Jerzy Pacek 87724 LABORATORIUM SPALANIA I PALIWA

Andrzej Cieszanowski

Arkadiusz Winnicki

Grzegorz Rząsa

SPALANIE CZĄSTKI WĘGLA

Węgiel kamienny odgrywa istotną rolę zarówno w energetyce światowej jak i krajowej. Jego zasoby wystarczą znacznie dłużej niż ropy i gazu. Z tego powodu niezbędne jest wprowadzenie racjonalnej gospodarki jego zasobami co wymaga coraz lepszego poznania jego właściwości i dopasowania do nich technologii spalania. Optymalne wykorzystanie węgla dla celów energetycznych istotne jest również z powodu wzrastających wymagań ochrony środowiska oraz wymagania dużej sprawności przemiany.

Węgiel naturalny stanowi mieszaninę chemicznych związków organicznych zawierających pierwiastki C, H, O oraz pewną ilość N i S. W organicznej części węgla występują różne ilości minerałów i wilgoci. Węgiel naturalny powstał w wyniku rozkładu materiału roślinnego bez dostępu powietrza. W zależności od stopnia metamorfizmu (stopnia uwęglenia) wyróżnia się:

• torf.

• węgiel brunatny.

• węgiel kamienny energetyczny.

• węgiel kamienny koksujący.

• antracyty.

Większość gatunków węgla zmienia swoje właściwości nawet przy krótkim kontakcie z tlenem.

Proces spalania ziarna węglowego jest zagadnieniem niezwykle skomplikowanym, wymaga bowiem uwzględnienia złożonego fizyko-chemicznego kompleksu zjawisk przebiegających jednocześnie, nawzajem nakładających się i wzajemnie ze sobą powiązanych. 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.

W komorze spalania cząstka węgla szybko nagrzewa się od gorących spalin i przez promieniowanie. Większość węgli wydziela podczas podgrzewania smołowe pary, gaz i wilgoć. Zwykle można wyróżnić okres karbonizacji pierwotnej, podczas którego wydzielają się głównie ciekłe węglowodory oraz okres karbonizacji wtórnej, w którym wyzwalany jest głównie gaz. Węgiel ogrzewany do temperatury ponad 350⁰C mięknie, przyjmując postać bardzo lepkiej cieczy. Mięknięcie węgla i jego płynność zależą od typu węgla, szybkości jego nagrzewania, wymiarów ziaren, ciśnienia i rodzaju atmosfery gazowej. Występowaniu plastycznej postaci fazy węgla towarzyszy zwykle pęcznienie ziaren. Ponowne zestalenie substancji węglowej występuje w temperaturach powyżej 500⁰C, co odpowiada momentowi zakończenia wydzielania ciekłych węglowodorów. Proces kończy się wydzielaniem CO i H₂, przy czym maksymalna szybkość następuje powyżej 800⁰C.

W czasie odparowania wody temperatura cząstki jest w przybliżeniu stała, dlatego zawartość wody istotnie wpływa na czas opóźnienia zapłonu. Po utracie wody temperatura dalej wzrasta, aż do zapoczątkowania termicznego rozkładu węgla (pirolizy). Proces rozkładu termicznego węgla zachodzi gwałtownie, wydzielany wówczas karbonizat oraz substancje lotne są palne dlatego najpierw one ulegają zapłonowi.

Spalanie cząstek węglowych zaczyna się 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. Przeciętnie cząstki węglowe o rozmiarach mniejszych niż 80 mikrometrów odgazowują bez wystąpienia zapłonu części lotnych, które spalają się dalej w płomieniu. W przypadku większych cząstek najpierw obserwuje się zapłon części lotnych i ich wypalenie, a następnie zapala się pozostałość koksowa.

W wyniku spalania pozostałości koksowej wydziela się większa część energii uzyskiwana ze spalania węgla. Koksowa pozostałość po odgazowaniu cząstki spala się wolno, zależnie od następujących czynników:

• temperatury

• stężenia tlenu

• porowatości cząstki

• odmiany pertograficznej węgla (reaktywności)

Wykorzystanie węgla jako paliwa w urządzeniach przemysłowych odbywa się przez spalanie w warstwie na ruszcie, spalanie drobnego pyłu węglowego w żagwi, bądź też spalanie warstwy dużych, kilkumilimetrowych ziaren węgla w paleniskach fluidalnych.

Spalany w żagwi pył węglowy powstaje ze zmielenia węgla na drobne cząstki, których 80% masy ma ziarna mniejsze niż 75 mikrometrów. Wypływająca z dyszy pyłowego palnika mieszanka pyłowo-gazowa tworzy w komorze spalania turbulentną strugę, która rozprzestrzenia się w środowisku gorących spalin. Dzięki intensywnemu turbulentnemu mieszaniu następuje inżekcja gorących spalin do warstwy granicznej strugi. W kontakcie z gorącymi spalinami cząstki węglowe nagrzewają się i ulegają zapłonowi.

Spalanie części lotnych zwykle odbywa się z udziałem powietrza pierwotnego. Wydzielone z pyłu węglowego części lotne mieszają się z otaczającymi cząstki gazami i spalają się w niedużym oddaleniu od wylotu z palnika. Deficyt tlenu w tej strefie płomienia pyłowego sprzyja wytwarzaniu sadzy w częściach lotnych, dlatego strefa spalania części lotnych silnie promieniuje w charakterystycznym dla ciała doskonale czarnego zakresie emisji. O stabilności płomienia pyłowego decyduje strefa spalania części lotnych. Utrzymanie się stabilnego płomienia mieszanki pyłowej u wylotu palnika zależy od temperatury zapłonu węgla i zawartości części lotnych. W przypadku węgli energetycznych zawartość części lotnych nie powinna być mniejsza niż 28%. W celu stabilizacji spalania węgli chudych konieczne jest podgrzanie powietrza do spalania do temperatury 250-300⁰C.

Spalanie cząstek pozostałości koksowej odbywa się na całej długości płomienia pyłowego z udziałem powietrza wtórnego. Cząstki karbonizatu spalają się bezpłomieniowo, żarząc się czerwono.

1

---