1598005868-03648c969f647e9d2289db563a03b78d (811236), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Сопоставляя потоки Ох и СО при х=Ль получаем уравнения, нз которых можно определить Лг/Л и руан Затем, исключив эти величины, получим выражения для концентраций и потоков на внешней границе приведенной пленки. Эти потоки и определяют интенсивность выгорания углерода, расход окислителя и соотношение количеств СО и СОм выходящих за пределы пограничной пленки. При сжигании высоковлажных топлив, таких как торф, бурые угли, древесина, анализ процесса горения значительно Усложняется по сравнению с горением относительно сухих топвив. Число реакций возрастает, и можно принять, что при высокотемпературном горении углерода будут одновременно идти реакции, приведенные в начале $7-3.
Все эти реакции имеют разную скорость и, следовательно, по-разному влияют "РР Р .Р Р Р"" У Аналогично тепловому и диффузионному критериям Нуссельта — критериям соответствующих граничных условий (см гл 3). 3'. С+2Н,О-~СО+ Н,; 4'. Н,+О,-+ 2Н,О. 1.
С+О,~СО,; 2. С+О,-~СО; 3. С+СО,-эСО; Примем, что приведенная пленка изотермична и находится в стационарном состоянии, а парциальные давления СО и Нз на внешней границе пленки равны нулю. Будем считать, что скорость гомогенной реакции горения водорода в пределах приведенной пленки прямо пропорциональна концентрации компонента, находящегося в недостатке, т. е. водорода. 1В4 рода водяным паром 4"' показали, что при топочных температурах около 1400 †15 К константа скорости реакции й~ примерно в 20 раз меньше константы реакции 4 (см. стр.
174) и на семь-восемь порядков меньше, чем у реакции 4'. Константы скоростей реакций 4 и 4' рассчитаны по данным $ 6-6, а реакции 4'" — согласно работе Н. В. Кульковой и М. И. Темкина. Исходя из этого, в дальнейшем для наших условий будем пренебрегать конверсией окиси углерода водяным паром. Можно также не учитывать реакции 3"'. По расчетам Русинко и Уокера, скорость этой реакции при температурах около 1100 К на три-четыре порядка меньше скорости реакции 3 (см. стр.
173). Косвенным подтверждением того, что реакция 3"' идет с очень малой скоростью, могут быть результаты газового анализа в опытах И. И. Палеева и В. Ф. Юдина, М. А. Поляцкина и П. А. Масличенко, где показано, что выход СН„не превышает 3%, а зачастую не достигает и 1 вар даже при температуре 1400 К. По этим же опытам н опытам Н. М. Ершовой, В. П.
Шевцова, Г. С. Шафира и других видно, что основными конечными продуктами реакции С+НзО являются СО и Нь так как отношения объемов СО/Нз и СО/(СО+СОз) составляют более 0,8 (опыты были проведены при температуре до 1400 К), что указывает на незначительный выход СОь Следует учесть, что при дальнейшем увеличении температуры выход СОз уменьшается. Таким образом, при горении высоковлажного топлива более вероятна реакция 3', чем 3".
Наличие высоко- реакционного свободного водорода приводит к тому, что кислород, диффундирующий к частице, начинает интенсивно расходоваться по реакции 4'. Сравнение констант скоростей реакций 4' и 4 (см. стр. 174) показало, что при топочных температурах около 1500 К отношение констант этих реакций составляет примерно 10з и, следовательно, реакцией догорания окиси углерода 4 в пограничном слое можно пренебречь. Будем считать, что догорание СО происходит в объеме основного потока дымовых газов.
В этом случае выгорание коксовой частицы будет определяться следующими гипотетическими реакциями, идущими без изменения объемов (что дает небольшую ошибку в конечных выражениях для потоков компонентов): Запишем систему дифференциальных уравнений потоков компонентов, диффундирующих сквозь элемент в1х пограничной пленки (считаем пленку плоской): вИв= — — Р' в(х; (7-28) йт Ь ЯТ Зев (7-29) Юв = — — — в(х. В Л*Рв ЦТ Лев (7-30) Количество кислорода, поглощенного в гипотетической ре- акции 4'г еИв = — рдввх.
