Моделирование горения пылевидной коксовой частицы в присутствии водяного пара Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.612.3

Ю. М. КРУТОВ, Д. В. РЕШЕТНЯК

Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, г. Луганск

И. И. ТОКАРЕВ

ООО «Ремо», г. Свердловск

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ПЫЛЕВИДНОЙ КОКСОВОЙ ЧАСТИЦЫ В ПРИСУТСТВИИ ВОДЯНОГО ПАРА

В работе предлагается математическая модель для расчета количественных характеристик горения пылевидной коксовой частицы и влияния водяного пара в топочном объеме на процесс горения. Для тестирования предлагаемой модели в работе рассчитывается динамика и полное время тс выгорания частиц кокса с исходным размером 50-300 мкм при разном содержании кислорода в камере сгорания. Показано хорошее совпадение расчетного тс с опытными данными. Также, полученное расчетным путем значение удельной теплоты сгорания горючей массы кокса хорошо согласуется с табличной величиной. Установлено, что повышение содержания в топочном объеме водяного пара несущественно влияет на динамику выгорания коксовых частиц, но снижает их температуру и теплоту сгорания топлива. Разработанная модель может быть использована в угольной теплоэнергетике для анализа особенностей горения пылеугольного топлива в зависимости от условий топочного процесса.

У роботі запропоновано математичну модель для розрахунку кількісних характеристик горіння пилоподібної коксової частинки та впливу водяної пари в об'ємі топки на процес горіння. Для тестування пропонованої моделі в роботі розраховується динаміка і повний час тс вигоряння частинок коксу із початковим розміром 50-300 мкм при різному вмісті кисню в камері згоряння. Показаний хороший збіг розрахованого тс з даними експериментів. Також, отримане розрахунковим шляхом значення питомої теплоти згоряння горючої маси коксу добре узгоджується із табличною величиною. Встановлено, що збільшення вмісту в об'ємі топки водяної пари несуттєво впливає на динаміку вигоряння коксових частинок, але знижує їх температуру і теплоту згоряння палива. Розроблена модель може бути використана у вугільній теплоенергетиці для аналізу особливостей горіння пиловугільного палива залежно від умов паливневого процесу.

Постановка проблемы

Пылевидный способ сжигания угольного топлива в факеле имеет ряд преимуществ по сравнению с распространенным слоевым методом. При измельчении топлива увеличивается отношение площади угольных частиц к их массе, т.е. возрастает поверхность реагирования углерода с молекулами окислителя. Кроме того, летучие компоненты, выделяемые мелкими частицами пылеугольного топлива (ПУТ), насыщают газовый объем, образуя горючую газовоздушную смесь, которая и начинает гореть [1]. Это обеспечивает быстрое сгорание топлива в факеле, снижение температуры и времени воспламенения ПУТ [2].

Математическое моделирование процессов, происходящих при горении ПУТ в факеле, осложняется тем, что далеко не всегда известны точные исходные данные для уравнений, описывающих эти процессы. Необходимо знать законы химической кинетики, как на поверхности кокса, так и в газовой фазе в окрестности топливной частицы, температуру и состав газов, взаимодействующих с ее поверхностью и т.д.

Важным фактором, влияющим на горение ПУТ, является наличие водяного пара в топочном объеме. Пар выступает дополнительным окислителем углерода топливной частицы, а также ускоряет догорание угарного газа (СО) в газовой фазе. Отметим, что водяной пар в топочном объеме должен вести себя как обычный газовый компонент смеси,

поскольку температура среды гораздо выше критической температуры воды (647.3 К). Пар присутствует во вдуваемом воздухе, также он испаряется из ПУТ, имеющего некоторую начальную влажность. Кроме того, может использоваться композиционное топливо типа водоугольной суспензии (ВУС), в котором вода, наряду с измельченным углем, является основным компонентом [3]. Чаще всего ВУС распыляется в топочный объем через форсунку в виде мелких капель и сжигается факельным или вихревым способом. Горение тонкодисперсных частиц угля в капле начинается после испарения ~ 70 % влаги [4]. По сравнению с сухим пылеугольным сжиганием, использование ВУС снижает эксплуатационные расходы и практически сводит на нет вероятность взрыва угольной пыли. Также существенно уменьшаются трудности, связанные с переходом от одного сорта угля к другому. Высокая полнота сгорания ВУС приводит к тому, что в процессе ее сжигания в атмосферу выделяется меньшее количество токсичных веществ. Более низкая температура в ядре факела снижает выбросы окислов азота по сравнению с пылеугольным сжиганием и сжиганием мазута [3].

