Физико-химическая модель горения капель водоугольного топлива Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 669.046:662.61

2012 г. Л.А. Ермакова, С.П. Мочалов, С.Н. Калашников, А.А. Пермяков

Сибирский государственный индустриальный университет

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРЕНИЯ КАПЕЛЬ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА*

В настоящее время наряду с добычей угля быстрыми темпами развивается его обогащение. Неизбежным результатом процесса обогащения является получение отходов - мелких частиц угля и минеральных включений. Значительное количество отходов углеобогащения уже накоплено, они складируются на обогатительных фабриках и загрязняют окружающую среду. Одним из способов утилизации отходов углеобогащения является их сжигание в вихревой топке автоматизированного энергогенерирующего комплекса в виде водоугольной суспензии1. Это позволяет не только использовать весь добытый уголь для получения тепла, но и решает экологические проблемы угледобывающих регионов. Для разработки технологии сжигания водоугольного топлива (ВУТ) в вихревой топке необходимо изучить механизм горения капель этого суспензионного топлива.

При описании процесса горения водоугольного топлива необходимо учитывать основные отличия процессов воспламенения и горения капли суспензии от горения пылевидного твердого топлива. Для описания процесса горения капель ВУТ можно предложить следующую физико-химическую схему процесса, состоящего из нескольких независимых параллельно-последовательных стадий (рис. 1):

- на поверхности капли - мгновенный прогрев и поверхностное испарение влаги, низкотемпературная активация реакционной поверхности топлива перед его воспламенением, горение микрочастиц угля на поверхности капли;

- внутри капли - постепенный прогрев кап-

* Работа выполнена в рамках проекта № 2010-218-02174 по Постановлению Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» от 09.04.2010 г.

1 Мочалов С.П., Ивушкин А.А., Мышляев Л.П. - В кн.: Сб. науч. статей Международной научн.-практ. конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов». - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2011. С. 36 - 39.

ли, испарение влаги из внутренней области капли, выход летучих из капли, горение летучих около капли ВУТ, перенос микрочастиц угля к поверхности капли с образованием ксе-носферы (полой сферы), горение микрочастиц угля в результате химической реакции с кислородом воздуха и водяным паром. При попадании капли ВУТ в горячую топочную камеру происходит практически мгновенный прогрев поверхности капли и испарение влаги с этой поверхности. Внутри капли происходит ее постепенный прогрев, с повышением температуры начинается процесс испарения влаги из внутренней области капли, который описывается следующей реакцией:

Н 2О ={н 2О}.

При повышении температуры поверхности капли начинается термическая деструкция (пиролиз) органической массы на поверхности капли ВУТ, сопровождающаяся выделением летучих веществ. При продвижении температурного фронта в глубь капли начинается процесс выхода продуктов разложения горючих веществ из внутренней области капли и частичное их окисление. Эти процессы описываются следующими основными реакциями:

С02 ={С02};

Н2 ={Н2};

СН4 ={СН4};

с о = {со} .

Выделяющиеся горючие газообразные компоненты взаимодействуют с кислородом воздуха по реакциям

2{Н2 }+{02 }= 2|Нг0},

{СН4}+ 2{02 } = {С02}+ 2{Н20};

2 {С0}+{02 }= 2{С02}.

За счет водяного пара, образующегося при

Рис. 1. Физико-химическая модель горения ВУТ:

а - испарение капли с поверхности ВУТ; б - горение угольных микрочастиц на поверхности капли ВУТ, испарение капли из внутренней части; в - горение угольных микрочастиц на поверхности капли ВУТ, выход летучих из внутренней части капли; г - горение угольных микрочастиц на поверхности капли ВУТ, горение летучих; д - горение угольных микрочастиц

испарении влаги с поверхности капли ВУТ, происходит низкотемпературная активация угольных микрочастиц на поверхности до их воспламенения, что приводит к существенному снижению температуры воспламенения ВУТ. В процессе горения летучих происходят нагрев капли и воспламенение коксового остатка микрочастиц угля на ее поверхности. На поверхности протекают реакции горения за счет взаимодействия углерода с кислородом воздуха, водяными парами и углекислым газом, полученным как от выхода летучих, так и от горения летучих и коксовой основы топлива. Горение происходит по следующим реакциям:

С +{02 }={С02 }

2С +{02 }= 2{С0},

С + {С02 }= 2{С0},

С + {Н20}={С0}+{Н2}.

Процесс горения на поверхности капли ВУТ происходит параллельно с испарением влаги и выходом летучих из глубины капли. В ходе испарения влаги и выхода летучих осуществляется вынос микрочастиц угля из глубины капли к ее поверхности, в результате чего капля ВУТ превращается в полую сферу.

Распределения частиц ВУТ и золы по размерам

Т а б л и ц а 1

Объем, %, частиц размером, мм

Материал 0,00002 0,00025 0,00071 0,00200 0,00564 0,01589 0,04478 0,12619 0,35566

0,00025 0,00071 0,00200 0,00564 0,01589 0,04478 0,12619 0,35566 2,000

ВУТ - 0,65 2,25 7,36 20,35 33,65 29,16 6,47 -

Зола (проба 1) - - - 0,11 6,56 43,02 41,32 8,31 0,70

Зола (проба 2) - - - 1,21 8,95 20,55 39,06 28,18 2,06

П р и м е ч а н и е. В числителе и знаменателе приведены минимальное и максимальное значение диапазона.

