CC BY
21
УДК 621.039.542.3
О РЕЖИМЕ ВЫГОРАНИЯ ОДИНОЧНОЙ ТОПЛИВНОЙ ЧАСТИЦЫ
В.Е. СИЛИН, А.Ф. РЫЖКОВ
ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ
В работе представлены результаты изучения характеристик горения древесных, пеллетных и древесноугольных частиц и сопоставление с результатами других исследователей по горению углей и пеллет в широком диапазоне размеров.
Введение
В российской энергетике, вслед за ведущими мировыми державами, происходит неизбежный процесс усиления позиций твердых энергоресурсов в топливном балансе. РАО «ЕЭС России» начаты большие стратегические работы, направленные на воссоздание угольной энергетики. Получают развитие вопросы энергетического использования местных топлив (биомасса, торф). Происходящий ренессанс топливной биомассы определяет необходимость критического пересмотра прежних подходов и «рецептов» ее сжигания, накопленных Человечеством за Историю. Вновь появляется необходимость изучения горения древесного топлива.
Технологии механической подготовки топлива и производственные процессы, которым сопутствует появление древесных отходов, в настоящее время предоставляют древесную массу в форме частиц размером от 3 до 180 мм. Современные топочные процессы ориентированы на экологически чистое сжигание, в связи с чем поддерживают относительно низкую температуру горения на уровне 750-950оС (пиролиз и газификация пыли в поточных и циклонных пиролизерах, сжигание и газификация в кипящем слое, многозонная газификация в плотном слое). Этот низкотемпературный диапазон требует изучения режимов горения топлива с целью управления его эффективностью и экологичностью.
Большой ряд исследований, выполненный ранее, охватывает диапазон от топочных пылей ископаемых топлив до зерен характерным размером 8-10 мм, сжигаемых в кипящем слое. В настоящей работе представлены результаты изучения характеристик горения древесных, пеллетных и древесноугольных частиц размером й = 3-80 мм. Авторские данные сопоставлены с результатами других исследователей по горению углей, пеллет в диапазоне размеров частиц й = 0,1-10 мм.
Методика получения и обработки экспериментальных данных
В качестве исследуемого топлива была выбрана древесина хвойных пород Урала, пеллетная крошка из отечественных пеллет и коммерческий березовый древесный уголь по ГОСТ 7657-84. Эксперименты проводились с опорой в методическом плане на работы Лаврова, Чуханова, Предводителева, Бабия -нагрев индивидуальной частицы в условиях контролируемой температуры муфеля. Варьировались: температура стенки муфеля ¡с = 100-900 оС и
эквивалентный размер частицы й = 3-80 мм. В работе представлены результаты, полученные в условиях естественной конвекции (у ~ 0,01 м/с).
Частица помещалась в рабочую зону разогретого муфеля (метод термоудара) на корольке термопары (при й > 10 мм) или непосредственно на
© В.Е. Силин, А Ф. Рыжков
Проблемы энергетики, 2008, № 3-4
нагретую стенку муфеля (при d < 10 мм). Определялись скорость выгорания древесноугольного остатка ks, г/(м2с) и для частицы на термопаре - перегрев центра - AT, 0С, относительно стенки муфеля.
В опытах для измерения температуры использовались термоэлектроды d = 0,5 мм в теплоизоляционных «бусах». Отношение диаметра спая к диаметру частицы и диаметра спая к длине погруженной части составляло не менее 1:10. Поэтому тепловой поток по термопаре был пренебрежимо мал и не вносил существенной погрешности, а замеряемое значение соответствовало малой области в центре частицы. Спай термопары в ходе эксперимента устанавливался в «глухом» несквозном канале и был вдавлен в материал частицы на глубину 2-3 мм. Это исключало погрешность, связанную с переизлучением и конвекцией.
Для обработки выбиралось значение перегрева, зафиксированное перед непосредственным прекращением горения частицы. Во всех случаях в этот момент величина перегрева была максимальной для данного опыта. Проведенные оценки показали, что неравномерность температурного поля по объему частицы в ходе горения невелика (< 10%).
