Механизм горения капель суспензионного водоугольного топлива в вихревой топке автоматизированного энергогенерирующего комплекса

УДК 662.61

МЕХАНИЗМ ГОРЕНИЯ КАПЕЛЬ СУСПЕНЗИОННОГО ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕГО КОМПЛЕКСА

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

MECHANISM OF COAL-WATER FUEL DROPS COMBUSTION IN THE SWIRL BURNER OF AN AUTOMATED ENERGY GENERATING COMPLEX

L. А. Ermakova, S. P. Mochalov, S. N. Kalashnikov, А. А. Permyakov

Работа выполнена в рамках проекта № 2010-218-02-174 по Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».

В статье рассмотрен механизм горения капель суспензионного водоугольного топлива, предложена физико-химическая схема процесса, состоящая из нескольких независимых параллельно-последовательных стадий. Предложенный механизм горения капель подтверждается гранулометрическим анализом и сте-риомикроскопическим исследованием продуктов горения.

The article describes the mechanism of coal-water fuel drops combustion and proposes the physico-chemical scheme of the process that comprises several independent parallel-sequential stages. The proposed mechanism of drops combustion is verified by the size analysis and the microscopic study of the combustion products.

Ключевые слова: отходы углеобогащения, суспензионное водоугольное топливо, механизм горения, вихревая топка.

Keywords:. waste coal, coal-water fuel, mechanism of combustion, swirl burner

В настоящее время наряду с добычей быстрыми темпами развивается обогащение угля. Неизбежным результатом процесса обогащения является получение отходов - мелких частиц угля и минеральных включений. Значительное количество отходов углеобогащения накоплено и складируется на обогатительных фабриках, что загрязняет окружающую среду. Одним из способов утилизация отходов углеобогащения является их сжигание в вихревой топке автоматизированного энергогенерирующего комплекса в виде водоугольной суспензии (ВУТ) [1, С. 36 - 39], что позволяет не только использовать весь добытый уголь для получения тепла, но и решает экологические проблемы угледобывающих регионов.

Для разработки технологии сжигания ВУТ в вихревой топке автоматизированного энергогенерирующего комплекса требуется изучить механизм горения капель суспензионного водоугольного топлива.

Механизм горения капель ВУТ. При описании процесса горения водоугольного топлива необходимо учитывать основные отличия процесса воспламенения и горения капли суспензии от горения пылевидного твердого топлива. Для описания процесса горения капель ВУТ можно предложить следующую физикохимическую схему процесса, состоящую 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 капли, испарение влаги из внутренней области капли, выход летучих и горение летучих около капли ВУТ, перенос микрочастиц угля к поверхности капли с образованием ксеносферы (полой сферы), горение микрочастиц угля в результате химической реакции с кислородом воздуха и водяным паром.

д) горение угольных микрочастиц Рис. 1. Физико-химическая модель горения ВУТ

При попадании капли ВУТ в горячую топочную камеру происходит практически мгновенный прогрев поверхности капли и испарение влаги с поверхности капли. Внутри капли происходит её постепенный прогрев, и с повышением температуры начинает происходить процесс испарения влаги из внутренней области капли. Процесс испарения влаги описывается следующим уравнением:

H 2O = {H2O\

При повышении температуры поверхности капли начинается процесс термической деструкции (пиролиза) органической массы на поверхности капли ВУТ, сопровождающийся выделением летучих веществ. При продвижении температурного фронта вглубь капли начинается процесс выхода летучих веществ из внутренней области капли. Основными уравнениями, описывающими выход летучих, являются следующие:

со2 = {со2}, H 2 ={Н 2 }

СН 4 ={СН 4 }

С о = {со}.

За счет водяного пара, образующегося при испарении влаги с поверхности, происходит низкотемпературная активация угольных микрочастиц на поверхности капли ВУТ до их воспламенения, что приводит к существенному снижению температуры воспламенения ВУТ. В процессе горения летучих происходит нагрев капли и воспламенение коксового остатка микрочастиц угля на её поверхности. На поверхности протекают реакции горения за счет взаимодействия углерода с кислородом воздуха, водяными парами и СО2, полученным как от выхода летучих, так и от горения летучих и коксовой основы топлива. Горение происходит по следующим реакциям:

C + O2MCO2},

2C + {O2} = 2 {CO},

C + {CO2}= 2{CO},

с + {Н2O}={CO}+{H 2}

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

Гранулометрический анализ водоугольного топлива и продуктов его горения. Для проведения исследования применяли лазерный анализатор размеров частиц Mastersiser 2000 (Malvem, Великобритания). В таблице 1 приведен результат 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 адиабатической топке.

Таблица 1

Распределения частиц ВУТ и по размерам

Диапазон размеров, мм 0,00002- 0,00025 0,00025- 0,00071 0,00071- 0,00200 0,00200- 0,00564 0,00564- 0,01589 0,01589- 0,04478 0,04478- 0,12619 0,12619- 0,35566 0,35566- 2,000

Объем частиц, % ВУТ 0 0,65 2,25 7,36 20,35 33,65 29,16 6,47 0

Зола (проба №1) 0 0 0 0,11 6,56 43,02 41,32 8,31 0,7

Зола (проба №1) 0 0 0 1,21 8,95 20,55 39,06 28,18 2,06

Оценка для плотности распределения /(ё) частиц по размерам на основе экспериментальных данных строится в классе регулярных распределений в интервале (йт1П , й^ах) в виде логарифмически нормального закона распределения с учетом минимального и максимального диаметров частиц йт1П и йтах:

f fd ) = •

^

ln| rfnlax d I—ln a

d — d min

2a2

(d max — d )(d — d mmW2^

параметры распределения.