Перспективность использования ВУС в энергетике требует разработки математических моделей комплексно учитывающих влияние паров воды на сгорание угольных частиц в ВУС.

Анализ научных исследований и публикаций

Проблеме математического моделирования процессов при выгорании мелких угольных частиц посвящен ряд работ (см. напр. [5-7]). В них для исследования тепловых режимов горения, как правило, рассматривается квазистационарная или нестационарная краевая задача тепломассообмена между частицей и газовой средой. Такие модели дают качественное представление о профилях температуры и концентрации газовых компонент вокруг горящей частицы, но они достаточно сложны для использования в прикладных расчетах. Для практических расчетов выгорания ПУТ широко используется схема негорящего пограничного слоя в теории приведенной пленки [1]. Эта теория позволяет грубо оценить давление окислителя и продуктов горения на поверхности частицы и ее полное время сгорания, но рассчитать температуру горящих частиц и динамику их выгорания данная методика не позволяет. В ряде работ (напр., [8-10]) также производилось моделирование горения капли ВУС в газовом потоке.

Цель исследования

В данном исследовании поставлена задача разработать и реализовать схему для расчета количественных характеристик процесса горения коксовой частицы и влияния водяного пара в топочном объеме на выгорание ПУТ. В частности, необходимо:

- с хорошей для практических задач точностью определять динамику, температуру и полное время выгорания пылеугольной частицы в атмосфере с заданными параметрами газовой смеси;

- определять теплоту сгорания ПУТ в атмосфере с произвольным содержанием паров воды с учетом тепловых эффектов реакций горения на поверхности частиц и в газовой фазе;

- модель должна позволять проводить детальный анализ особенностей горения коксовых частиц в зависимости от условий топочного процесса.

Тестирование модели проводится сравнением результатов расчета с опытными данными.

Основные материалы исследования

Принято считать, что процесс горения угольной частицы можно разбить на относительно независимые стадии: I) прогрев частицы до выхода и воспламенения летучих; II) горение летучих веществ около частицы, способствующее ее быстрому прогреву; III) горение кокосового остатка, состоящего практически только из углерода и золы. Горение летучих, как и прогрев частиц, - относительно быстрый процесс по сравнению с горением коксового остатка. В данной работе рассматривается горение коксового остатка, поскольку это наиболее длительная стадия выгорания пылеугольной частицы (до 90 % общего времени)

[1], в течение которой выделяется почти вся тепловая энергия. Расчеты проводятся для

коксового остатка антрацита. Наличием золы в частице мы пренебрегаем ввиду, во-первых, ее малого содержания в этом типе угля (4-5 % [2]) и, во-вторых, при тонком размоле углей, зола может отделяться от горючей массы топлива. В основу расчетов положена следующая физическая модель:

1. Химическое реагирование углерода кокса. Кинетическая схема, используемая в работе для описания газификации углерода, формально характеризуется следующими гетерогенными реакциями [1] с соответствующими тепловыми эффектами:

1 С + О2 ^ СО2 + 395 кДж/моль

2 2С + О2 ^ 2СО + 219 кДж/моль

3 С + СО2 ^ 2СО - 175.5 кДж/моль

3* С + Н20 ^ СО + Н2 - 130.5 кДж/моль 3** С + 2Н2О ^ СО2 + 2Н2 - 132 кДж/моль 3*** С + 2Н2 ^ СН4 - 74.9 кДж/моль

Горение выделяемого СО и Н2 определяется реакциями в газовой фазе:

4 СО + 1/2О2 ^ СО2 + 285 кДж/моль 4* СО + Н20 ^ СО2 + Н2 + 40.4 кДж/моль 4** Н2 + 1/2О2 ^ Н20 + 115.5 кДж/моль

Отметим, что водород, который образуется в реакциях 3* и 3**, реагирует с кислородом непосредственно у поверхности частицы в реакции 4** намного быстрее, чем с углеродом в реакции 3***. Поэтому реакцию 3*** в процессе газификации углерода можно не учитывать, также можно пренебречь реакцией 3**, т.к. она менее вероятна, чем 3* [1].

