Исследование термомеханического разрушения частиц немолотого топлива

УДК 621.181 В.К. Любое

Любов Виктор Константинович родился в 1954 г., окончил в 1976 г. Архангельский лесотехнический институт, доктор технических наук, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики Архангельского государственного технического университета. Имеет более 150 публикаций в области совершенствования энергохозяйств промышленных предприятий.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ЧАСТИЦ НЕМОЛОТОГО ТОПЛИВА

Исследовано термомеханическое разрушение частиц твердого топлива; определены факторы, влияющие на данные процессы и наиболее благоприятные периоды для их наступления; предложены аппроксимирующие зависимости для расчета критической скорости, вызывающей разрушение топливных частиц при их ударе о преграду.

Ключевые слова: твердое топливо, тепловые напряжения, терморазрушение, уголь, древесина, топочная камера, котельная установка, радиальные и окружные компоненты напряжения, видимое горение летучих веществ, горение кокса.

Анализ эксплуатации низкотемпературных вихревых (НТВ) котлов и котлов с «кипящим» слоем при сжигании немолотых топлив показал, что 9 эти технологии являются перспективными, так как исключают условия для

хлопков и взрывов, обеспечивают возможность ступенчатого сжигания топлива в целях максимального снижения эмиссии вредных веществ, а также допускают ввод и эффективное использование сорбентов в топочных камерах для дополнительного снижения вредных выбросов. Исследования выявили ряд существенных особенностей топочных процессов в НТВ-котлах и котлах с «кипящим» слоем [1-3, 7-9] по сравнению со схемой прямоточного пылеугольного факела. Для создания экономичных и надежных топочных устройств, обеспечивающих сжигание широкой гаммы немолотых твердых топлив, необходимо изучить процессы, протекающие при нагреве, воспламенении и горении крупных частиц топлива [1, 4, 6].

При этом была разработана и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая проводить комплексное исследование процессов тепло-и массообмена для одиночных частиц в условиях, близких к условиям реальной топочной камеры [6]. Конструкция установки позволяет непрерывно фиксировать изменение массы образца во времени, яркость топливной частицы и температуру внутри и около нее при различных температурных и гидродинамических условиях (а?ч =5 ... 30 мм, Тп = 400 ... 1400 К, = 0 ... 5 м/с). Исследования выполняли для сферических частиц, изготовленных из древесины хвойных пород, кусков азейского бурого, черемхов-ского, интинского, воркутинского и кузнецкого (марки Д, Г, 2СС) каменных углей.

Выполненные эксперименты показали, что наличие значительного градиента температур (АГпов-ц) между поверхностью и центром (рис. 1) при прогреве крупных частиц твердого топлива вызывает появление в них тепловых напряжений. Для оценки этих напряжений и возможности терморазрушения топливных частиц был произведен расчет температурных напряжений по глубине частиц. Сферическое тело, в зависимости от размера, разбивали на 7-11 концентрических объемов, в которых выбирали узловые точки. Распределение температур в узловых точках было получено при решении задачи нестационарной теплопроводности [1, 3, 8]. В силу симметрии нулевыми будут три компоненты напряжения. При условии симметричного относительно центра частицы распределения температур, изотропности ма-тернала (анизотропию угля можно не учитывать при содержании углерода

1. Изменение с,

д тч,к Г ^экв МПа

1200 - 1,5

800 - 1,0

400 - 0,5

0 -> 0

экв в центре частицы ого угля (ёч = 20 мм, Тг = 1373 К, : 1 - расчет по опытным расчет без учета горения ле-

менение ДТ п

частицы

( в процессе

на горючую массу < 94 %), а также отсутствия усилий на внешней поверхности (при г = г0, сг = 0) радиальную (с/) и окружную (се/, се2*) компоненты напряжения рассчитывали по зависимостям, предложенным С.П. Тимошенко:

2а *Е . 1 г» 2 , 1 1 - V

о о 1 Г о

¡Тг 2 ёг- — | Тг 2 ёг); г 0

се1 =се2 =

— (4- ¡Тг2ёг + ^ \Тг2ёг - Т), 1 - V г 1

'0 0 'о

где V, Е, а' - соответственно коэффициент Пуассона, модуль упругости, коэффициент теплового расширения топливной частицы.

При расчете эквивалентных напряжений сэк/ для внутренней области частицы, где возникают растягивающие усилия, использовали первую теорию прочности, для наружного слоя (сжимающие напряжения) - теорию Мора.

