ГОРЕНИЕ ^^^^^^^^^^^^^^^ И ВЗРЫВ
536.46+541.12
ФИЛЬТРАЦИОННОЕ ГОРЕНИЕ ВЛАЖНОГО ТОПЛИВА
© 2008 г. М. В. Салганская, С. В. Глазов, Е. А. Салганский, В. М. Кислов,
А. Ф. Жолудев, Г. Б. Манелис
Институт проблем химической физики Российской академии наук, Черноголовка
Поступила в редакцию 10.05.2007
Проведено сравнительное исследование фильтрационного горения двух видов топлива в смеси с инертным материалом при различной влажности. В качестве топлива использовали березовый активированный уголь и сосновую древесину. Показано, что при горении угля влажность слабо влияет на характеристики процесса. При горении древесины увеличение влажности топлива приводит к значительному снижению температуры и массовой скорости газификации. Состав газообразных продуктов изменяется только у смесей с большим содержанием древесины при влажности последней более 35%. Это связано с изменением глубины превращения древесины при пиролизе.
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2008, том 27, № 1, с. 20-25
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Одной из характеристик твердого топлива, влияющих на его фильтрационное горение, является влажность горючего материала. Однако влияние влажности топлива на характеристики горения в фильтрационном режиме остается недостаточно изученным как с теоретической, так и с практической сторон. В большинстве экспериментальных работ исследовалась газификация таких топлив, как древесина, торф, лигнин, т.е. топлив, при нагревании которых выделяется большое количество газов и летучих углеводородов. Последнее обстоятельство оказывает свое воздействие на изучаемый процесс и затрудняет исследование влияния собственно влажности.
При газификации таких топлив, как древесина, торф и т.п., влага оказывает заметное влияние на параметры процесса [1]. С увеличением влажности температура горения и содержание СО в газообразных продуктах снижается, а содержание СО2 и паров воды увеличивается. Было показано, что влияние влажности наиболее заметно при ее содержании в древесине выше 35%, а при влажности более 50% процесс становится нестабильным и в продуктах сгорания может оставаться недогоревший углерод.
В отличие от традиционных методов газификации, при противоточном фильтрационном горении мы использовали смесь частиц топлива с инертным материалом [2]. В этом случае реализуется явление сверхадиабатических разогревов и температура в волне горения значительно превышает адиабатическую [3, 4]. Рекуперация тепла в зону горения может позволить газифицировать высоковлажные топлива.
Цель работы - экспериментальное исследование зависимости основных характеристик фильтрационного горения различных видов твердого
топлива, а также предела устойчивого распространения волны горения от влажности. Эксперименты проводили на примере смесей инертного материала с двумя различными видами топлива. В качестве первого топлива использовали березовый активированный уголь, в качестве второго -древесину. Березовый уголь представляет собой "простое" топливо. При его горении стадия пиролиза отсутствует. И наоборот, стадия пиролиза оказывает существенное влияние на характеристики горения древесины. При этом основные процессы, протекающие на стадии окисления коксового остатка при горении древесины, по существу совпадают с таковыми при горении активированного угля. Сравнение характеристик фильтрационного горения этих топлив позволит сделать выводы о влиянии влажности топлива на изучаемый процесс.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты проводили в цилиндрическом кварцевом реакторе с внутренним диаметром 45 мм и толщиной стенок около 2 мм с отводами для термопар (рис. 1). В нижнюю часть реактора (1) помещали крошку шамотного кирпича, на которую насыпали воспламеняющий состав (2) в виде небольшого количества опилок и угля. Исследуемый исходный материал (3) засыпали поверх воспламеняющего состава. Общая высота загруженного материала составляла 35-50 см.
Процесс инициировали с помощью электроспирали (4), намотанной по наружной поверхности в той части реактора, в которую загружена шамотная крошка. После нагрева шамотной крошки до температуры 400-500°С для возникновения процесса достаточно было начать подачу воздуха в нижнюю часть загруженного реактора. Это приводило к зажиганию воспламеняющего
состава, а затем - горючих компонентов исходного материала. В загруженной части реактора формировалась волна фильтрационного горения (5), распространяющаяся снизу вверх.
Для уменьшения теплопотерь рабочую поверхность реактора экранировали полированной алюминиевой фольгой (6). Расход воздуха контролировали с помощью вентиля (7) и ротаметра (8). Температурные измерения проводили с помощью термопар (9), спаи которых располагались у стенки реактора с внутренней стороны. Информация с термопар через АЦП выводилась на компьютер (10).