Скорости Wi реакций 1-3* определяются их константами скоростей кг- и

концентрациями пгя газовых компонент, участвующих в той или иной реакции на

поверхности частицы: wi = кП, 1/(м2с). Зависимость констант скоростей от температуры задается законом Аррениуса:

к, = k0i exP

Л

RgTP у

где кы = 10( ' ' ‘, м/с - предэкспоненциальный множитель [11];

ЕI - энергия активации данной реакции;

^ = 8.31 Дж/(моль-К) - универсальная газовая постоянная;

Тр - температура коксовой частицы.

Энергия активации реакции 1 для кокса антрацита Е1 = 155 кДж/моль [11], ее значения для реакций (2-3*) связаны с Е1 как: Е2 = 1.1Е1, Е3 = 2.2Е1, Е3* = 1.6Е1 [1].

2. Газовые компоненты на поверхности частицы. Известно, что догорание СО не оказывает заметного влияния на скорость выгорания пылевидных угольных частиц [12]. Поэтому концентрации газовых компонент у поверхности частицы (предполагается, что она имеет сферическую форму) найдем из уравнения диффузионного обмена для радиальной симметрии без источников в объеме:

d

r 2 Di pgf ) = °- (1)

с граничными условиями: Dip

r 2 dr

=~jf, Til = Yi0 = const,

- rlv Іг^ад i

Ur r=R

где r - радиальная координата; R = 5/2 - текущий радиус частицы;

Di - коэффициенты бинарной диффузии газовых компонент в смеси; pg - плотность газовой смеси; Yi - относительные массовые концентрации газовых компонент;

^ - их потоки на поверхности частицы, кг/(м с).

Поскольку азот в нашей схеме не реагирует с углеродной поверхностью, а водяной пар реагирует по реакции 3*, но немедленно восстанавливается в реакции 4**, то для них

2 = }Н20 = 0. Потоки остальных компонент на поверхности частицы с учетом того, что скорость приповерхностной реакции 4** лимитируется реакцией 3*, будут:

О = 4(^1 + к2 X1 + /)^02 + 0 5^3*^Н?2О \Р1,

'СО2 = [к111 + У)Х02 к3^С02 \ , (2)

'СО = [к2 I1 + 7^02 + 2КХС02 + к3*^И20 \ ,

где у = ку/ ( + к 2) - коэффициент, учитывающий внутреннее реагирование кислорода на поверхности пор частицы, в котором ку - эффективная константа внутреннего реагирования, определяемая как:

Оу

ку = —02 кеус^еу - 1Х, $еу =

я у

(к1 + к 2К^

где 8еу - критерий Семенова для внутреннего реагирования кислорода [1];

5У- удельная поверхность пор ( sv ~ 104 м2/м3 [1]);

ВО 2 = В02 (1 - рс/ р0 )2- коэффициент внутренней диффузии кислорода в порах [13];

(рс = 1450 кг/м3, р0 ~ 2000 кг/м3 - кажущаяся и истинная плотность антрацитового кокса).

Массовые концентрации газовых компонент на поверхности частицы найдем с учетом (2) после интегрирования (1) и некоторых преобразований:

уЯ = Гр°2 - 0.5 к_ХрЯ/О^ у„ = УСо2 + к(1 + 7^/К,2

0 2 1 + (к + к 2 )(1 + у)К/0,2’ С0 2 1 + къК/ЭЯо 2 •

уЯ у 0 , 2к2( + 7)У02 + 2к3УС02 + к3*УН20 Я ...

УС0 = УС0 +----------------------------ОЯ--Я (3)

ОС0

уЯ = у 0 уЯ = у 0

1И 20 Н 20’ 1Ы 2~ 1Ы 2-

где у 0 = Р,°ш^I Р,0ш{ - относительные массовые концентрации компонент в газовом

потоке (Pi0, шi - парциальные давления компонент в потоке и массы их молекул). Концентрации компонент на поверхности частицы связаны с (3) как: пЯ = рру^ /ш1 , где

К л

плотность газовой смеси определяется уравнением состояния рЯ = Р / квТр I У/ш, , в

/V , )

котором кв = 1.38 -10 23 Дж/К - постоянная Больцмана. В качествеОя используем

коэффициенты диффузии газовых компонент в воздухе при температуре Тр и общем давлении Рг = 1 атм, вычисленные по методу Фуллера-Шеттлера-Гиддингса [14]:

ВЯ 1 -10-7 + М 2,

О, =---------------т--------------^-----------, м /с

(3 + )

2

где Mo2 = 32, Mco2 = 44, Mн2O = 18, Mm = 28 г/моль, MШr = 29 г/моль; ^2 = 16.6, Vco2 = 26.9, ^я20 = 12.7, VN2 = 17.9, = 20.1 - диффузионные объемы молекул.