где Я, аПП

/ \ * * *

Конкретный вид /т\с1) определяется значениями параметров Я , а и  , которые минимизируют

функционал:

I \ N'}j

ф\А*, а ,а ) = min £ f (di) — Si)2 ,

X,a,a i=1

где Кф - количество фракций соответствующего вещества;

Ф - размер частиц в /-ой фракции, мм;

8 - доля /-ой фракции, %.

Полученные при обработке экспериментальных данных значения параметров плотности распределения частиц по размерам для ВУТ и продуктов его горения приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры плотностей распределения частиц ВУТ и золы по размерам

Материал ^mim мм І a П П*

ВУТ 0,0002В 0,3169В 0,611 2,555 1,177

Зола (проба № 1) 0,0044В 0,63246 0,703 7,66В 0,В46

Зола(проба № 2) 0,00317 2,00000 1,701 8,194 1,011

На рис. 2 приведены экспериментальные данные распределения частиц ВУТ и золы по размерам и полученный при обработке график плотности распределения в виде уравнения (5). При этом размер частиц расположен по логарифмической шкале.

0.0001

0,001 0,01 0,1 Размер час шц, мм

в)зола

Рис. 2. Распределение частиц ВУТ и золы по размерам и плотности распределения

Стереомикроскопическое исследование продуктов сжигания ВУТ. Для исследования пыли, отобранной в вихревом пылеуловителе в ходе эксперимента по сжиганию ВУТ в вихревой адиабатической топке, проба была растворена в воде и разделена в ней на 2 фракции. Тяжелая фракция 80 - 85 % располагается на дне пробирного стакана, легкая всплывает на поверхность воды. Эти фракции пробы изучались 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).

і

Рис. З. Стереомикроскопическое исследование пыли из циклона

Легкая часть состоит из частиц графита и прочих минеральных частиц. Частицы графита образуют либо целые герметически закрытые микросферолиты, либо сегментавидные обломки этих сферолитов. Графит перекристаллизован, однако кристаллы очень мелкие, кроме сферических и полусферических частиц наблюдается частицы графита линейно-вытянутые. Они представляют собой агрегат пластинчатых слюдоподобных кристаллов. Сферическая форма частиц создает впечатление об их значительном преобладании над другими частицами. Сферические частицы графита блестящие, черные имеют форму правильной сферы или удлиненного овалоида, размеры сфер различные от 2 - 3 микрометров до i00 микрометров.

Буровато-желтые частицы представлены силикатным стеклом, окрашенным оксидами железа. Крупные частицы это агломерат из стекловатых микросферолитов. Средние и мелкие изометричные частицы представляют собой более крупные микросферолиты, они очень редко бывают целыми, чаще представлены сегментовидными осколками. Содержание силикатного стекла в золе достигает 48 % в пыли циклона колеблется от 3,5 до 35 %. Кристаллический кремнезем представлен главным образом кристобалитом, реже а- и Р-кварцем, их общее содержание колеблется от 0,5 до 8,5 %. Карбиды и нитриды кремния, алюминия и щелочноземельных металлов имеют зеленовато-серый цвет и составляют около i %. Особенно много в этой пыле пустотелых графитовых микросферолитов. По объему они составляют в разных пробах от 5 до 35 %, по массе от 2 до i8 %. Встречаются частицы изумрудно-зеленого цвета, причем в начале их не было видно, они появились с течением временем. Оказалось, что это железо-медный купорос (халькан-тит), поскольку в золе присутствует сульфиды кальция, железа и меди в достаточном количестве (около 2%).

Таким образом, проведенный гранулометрический анализ и стериомикроскопическое исследование, подтверждают, что при сгорании капель водоугольного топлива образуются полые сферические частицы более крупного размера, чем исходный ВУТ, что полностью соответствует предложенному выше механизму горения ВУТ.

Литература

i. Мочалов, С. П. Отходы углеобогащения - как сырьевая база для создания энергогенерирующих комплексов / С. П. Мочалов, А. А. Ивушкин, Л. П. Мышляев // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: сб. науч. статей Междунар. науч.-практ. конф. - Новокузнецк, 20 ii.

Информация об авторах:

Ермакова Людмила Александровна — кандидат технических наук, доцент, начальник отдела информатизации образования СибГИУ; ermakova@sibsiu.ru; т.: 8(3843) 78-43-7i

Ermakova Ludmila Aleksandrovna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Education Informatization at Siberian State Industrial University

Мочалов Сергей Павлович — доктор технических наук, профессор, ректор СибГИУ; т.: 8(3843) 46-35-02, rector@sibsiu.ru .

Mochalov Sergey Pavlovich - Doctor of Technical Sciences, Rector of Siberian State Industrial University.

Калашников Сергей Николаевич - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры информационных технологий в металлургии СибГИУ; kch@itm.sibsiu.ru; т.: 8(3843) 70-15-59.

Kalashnikov Sergey Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor at the Department of Informational Technologies in Metallurgy of Siberian State Industrial University.

Пермяков Арнольд Аркадьевич - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, профессор кафедры геологии и геодезии СибГИУ; gig@sibsiu.ru; т.: 8(3843) 74-86-35.

Permyakov Arnold Arkadievich - Candidate of Geology and Mineralogy, Associate Professor, Professor at the Department of Geology and Geodesics of Siberian State Industrial University.