ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 1, с. 31-36
УДК 536.46
ФИЛЬТРАЦИОННОЕ ГОРЕНИЕ УГЛЕРОДА ПРИ НЕОДНОМЕРНОМ ТЕЧЕНИИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ © 2010 г. А. Ю. Зайченко, А. А. Жирнов, Г. Б. Манелис, Е. В. Полианчик, А. Ф. Жолудев
Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка, Московская область
and3342@yandex.ru Поступила в редакцию 23.06.2008 г.; после доработки 18.03.2009 г.
Проведено исследование фильтрационного горения смеси древесного угля с инертным компонентом в наклонном вращающемся реакторе. Экспериментально изучено влияние угла наклона и скорости вращения реактора на ширину светящейся зоны. Показано, что ширина светящейся зоны определяется не только скоростью химической реакции и процессами тепло- и массообмена, но и движением твердой фазы.
ВВЕДЕНИЕ
Большой интерес представляет организация процесса фильтрационного горения, когда направление распространения тепловой волны совпадает с направлением фильтрующегося газа. В таком процессе реализуется явление сверхадиабатического разогрева: при наличии источника тепла и теплообмена между потоками твердых и газообразных веществ, движущихся навстречу друг другу, происходит рекуперация тепла от продуктов горения в зону реакции. Рекуперация тепла может существенно повысить температуру в зоне горения, позволяя тем самым использовать низкокалорийные топлива либо осуществлять процессы с малым тепловым эффектом. Особый интерес представляет возможность использования фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом для термической переработки (газификации) различного рода низкокалорийных топлив, в том числе ряда промышленных и бытовых отходов. Преимуществами газификации в сверхадиабатическом режиме углеродсодержащих материалов по сравнению с существующими методами является высокий коэффициент полезного действия газификации (до 95%), возможность значительного снижения содержания вредных веществ в газообразных продуктах после их дожигания, возможность эффективной переработки некоторых видов отходов, которые не могут быть утилизированы другими способами [1].
Однако, при фильтрационном горении в пористой системе, содержащей твердое горючее и негорючий материал, при вынужденной фильтрации газообразного окислителя часто наблюдается возникновение и развитие неустойчивости фронта горения [2]. Одной из причин неустойчивости плоского фронта волны горения является нарушение однородности фильтрации газообразного окислителя вследствие выгорания горючего из исходной смеси. Неустойчивость также может определяться разли-
чием фильтрационных свойств исходных веществ и твердых продуктов горения [3, 4], в том числе вследствие выделения при пиролизе жидкой фазы, спекания материалов и иных причин. Предельным случаем неустойчивости фронта горения является формирование одного или нескольких "прогаров" (канальное выгорание топлива). Образование и развитие прогаров затрудняет практическую реализацию технологий, основанных на фильтрационном горении, в связи с тем, что скорость развития прогара больше, чем скорость распространения фронта горения. Такое различие скоростей приводит к тому, что нарушаются условия газификации, и в установках непрерывного действия это приведет к неравномерному по сечению реактора протеканию процесса и, в конечном счете, аварийной остановке реактора. Поэтому вопрос о стабилизации фронта горения достаточно актуален.
В современной теории горения не рассматривается движение твердой фазы или рассматривается только движение в направлении, перпендикулярном фронту горения. Однако если осуществить движение частиц материала в зоне горения в плоскости фронта с достаточно большой скоростью, то это может позволить избежать возникновения или, хотя бы развития, прогаров — канал прогара будет заполняться несгоревшими частицами. Практическое осуществление радиального перемешивания частиц твердой фазы в цилиндрическом реакторе может быть осуществлено каким-либо дополнительным механическим устройством. Этого же можно добиться, расположив реактор под углом к горизонту и приведя его во вращательное движение вокруг своей оси. При этом перемешивание под действием силы тяжести обеспечит как заполнение пустот и каналов, так и равномерное в плоскости сечения реактора распределение раскаленных твердых частиц в зоне горения [5]. Вращательное движение реактора позволяет заполнить прогар несгоревшим материалом;
А
у
Я
G
Рис. 1. Схема установки: 1 — цилиндрический реактор, 2 — загрузочный механизм, 3 — зона горения, 4 — разгрузочный механизм, А — газифицирующий агент, О — продукт-газ, Я — твердый остаток горения.
с другой стороны, наклонное положение реактора провоцирует образование одного прогара в верхней части зоны горения.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию влияния основных управляющих параметров механического воздействия — угла наклона и скорости вращения реактора, а также изучению влияния газопроницаемости шихты и изменения габаритов реактора, на характер протекания процесса и условия стабилизации плоского фронта горения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты по изучению влияния угла наклона и скорости вращения реактора проводились на смеси инертного компонента (дробленый шамот марки ШЛ-1,3 фракции 3—5 и 5—7 мм) с древесным углем фракций 3—5 мм и 2—3 мм при постоянном расходе газообразного окислителя (воздуха) 0.19 м/с
Ширина ' светящейся зоны
Рис. 2. Ширина светящейся зоны.