3. Температура частицы. Температуру горящей пылевидной частицы определим из уравнения ее теплового баланса:

Л[МрСсТр )_ „ , Ч

Ьр КЧс Я.г Чг Чё 45 р (4)

&

где Ыр = 4/3 Л Зрс, 8р = 4лЯ2 - масса и площадь внешней поверхности коксовой

частицы;

сс - удельная теплоемкость кокса.

Углерод кокса топлива по своей структуре близок к графиту, поэтому в качестве сс [Дж/(кг-К)] используем эмпирическую температурную зависимость для графита [15]:

сс = 2023.145 + 7.8645-10~2Тр -4.26709-108Тр2 +1.3203-10пТр3 -1.199-1013Тр4.

Правая часть выражения (4) включает следующие слагаемые:

Чс = к\е\ + к е2 )(1 + т) + ^3 е3 + ^3* (е3* + е4** - мощность тепловыделения на

единице поверхности частицы за счет реакций (1-4*) (в, - тепловые эффекты реакций, Дж/моль, Ыл = 6.02 • 1023 моль-1 - число Авогадро);

Ч, =Х„Мы,1б(тг-тг 0) - конвективный теплообмен частицы с газовой средой, где А* -теплопроводность газа в окрестности частицы, в качестве которой принята теплопроводность воздуха при температуре Т* = (Тр + Т?0)/2 :

А*, = 24.4 • 10 3 (273.2 + С)*/273.2)/(т* + С), С = 122 [16], где Тё0 - температура газа в потоке, Ми, « 2 - тепловой критерий Нуссельта при малых скоростях обтекания частицы газом;

Чг = 5а(тр - Т^ ) - лучистый теплообмен частицы с облучателем, где £ = 0.8 - степень

черноты частицы; о = 5.67 -10 -8 Вт/(м2К4) - постоянная Стефана-Больцмана, температура облучателя принята равной температуре газового потока Те = Т& 0;

Чл = 7/2 кв (^1 + w2 )(1 + у)+ 4кв (^3 + ^3*) - отвод тепла от частицы диффузионной теплопроводностью;

Ч* = сКр%ТриК - отвод тепла от частицы стефановским потоком, где

иК = квТр/Рг 2 ^ 1тг , ст = I7/2(и02 + пса + К2 )+ 4(пСо2 + К20 Ж - ск°р°сть

I

стефановского потока и теплоемкость единицы объема газа у поверхности частицы.

В принятой кинетической схеме поток углерода с поверхности частицы будет:

°с = к( + у)+ 2w2(1 + у) + wз + к*^с/Мл , кг/(м2с) (5)

где ^с = 12-10-3 кг/моль - молярная масса углерода.

Изменение размера частицы во времени определяется уравнением:

С5 20с

Л рс

(6)

Теплота сгорания коксовой частицы может быть найдена интегрированием тепловой мощности, выделяемой на поверхности и за счет сгорания СО в газовом объеме:

0Р * 4ж\Я 2 (дс + Цсо )г. (7)

0

где дсо = ]СЯоесо1 /исо (есо = 283 кДж/моль - теплота сгорания CO при незначительном содержании водяного пара в объеме;

/исо = 28 -10 3 кг/моль - молярная масса окиси углерода).

Тестирование модели горения частицы. Проверку используемой модели проведем сравнением вычисленного по ней времени сгорания коксового остатка угольной частицы и теплоты сгорания углеродного топлива с опытными данными. Время выгорания частиц кокса в диффузионном режиме, может быть приближенно найдено по эмпирической зависимости

[2]:

П

те = кс 2.21 -108 (1 - Ас .с (8)

где кс - опытный коэффициент. характеризующий выгорание частиц угля данной марки;

Ас - относительное содержание золы в коксовом остатке; ёо - начальный размер частицы. м;

[о2] - содержание кислорода в газовом потоке. %.

