Горение твердого топлива

1.

Белорусский национальный технический университет
Кафедра ЮНЕСКО “Энергосбережение и
возобновляемые источники энергии”
Топливо и его
использование
Лекция 12.
Горение твёрдого топлива

2. Горение мелкой частицы твердого топлива (по Г.Ф.Кнорре)

Лекция 12
Горение мелкой частицы твердого топлива
(по Г.Ф.Кнорре)
Диффузионное пламя летучих
Диффузионное
пламя СО

3. Схема измерения температуры гранулы в КС (а) и в воздушном потоке (б)

Лекция 12
Схема измерения температуры гранулы в КС (а)
и в воздушном потоке (б)
a
б
7
12
13
16
9
2
1
15
5
15
14
6
3
4
10
11

4. Древесная гранула перед исследованием механизма её горения

Лекция 12
Древесная гранула перед исследованием
механизма её горения

5.

Лекция 9
Упрощённые схемы горения частицы твёрдого
топлива

6. Коксовый остаток древесных гранул

Лекция 12
Коксовый остаток древесных гранул
После выхода летучих, ХС = 0
В процессе конверсии кокса
ХС = ( mС0 – mС)/mС0 – степень конверсии
ХС = 0%
25%
50%
75%

7. Температура гранулы в кипящем слое (КС) и однофазном потоке (ИГ) при Т = 800 оС

1600
1600
1200
1200
800
ИГ-пирометр
ИГ-термопара
КС-термопара
400
T с , oC
T c , oC
Лекцияи
12
Температура гранулы в кипящем слое (КС)
однофазном потоке (ИГ) при Т = 800 оС
0
0
100 200
300 400 500
Время, с
СО2 = 21 об.%
800
ИГ-пирометр
400
ИГ-термопара
0
0
500
1000
1500
Время, с
СО2 = 5 об.%
2000

8. Горение частицы коксового остатка по схеме сжимающейся сферы

Горение частицы коксового остатка по схеме
Лекция 12
сжимающейся сферы
TS
CО2,S
CО2,∞
T∞
q = (TS - T∞)
jО2 = β (CО2,∞ - CО2,S)
jО2 = - k CО2,S

9. Общая реакция горения углерода

Лекция 12
Общая реакция горения углерода
fC + O2 = (2f-2)CO + (2-f)CO2
f = С/О2 (молярное отношение),
1≤f ≤2
2.0
1
f
2
5
1.5
3
4
7
8
6
p =CO/CO2 molar ratio
p = СО/СО2 = (2f-2)/(2-f) =1860exp(-7220/Tc)
1.0
(2)
100.0
p
1
10.0
2
5
3
1.0
4
8
6
7
0.1
800
1000
1200
Tc , K
1400
800
1000
1200
1400
Tc , K
1 –Артур, 2 – Россберг, 3 – Вулис, 4 – Шестаков , 5 – Тоньотти, 6-8 – КС

10.

Лекция 12
Упрощения:
– гетерогенная реакция 1-го порядка, f = 1;
C + O2 CO2
– горение углеродной сферы с начальным диаметром do и
постоянной плотностью , кг/м3, скорость которого отнесена
к внешней поверхности частицы
d
d
c d 3
2
kC
d
O 2, S
M 6
c
, кмоль/с
[k] =[k0]= м/с; [C]=кмоль/м3; [ ]=кг/м3; [М]=кг/кмоль

11.

Лекция 12
Гетерогенная реакция 1-го порядка полного
окисления углерода
C + O2 CO2
dn C
, моль/с
kCO2 ,пов F
d
d
dn O2
Размерность константы скорости реакции и
[k] =[k0]= м/с
F – площадь внешней поверхности частицы, м2
предэкспоненциального члена

12. Кинетика полного окисления углерода (по С,М, Шестакову)

Лекция 12
Кинетика полного окисления углерода
(по С,М, Шестакову)
Топливо
Древесный уголь
Торф
Бурый уголь
Каменный уголь
Тощий уголь, антрацит
Электродный уголь
E, ×10–3 Дж/моль
75 - 84
85
90 - 105
115 - 135
140 - 146
167
lg k0 = 0,2 10 -4 E + 2, м/с

13. Соотношение энергий активаций реакций горения и газификации углерода

Лекция 12
Соотношение энергий активаций реакций
горения и газификации углерода
C + O2 CO2
2C + O2 2CO
(1)
(2)
C + CO2 2CO
C + H2O CO + H2
(3)
(4)
E2/E1 = 1,1
E3/E1 = 2,2
E4/E1 = 1,6

14.

В стационарном режиме скорость расходования кислорода на
Лекция 12
поверхности частицы равна потоку массы О2 к поверхности
kCO 2,S (CO 2, CO 2,S ) , кмоль/с
CO 2, S k CO 2,
d
d
CO 2, S
k
CO 2,
c d 3
k
2
2
kC
d
C
d
k O 2,
O 2, S
M 6
c
3 d 2 dd
6 d
K
k
1
k 1/ k 1/
Время горения частицы коксового остатка tc
tc
1 tc
d o c
dd
Kd tc Kd tc K
tc
2 M cCO 2,
2 M cCO 2, 0
do
0
0
c

15. Конвективный тепло- и массообмен сферы

Массоотдача, 1 сфера
Sh 2 0.6 Re 1/ 2Sc1/ 3
Теплоотдача, 1 сфера
Nu 2 0.6 Re1/ 2 Pr1/ 3
Плотный слой, Re>80
T (Ts T ) / 2
Nu 2 1.8 Re 1/ 2 Pr1/ 3

16.