Результаты экспериментов сопоставлялись с расчетом по диффузионной модели (ДМ). Расчет проводили для определения близости режима горения к предельному диффузионному режиму. Скорость выгорания рассчитывали по известному выражению [1], коэффициент массообмена по формуле
Nu D = 2 + 0,17 • Re °’66. (1)
Для обобщения использовались также:
NuD = 2 + 0,6• Sc0,33 • Re0,5 ; (2)
Nu D = 0,7 • Re0 5 [1 - exp(- 0,35 • Re0 5 )]"1. (3)
В качестве определяющей выбирали температуру частицы. Выражение (1) получено Сокольским при исследовании испарения, расширено Бабием [1] на случай горения в широком диапазоне скоростей обдува с привлечением данных японских исследователей по горению угольных частиц размером 5-8,5 мм. Выражение (2) получено Фреслингом [2], (3) - Хитриным [3]. При Re ^ ж вторые члены в формулах (1) и (2) становятся значительно больше 2. Выражение (3) при Re ^ 0 в пределе дает значение Nu d = 2, а при Re ^ ж стремится к форме
Nu d = 0,7 • Re0,5. Формулы справедливы при 0,01 < Re < 1000.
Температура частицы (средняя по объему) определялась в стационарном режиме горения из теплового баланса между подводом теплоты при горении и отводом излучением и конвекцией. В силу малой неравномерности температурного поля по объему частицы в стационарном режиме, тепловой поток теплопроводностью не учитывали, а температуру поверхности принимали равной среднеобъемной температуре.
Результаты эксперимента сопоставлялись с известными данными по разным топливам (табл. 1).
Обзор исследований
Материал (способ) й, мм t оС ‘О ^ V, м/с Источник
древесная частица (ИЧ) 10-80 100-900 ~ 0.01 Авт.
древесный уголь (ИЧ)
пеллетная крошка (ИЧ) 3-10 800
пеллета (КС) 10 800 0.4 [4]
бурый уголь (КС) 2-10 800 0.46 [5]
бурый уголь (ИЧ) 0.1-1.0 5-8.5 950-1200 900 0.02-0.03 5-20 [1]
антрацит (ИЧ)
углерод (ИЧ)
* ИЧ - индивидуальная частица, КС - кипящий слой
Результаты экспериментов
По мере увеличения характерного размера частицы (рис. 1, а, б) падает ее удельная поверхность (на единицу объема) и возрастает пограничный слой. Это приводит к снижению удельного тепловыделения, уменьшению перегрева и скорости горения.
На рис. 1, а заметны два диапазона размеров с разной степенью зависимости перегрева от диаметра частицы. В области пылей (й < 1 мм) для Ьс ~ 900-1300 оС
справедливо выражение [1]: АТ = 0,206 • С о2 -(1627 - 1С )0,74 ■ й "0>16, оС, где
СО2 - концентрация кислорода, %, й - размер частицы, мм. Для = 950 оС и
воздушной среды оно принимает вид АТ = 540 • й "°’16, оС. В области й = 10-80 мм расчет по ДМ с точностью ±15% апроксимируется АТ = 1130 • й-°’84, ос.
б)
в)
Рис. Обобщение экспериментальных данных
Разная степень зависимости перегрева от диаметра (-0,16 — 0, -0,84 —— -1) отвечает разным режимам выгорания (рис. 1, б). Линиями ^ ^ = 2 обозначены расчетные по ДМ скорости выгорания для ¡с = 800 и 950 оС в неподвижной среде для случая горения до СО2 и до СО. Для частиц диаметром менее й < 1 мм заметно отклонение от ДМ, указывающее на начало перехода в смешанный режим. С этим связано уменьшение зависимости скорости выгорания и перегрева от температуры и тот факт, что действительный перегрев угольных пылинок ниже расчетного.
На рис. 1, в представлена генерализованная зависимость «безразмерная диффузионная скорость горения - критерий Рейнольдса» при T ~ 400-900оС, d = 0,1-80 мм, v = 0,01-50 м/с. Данные по пылям Бабия обобщаются его кривой, если за определяющую температуру выбрать температуру среды (на рис. 1, в не показано). При расчете по определяющей температуре частицы его точки располагаются ниже, поскольку выгорают в смешанном режиме.
