Тема дипломной работы: Исследование процессов горения каменных углей и антрацитов Кузнецкого бассейна

Оглавление

Введение. 2

1.   Механизм горения
углерода. 4

2.   Область горения
твердого топлива. 6

3.   Кинетические
характеристики горения углерода. 10

3.1    Определение константы
скорости химической реакции. 10

3.2    Энергия активации. 11

3.3    Связь энергии активации
с предэкспоненциальным множителем. 14

3.4    Определение температуры
горящей частицы.. 18

4.   Диффузия и массообмен
при горении углерода. 20

4.1    Определение скорости
витания. 22

4.2    Определение
коэффициента диффузии. 25

4.3    Алгоритм определения
области горения. 29

5.   Теория приведенной
пленки. Схемы горения. 31

5.1    Понятие о методе
приведенной пленки. 31

5.2    Определение толщины
приведенной пленки. 33

5.3    Распределение
концентраций и парциальных давлений в приведенной пленке  34

5.4    Критерий Семенова. 36

5.5    Горящий пограничный
слой. 37

5.6    Схемы горения. 39

6.   Негорящий пограничный
слой. 40

6.1    Распределение потоков и
парциальных давлений основных компонентов в схеме с НПС   40

6.2    Определение парциальных
давлений и потоков основных реагирующих компонентов в ППП в схеме с НПС.. 42

7.   Двойной горящий
пограничный слой. 45

7.1    Распределение потоков и
парциальных давлений основных реагирующих компонентов в схеме с ДГПС.. 45

7.2    Определение парциальных
давлений и потоков основных компонентов в ППП в схеме с ДГПС.. 47

7.3    Определение толщины
бескислородной зоны.. 49

7.4    Условия существования
ДГПС.. 51

8.   Расчётное определение
области и схемы горения. 52

Заключение. 75

Библиографический
список. 78

В настоящее время доля потребления угля среди различных видов топлива и в мировой, и в российской энергетике до сих пор существенна, несмотря на тот факт, что основные теплогенерирующие компании все в большей степени отдают предпочтение природному газу. По данным компании British Petroleum на 2015 год в России эта доля составляла 13,3%, а в мире - 29,2%[6] (рис. 1).

Рис. 1. Энергетический баланс мира (слева) и РФ (справа)

Рис. 2.Мировая выработка электроэнергии

Помимо этого, важно отметить, что порядка 46% мировой электроэнергии вырабатывается за счёт сжигания угля [7] (рис. 2). Вышеприведенные данные свидетельствуют о том, что задача повышения эффективности и экономичности угольных топочных устройств является важной и актуальной и по сей день.
На эффективность любого топочного устройства, сжигающего твердое топливо, серьезное влияние оказывают тепловые потери с химическим и механическим недожогом топлива. Данного рода потери зависят от скорости и времени горения коксовой частицы, а также от распределения концентраций и парциальных давлений кислорода и продуктов сгорания в топочном объеме.
Расчет и анализ всех вышеупомянутых характеристик зависят от вида сжигаемого топлива и условий, в которых протекает процесс горения. Оценка условий горения включает в себя расчет кинетических и диффузионных характеристик, определение температуры горящих частиц, а также исследование влияния гомогенного горения оксида углерода на распределение концентраций основных компонентов. Далее на основе полученных данных проводится расчет тепловых потерь, анализ результатов и разработка мероприятий, направленных на повышение качества горения и уменьшение тепловых потерь.
В данной работе описываются основные особенности горения углерода, кинетика процесса, а также влияние молекулярной и турбулентной диффузии на него. Проведен анализ выгорания коксовых частиц каменного угля и антрацита различных размеров при различных топочных температурах.

1. Механизм горения углерода
Горение углеродной частицы представляет собой сложный гетерогенный процесс, определяемый как химической кинетикой, так и диффузией кислорода и продуктов сгорания к поверхности горящей частицы. Кинетика процесса существенно зависит от структуры углеродного материала. Как правило, в природе чистый углерод встречается в двух формах: в виде алмаза или графита (рис. 3). Алмаз представляет собой кристаллическое образование с четким расположением атомов в кристаллических решетках, а графит, в свою очередь, является аморфным углеродным образованием, которое имеет структуру из хаотически расположенных кристаллитов. Углерод кокса топлива по своей структуре представляет собой практически чистый углеродный материал, близкий по своей структуре к графиту.

Рис. 3. Кристаллические решетки алмаза (слева) и графита (справа)
Неравномерность, пористость и шероховатость углеродной поверхности как раз являются следствием отсутствия чёткой кристаллической структуры углерода топлива. При определенных условиях кислород может проникать глубоко в поры частицы, благодаря чему реакция будет протекать на её внутренней поверхности – это, так называемое, внутреннее реагирование, пренебрежение которым может привести к серьезным ошибкам при обработке опытного материала и расчетах выгорания [3].
Взаимодействие кислорода с углеродной частицей осуществляется путем образования адсорбированного слоя газа, как на внешней поверхности частицы, так и на внутренней поверхности пор. Неоднородность поверхности углерода топлива делает её в различной степени доступной для адсорбции. При низких температурах в зоне активного горения хемосорбция протекает лишь на небольшой части поверхности частицы. При увеличении температуры хемосорбция интенсифицируется, причем в процесс вовлекаются все новые, менее активные участки поверхности. Следует отметить, что при высоких температурах в зоне активного горения (свыше 1400˚С) сорбционные процессы протекают практически мгновенно, и в этом случае ими можно пренебречь, так как на первый план выступает механизм Аррениуса.