«е, (7-31) йт (7-32) -взе Рва Х е вз'(Зе — Ув — У~)+За+ Ув+гев е е 1 х Зе— -зе — 1 е вз'(Яе — Ув — Жв) е +($е+Жв+Фв) е 1 (7-34) и потока кислорода 0в — —— ао Рва Зе х йТ е-вз'(Зе — Ув — 1ев) +Зе+ %в+ в'в Л в — з Зе— — Зе — 1 е взе(5е — Ив — 1е'в) е +(За+ й(в+ С учетом стехнометрии реакции 4' (см. стр. 174) запишем: ЫО~=~(бе — — — 2ввбэ Приравнивая друг другу правые части (7-28) и (7-31) и вводя безразмерную координату х/Л, получаем ае дз И(зИ)е вв Рв Обозначим по-прежнему комплекс йвеввФ=Зев.
Но в данный комплекс входит константа скорости реакции 4' вместо константы скорости реакции 4. Решение уравнения (7-32) будет Зе — — Зе— (7-33) р,=АЗ +Ве Приравнивая потоки кислорода, диффундирующие к частице и поглощаемые в реакциях 1 и 2, и используя граничные условия, аналогичные ранее рассмотренным, можно определить коэффициенты А и В. После преобразований получим распределение парциального давления кислорода по толщине приведенной пленки Решая остальные уравнения [(7-29), (7-30) и др), можно найти соответствующие зависимости для парциальных давлений и потоков остальных компонентов.
Для потока углерода с учетом стехиометрических соотношений получим Вс= — Рза+ (Раь.б*бл1м + Рм Фз + ао 1 Уз 1 йт [1+Л1, 1+З1,, %1+ з1чи+ (1гг+1гд) (з+ а1з ) 1гз+1гз (1чз — 1 — а1з) 1+ Жв е 'з'(5е — Ф,— М)+Бе+ у~+ у, (7-36) При достаточно больших Яе, когда темп поглощения кислорода не влияет на распределение его концентрации в пограничном слое, можно принять, что постоянная А в формуле (7-33) равна нулю. Решение уравнений для этого случая приведено в работе В.
В. Померанцева, Ю. А. Рундыгина и С. М. Шестакова. Однако громоздкость полученных выше решений (7-24)— (7-27), (7-34) — (7-36) затрудняет их использование при обработке опытного материала и расчетах. Целесообразно в связи с этим рассмотреть некоторые частные случаи, характерные для различных условий горения топлива, в которых конечные выражения значительно проще. По мере роста температуры, т. е.
возрастания скорости реакций догорания СО и Нь а также увеличения толщины пограничного слоя кислород все в большей степени расходуется на догорание СО и Н~ в пределах приведенной пленки. При этом можно рассматривать три случая: 1. Кислород, несмотря на взаимодействие с СО и Нь достигает поверхности, и может протекать его прямое взаимодействие с углеродом.
Этот случай обычно называют схемой горящего пограничного слоя. Такая схема горения возможна при сравнительно невысоких температурах и небольшой толщине пограничного слоя. 2. Кислород не достигает углеродной поверхности, расходуясь полностью в пределах приведенной пленки на догорание СО и Нь В этом случае выгорание углерода происходит только по восстановительным реакциям С+СОз=2СО и С+Н10= =СО+Нь а пограничный слой делится на негорящую и горящую зоны, причем вона горения располагается внутри приведенной пленки между двумя зонами, в которых горение отсутствует.
Такую схему выгорания называют схемой двойного горящего пограничного слоя. Обычно она имеет место при высокой температуре процесса и горении довольно крупных углеродных частиц или при слоевом горении. 3. Скорость горения СО и Нз невелика, и, следовательно, их горение в пределах приведенной пленки практически не влияет иа распределение концентраций компонентов, прежде всего кислорода.
В этом случае в пределах приведенной пленки происходят только диффузионные процессы, а оксид углерода и водород выходят из приведенной пленки и сгорают в газовом потоке. Эту схему называют схемой с негорящим потг р а н и ч н ы м с л о е м. Такой случай имеет место при горении мелких углеродных частиц в условиях умеренных температур (1200 — 1600 К), характерных для существующих пыле- угольных топок. Удобно анализировать процесс горения с помощью критерия Семенова. Расчеты показывают, что при Зе<0,4 можно пренебрегать горением СО и Нх в пределах приведенной пленки и применять для анализа процесса горения углеродных частиц схему негорящего пограничного слоя.