Гранулометрический анализ ВУТ и золы, полученной при его сжигании. Для исследования применяли лазерный анализатор размеров частиц Mastersiser 2000 (Malvern, Великобритания). Результаты экспериментального исследования гранулометрического состава ВУТ, полученного из отходов угольного производства ЦОФ шахты «Антоновская», и двух проб пыли, отобранных в вихревом пылеуловителе в ходе эксперимента по сжиганию ВУТ в вихревой топке, приведены в табл. 1.

Оценка плотности распределения f(d) частиц по размерам на основе экспериментальных данных строится в классе регулярных распределений в интервале [dmin, dmax] в виде логарифмически нормального закона распределения с учетом минимального dmin и максимального dmax диаметров частиц:

f (d ) =

^(dmax - dmin )

(dmax - d)(d - dminW2^

X

-ln a

X e

2g 2

(1)

где k, a, а - параметры распределения.

Конкретный вид плотности fm (d) опреде-

А * * * / Г“

ляется значениями параметров k , а и о (табл. 2), которые минимизируют функционал

Иф

ф(Г,а ,о*)= min^(f (di) - Si)2,

k,a,o

i =1

где Иф — количество фракций соответствующего вещества; di — размер частиц в i-ой фракции, мм; Si — доля i-ой фракции, %.

Полученные при обработке экспериментальных данных параметров плотности распределения частиц по размерам для ВУТ и продуктов его горения приведены в табл. 1. Гистограммы и плотности распределений

Т а б л и ц а 2

Параметры распределения частиц ВУТ и золы по размерам

Материал dmiib мм dmax, ММ * a * с

ВУТ 0,00028 0,31698 0,611 2,555 1,177

Зола (проба 1) 0,00448 0,63246 0,703 7,668 0,846

Зола (проба 2) 0,00317 2,00000 1,701 8,194 1,011

частиц ВУТ и золы по размерам приведены на рис. 2 (размер частиц указан в логарифмической шкале).

Стереомикроскопическое исследование продуктов сжигания ВУТ. Для исследования пыли, отобранной в вихревом пылеуловителе в ходе эксперимента по сжиганию ВУТ в вихревой топке, проба была растворена в воде и разделена в ней на две фракции. Тяжелая фракция (80

- 85 %) располагается на дне пробирного стакана, легкая всплывает на поверхность воды. Эти фракции пробы изучали раздельно под стереомикроскопом при увеличении от 20 до 300 крат. Все частицы очень хорошо видны, они представляют собой частицы сферического типа или (чаще) их обломки (рис. 3).

Легкая фракция состоит из частиц графита и прочих минеральных частиц. Частицы графита образуют либо целые герметически закрытые микросферолиты, либо сегментовидные обломки этих сферолитов. Графит пере-кристаллизован, однако кристаллы очень мелкие. Кроме сферических и полусферических частиц наблюдаются линейно-вытянутые частицы графита, они представляют собой агрегаты пластинчатых слюдоподобных кристаллов. Сферическая форма частиц создает впечатление об их значительном преобладании над другими частицами. Сферические частицы

d -d d max d

Рис. 2. Гистограммы и плотности распределений частиц ВУТ и золы по размерам:

а - ВУТ; б и в - проба 1 и 2 золы

Рис. 3. Стереомикроскопическое исследование пыли из циклона (отраженный свет)

графита блестящие, черные, имеют форму правильной сферы или удлиненного овалоида, размеры сфер различные (от 2 - 3 до 100 мкм).

Буровато-желтые частицы - это силикатное стекло, окрашенное оксидами железа. Крупные частицы представляют собой агломерат из стекловатых микросферолитов. Средние и мелкие изометричные частицы - наиболее крупные микросферолиты; они очень редко бывают целыми, чаще представлены сегментовидными осколками. Содержание силикатного стекла в пыли циклона меняется в пределах от 3,5 до 35,0 %. Кристаллический кремнезем

представлен главным образом кристобалитом, реже а- и ß-кварцем; их общее содержание изменяется в пределах 0,5 - 8,5 %. Карбиды и нитриды кремния, алюминия и щелочноземельных металлов имеют зеленовато-серый цвет, их содержание составляет около 1 %. Особенно много в этой пыли пустотелых графитовых микросферолитов, по объему они составляют в разных пробах от 5 до 35 %, по массе от 2 до 18 %. Встречаются частицы изумрудно-зеленого цвета, причем вначале их не было видно, они появились с течением времени. Оказалось, что это железо-медный купорос (халькантит); в золе присутствуют сульфиды кальция, железа и меди в достаточном (около 2 %) количестве.

Выводы. Проведенный гранулометрический анализ и стереомикроскопическое исследование подтверждают, что при сгорании капель водоугольного топлива образуются полые сферические частицы более крупного размера, чем частицы исходного водоугольного топлива, что полностью соответствует предложенному механизму его горения.

© 2012 г. Л.А. Ермакова, С.П. Мочалов, С.Н. Калашников, А.А. Пермяков Поступила 12 мая 2012 г.