После воспламенения в реактор подавали воздух комнатной температуры. В дальнейшем для проведения процесса не требовалось внешних источников тепла. Воздух, подаваемый в реактор снизу, интенсивно прогревался, фильтруясь через прокаленные твердые продукты. Горячие продукты газификации, фильтруясь вверх через исходный материал, быстро остывали. Таким образом, в ходе процесса труднолетучие компоненты загруженного в реактор материала сгорали в высокотемпературной зоне волны горения, а легколетучие компоненты испарялись, выносились вместе с газовым потоком и оказывались перед волной. После опыта твердый остаток представлял собой смесь практически неизменившегося инертного материала с небольшим количеством золы.
Была исследована воздушная газификация смесей влажное топливо-инертный материал. В качестве топлива использовали сосновую древесину или активированный уголь БАУ-А (ГОСТ 6217-74, содержание углерода - 94 мас. %). В качестве инертного материала применяли крошку шамотного кирпича ШЛ-1.3. Средний размер частиц используемых материалов составлял 3-5 мм. Перед началом эксперимента топливо вымачивали в воде до достижения требуемой влажности. Содержание влаги в горючем материале варьировали от 9 до 70 мас. % (влажность воздушно-сухого материала в наших условиях составляла 8-9%). Содержание сухого горючего в смеси с инертным материалом изменялось от 5 до 100%. Расход воздуха во всех экспериментах был постоянным (680 м3/ч ■ м2) и выбирался близким к таковому в промышленных газификаторах. Чем ниже расход воздуха, тем ниже избыточное давление на входе в реактор и, соответственно, тем ниже производительность процесса. При данном расходе избыточное давление на входе в реактор обычно не превышало 0.05 атм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
1. Горение активированного угля
Исследование горения смесей угля с инертным материалом в фильтрационном режиме проводи-
Продукт-газ
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - реактор, 2 - воспламеняющий состав, 3 - исходный материал, 4 - электроспираль, 5 - волна фильтрационного горения, 6 - экран, 7 - вентиль, 8 -ротаметр, 9 - термопары, 10 - компьютер.
ли для трех значений содержания сухого горючего: 10%, 30% и 80%. Отношение горючего к инертному материалу, равное 1:9, соответствует "нормальной" волне горения, 3:7 - "переходной" волне и 8:2 - "инверсной" волне [4, 5]. Наиболее высокие температуры, как и ожидалось, наблюдали в области переходных волн. При увеличении влажности топлива вплоть до 50% для всех смесей максимальная температура горения практически не изменялась и составляла: для нормальной волны горения - 1050-1120°С, для переходной волны -1290-1370°С, для инверсной волны - 1200-1280°С. Небольшое снижение средней температуры наблюдали при влажности горючего, равной 70% (примерно на 100°С).
При влажности топлива в 70% исходная смесь представляла собой мокрую липкую массу и во время эксперимента не проседала при выгорании топлива. Это приводило к образованию внутри реактора полости с газовым пламенем, что значительно увеличивало ширину горячей области. Вследствие этого снижение температуры происходило как за счет потребления тепла на испарение влаги топлива, так и за счет увеличения теплопотерь через боковую стенку реактора. Дополнительные эксперименты с принудительной просадкой загруженной смеси показали, что максимальная температура в этом случае, как правило, на 100-200°С выше.
На рис. 2 показана зависимость содержания СО в газообразных продуктах от влажности угля для различных значений доли горючего. В случае нормальной волны горения (10% горючего в смеси) содержание СО в продуктах практически не изменялось с ростом влажности и составляло 10-
СО, об.%
0 10 20 30 40 50 60 70
Влажность угля, %
Рис. 2. Зависимость содержания СО в газообразных продуктах от влажности угля для различных значений доли горючей части: 1 - 10%, 2 - 30%, 3 - 80%.
12 об. %. В случае переходной волны (30% горючего в смеси) при увеличении влажности горючего от 9 до 70% содержание СО уменьшалось с 28 до 23%. В случае инверсной волны (80% горючего) содержание СО практически не зависело от влажности и составляло 27-29%.
На рис. 3 представлена зависимость содержания СО2 в газообразных продуктах от влажности угля для различных значений доли горючего. При доле горючего, равной 10%, увеличение влажности топлива приводило к незначительному увеличению содержания СО2 в продуктах. При доле горючего, равной 30%, с увеличением влажности от 9 до 70% содержание СО2 увеличивалось с 1 до 4%. При содержании горючего в 80% концентрация СО2 практически не зависела от влажности и составляла 2-3%.
В случае инверсной структуры волны горения состав газообразных продуктов практически не зависел от влажности топлива. Это связано с тем, что перед зоной горения существует протяженная высокотемпературная область, в которой вся влага из топлива испаряется, не оказывая воздействия на зону горения.
Несмотря на высокие температуры горения, характерные для переходных волн, потребление тепла на испарение влаги топлива приводило к уменьшению ширины горячей зоны перед фронтом горения. Вследствие этого уменьшалось время пребывания газообразных продуктов в этой высокотемпературной зоне, что приводило к большему содержанию диоксида углерода в газообразных продуктах и, как следствие, к увеличению т
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.