ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОНИНЫ ПОМОЛА ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ФАКЕЛА

Бекетаева Меруерт Турганбеккызы

магистр естественных наук, КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Е-mail: Mika.1986_86@mail.ru

Аскарова Алия Сандыбаевна

д-р физ.-мат. наук, профессор КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Е-mail: aliya.askarova@kaznu.kz

Болегенова Сымбат Алихановна

PhD-докторант, КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Е-mail: symbat.80@mail.ru

Максимов Валерий Юрьевич

магистр,PhD-докторант, КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Е-mail: maximov.v@mail.ru

Габитова Зарина Хамитовна

магистрант, КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Е-mail: gabitova.zarina@mail.ru

При рассмотрении макрокинетики горения пылеугольного факела используют в основном две основные закономерности: закономерности горения одиночной угольной частицы и закон распределения частиц реального полидисперсного пылеугольного факела по размерам. Некоторые исследователи предполагали возможность замены рассмотрения полидисперсной угольной пыли эквивалентной монодисперсной, размер частиц которой равен среднему размеру частиц полидисперсной пыли. Однако, если принять в качестве закона распределения пылеугольных частиц по размерам закон Розина-Раммлера, то средний размер частиц определяется из соотношения:                         ,                                               (1)

где Г() - гамма-функция от ; а - показатель тонкости помола; n - показатель равномерности помола (полидисперсности). Величина среднего размера частиц обусловливается двумя факторами и может быть одинаковой при бесконечном множестве сочетаний тонкости и равномерности помола. В качестве примера сопоставим монодисперсную пыль с размером частиц 40 мкм с эквивалентными полидисперсными. Тот же средний размер частиц 40 мкм, например, имеет угольная пыль трех совершенно разных реально возможных помолов:

№ 1            R₉₀=12,4 %          R₂₀₀=4,2 %

№ 2            R₉₀=10,0 %          R₂₀₀=0,5 %

№ 3            R₉₀=2,2 %  R₂₀₀=0 %

Очевидно, что при одинаковых условиях сжигания ко времени, когда полностью сгорят все частицы размером менее 90 μ (с целью сравнения, для оценки порядка недожога, пренебрегаем частичным выгоранием более крупных фракций), у пыли № 1 механический недожог составит q₄=12,4 %; № 2 – q₄=10,0 %; № 3 – q₄=2,2 %; ко времени, когда полностью сгорят все частицы менее 200 μ, соответственно имеем: для пыли №1 – 4,2 %; № 2 – 0,5 %; № 3 – 0 %. Таким образом, при одинаковой δ_ср=40 μ приведенные три вида пыли горят совершенно по-разному, что свидетельствует о недостаточности учета одного среднего размера частиц для гранулометрической характеристики пылеугольного факела. Поскольку в (1) средний размер частиц определяется двумя факторами, то для достаточной характеристики угольной пыли необходимо знать оба показателя: a и n, т.е. закон распределения пылеугольных частиц по размерам. В работе [3] было проведено специальное сравнение выгорания моно- и полидисперсного угольного факела. Исследовалась пыль трех углей: ленгерского бурого (), экибастузского () и кузнецкого () каменных. Наряду с полидисперсной угольной пылью ,  () и ,  () исследовались две наиболее близкие к ним квазимонодисперсные фракции 60—75 μ (в среднем 68 μ) и 75—100 μ (в среднем 88 μ). Исследования проводились при одинаковых расходах топлива, коэффициентах избытка воздуха () и температурах подогрева последнего (200 °C). Результаты экспериментального сопоставления выгорания моно- и полидисперсной угольной пыли представлены на рисунке 1.

1 – полидисперсная пыль R₉₀=40 % (d_ср≈82 мкм); 2 – полидисперсная пыль R₉₀=30 % (d_ср≈71 мкм);

3 – квазимонодисперсная пыль 75—100 мкм (d_ср≈88 мкм); 4 – квазимонодисперсная пыль 60—75 мкм (d_ср≈68 мкм).