Окончательно, время горения сферичеcкой частицы
Лекция 12
коксового остатка
d o c
tc
2M cCO 2, k
1
м/с
k, м/с
k,
2, КС
7
9
12
2, ИГ
8, сосна
10
6
8, береза
11
+ 30%
0.1
- 30%
0.01
8
9
10
104/Tb, K-1
11
12

17.

Лекция 12
Для несферичеcкой частицы и f 1
X o c
tc
2 f M cCO 2, k
где Хо – наименьший размер частицы топлива (для
древесины – поперёк волокон).
f – функция температуры горящей частицы, например,
(2f-2)/(2-f) =1860exp(-7220/Tc)

18.

12
Температура горящей частицы коксового Лекция
остатка
Уравнение баланса энергии горящей изотермической
коксовой частицы имеет вид
d
V cc p ,cTc koYO2 g FQO2 (Tc Tb ) F
dt
ср,с , с – удельная теплоемкость и плотность кокса,
YO2 – массовая доля кислорода в газе плотностью вдали
g
от частицы,
QО2 – тепловой эффект реакции в расчете на кг кислорода,
Дж/кг ,
Тс, Tb – температуры частицы и окружающей среды, К
α – суммарный коэффициент теплоотдачи частицы,
включающий радиационную составляющую, Вт/м2К,
F, V –площадь поверхности и объём частицы

19.

Лекция 12
Квазистационарная температура частицы
Экспериментальные данные показывают, что
температура горящей частицы кокса быстро
достигает максимального значения после выхода
летучих и затем практически не меняется на
протяжение всего процесса.
Это позволяет пренебречь нестационарным
членом в левой части уравнения теплового баланса
и получить квазистационарную оценку температуры
горящей частицы и её перегрева относительно
окружающеё среды
Tc Tb
koYO2 g QO2

20. Перегрев коксового остатка др.гранулы относительно температуры реактора (Тb = 800 оС)

Лекция 12
Перегрев коксового остатка др.гранулы
относительно температуры реактора (Тb = 800 оС)
21%
300
10%
800
5%
400
T с - T b , oC
50%
o
Tс , C
1200
200
100
0
0
0
1000
Время, с
СО2 = 21 об.%
2000
0,0
0,2
0,4
YO2
СО2 = 5 об.%
0,6

21. Процессы сушки и пиролиза крупной частицы (d ~ 0.01 м) влажного топлива практически полностью перекрываются во времени, что

Процессы сушки и пиролиза крупной частицыЛекция
(d ~ 0.01
9
м) влажного топлива практически полностью перекрываются во
времени, что позволяет принять tсушки tв.л.
Tb
T
Tp
Температура влажного
ядра Тw 100оС;
Tw
Температура пиролизаr
целлюлозы
и гемицеллюлозы (70 %
сухой массы древесины)
Tp 400оС,
лигнина – Tp 650оС.
rw
rp
ro
char
кокс
сухое
топливо
dry biomass
влажное
ядро
wet core

22. Время выхода летучих из гранулы биотоплива в КС

160
Древесные гранулы
T b=873 K
di=0,52 мм
120
tвых. лет. = kv d n
di=0,26 мм
80
40
0
5
7
9
11
150
D, мм
целлюлоза
ТБО
бумага
120
tve , c
tve, с
Лекция
9
Время выхода летучих из гранулы биотоплива
в КС
90
60
30
0
0
5
10
L, мм
15
20

23. Время выхода летучих из частицы топлива в КС

Время выхода летучих из частицы топливаЛекция
в КС12
tвых. летучих = kv d n
3
1 - 4, di=0,52 мм
5-7
9
11
13
4
1 - 4, di=0,26 мм
8
10
12
2
n
kv, с.мм
-n
6
1
2
y = 1.33E+12x-3.98E+00
0
0
800
1000
Tb, K
kv = 1,3 1012 Tсл–4
1200
800
1000
Tb, K
1200
n = 1,5
1-4 – древесные гранулы, 5-7 – гранулы ТБО, 8 – древесина,
9 – лигнин, 10 – торф, 11 – сланцы, 12 – нефтешлам, 13 – бурый уголь

24. Горение древесной частицы

Лекция 9
Горение древесной частицы

25. Слоевое горение древесного угля (коксового остатка)

Лекция 12
Слоевое горение древесного угля (коксового остатка)

26. Горение древесных гранул – верхнее зажигание

Лекция 9
Горение древесных гранул – верхнее зажигание

27. Слоевая топка с наклонно-перекатывающей решеткой (Хотаб, Швеция)

