Диссертация (1143428), страница 34

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 34)

Кислород расходуется только по реакции 4', и нереагирует в пределах приведенной пленки с CO (CO догорает в потоке дымовых газов). Предполагается, что температурный уровень достаточно высок икритерий Семенова Se > 100, что позволяет применять для анализа схему сдвойным горящим пограничным слоем и бесконечно тонкой зоной горения183водорода (рисунок 3.21, б). Гипотетические реакции, идущие без измененияобъема для данного случая:3)3')4')5)C + CO2 = CO ;C + 2H2O = CO + H2 ;H2 + O2 = 2H2O ;2NO + C = N2 + CO .(3.77)Поток углерода с учетом стехиометрических соотношений:Gc  G20  1 2 G50  1 2 G60 .(3.78)Выражения для парциальных давлений и потоков компонентов:p2  p20  1  ( k  / D ) ;3Dp2 G20  RT N 3 1  N ;3p5  2 p1; p50  1  N3'G   D N p5  2 p1 ; 50 RT 3 ' 1  N 3'p6 p ;601  ( k5  / D )G  k5 p  k5 p6    D N p6  60 RT 60 RT 1  N 5 RT 5 1  N 5(3.79)Выражение для потока углерода, кмоль/(м2с)Gc D p2 0,5 p5   p1p  N3' N5 6  . N3RT  1  N31  N3'1  N5 (3.80)Анализ горения крупных частиц натурального твердого топлива в НТВтопке [32], а также проделанные расчеты показали, что процесс горения протекает в промежуточной области по схеме двойного горящего пограничногослоя (Se > 100)  случай “мокрой” газификации (рисунок 3.21, б).184а)б)Рисунок 3.21 – Пример распределения парциальных давленийи потоков компонентов в приведенной пленке для случаев двойногогорящего пограничного слоя:а  “сухая газификация”; б  “мокрая газификация”(индексы: “0” – поверхность частицы; “” – поток)Анализ литературных данных [78, 431...434, 533...540], а также обработка экспериментальных результатов [435] позволили получить выражения дляконстанты скорости реакции 5 системы (3.42) для различных видов углерода(таблица 3.5).Убыль массы и размера топливной частицы при ее выгораниирассчитывались по выражениямdm dmW r dmлет dmc, кг/с;dddd(3.81)dmc Gc M c 2 , кг/(м2с);d(3.82)185d2M cGc , м/с,dч(3.83)где Mс = 12 кг/кмоль – молярная масса углерода; m = (/6)3экв – масса сферической частицы, кг; 2экв = fпов – площадь наружной поверхности, м2.282827272814.45.25262625257.8756.563242322226.5636.563262513.224232715.612242313.22221212120202019191918187.875187.87517177.875169.18814131313.12511.8131110.510.510.51510.8121411.813127.2118.49.612879.18810.59.18813.1252110.89.6766.5631259.64610.87.2 8.410.89 .6618412345671.2 2.41816.8 15.63 .613.29.6214.410.838.421801234а)56781 6 .6 6 71 8.3 3323 .33 321 .66 71 3 .3 3 32 0 23 .33 35 1 .66 710152 1.6 673 .33 36 .66 7 2 51 8 .3 3 351 6.6 678 .3 3 3 11 .6 671CO 2O220 15123201 3 .3 3 350015128.44.80151 3.3 338710.511.813 9.188 10.53.93814.43810.5 9.1887.875 5.2510.5 14.438 2.6252.62515.751.3136.5632.6253.93821 5.251.3137.875310984119.699.1885138.41061510.86109171615141212169.1881513.20012345678H 2Oб)в)Рисунок 3.22 – Пример полей концентраций, %, основных реагирующихкомпонентов (а  О2; б  СО2; в  Н2О) в НТВ-топке котла ПК-24 ст.