Анализ показал, что величина градиента температур между поверхностью и центром оказывает влияние на величину внутренних напряжений топливной частицы (рис. 1). Эквивалентное напряжение в направлении к центру частицы возрастает и достигает максимального значения в период видимого горения летучих. В дальнейшем оно уменьшается до момента воспламенения углеродного материала с поверхности частицы; в данный момент наблюдают второй «относительный» максимум для сэк/. Исходя из характера изменения температурных напряжений по глубине частицы, мож-

С г =

но предположить, что ее разрушение должно начинаться из центральной области, однако, учитывая, что прочностные характеристики топливной частицы в процессе ее горения резко снижаются и, особенно, значительно для поверхностных слоев, возможно и «поверхностное» разрушение частицы. При проведении экспериментов на стендовой установке наблюдались оба вида разрушений [1, 3, 4, 6].

Таким образом, температурные напряжения могут играть решающую роль в процессе разрушения топливной частицы в топочной камере. Так, терморазрушение в период видимого горения летучих происходило в 66,5 % опытов для частиц азейского и черемховского углей и в 55,5 % опытов для воркутннского жирного и кузнецкого газового углей (рис. 2, 3).

Рис. 2. Влияние размера частиц интинско-го угля на (сэкв при Т = 1373 К: 1 - Wп = 1,2 м/с; 2 -12 м/с

9*

Рис. 3. Терморазрушение частиц в процессе горения

Как показали расчеты (рис. 2) и эксперименты (рис. 3), терморазрушение наиболее вероятно для частиц топлива размером йч > 4 мм, так как термические напряжения по глубине угольных частиц, связанные с неизо-термичностью прогрева по радиусу, достигали следующих значений: радиальные - 1,2 МПа, окружные - 1,6 МПа, эквивалентные - 1,3 МПа. Наиболее благоприятным для терморазрушения топливных частиц является период видимого горения летучих (для древесины - горение кокса). При умень-

шении размера частиц эквивалентные напряжения убывают, и для частиц ёч < 4 мм не следует ожидать термического разрушения.

Из характера движения газотопливных потоков в НТВ-топке следует, что разрушение частиц топлива обусловлено двумя основными процессами: собственно термическим разрушением и разрушением разогнанных газовыми потоками термонапряженных частиц при их ударе об ограждающие топку поверхности нагрева [3, 7-9]. Исследование процесса термомеханического разрушения сферических частиц каменных углей Печорского бассейна было выполнено на экспериментальной установке, конструкция которой рассмотрена в [5].

При отсутствии предварительной термической подготовки и прямом ударе (а = 0°) критическая скорость Укр, вызывающая разрушение частиц, для данных углей составила 7,0 ... 7,5 м/с (большее значение для воркутин-ского угля). Экспериментальные данные были аппроксимированы зависимостью, предложенной в [7, 8], м/с:

Гр = Вт-0,5,

где В - опытный коэффициент (для бурого угля: ирша-бородинского - 1,50; азейского - 1,36; для каменного угля: черемховского - 0,57; интинского - 0,47; воркутинского - 0,50); т - масса частицы, кг.

Термообработка топливных частиц при Т = 900 ... 1000 К и времени выдержки 15 ... 25 с вызывала значительное снижение значений критической скорости (в 2-2,8 раза), которая для черемховского каменного, азейского и ирша-бородинского бурых углей составила Ур = 3 ... 5 м/с [7, 8]. Для углей Печорского бассейна наблюдалось аналогичное явление, при этом более сильное снижение критической скорости отмечено у воркутинского угля Укр = 3 ... 4,8 м/с. Экспериментальные данные по влиянию угла удара (0 < а <60°), температуры (900 < Т < 1373 К), времени (5 < т < 90 с) и убыли массы (т0 - т) в процессе термообработки на значение критической скорости для частиц интинского и воркутинского каменных углей были аппроксимированы зависимостью

= (А +cVsiña )exp{-

t+273,

+ 2

273

1,9 / N

m0 - m

mn

0,001t} +

+ 0,01 + Wsin a ,

где m0 - начальная масса частицы (1 • 10-3 < m0 < 8-10"3 кг);

А, С, d, L - эмпирические коэффициенты (для интинского угля: А = 5,66;

С = 2,5; d = 1,8; L =1,5; для воркутинского угля: А = 5,32;

С = 2,3; d = 1,4; L = 1,4).

Наиболее сильное влияние на критическую скорость, вызывающую разрушение частиц, оказывают температура и продолжительность термообработки топлива. При отсутствии предварительной термической подготовки для частиц древесины критическую скорость определить не удалось, так как

d

она имела значения больше >13 м/с), чем позволяла получить экспериментальная установка. Это вызвано более высокими прочностными характеристиками древесины по сравнению с углем. В процессе термообработки древесных частиц их прочностные характеристики значительно снижаются, что позволило обобщить результаты исследований зависимостью

Область допустимого применения данной зависимости: 0< а < 60°; 1073 < Т < 1373 К, х > 40 с.

