Закономерности горения топлив и образования оксидов азота в топках кипящего и циркуляционного кипящего слоя

• Автор: Мунц, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 05.14.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 324 с. : ил.

РЕФЕРАТ
Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 209 наименований. Весь материал изложен на 303 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков, представленных на 94 страницах, и 29 таблиц.
Ключевые слова: ГОРЕНИЕ. КИПЯЩИЙ СЛОЙ, ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КИПЯЩИЙ СЛОЙ (ЦКС), КОНСТАНТА СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКОГО РЕАГИРОВАНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ РЕАКЦИОННОГО ГАЗООБМЕНА, МАССООБМЕН, ТЕПЛООБМЕН, ТОПЛИВО, ВЫХОД ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ, ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ, ТОПКА, ПОЛИДИСПЕРСНОСТЬ, ОКСИДЫ АЗОТА, ОКСИДЫ СЕРЫ.
В диссертации представлены: результаты экспериментальных исследований сжигания различных видов топлив в экспериментальных и промышленных топках с традиционным и циркуляционным кипящим слоем и образования при этом оксидов азота и серы, результаты экспериментального исследования динамики горения и образования оксидов азота при сжигании отдельных топливных частиц, математические модели, описывающие процессы сжигания и образования оксидов азота в топках традиционного и циркуляционного кипящего слоя, а также модели, описывающие переходные процессы в этих топках.
Экспериментальное исследование динамики горения отдельных топливных частиц с использованием системы автоматического сбора и обработки информации в специфических условиях (сравнительно низкий уровень температур и особые условия тспло-массообмена) кипящего слоя позволили: получить расчетные выражения для определения времени выхода летучих для широкой гаммы углей, определить наиболее приемлемые корреляции для расчета коэффициента диффузионного массообмена, определить значения констант скорости химического реагирования кислорода с коксовым остатком (для восьми видов топлив) в зависимости от температуры горящих частиц.

Анализ уравнений, описывающих сжигание полидисперсного топлива в топках кипящего слоя с учетом экспериментально установленных закономерностей горения отдельных топливных частиц, и сопоставление результатов расчетов с данными по сжиганию различных видов топлив в промышленных и экспериментальных топках позволил: получить надежные расчетные выражения, определяющие зависимость концентрации горючих в объеме кипящего слоя от режимных параметров сжигания, предложить выражения для определения потерь теплоты с механической неполнотой сгорания, выявить особенности выделения из топлива и горения летучих веществ в условиях кипящего слоя, определить влияние дисперсности топлива на эффективность его выгорания.
Экспериментальные исследования и математический анализ условий сжигания показали, что сжигание в традиционном кипящем слое высокореакционных топлив обеспечивает высокую полноту сгорания, а сжигание низкореакционных приводит к неприемлемо высоким потерям с механической неполнотой сгорания. Сжигание в ЦКС позволяет, за счет организации циркуляции инертного материала, добиться изотермичности по всей высоте топки и эффективно сжигать любые виды топлив, обеспечить высокую степень связывания оксидов серы; двухступенчатый подвод воздуха и высокая кратность циркуляции приводит к глубокому подавлению выбросов оксидов азота.
Математический анализ переходных процессов и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными позволили выявить основные режимные и конструктивные параметры, влияющие на инерционность топок с традиционным и циркуляционным кипящим слоем. Основными факторами, определяющими инерционность топки, являются масса слоя и концентрация горючих в слое, расход циркулирующего по внешнему контуру инертного материала.
Экспериментальное изучение динамики образования оксидов азота при сжигании отдельных топливных частиц в кипящем слое позволило установить, что оксиды азота образуются в пропорциональных количествах при горении как летучих веществ, так и коксового остатка; азот коксового остатка окисляется по
гетерогенному механизму, сходному с механизмом горения углерода; степень превращения азота топлива в оксиды при горении летучих может быть описана равновесной реакцией окисления выделяющихся с летучими азотсодержащих соединений; при сжигании топлив с низкими избытками воздуха необходим учет восстановления оксидов азота на поверхности коксовых частиц. На основе установленных механизмов образования и восстановления оксидов азота на различных стадиях горения предложена методика расчета выбросов оксидов азота применительно к топкам традиционного и циркуляционного кипящего слоя.
На основе проведенных исследований спроектирован, смонтирован й сдан в эксплуатацию котел с циркуляционным кипящим слоем, позволяющий сжигать практически любые виды твердых топлив и горючих отходов. Осуществлено эффективное сжигание ряда перспективных топлив России и горючих отходов.

пиролиза медленно, и влияние кинетики осдабевает.
Статистическая обработка экспериментальных данных позволила получить зависимость времени выхода летучих в виде :
Ро=Кл-ВГПл. (1.18)
Коэффициенты Кл и Лд для углей и сланцев приведены в таблице
углей коэффициент пл близок к двум, тогда приближенно
ЇЇО *КЛ /Ві2, или тл « К-РСР — (ІЛ9)

Полученная аппроксимация (1.18) справедлива в диапазоне чисел Ві от 1 до 12 и представлена в качестве расчетных зависимостей на рисунках 1.9, 1.10а. Коэффициент Кл, учитывает скорость химических реакций и теплофизические
свойства. Во всех известных работах по определению времени выхода летучих [2, 25 - 28] подчеркивается практически линейная зависимость времени выхода летучих от размера частиц. В выражении (1.19) в явном виде время выхода и горения летучих от диаметра угольных частиц не зависит, но фактически
зависимость тл~8 сохраняется из-за зависимости коэффициента теплоотдачи от размера частиц. Поскольку с увеличением размера топливной частицы коэффициент теплоотдачи между ней и материалом слоя падает, то время выхода и горения летучих с увеличением размера частиц возрастает.
Таблица 1.4.
Коэффициенты эмпирического уравнения для определения времени выхода летучих веществ.
Топливо Угли Сланец волжский Сланец эстонский
Кл 20 8,57 3
пл 2,11 2,61 2