POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

LABOLATORIUM MIERNICTWA CIEPLNEGO

STRUKTURA PŁOMIENIA PYŁOWEGO

ĆWICZENIE WYKONALI:

- Artur Bąk,

- Piotr Gwizdek,

- Artur Rudnicki.

PROWADZĄCY: mgr inż. Tomasz Hardy

1. WSTEP

Spalanie pojedynczej cząstki węglowej w płomieniu ma swoistą dynamikę, a całość procesu można podzielić na etapy, dość łatwo rozróżnialne na podstawie obserwacji Po dostaniu się cząstki do komory spalania można wyróżnić okres:

• nagrzewania się cząstki,

• spalania.

Spalanie cząstki węgla można natomiast rozpatrywać jako proces dwuetapowy:

• wydzielanie i spalanie części lotnych,

• spalanie pozostałości koksowej.

Nagrzewanie cząstek węgla

W komorze spalania cząstka węgla szybko nagrzewa się od gorących spalin i przez promieniowanie. Czas osiągnięcia przez cząstkę temperatury zapłonu najbardziej zależy od:

• szybkości nagrzewania się cząstki,

• zawartości wilgoci w węglu,

• zawartości części lotnych.

Na szybkość nagrzewania wpływa zarówno przekazywania ciepła, jak i masa cząstki. W czasie odparowywania wody temperatura cząstki jest w przybliżeniu stała, dlatego zawartość wody istotnie wpływa na czas opóźnienia zapłonu.

Po utracie wody temperatura cząstki dalej wzrasta, aż do zapoczątkowania termicznego rozkładu węgla (pirolizy). Wydzielane wówczas substancje lotne są palne (zawierają m.in. wodór, tlenek węgla i węglowodory), dlatego zwykle najpierw one ulegają zapłonowi.

Spalanie

1. etap: wydzielanie i spalanie części lotnych

Spalanie cząstek węglowych zaczyna się ich zapłonem, który może mieć charakter:

• homogeniczny, jeżeli najpierw zapalą się wydzielane z cząstki węglowej części lotne,

• heterogeniczny, kiedy cząstka odgazowuje, ale części lotne nie zapalą się, natomiast po odgazowaniu zapali się pozostałość koksowa.

Charakter zapłonu najbardziej zależy od zawartości części lotnych i od rozmiaru cząstki węgla. Większe cząstki dłużej odgazowują, dlatego szansa na zapalenie się części lotnych jest większa. Można przyjąć, że przeciętnie cząstki węglowe o rozmiarach mniejszych niż 80 μm odgazowują bez wystąpienia zapłonu części lotnych, które spalają się dalej w płomieniu, natomiast w przypadku większych cząstek najpierw obserwuje się zapłon części lotnych i ich wypalenie, a następnie zapala się pozostałość koksowa.

Wydzielane z węgla części lotne, po zmieszaniu z powietrzem, spalają się w płomieniu gazowym. Ciepło przekazywane od gazowego płomienia do cząstki przyspiesza termiczny rozkład węgla i zwiększa intensywność spalania części lotnych. Płomień ma charakter dyfuzyjny, zwykle otacza on cząstkę, ekranując dopływ tlenu do koksu.

Czas spalania części lotnych zależy przede wszystkim od szybkości nagrzewania cząstek węgla i wynosi od kilku do kilkunastu milisekund.

2. etap: spalanie pozostałości koksowej

Koksowa pozostałość po odgazowaniu cząstki węglowej spala się wolno, zależnie od następujących czynników:

• temperatury,

• stężenia tlenu,

• porowatości cząstki,

• odmiany pertograficznej węgla (reaktywności).

Czas spalania cząstek pozostałości koksowej jest znacznie dłuższy od czasu spalania części lotnych i dlatego wywiera dominujący wpływ na całkowity czas spalania cząstki węgla (na przykład czas spalania cząstki witrytu o rozmiarze 100 μm w spokojnej atmosferze, w temperaturze 1200 °C, wynosi około 100 ms).

Dynamika spalania części lotnych zależy jednak nie tylko od ich ilości w węglu, ale także od sposobu ich uwalniania się z węgla. Obserwacje ogrzewanych cząstek węgla prowadzą do wniosku, że spalanie części lotnych może odbywać się według jednego z dwóch schematów

Dwie formy wydzielanie się części lotnych z cząstki węglowej

Cząstki węglowe wprowadzone do warstwy fluidalnej szybko nagrzewają się od gorących cząstek warstwy i odgazowują. Dobra wymiana ciepła w warstwie fluidalnej powoduje, że czas indukcji zapłonu cząstek węglowych jest w niej o około 50% krótszy, niż kiedy cząstki węgla są wprowadzane do gorącego gazu.

Jeżeli spalany jest węgiel o dużej zawartości części lotnych, uwalniane substancje lotne opuszczają gęstą, dolną część warstwy fluidalnej i spalają się nad nią. Także małe cząstki węglowe są wynoszone przez przepływający gaz z tej części warstwy i odgazowują w przepływie.

---