Лекция 9
Слоевая топка с наклонно-перекатывающей
решеткой (Хотаб, Швеция)
Источник зажигания – тепловое излучение от
раскалённой обмуровки и продуктов сгорания

28. Горение древесных брикетов в топке "Хотаб"

Лекция 9
Горение древесных брикетов в топке "Хотаб"

29. Зависимость схемы горения топлива на наклонно-перекатывающей решетке от положения источника зажигания

Лекция 9
Зависимость схемы горения топлива на наклонноперекатывающей решетке от положения источника
зажигания

30. Топка кипящего слоя (КС)

Экранные трубы
Вспомог. горелки
Кипящий слой
Воздухораспред.
решетка с "живым
дном" и водяным
охлаждением
Вторичный воздух
Ввод топлива (течка)
Первичный воздух
Удаление золы и спёков

31. Псевдоожиженный (кипящий) слой (ПС, КС)

Лекция 12
Псевдоожиженный (кипящий) слой (ПС, КС)

32.

Лекция 12
H, h=H-Hсл
Диффузионное
горение
летучих
в топке КС
hт
U, u , tтр,h
ТОПЛИВО
ЛЕТУЧИЕ
tр ~1/k
tсм ~Lтурб / u
Dпузыря
Hсл
ВОЗДУХ
x
tв.л., tс, tтрансп.
xт

33. Газовые пузыри в КС (слева) и ЦКС (справа) – минимальный масштаб неоднородности

Лекция 12
Газовые пузыри в КС (слева) и ЦКС (справа) –
минимальный масштаб неоднородности

34. Газовые пузыри в кипящем слое – минимальный масштаб неоднородности распределения газа

Лекция 12
Газовые пузыри в кипящем слое – минимальный
масштаб неоднородности распределения газа

35. Горение древесного топлива в 2D кипящем слое

Лекция 12
Горение древесного топлива в 2D кипящем слое

36.

Лекция 9
Условия равномерного распределения летучих
и кокса по сечению топки КС
Критерий Дамкёлера ≡
(Время транспорта частицы по длине топки, хтопки)
(Характерное время реакции)
для выхода летучих
Da л, x tтр , x / tв . л. 1
для горения коксовых частиц
Da к , x tтр , x / tc 1
tтрансп,х = xтопки2/(2 Dх)

37. Коэффициент горизонтального перемешивания частиц топлива в «инертном» КС / ЦКС

Лекция 12
Коэффициент горизонтального перемешивания
частиц топлива в «инертном» КС / ЦКС
1.E+00
Dx 0,05[ H (U U mf )]1,1
2 2
,м
DD
/с /с
h,xм
1.E-01
1.E-02
1.E-03
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
2
H (UH(U-Uo),
U mf ),мм2/с
/с
1.E+00
1.E+01

38.

Лекция 12
Условие полного сгорания летучих в топке КС
Критерий Дамкёлера ≡ (Время транспорта газа по высоте
надслоевого пространства, hтопки) / (характерное время
реакции)
Da h tтранспорта ,h / t гор. летучих 1
tтр ,h
hт / U
t р tсм
t г . л.
tр
Характ. время химической реакции
Характ. время турбулентного смешения
Пульсационная скорость
Масштаб смешения
u U
1
k
tсм
Lтурб
u
Dпузыря Lтурб хтопки

39. Кинетика горения газов в смеси с воздухом

Лекция 12
Кинетика горения газов в смеси с воздухом
E, ×10–3
Дж/моль
k0,
1/с
СО (сухой)
96,8
7,05·106
СО (влажный)
Водород Н2
Метан СН4
Пропан С3Н8
96,3
129,0
103,8
61,5
1,40·1012
2,14·1014
5,60·1012
4,20·1011
Топливо

40. Диаметр пузыря на выходе из КС высотой Н

Лекция 12
Диаметр пузыря на выходе из КС высотой Н
Dbs ≈ 1,3Fr2/3H, м
где критерий Фруда
Fr ≡ (U – Umf)2/gH,
U – скорость газа в расчёте на сечение топки, м/с,
Umf – скорость минимального псевдоожижения, м/с,
Н – высота КС, м.

41. Скорость начала псевдоожижения

Лекция 12
Скорость начала псевдоожижения
Re mf
Ar
U mf d p
gd 3p p g
2
g
g
g
Ar
1400 5.22 Ar
критерий Архимеда –
соотношение сил тяжести (с
учётом выталкивающей силы)
и вязкого трения.
р = 2600 кг/м3 – кварцевый
песок

42.

Эффективная скорость горения летучих в топке КС
3
10
k
keff , Lt = Dbs
keff , Lt = Dt
2
eff
k, k , 1/с
10
1
10
Топка 4.0 МВт,
U = 4 м/с
Топка
0.4 МВт,
U = 1.5 м/с
0
10
0
а
1
h, м
2
3

43.

Эффективность выгорания летучих – расчеты по модели
1
0.8
0.6
Топка 4.0 МВт,
U = 4 м/с
V
C /C
Vo
Lt=Dbs
Lt=Dt
Топка
0.4 МВт,
U = 1.5 м/с
0.4
0.2
б
0
0
1
h, м
2
3