Для антрацита кс = 1. наличием золы пренебрегаем. т. е. Ас = 0. Изменение размера частицы в процессе ее выгорания подчиняется уравнению [2]:

8 = 5, (1 - г/тс У1. (9)

Моделирование выгорания частиц проведем при парциальных давлениях газовых компонент в потоке Ро02 = 20 и 15 кПа. РС0о2 = 5 кПа . Р'01о = 2 кПа . РС0о = 0 кПа.

Р°2 = Рг - ^ Pi0 и его температуре Тё0 = 1400 К. Для интегрирования (4) необходимо задать

начальную температуру воспламенения коксовой частицы Тр0. Зависимость скорости газификации углерода (5) антрацитового кокса от температуры показана на рис. 1. Из него видно. что выгорание частиц различных размеров начинается при температуре примерно 1000 К, это значение и примем в качестве Тро.

Тр,К

Рис. 1. Скорость газификации углерода с поверхности частиц размером:

50 мкм - сплошная линия, 100 мкм - точки, 300 мкм - пунктир

На рис. 2а приведены динамика выгорания и температура коксовой частицы с S0 = 150 мкм, полученные численным интегрированием (4) и (6) методом Рунге-Кутта-Фелберга с использованием математической системы Maple. На начальной стадии, а также после

достижения частицей размера ~ 9 мкм при Р°2 = 20 кПа и ~ 19 мкм при Ро02 = 15 кПа она

горит медленно, т.к. процесс протекает в кинетической области вследствие относительно невысокой температуры частицы. В этом режиме коэффициент диффузионного обмена ай >> ко2 = к1 + к2 (рис. 2б). Переход горения в кинетическую область может быть

причиной механического недожога топлива, что сильнее проявляется при снижении концентрации кислорода в топочном объеме. К моменту перехода тс из диффузионной области в кинетическую частица теряет почти всю горючую массу, поэтому будем считать его временем сгорания частицы. На обоих рисунках сплошная линия соответствует давлению кислорода в объеме - Р‘°2 = 20 кПа , пунктирная - Р0°2 = 15 кПа .

Рис. 2. а) изменение размера частицы и ее температуры в процессе выгорания: кривая 1 - наш расчет, 2 - расчет по формуле (9), 3 - температура частицы; б) зависимость от времени константы скорости ко2 - кривая 1 и коэффициента диффузии а4 - кривая 2

Вычисленное время сгорания коксовых частиц с исходным размером 50-300 мкм при разном содержании кислорода приведено на рис. 3. Хорошее его совпадение с эмпирической зависимостью (8) для диффузионного горения указывает на то, что принятая модель правильно описывает скорость газификации мелких угольных частиц. Это также подтверждает то, что выделяемый СО догорает относительно далеко от мелких частиц, не оказывая большого влияния на доступ кислорода к поверхности. Установлено, что частицы с начальным размером ~ 100 мкм при Тё0 = 1400 К сгорают, в основном, в диффузионной области. Для перевода горения тонкодисперсных частиц (^0 ~ 10 мкм) в диффузионную область нужны более высокие температуры.

50, мкм

Рис. 3. Время сгорания коксовых частиц: • - расчет для давлении кислорода в объеме Р°2 = 20 кПа, о - расчет для Р°2 = 15 кПа, сплошная линия и пунктир -

зависимость (8) для р°2 = 20 и 15 кПа, соответственно.

Общая удельная теплота сгорания кокса при указанных условиях в топочном объеме оказалась Qc = Qp|Mр0 « 32 МДж/кг. Из нее только примерно 12 МДж/кг дает гетерофазное

горение углерода и приповерхностное сгорание Н2, образующегося в реакции 3*, остальная энергия выделяется от сгорания СО в газовом объеме. Полученное расчетным путем значение Qc хорошо согласуется с табличной величиной теплоты сгорания углерода кокса (около 33 МДж/кг).

Влияние водяного пара на горение коксовых частиц. Увеличение содержания водяного пара при неизменной температуре в топочном объеме будет способствовать ускорению догорания угарного газа мС0 = м4 + w4* в газовой фазе, где скорости реакций 4 и 4* (1/(м3с)) также зависят от парциального давления пара и определяются как [17,18]:

1.3 • 108 N

1«лГ

-ехр

125580 Я Т ,

, , У

р р 0.5 р 0.5 ТС0ТН 20 02

2.75 • 106 ИА (,Т,Г

ехр

83720

Я Т

, , у

где Т,, Р[ - локальная температура газа и индивидуальные давления компонент. Это приведет к тому, что условный размер области выгорания СО около горящей частицы уменьшится. Мы, однако, как и раньше будем считать, что для мелких частиц горение СО не оказывает существенного влияния на доступ кислорода к поверхности кокса, и потоки газовых компонент на ней также определим из (2). На рис. 4а показаны потоки компонент на поверхности частицы = jfSp|mi для давления пара в объеме РН°20 = 2 кПа (сплошные