 Рисунок 1 - Сравнение выгорания моно- и полидисперсного факела экибастузского угля [3]

Как видно из рисунка, монодисперсная и полидисперсная пыли действительно выгорают совершенно различно. При этом характерно, что на рассматриваемом участке процесса горения (в пределах механического недожога ) монодисперсная угольная пыль выгорает значительно быстрее полидисперсной. Исходя из теоретических соображений, до момента, пока полностью выгорят все более мелкие, чем эквивалентная монодисперсная, фракции полидисперсной пыли, последняя будет выгорать быстрее за счет более быстрого выгорания мелких фракций. С этого же момента, наоборот, полидисперсная пыль будет выгорать медленнее за счет более медленного выгорания крупных фракций (более крупных, чем монодисперсная пыль). Таким образом, экспериментальное сопоставление проводилось после того, когда все мелкие фракции полидисперсной пыли уже выгорели. Минимальный размер частиц реальной угольной пыли всегда больше нуля и имеет хотя и весьма малое, но какое-то конечное значение. Для топочных процессов вполне приемлемо обычно принимаемое минимальное значение размера частиц . То же самое можно сказать и о максимальном размере, который всегда меньше бесконечности и имеет сравнительно небольшое конечное значение. Для практических целей можно в качестве максимального принять размер частиц, соответствующий остатку на сите . При условии принятия таких пределов интегрирования ( и  соответствующего ) основная характеристика помола - полная поверхность пыли – может быть определена численным интегрированием известного уравнения:

 ,

где  - удельный вес угля, кг/м³.

Если n>1 полная поверхность пыли определяется из выражения (в результате интегрирования в теоретических пределах от  до ):

Вообще же для реальных пределов размеров частиц В.П. Ромадин [3] дает следующее приближенное выражение:

                                (2)

Между входящими в это уравнение двумя равнозначными показателями тонкости помола  и существует следующая связь: .

Выражение (2) действительно только для идеализированной пыли: с частицами сферической или кубической формы, при постоянстве удельного веса и показателя полидисперсности пыли (n) для всех её фракций.

С другой стороны, угрубление помола имеет и негативные последствия. В частности, при этом возможно снижение устойчивости горения факела, так как уменьшается поверхность контакта топлива с окислителем. Из-за смещения ядра факела возможно возрастание потерь тепла с механическим недожогом. Повышается золовой износ конвективных поверхностей нагрева. Таким образом, из краткого рассмотрения влияния тонины помола на надежность и экономичность работы котлов видно, что она является одним из основных параметров, определяющих топочный процесс.

Эксперименты по изучению влияния тонкости помола угольной пыли на горение пылеугольного факела экибастузского угля проводились на факельном стенде КазНИИЭ и на натурном котле ПК-39 Аксуйской ГРЭС. При этом в огневых опытах на стендах сжигалась угольная пыль с тониной помола R₉₀=10, 15, 27, 31 и 38 %, а на натурном котле – с R₉₀=10, 15 и 27 %. На рисунке 2 показано изменение температуры факела по его длине для различных значений тонины помола. Причем в начальных сечениях до стабилизации процесса горения за температуру факела принималась температура топливно-воздушной смеси, как наиболее характерная для процесса воспламенения. После процесса стабилизации температура газов в поперечном сечении усреднялась.

для тонкой (а) и грубой (б) пыли: а-1, 2-соответственно R₉₀=10 и 15 %; б–1, 2, 3-соответственно R₉₀=27,31 и 38 %

 Рисунок 2 - Изменение температуры и выгорания топлива

Как видно из рисунка 2, при угрублении помола смещается местоположение ядра факела. Для пыли R₉₀=10 % оно находится на расстоянии x/D_a=1.6 от устья горелки, для R₉₀=38 % возрастает до 2,4 калибра. Кроме того, увеличивается протяженность зоны максимальных температур. Из этих данных легко заметить снижение интенсивности горения при угрублении помола топлива. В частности, возрастание температуры факела при сжигании более грубой пыли происходит медленнее. Например, разность температур факела тонкой и грубой пыли в сечении x/D_a=0.8 составляет 300°С. Затягивание воспламенения, смещение и растянутость ядра факела при угрублении помола приводят к увеличению температуры в конце факела, причем разница в температуре газов на выходе из модельной камеры сгорания составляет 50—80°С. Разница в степени выгорания тонкой (R₉₀=10 %) и грубой (R₉₀=38 %) пыли в сечении x/D_a=0.8 может достигать 30 %. В дальнейшем (даже в пределах начального участка) она уменьшается. В топочных камерах при сжигании экибастузского угля обычной зольности в большей степени используется пыль с тониной помола . Однако увеличение зольности заметно затягивает воспламенение и снижает устойчивость зажигания факела. Переход на сжигание более тонкой угольной пыли в определенной мере позволяет компенсировать это нежелательное явление, так как при этом заметно возрастает поверхность контакта топлива с окислителем и улучшается воспламенение факела [1]. Поэтому при проведении опытов с сжиганием углей повышенной зольности помол был утонен до .