(среднеобъемная скорость) в цилиндрическом реакторе внутреннего диаметра 66 мм, выполненном из кварцевого стекла. Древесный уголь (березовый, марки А, ГОСТ 7657-84) использовался в экспериментах как простейшее модельное горючее, состоящее не менее чем на 92% из углерода.
Экспериментальная установка схематически представлена на рис. 1. Конденсированное топливо с добавлением инертного материала (шихта), загружалось во вращающийся реактор 1 через загрузочное устройство 2. Инициирование горения углерода в реакторе осуществлялось внешним нагревателем, расположенным в нижней части реактора после подачи дутья. В течение 2—2.5 минут формировался стационарный фронт горения. Шихта в реакторе проходила последовательно через стадии подогрева, горения 3 и охлаждения. Твердый остаток горения Я по мере вращения реактора выгружался через разгрузочное устройство 4. Загрузка шихты и выгрузка твердого остатка горения осуществлялась так, что положение зоны горения в реакторе оставалось постоянным — в средней части реактора. Газообразный окислитель (воздух) А подавался в нижнюю часть реактора. Газообразные продукты О частично отбирались для анализа, а основная часть дожигалась в специальном устройстве. Анализ состава газообразных продуктов горения проводился с использованием масс-спектрометра марки МХ1302.
В качестве основного параметра, характеризующего протекание процесса, принималась ширина светящейся зоны (рис. 2), где температура превышала 700°С (температуру в зоне горения измеряли оптическим пирометром марки С-700).
Ширина светящейся зоны определяется совокупностью ряда процессов, протекающих в реакторе: теплопотерями через стенки реактора (излучением и конвективными), тепло- и массообменом между потоками твердой фазы и газа, химической реакцией окисления частиц горючего, движением частиц твердой фазы под воздействием силы тяжести и вращения реактора. Поэтому наблюдаемая ширина высокотемпературной зоны определяется многими параметрами: временем сгорания частиц угля, которое определяется в том числе линейными размерами частиц; характеристиками теплопотерь через стенку реактора, зависящих от диаметра реактора; расходом газообразного окислителя и долей горючего в шихте. В условиях эксперимента, при высоком уровне излучательных теплопотерь, светящаяся зона практически совпадает с зоной интенсивного окисления углерода, в которой визуально наблюдаются горящие частицы топлива. В настоящей работе изучалось, прежде всего, влияние параметров механического воздействия на характеристики зоны горения, поэтому в экспериментах расход газообразного окислителя и доля горючего в шихте поддерживались постоянными, 0.19 м/с и 30% по массе, соответственно.
ФИЛЬТРАЦИОННОЕ ГОРЕНИЕ УГЛЕРОДА
33
Определение мгновенной ширины светящейся зоны проводилось по результатам обработки кадров видеосъемки эксперимента. Ширина светящейся зоны определялась как усредненная для всего времени эксперимента после выхода фронта горения на стационарный режим. Для различных составов шихты, исследованных в настоящей работе, и различных углов наклона время формирования стационарного фронта составляет 2—2.5 минуты и зависит в основном от условий инициирования горения. Наблюдаемый после установления фронта разброс мгновенных значений ширины светящейся зоны в течение каждого эксперимента не превышал 17% от среднего.
Все экспериментальные исследования влияния неодномерного течения твердого материала на характер фильтрационного горения проводились на модельных составах, для которых в вертикальном реакторе практически всегда наблюдалось образование прогара. Очевидно, что для смесей различной дисперсности и, соответственно, различной газопроницаемости, закономерности протекания фильтрационного горения будут различными. Для создания смесей различной газопроницаемости изменялся фракционный состав горючего и инертного компонента. Готовились составы шихты, содержащие древесный уголь с линейным размером частиц 2—3 и 3—5 мм, при этом размеры частиц инертного компонента составляли 5—7 или 3—5 мм (табл. 1). Измерения коэффициентов проницаемости осуществлялись в неподвижном реакторе манометрическим методом — регистрировали перепад давления газа при протекании газа через слой шихты при заданном расходе. Коэффициент проницаемости к
вычисляется по формуле
к = ^
БАР'
где Ь — высота слоя засыпки; О — измеряемый расход воздуха; ц — вязкость фильтрующегося газа (для воздуха при Т = 18°С равна 1.81 х 10-5 Па с); Б — площадь сечения; АР — перепад давления на слое. Коэффициенты проницаемости используемых смесей, а также инертного материала, который в рассматриваемом нами случае после выгорания горючего из шихты вы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.