Взаимодействие частицы с преградой рассматривалось как процесс деформации твердого тела при неупругом ударе, при этом, если нормальная составляющая скорости частицы Кнорм при ударе больше критической скорости, определенной экспериментально или по эмпирическим уравнениям (1, 2), то такую частицу считали разрушившейся на несколько частиц, количество которых пропорционально отношению Рнорм/Р7Кр. Если Кнорм < Укр, то при взаимодействии частицы с поверхностью во многих случаях в зоне контакта развиваются напряжения, превышающие величину разрушающих напряжений, что вызывает поверхностное разрушение частицы в этой зоне с образованием мелких фракций преимущественно с размером йч = 0,2 мм. Наличие поверхностных трещин, особенно, при горении высоковлажных бурых углей и интинского каменного способствует их поверхностному разрушению с образованием мелких фракций.

Результаты выполненных исследований нашли применение при разработке мероприятий по совершенствованию НТВ-технологии для сжигания немолотых топлив, а также новых высокоэффективных схем, использующих закрученные потоки для сжигания крупнодисперсных биотоплив, а также методики расчета горения полифракционного немолотого топлива в топках НТВ-котлов.

1. Любое, В.К. Некоторые особенности поведения крупных фракций твердого топлива при сжигании в низкотемпературном вихре [Текст] / В.К. Любов, Ю.К. Опякин, С.М. Шестаков // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: межвуз. сб. науч. тр. - Л.: ЛТИ ЦБП, 1989. - С. 61-65.

2. Любое, В.К. Опыт сжигания высоковлажных отходов промышленности в топке безмельничного котлоагрегата [Текст]: тр. 1-й Рос. нац. конф. по теплообмену / В.К. Любов, В.А. Дьячков, Ф.З. Финкер, И.Б. Кубышкин. - Т. II. Тепломассообмен при хим. превращениях. - М.: Изд-во МЭИ, 1994. - С. 163-168.

3. Любое, В.К. Совершенствование топливно-энергетического комплекса путем повышения эффективности сжигания топлив и вовлечения в энергетический баланс отходов переработки биомассы и местного топлива [Текст]: автореф. дис. ... докт. техн. наук (05.14.04) / В.К. Любов. - Архангельск, 2004. - 44 с.

4. Любое, В.К. Характер поведения крупных частиц натурального твердого топлива при различных условиях теплообмена и исследование прогрева угольных частиц [Текст] / В.К. Любов, С.М. Шестаков. - Л., 1982. - 40 с. (Деп. в ИНФОРМЭНЕРГО).

+ 2,75 +

+ 2лДт а .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Любое, В.К. Экспериментальная установка для изучения процессов термо-пневморазрушения топливных частиц [Текст]: тр. ПетрГУ / В.К. Любов, В.А. Дьячков. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 1999. - Вып. 2. - С. 39-40.

6. Любое, В.К. Экспериментальная установка для исследования тепло- и массообме-на при прогреве и горении частиц твердого топлива [Текст] / В.К. Любов, А.И. Сосенский, С.М. Шестаков. - Л., 1981. - 14 с. (Рук. деп. в ИНФОРМЭНЕРГО).

7. Синицын, Н.Н. Использование процесса термо-пневморазрушения частиц для повышения эффективности сжигания дробленого топлива в топке ЛПИ [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Синицын Н.Н. - СПб., 1992. - 22 с.

8. Шестаков, С.М. Низкотемпературная вихревая технология сжигания дробленого топлива в котлах как метод защиты окружающей среды [Текст]: автореф. дис. ... докт. техн. наук (05.14.16) / Шестаков С.М. - СПб., 1999. - 39 с.

9. Шестаков, С.М. Особенности низкотемпературного вихревого сжигания немолотых бурых и каменных углей [Текст] / С.М. Шестаков, В.К. Любов, А.М. Павлов, Б.В. Усик // Горение органического топлива: материалы V Всесоюз. конф. ИТФ СО АН СССР. - Новосибирск: СО АН СССР, 1985. - Ч. 2. - С. 225-234.

Поступила 25.05.05

Архангельский государственный технический университет

V.K. Lyubov

Investigation of Thermomechanical Destruction of Solid Fuel Particles

Thermomechanical destruction of solid fuel particles are investigated; the factors effecting the given processes and the most favorable periods of their occurrence are determined; approximating dependences are offered for calculating the critical speed causing destruction of thermostressed fuel particles when they hit the obstacle.