линии) и РН°20 = 20 кПа (пунктирные линии), (до = 150 мкм, Т,0 = 1400 К, Р0,2 = 20 кПа,

Рс0 2 = 5 кПа, РС00 = 0 кПа). При повышении содержания пара несколько увеличивается выход

СО за счет интенсификации реакции 3* и возрастает потребление кислорода частицей за счет горения Н2 (по 4**) также выделяющегося в реакции 3* в большем количестве.

Изменение массообмена между частицей и газовой средой влияет на отвод тепла от нее диффузионной теплопроводностью и стефановским потоком, потеря тепла в эндотермической гетерогенной реакции 3* полностью не компенсируется приповерхностной реакцией 4**. Это, а также замедление экзотермических реакций 1 и 2, приводит к понижению температуры частицы на 120-180 градусов (рис. 4б). На рис. 4б также показано, что увеличение содержания водяного пара лишь незначительно влияет на динамику выгорания коксовой частицы: время ее сгорания тс уменьшилось с 0.54 с при РН°20 = 2 кПа до

0.52 с при Р°20 = 20 кПа. Это обусловлено влиянием на скорость выгорания конкурирующих

процессов: дополнительный механизм газификации углерода по реакции 3* нивелируется уменьшением скоростей гетерогенных реакций 1-3 за счет снижения температуры.

и

с

и с

Рис. 4. а) Потоки газовых компонент на внешней поверхности частицы; б) Изменение размера частицы (кривые 1) и ее температуры (кривые 2) в процессе выгорания.

=

М4* =

Теплоту сгорания кокса при значительном содержании в атмосфере топки водяного пара также найдем с помощью (7), но теплоту сгорания угарного газа зададим несколько по-другому. Будем исходить из того, что весь выделившийся СО сгорит в переходном слое и газовом потоке. Водород, образовавшийся в 4*, инициирует реакцию 4**, поэтому общий тепловой выход реакции 4* будет е'4* = 155.9кДж/моль. Вклад в суммарный энерговыход параллельных реакций должен зависеть от соотношения их скоростей, поэтому эффективную теплоту сгорания СО оценим выражением есо = е4 w4/(н,4 + w4*) + е'4* w4*/(м,4 + w4*). В такой

форме локальная величина есо не зависит от давления СО, и определяется температурой газа

Т& и давлениями кислорода и водяного пара. В газовом потоке Т0, р2, Р^°20 заданы, и

считаются постоянными. В переходном слое эти величины зависят от времени и радиальной координаты. На рис. 5 приведена величина ес0, соответствующая параметрам газовой смеси

у поверхности частицы и в топочном объеме (для давления пара Р^20 = 30 кПа). Из него видно, что на той стадии горения частицы, где выделяется основная масса СО, эффективная теплота его сгорания у поверхности отличается от значения в объеме не более чем на 10 %. Поэтому, в расчетах используем значение ес0, соответствующее заданным параметрам смеси в объеме.

Рис. 5. Эффективная теплота сгорания угарного газа в смеси: сплошная линия - у поверхности частицы, пунктир - в газовом потоке

На рис. 6 показано изменение расчетной теплоты сгорания горючей массы топлива (сплошная линия) от содержания пара в потоке. Здесь же приведен вклад, вносимый в общий энеровыход горением СО в газовой фазе (пунктир) и температура частицы в момент достижения ею половины начального размера (штрих-пунктир, правая шкала). Следует учитывать, что при увеличении подачи воды (например, в составе ВУС) в топочный объем, реальное снижение теплоты сгорания будет больше, чем дают наши расчеты. Если, например, с 1 кг угольной пыли подается 0,5 кг воды, то на ее нагрев до кипения, испарение и нагрев пара до 1400 К потребуется примерно 1,2 МДж тепла.

Выводы

В работе разработана достаточно простая схема (включает только два ОДУ 1-го порядка), определяющая процесс газификации пылевидной коксовой частицы в зависимости от условий топочного процесса.

