LABORATORIUM NR 3.
STRUKTURA PŁOMIENIA PYŁOWEGO .
Paweł Dudycz
Andrzej Kochmański
Krzysztof Łokietko
wydział Mechaniczno-Energetyczny
1.WSTĘP TEORETYCZNY.
Spalanie węgla , z powodu jego złożonego składu chemicznego i strukturalnego , jest wielo etapowym i skomplikowanym procesem przemian fizykochemicznych . Wyróżnia się przede wszystkim dwa charakterystyczne stadia procesu spalania . Łatwo jest sobie uzmysłowić , analizując zachowanie się ziarna węgla wprowadzonego do przestrzeni gorącej komory paleniskowej . W początkowym okresie węgiel ulega podgrzewaniu, w wyniku którego zachodzi odparowanie wody, rozkład części organicznych paliwa i wydzielanie się części lotnych. W czasie nagrzewania zachodzą także przemiany składników mineralnych paliwa. Jeśli temperatura paliwa jest dostatecznie wysoka, a ilość oraz skład części lotnych mieści się w zakresie stężeniowym granic zapłonu, to następuje zapłon części lotnych i ich spalanie. Występowanie fazy spalania części lotnych zależy od wielkości ziarna i temperatury otoczenia. Dotychczas nie ma jednomyślnego poglądu co do charakteru spalania części lotnych. Uważa się, że spalanie części lotnych może występować jednocześnie z fazą spalania pozostałości koksowej lub też obie fazy mogą występować oddzielnie. Spalanie cząstek węgla bez widocznej fazy spalania części lotnych przebiega najczęściej dla małych cząstek, przy czym graniczna średnica zależy od typu węgla.Spalanie części lotnych może się odbywać w pobliżu powierzchni cząstki, tworząc mikrofront spalania utrudniający dostęp tlenu do powierzchni cząstki węgla. Wielkość mikrofrontu zależy od temperatury procesu oraz wielkości ziarna, ulega on zmniejszeniu przy wzroście temperatury i rośnie ze wzrostem średnicy, przy czym stosunek średnicy mikrofrontu do średnicy ziarna wyjściowego jest zależny od typu węgla. W przypadku węgli brunatnych maksymalna wartość tego stosunku przypada na ziarna małe, w węglach kamiennych natomiast maksimum występuje dla średnic w zakresie 300-700 (m., w zależności od temperatury procesu. Ze wzrostem temperatury maksimum przesuwa się w stronę ziaren mniejszych. Należy jednak zaznaczyć,że mikrofront spalania części lotnych w postaci zamkniętej przestrzennie powierzchni wokółziarna powstaje najczęściej podczas spalania węgli brunatnych oraz młodych węgli kamiennych. W przypadku spalania starszych węgli kamiennych , z powodu nierównomiernej generacji gazów przez całą powierzchnię ziarna, powstają lokalne, rozdzielone w przestrzeni mikrofronty. Położenie lokalnych mikrofrontów jest w dużym stopniu uzależnione od energii kinetycznej wydzielającyą w przybliżeniu kuliste. Jest to założenie poprawne, co można było zaobserwować podczas spalania pyłu.Widzieliśmy okrągłe, jarzące się na żółto cząstki. Można to wytłumaczyć tym , że większość cząstek węgla ze wzrostem temperatury uplastycznia się oraz wydzielając części lotne, zaokrągla się a jezeli występują krawędzie , to wypalają się one najszybciej.
W trakcie spalania pyłu węglowego mamy także doczynienia z nierownomiernością spalania na powierzchni i w otoczeniu cząstki. Czoło cząstki
ch się gazów. Wydzielający się z dużą prędkością strumień gazów z cząstki węgla wprawia ją w ruch obrotowy, co prowadzi do jej rozdrobnienia. Nakładanie się tych ruchów w przypadku zbioru ziaren może być przyczyną pulsacji płomienia w poczatkowej jego strefie, tzn( w przestrzeni, w której następuje zapłon mieszaniny pyłowo-powietrznej.
Kolejne stadium procesu spalania to zapłon i spalanie pozostałości koksowej, złożonej głównie z czystego węgla i części mineralnych, które przebiega na powierzchni pozostałości koksowej, gdzie zachodzą reakcje heterogeniczne między ciałem stałym (węgiel) a gazowym utleniaczem.. Niezależnie od tego, czy spalanie części lotnych i pozostałości koksowej występuje kolejno po sobie czy też jednoczesnie, zawsze, ze względu na czas trwania jak i na efekt energetyczny, dominuje w procesie spalania węgla spalanie pozostałości koksowej. Przebieg spalania pozostałości koksowej jest uzależniony od kinetyki przemian na powierzchni i wewnątrz cząstek, od procesów dyfuzji tlenu i produktow reakcji i od wymiany ciepła z otoczeniem. Brak natomiast jest bezpośredniego związku między rektywnością koksu i warunkami zapłonu części lotnych.
Czas trwania tzw pierwszego stadium spalania (1 zależy od rozmiarów cząstki, zawartości wilgoci, pojemności cieplnej i ciepła rozkładu substancji organicznej paliwa. Czs trwania tego etapu dla ziaren pyłu węglowego (cząstki mniejszej niż 0,2 mm) jest rzędu od 10 do 200 ms. Drugie stadium spalania węgla (2, tj( spalanie pozostałości koksowej, przebiega w większej części w stałej temperaturze. Czas spalania pozostałości koksowej stanowi około 90 % całego czasu spalania ziarna węgla i może on wynosić od 0,5 do 5 s.