Для 0,4<Бе<2 при анализе необходимо учитывать горение СО и Н~ в пределах приведенной пленки и применять схему горящего пограничного слоя. При Яе>2 применяется схема двойного горящего пограничного слоя. Если Яе>100, то зона взаимодействия СО и Н2 с Оз станет настолько тонкой, что эти реакции будут происходить не во всем объеме приведенной пленки, а на какой-то поверхности горения внутри приведенной пленки.
Рассмотрим эти случаи более подробно. ГЦЬ ДВОЙНОЙ ГОРЯЩИЙ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОИ Как показывают расчеты, при критерии Семенова, большем 2, можно применять схему двойного горящего пограничного слоя (см, рис. 7-5), по которой толщина приведенной пленки разбивается на три зоны: 1 и 8 — зоны только молекулярной диффузии компонентов разделены зоной 2 — взаимодействия продуктов неполного сгорания углерода СО, Нм СН4 с днффунднрующим им навстречу Оь Анализ такой схемы представляет значительные трудности, а конечные результаты так же малопригодны для инженерных расчетов, как и формулы ~ 7-4. Рассмотрим в качестве примера горение коксовых частиц сухих каменных углей.
Так как концентрация водяных паров в потоке относительно невелика, можно не учитывать реакций водяного пара с углеродом кокса и водорода с кислородом в пределах приведенной пленки. Пусть мы имеем настолько высокую температуру процесса, что скорость горения реакции СО с О, велика и Зе>100. Тогда для анализа можно применить схему двойного горящего пограничного слоя (рис.
7-6), по котовой горение протекает по реакциям: (С+СО~=2СО) на поверхности частицы и (2СО+Ор=СОг) в пределах приведенной пленки. Они могут быть заменены итоговой реакцией С+Ох=СОН которая позволяет сделать вывод, что поток углекислоты О еа. ~сникающей зону приведенной пленки, равен потоку входящего в нее кислорода О,д. Количество выгоревшего углерода с единицы поверхности в единицу времени (поток углерода) равно 187 Рч Рг йм Рис. 7-7. Распределение парциальных давлений и потоков компонентов в приведенной пленке при Рис. 7-6. Распределение парциальиых давлений и потоков компонентов в приведенной пленке около горящей угле- родной поверхности при отсутствии водяных паров (схема горящего пограничного слоя) наличии водяных паров в потоке газов (схема двойного горящего пограничного слоя при Бе ао) Ота — — —— В ра КТ Ь вЂ” Ь, и углекислоты гз 0 рвмакс Реа Ъзве ГгТ Ь вЂ” Ь~ где Л,— толщина зоны пограничной пленки, в которой отсутствует кислород; рх„„с — максимальная концентрация углекислоты в приведенной пограничной пленке.
166 в этих условиях потоку подводнмой к углеродной поверхности углекислоты: Ос=20ве. Считая стенку плоской, т. е. пренебрегая сферичностью частиц (допустимость этого будет показана ниже, на стр. 197), можно записать выражение для потоков диффундирующих компонентов (рис. 7-6) в зоне Ь,(х(Л (в кмоль/(м'с)): кислорода Исходя из ранее сделанных посылок абсолютные значения этих потоков в зоне Ьв<х(Ь равны между собой, т. е. 1 бвь1 -1б, 1.
При этом Р рвь 79 Рвмакв рвь дт ь — ь дт ь — ь и следовательно, рзввкв = рва+ р,ь. Для условий у поверхности частицы (х О) можно записать равенство потоков углекислоты, диффундирующей к поверхности из зоны горения СО и поглощаемой в реакции 3: Р,„.к,— Р„ дт ь, аа и б~~= — — р,в ,ДТ Тогда Р Рвмакв Рвв ав Рвмакс Рвз + Рвь вт ь, = дт ~ " 1+ьмп 1+а,а.э ' Введем безразмерный комплекс №=йв/аз, помня, что для плоской стенки аз=Р/Ь, см. (7-19). После несложных преобразований получим Рва+ Раь Рм = 1+ — 19а ьв А (7-37) Согласно стехиометрии реакции С+СОа=2СО поток образующегося оксида углерода в два рава больше потока углекислоты: 1бав1= 21бвв1; тогда В р„- ав б в= — -~ =2.1бва1=2 Рвв дт ь ГвТ (7-38) откуда 2(рвЬ+ раЬ) Ьв Рм= а' 1+ — вав ьд ь Ь (7-39) ( 1 (1 — — )+ Р ьв вва (7-40) Ь 2раь+ рвь 1З9 Определим теперь Ь~ — границу участка, в котором отсутствует кислород.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