№ 9 ИТЭЦ-10,построенные на основании экспериментальных данныхПарциальные давления основных реагирующих компонентов (О2, СО2,Н2О) при расчете горения углеродной частицы определялись из полей концентраций (рисунок 3.22), построенных на основании обработки экспериментальных данных при испытаниях котла ПК-24 ст. № 9 ИТЭЦ-10. Парциальноедавление оксидов азота определялось по расчетному полю концентраций NO,186полученного из решения дифференциального уравнения массообмена приналичии источникового члена (раздел 3.1.5.1).Таблица 3.5 – Данные для расчета констант скорости реакции 2NO + 2C = N2 + 2COk0E, кДж/мольВид углеродаИсточник3,37104,410582,046полукокс ирша-бородинкского углязасыпка графона[78][431]4,710383,72засыпка графона[535]35,7102,610387,9171,06слой сажизасыпка графона[536][433]7,11051,5710886,5034,0[435, 537][538]4,18104145,01,410387,03,3710552,38полукокс ирша-бородинского угляуглеродУголь Taiheiyo (Cd = 65,4 %; Hd = 4,47 %;Od = 12,5 %; Nd = 0,79 %; Sd = 0,21 %; Ad = 16,63 %)антрацитБерезовский уголь, кузнецкий тощий,кузнецкий и кизеловский газовые угли5[539][534][540]3.1.5 Модель генерации и преобразования оксидов азота и серыв низкотемпературном вихревом топочном процессе3.1.5.1 Генерация и разложение оксидов азота на коксовых частицахпри стадийном подводе окислителяРаспределение концентраций NO по сечению топки (поле концентраций) в известном поле скоростей газового потока (см.

раздел 3.1.1) определялось путем численного решения (схема “против потока” [541...543]) дифференциального уравнения массообмена при наличии источникового члена (зоны генерации NO):(C NO )   ( wC NO )  DNO 2CNO  J NO ,(3.84)где СNO – массовая концентрация оксидов азота; w – скорость газовогопотока; DNO – средний эффективный коэффициент диффузии NO в смеситопочных газов; JNO – интенсивность генерации оксидов азота (мощностьисточника NO).187Мощность источника JNO определяется в предположении генерации“топливных” оксидов азота (Тmax < 1600 K), происходящей на стадии выходалетучих из топлива, и находится из решения системы уравненийJ NO E1 ( RT ) 1 dN 2i2ikeN01i dTi iE, dNO xi  k e 2 ( RTi ) 1  O 1,8  N 022 ii d iTi(3.85)где [N]i – концентрация атомарного азота, получаемая из балансового выражения[N]i = [kра Nr  (N2i + NOxi) kVT] i ,(3.86)где kра – коэффициент разложения азотсодержащих веществ; Nr – содержаниеазота в рабочей массе топлива;  – концентрация топлива в газах;kVT = V0 (kV + г  1) 0,62510-6,(3.87)где V0 – теоретический расход воздуха на горение; г – коэффициент избыткавоздуха при горении.Энергии активации Е1 = 4,2 МДж/моль и Е2 = 31,2 МДж/моль приняты посправочным данным [544], а предэкспоненциальные множители k01 и k02 – по[166].

Коэффициент разложения азотсодержащих веществ (выражение (3.86)):kра = (1  q4лi) ki ,(3.88)где q4лi – недожог летучих; опытный коэффициент ki = (Тi  823)2/(3,8105)по [166].Снижение генерации оксидов азота за счет рекомбинации атомарногоазота учтено через коэффициент рекомбинации зависимостьюkp = (N2/Nr)kVT.(3.89)Для решения уравнения (3.84) топочная камера разбита на зоны (размером 0,250,250,25 м).

В результате расчета определяются поля концентраций образовавшихся, а затем – количество разложившихся оксидов азота позонам с учетом полифракционности топлива.1883.1.5.2 Образование и связывание оксидов серы в НТВ-топкеГенерация оксидов серы из органической и колчеданной серы, входящейв состав твердого топлива, (реакции 2.28...2.30) рассчитывалась в предположении, что увеличение содержания SO2 в потоке топочных газов пропорционально выгоранию углерода кокса топлива.

Принимая во внимание то обстоятельство, что основная масса топлива выгорает в нижней вихревой зоне,в конечном итоге, по всей видимости, механизм генерации оксидов серы приучете ее полного сгорания не окажет заметного влияния на распределение ихконцентраций в НВЗ НТВ-топки.Распределение концентраций SO2 по сечению топки (поле концентраций)в известном поле скоростей газового потока (см.