Из сравнения поперечных профилей температуры для двух значений тонины помола (рис. 3) видно, что на начальном участке факела в сечении  для тонкой пыли температура в зоне ввода аэросмеси почти на 200 выше. Температуры также выше и в периферийной зоне, хотя в приосевых обратных токах они совпадают. В сечении  разница в температурах газов на периферии факела уменьшается, но в то же время появляется разница температур в зоне обратных токов, что обусловлено более ранним воспламенением пыли с тониной помола . В дальнейшем эта разница уменьшается и почти полностью исчезает на расстоянии . Однако, температура в конце камеры сгорания несколько выше. Эти результаты совпадают с данными, полученными при сжигании углей обычной зольности с различной тониной помола.

Распределение температуры по длине факела для угля с обычной зольностью тониной помола  и высокозольного с  (рис. 4) показывает, что на расстоянии  значения минимальных температур почти совпадают, т.е. по устойчивости воспламенения они практически равноценны. Однако, начиная с сечения , температура газов для углей обычной зольности превышает на  её значения для случая сжигания угля повышенной зольности при утонении помола до , что приводит к более быстрому выгоранию топлива. В сечении  уголь обычной зольности выгорает на 10 % больше, чем в случае сжигания угля повышенной зольности. Тем не менее, величина потерь тепла с механическим недожогом для обоих случаев различается незначительно.

1 – Ар=53%, R₉₀=14÷16%               2 – Ар=53%, R₉₀=10÷11%

Рисунок 3 - Совмещенные поперечные профили температур в начальных сечениях факела

Это подтверждает, что выгорание высокозольного угля идет с достаточной интенсивностью и возрастание зольности главным образом влияет на условия зажигания факела [2]. Таким образом, можно сделать вывод о том, что форсирование распределением частиц по размерам в пылеугольном факеле позволяет довести устойчивость воспламенения высокозольного экибастузского угля до уровня, характерного для пылевого факела угля обычной зольности. Однако, экспериментально решить эту задачу очень трудно, поскольку такое решение требует огромных материальных затрат. В этом случае численное моделирование является одним из наиболее приемлемых способов.

1 – Ар=53 %, R₉₀=10÷11 %; 2 – Ар=53 %, R₉₀=14÷16 %; 3 – Ар=44 %, R₉₀=14÷16 %

Рисунок 4 - Изменение температуры и выгорание топлива по длине факела

Таблица 1

Значения основных характеристик процесса горения моно- и полидисперсного пылеугольного факела в сравнении с экспериментальными данными

Полученные результаты позволяют оценить влияние диаметров угольных частиц, а также монодисперсности и полидисперсности топливно-воздушного реагирующего потока на воспламенение, местоположение ядра факела, интенсивность горения пылеугольного факела и на образование вредных пылегазовых выбросов в атмосферу.

Список литературы:

1.Алияров Б.К., Устименко Б.П., Бухман М.А. Разработка и внедрение вихревых трехканальных горелок на котлах ПК–39–2 Ермаковской ГРЭС: отчет // КазНИИЭ. - № Г.Р. 01910010550. – Алма–Ата, 1991. – 59 с.

2.Киселев Н.А. Котельные установки.- М.: Высшая школа, 1979. – 270 с.

3.Резняков А.Б., Басина И.П., Бухман С.В., Вдовенко М.И., Устименко Б.П. Горение натурального твердого топлива.- Наука, 1968. - 405 с.