Сопоставление расчета по выражениям (1-3) показывает их близкое совпадение с экспериментальными данными до Re = 3000.
Результаты по горению в кипящем слое (КС) получены при скорости псевдоожижения, которая много больше, чем скорость естественной конвекции. Они нанесены на графики и также соответствуют диффузионному режиму, хотя структура потоков в КС имеет свою специфику, и горение в практически значимой области критериев Рейнольдса Re = 10-100 протекает с примерно в 2 раза меньшей скоростью (и перегревом), чем горение индивидуальной частицы (для КС [6] Nu d ^ 1).
Расчетная [6] кривая перегревов (рис. 1, а) для частиц инерта dH„ = 1,5 мм удовлетворительно согласуется с общей зависимостью для индивидуальной топливной частицы в широком диапазоне ее диаметров, но располагается заметно ниже, чем данные по горению пылинок. Пеллета в КС имеет перегрев больший, чем индивидуальная древесная частица близкого размера при естественной конвекции, что может быть связано с большей плотностью («теплосодержанием») пеллеты.
Скорость выгорания в диффузионном режиме зависит от сорта топлива (рис. 1, б), при диаметре d ~ 10-12 мм ks возрастает в ряду: «древесный уголь -древесина - пеллета». Можно предположить влияние количества содержащихся в частице летучих: чем их больше, тем интенсивнее происходит нагрев частицы, тем более развитой получается реакционная поверхность остатка и тем быстрее в дальнейшем он выгорает. Данные о влиянии сорта топлива на выгорание в диффузионном режиме получены и в работе [7]: с понижением степени метаморфизма исследованных углей (от антрацитов до бурых) скорость выгорания возрастает. В [1] сорт топлива учтен коэффициентом, постоянным в широком диапазоне температур и концентраций окислителя.
Выводы
1. Горение древесины и древесного угля в диапазоне размеров d = 3-80 мм при температуре tc = 800-900 оС проходит в диффузионном режиме, при этом перегрев и скорость выгорания практически обратно пропорциональны диаметру.
2. Мелкие частицы d = 0,2-1 мм при tc = 800-900 оС выгорают в смешанном режиме при этом перегрев и скорость выгорания слабо зависят от диаметра.
3. Коэффициент массообмена при горении топлив в диапазоне чисел Рейнольдса 0,01 < Re < 3000 может быть рассчитан по выражению Сокольского-
Бабия: Nu D = 2 + 0,17 • Re0,66 .
Summary
Results of experiments for studying the characteristics of burning of individual fuel particle are given (burning rate and overheating). Summarizing of own experimental results and other researchers results in this field is done.
Литература
1. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. - М.: «Энергоатомиздат», 1986. - 207 с.
2. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. - М.: «Химия», 1969. - 624 с.
3. Хитрин Л.И. Физика горения и взрыва. М.: Изд-во АН СССР, 1955. - 350 с.
4. Combustion characteristics of wood pellets / Palchonok G., Leckner B., Tullin
C., Martinsson L. and Borodulya A. // PELLETS 2002: Proc. 1st World Pellets Conf., Sept. 2-6, 2002, Stockholm, 2002. - P.105-109.
5. Определение лимитирующей стадии выгорания частицы угля в псевдоожиженном слое / В. Новак, Л.Н. Сидельковский // Известия ВУЗов. Энергетика. - 1985. - №6. - С.72-76.
6. Расчет температуры частиц, горящих в кипящем слое инертного материала / А.П. Баскаков, Н.Ф. Филипповский, В.А. Мунц, А.А. Ашихмин // Инженерно-физический журнал. - 1987. - №52. - С.788-793.
7. Экспериментальные исследования горения энергетических углей и их коксов в кипящем слое при атмосферном и повышенном давлении / А.Ю. Майстренко, А.И. Топал // Труды 6-ой Всероссийской конференции «Горение твердого топлива». 6-11.11.2006, г. Новосибирск. CD-ROM изд.
Поступила 13.08.2007