Для иллюстрации возможностей предлагаемой модели в работе рассчитана динамика и полное время тс выгорания частиц с исходным размером 50-300 мкм при разном содержании кислорода в камере сгорания, показано хорошее совпадение расчетного тс с

эмпирической зависимостью (8). Также, полученное расчетным путем значение удельной теплоты сгорания горючей массы кокса хорошо согласуется с табличной величиной.

O'

£

Сп

О

(3

Рис. 6. Зависимость удельной теплоты сгорания топлива и характерной температуры частиц от содержания водяного пара.

Показано, что повышение содержания в топочном объеме водяного пара (за счет уменьшения количества азота) несущественно влияет на динамику выгорания коксовых частиц, но снижает их температуру и теплоту сгорания топлива.

Список литературы

1. Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов // Под ред. В. В. Померанцева. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 312 с.

2. Бабий В. И., Куваев Ю. Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 208 с.

3. Мурко В. И., Федяев В. И., Хямяляйнен В. А. Физико-технические основы водоугольного топлива. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2009. - 195 с.

4. Винтовкин А. А. Технологическое сжигание и использование топлива. Справочник.

- М.: Теплотехник, 2005. - 288 с.

5. Асланян Г. С., Директор Л. Б. Численное исследование процессов тепло- и массообмена горящей угольной частицы // Теплофизика высоких температур. - 1991. - Т. 29, № 3. - С. 570-576.

6. Самуйлов Е. В., Фаминская М. В., Головина Е. С. Модель и расчет процесса газификации одиночной углеродной частицы // Физика горения и взрыва. - 2004. - Т. 40, № 1.

- С. 86-94.

7. Гремячкин В. М. О кинетике гетерогенных реакций углерода с кислородом при горении пористых частиц углерода в кислороде // Физика горения и взрыва. - 2006. - Т. 42, № 3. - С. 11-22.

8. Делягин Г. Н. Вопросы теории горения водоугольной суспензии в потоке воздуха // Сжигание высокообводненного топлива в виде водоугольных суспензий. - М.: Наука, 1967.

- С. 45-55.

9. Liu G.E., Law C.K. Combustion of coal-water slurry droplets // Fuel. - 1986. - V. 65. -P.171-176.

10. Ahn K.Y., Baek S.W., Choi C.E. Investigation of a coal-water slurry droplet exposed to hot gas stream // Combust. Sci. and Tech. - 1994. - V. 97. - P. 429-447.

11. Акмен Р.Г. Топливо, основы теории горения и топочные устройства. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2005. - 68 с.

12. Канторович Б.В. Введение в теорию горения и газификации твердого топлива. -М.: Металлургиздат, 19в0. - 35в с.

13. Головина Е.С. Высокотемпературное горение и газификация углерода. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 17в с.

14. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. - Л.: Химия, 1971. - 704 с.

15. Enthalpy and Heat Capacity of Graphite // www.insc.anl.gov / matprop / graphite / ent_hc / sumccp.php.

1в. Викторов М. М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. - Л.: Химия, 1977. - 3в0 с.

17. Howard J.B., Williams G.C., and Fine D.H. Kinetics of Carbon Monoxide Oxidation in Postflame gases // 14th Int. Symp. on Combust., The Combust. Instit., PA. - 1973. - P. 975-98в.

18. Jones W.P. and Lindstedt R.P. Global reaction schemes for hydrocarbon combustion // Combustion and Flame. - 1988. - V. 73. - P. 233-249.

MODELLING OF COMBUSTION OF A PULVERIZED COKE PARTICLE IN WATER VAPOUR ENVIRONMENT

Yu. M. KRUTOV, D. V. RESHETNYAK, I. I. TOKAREV

This article describes a mathematical model for calculating the quantitative characteristics of the combustion of a pulverized coke particle and influence of water vapour within the furnace volume on the combustion process. To test the proposed model there are calculated the dynamics and total time rc for combustion of the coke particles of the original size from 50-300 microns under different oxygen content in the combustion chamber. The close agreement between the calculated rc and experimental data is observed. Further, the heating value of coke combustible matter obtained by calculation is in good agreement with the table value. It is found that the increase in water vapour content within the furnace volume has an insignificant effect on the dynamics of combustion of coke particles, but reduces their temperature and heating value. The developed model can be used in coal-fired heat power industry for analysing the combustion peculiarities ofpulverized coal fuel depending on the conditions of the burning process.

Поступила в редакцию 07.02 2013 г.