с учетом законов тепломассообмена и химических реакций, происходящих в жидкоугольных каплях и обычных угольных частицах [6].
Таким образом, принимается, что процесс сжигания распыленных капель ВУТ представляет собой сочетание горения двух модельных систем: угольных частиц с диаметром dk > 80÷100 мкм и водоугольных капель с диаметром dk 
80÷100.
Данная физическая модель распыления ВУТ была подтверждена математическими расчетами и результатами эксперимента [6].
Проведенные экспериментальные испытания показали, что ВУТ, приготовленные из углей различных марок и зольности, надежно воспламеняются и эффективно сжигаются в вихревой топке. Механический недожог топлива (содержание горючих в уловленных золовых частицах) составляет не более 3-5%. Аналогичный показатель для слоевых угольных топок – 20-60%.
Температура воспламенения и время выхода на стабильный режим самостоятельного горения различных видов ВУТ зависят от марки угля и его зольности, содержание вредных выбросов в 3,3-4,3 раза ниже предельно допустимых концентраций (для предприятий России).
Экономическая эффективность использования водоугольного топлива получена за счет разной стоимости топливной составляющей при использовании ВУТ и рядового угля в котельных. Указанная разница составляет от 100 до 150 руб. на 1 Гкал без учета снижения платы за вредные выбросы. Окупаемость капитальных затрат составляет не более 2,5 года.
Таким образом, реализация технологии сжигания водоугольного топлива в вихревых топках котлов малой и средней мощности позволяет получить существенный экономический эффект и снизить вредные выбросы в окружающую среду.
Литература:
Делягин, Г. Н. Сжигание водоугольных суспензий – метод использования обводненных твердых топлив: автореферат дис. докт. техн. наук: 05.283 / Г. Н. Делягин; Моск. ин-т гор. ископаемых. – Москва: 1971. – 48 с. Сметанников, Б. Н. Исследование воспламенения и горения капли водоугольной суспензии / Б. Н. Сметанников, Г. Н. Делягин // Горение твердого топлива. – Наука. – 1969. – 556 с. Pohl, J. H. Correlation of spray characteristics of coal-water fuels / J. H. Pohl, J. Sepulveda, L. B. Rothfield // Symposium on coal slurry fuels preparation and utilization. Pitsburgh Energy Tecnology Centre. – P. 357-376. Зайденварг, В. Е. Производство и использование водоугольного топлива / В. Е. Зайденварг, К. Н. Трубецкой, В. И. Мурко, И. Х. Нехороший. – М.: Изд-во Академии горных наук, 2001. – 159 с. Хзмалян, Д. М. Теория топочных процессов / Д. М. Хзмалян. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 351 с. Сенчурова, Ю. А. Результаты исследований распыления водоугольного топлива пневмомеханическими форсунками/ Ю. А. Сенчурова, В. И. Мурко, В. И.Федяев, Д. А. Дзюба, Е. М. Пузырев // Известия Томского Политехнического Университета. – T.312. - № 4. - 2008. – с. 37-40.
Основные порталы (построено редакторами)