раздел 3.1.1) определялосьпутем численного решения дифференциального уравнения массообмена(CSO2 )   ( wCSO2 )  DSO2  2CSO2  J SO2 ,(3.90)где СSO2 – массовая концентрация оксидов серы; DSO2 – средний эффективныйкоэффициент диффузии SO2 в смеси топочных газов при наличии источникового члена (зона генерации SO2), описываемого в видеJ SO 2dGSO2GC  Sdaf=,dV 100(3.91)где JSO2  мощность источника SO2, кг/м3с; GС  скорость выгорания углерода кокса, кг/с; Sdaf  содержание серы в сухой беззольной массе топлива, %;V  объем расчетной ячейки, м3.В полученном поле концентраций SO2 расчетным путем определялоськоличество оксидов серы, прореагировавших с СаО золы топлива, после чегонаходилась их степень связывания.Для решения задачи связывания оксидов серы с СаО золы топлива использована модель [545], для чего полидисперсная система частиц золы разбивается на фракции по крупности; в пределах каждой фракции определяетсяколичество (с учетом доли СаО в золе топлива) частиц СаО среднего радиусаRi, который не меняется в процессе сульфуризации.

В каждый момент времени количество SO2 в газе, моль/см3, находится из известного поля концентраций оксидов серы. Для каждой фракции i (i = 1, 2, … , n) решается система189уравнений для концентрации SO2 внутри частицы Ci и радиуса не прореагировавшего ядра CaO в зерне ri: d 2Ci  2 d ln Deff ,i  dCikeff ,iA; 2 idRRdRdRDeff ,i, M CaO dRi  keff ,i .d CaO (3.92)где Сi – концентрация SO2 внутри частицы фракции i; Deff ,i – эффективныйкоэффициент диффузии SO2 внутри частицы фракции i; Аi – поверхность реагирования, отнесенная к объему пористой частицы; keff ,i  эффективная константа скорости реакции; МСаО и СаО – молекулярный вес и плотность CaO.Граничные условия системы (3.92): dCi dR  0, R =0;Ci = C 0 (), R = Ri ; , r  r , =0,i з(3.93)где C0() – концентрация SO2 в газе; Ri – радиус частиц извести фракции i;ri  радиус непрореагировавшего ядра CaO в зерне; rз – начальный радиус зерен.В расчетах принималось, что пористые частицы СаО золы топлива состоят из непористых сферических зерен одинакового радиуса rз, которыйрастет в процессе сульфуризации зерен, уменьшая тем самым пористостьчастиц извести.

Гетерогенная реакцияCaO + SO2 + ½ О2  CaSO4(3.94)включает в себя следующие физико-химические механизмы:диффузию SO2 из газового объема внутрь частицы через поры междузернами;диффузию SO2 через твердый слой CaSO4, образующийся на поверхности зерен;химическое реагирование CaO и SO2 на поверхности раздела CaOи СаSO4 внутри зерен.Предполагается, что реакция (3.94) идет при избытке О2.190Эффективный коэффициент диффузии в порах:Deff  DП 2x ,(3.95)где Пх  пористость реагирующей частицы, D – коэффициент комбинированной диффузии, рассчитываемый по формулеD  ( Dm1  Dk1 ) 1 .(3.96)Коэффициент Dm взаимодиффузии (SO2  воздух), определяемый потеории ЭнскогаЧепмена рассчитывается по зависимостиDm = exp(1,66lnT  11,3), см2/с,(3.97)а коэффициент кнудсеновской диффузии  по зависимостиП  TDk  19400 х Ssurf   M SO 21/ 2 , см2/с,(3.98)где Ssurf  площадь реагирующей поверхности см2/г, определенная методомБрюнауераЭмметаТеллера (BrunauerEmmettTeller (ВЕТ)) [546, 547];  плотность частицы СаО, г/см3; МSO2  молекулярная масса SO2.Коэффициент диффузии SO2 через твердый слой CaSO4, образующийсяна поверхности зерен, находился из выражения для DSO2CaSO4, записанного вформе зависимости АррениусаDSO2CaSO4 = 0,0124exp(12200/T), см2/с.(3.99)Начальный радиус зерна находился из выраженияrз = 3/(Ssurf CaO)(3.100)при условии, что площадь реагирующей поверхности Ssurf частицы СаО радиусом 0,09 мкм, определенная по методу ВЕТ, составляет 10 м2/г [545].Константа скорости реакции (3.94), записанная в форме зависимостиАррениусаk  0, 327 105 exp( 6445 / T ) ,моль,см 2  с(3.101)191получена в работе [545] путем обработки опытных данных.Для момента времени  из (3.92) и (3.93) получаем зависимостиСi = Сi (R, ) и ri = ri (R, ).

Характеристики

Список файлов диссертации