2.ZAKRES ĆWICZENIA.
- obserwacja zapłonu i spalania pojedynczej cząstki,
- zapoznanie się ze strukturą płomienia pyłowego,
- pomiar temperatury płomienia pyłowego.
SCHEMAT STANOWISKA POMIAROWEGO.
TEMPERATURA POWIETRZE + GAZ
ościowy.
Bezwładność cieplna fotoelementów (pirometr) jest bardzo mała (0,001 s) w porównaniu z bezwładnością cieplną termoelementow (rzędu sekund) co było przyczyną uzyskania szerokiego zakresu temperatur.Różnica temperatur bierze się z faktu pomiaru najgorętszych cząstek i przestrzeni między palącymi się cząstkami.
Termopara dokonuje zaś pomiaru objętościowo.
Zaplon węgla i pozostałości koksowej w przeciwieństwie do spalania jest procesem niestacjonarnym. Zapłon cząstki węgla wielkości 200 (m zawierających części lotne , przebiega zwykle przez fazę zapłonu, wydzielonych w trakcie nagrzewania paliwa części lotnych.Mówimy że zapłon węgla jest procesem wielostopniowym. Wdoświadczeniu mieliśmu doczynienia z takim procesem.
Okres spalania części lotnych był bardzo krótki, zapłon pozostałości koksowj wyrażał się żółtym świeceniem , co świadczyło o braku tlenu w pobliżu powierzchni cząstki węgla i obecności sadzy.
Podczas analizy spalania pyłu przyjmuje się powszechnie , że cząstki węgla ssz3Andrzej Kochmański
1.WSTĘP TEORETYCZNY.
Spalanie węgla , z powodu jego złożonego składu chemicznego i strukturalnego , jest wielo etapowym i skomplikowanym procesem przemian fizykochemicznych . Wyróżnia się przede wszystkim dwa charakterystyczne stadia procesu spalania . Łatwo jest sobie uzmysłowić , analizując zachowanie się ziarna węgla wprowadzonego do przestrzeni gorącej komory paleniskowej . W początkowym okresie węgiel ulega podgrzewaniu, w wyniku którego zachodzi odparowanie wody, rozkład części organicznych paliwa i wydzielanie się części lotnych. W czasie nagrzewania zachodzą także przemiany składników mineralnych paliwa. Jeśli temperatura paliwa jest dostatecznie wysoka, a ilość oraz skład części lotnych mieści się w zakresie stężeniowym granic zapłonu, to następuje zapłon części lotnych i ich spalanie. Występowanie fazy spalania części lotnych zależy od wielkości ziarna i temperatury otoczenia. Dotychczas nie ma jednomyślnego poglądu co do charakteru spalania części lotnych. Uważa się, że spalanie części lotnych może występować jednocześnie z fazą spalania pozostałości koksowej lub też obie fazy mogą występować oddzielnie. Spalanie cząstek węgla bez widocznej fazy spalania części lotnych przebiega najczęściej dla małych cząstek, przy czym graniczna średnica zależy od typu węgla.Spalanie części lotnych może się odbywać w pobliżu powierzchni cząstki, tworząc mikrofront spalania utrudniający dostęp tlenu do powierzchni cząstki węgla. Wielkość mikrofrontu zależy od temperatury procesu oraz wielkości ziarna, ulega on zmniejszeniu przy wzroście temperatury i rośnie ze wzrostem średnicy, przy czym stosunek średnicy mikrofrontu do średnicy ziarna wyjściowego jest zależny od typu węgla. W przypadku węgli brunatnych maksymalna wartość tego stosunku przypada na ziarna małe, w węglach kamiennych natomiast maksimum występuje dla średnic w zakresie 300-700 (m., w zależności od temperatury procesu. Ze wzrostem temperatury maksimum przesuwa się w stronę ziaren mniejszych. Należy jednak zaznaczyć,że mikrofront spalania części lotnych w postaci zamkniętej przestrzennie powierzchni wokółziarna powstaje najczęściej podczas spalania węgli brunatnych oraz młodych węgli kamiennych. W przypadku spalania starszych węgli kamiennych , z powodu nierównomiernej generacji gazów przez całą powierzchnię ziarna, powstają lokalne, rozdzielone w przestrzeni mikrofronty. Położenie lokalnych mikrofrontów jest w dużym stopniu uzależnione od energii kinetycznej wydzielającyą w przybliżeniu kuliste. Jest to założenie poprawne, co można było zaobserwować podczas spalania pyłu.Widzieliśmy okrągłe, jarzące się na żółto cząstki. Można to wytłumaczyć tym , że większość cząstek węgla ze wzrostem temperatury uplastycznia się oraz wydzielając części lotne, zaokrągla się a jezeli występują krawędzie , to wypalają się one najszybciej.
W trakcie spalania pyłu węglowego mamy także doczynienia z nierownomiernością spalania na powierzchni i w otoczeniu cząstki. Czoło cząstki spala się szybko, natomiast strona przeciwna pozostaje prawie nienaruszona . Przy czym tlenek węgla z części czołowej cząstki jest przenoszony do strefy recyrkulacji za cząstkę, gdzie spala się jasno świecącym promieniem dyfuzyjnym,utrudniającym dostęp tlenu do powierzchni cząstki.
Temperatura powierzchniowa i masa cząstki węgla podczas procesu spalania, w funkcji czasu. spala się szybko, natomiast strona przeciwna pozostaje prawie nienaruszona . Przy czym tlenek węgla z części czołowej cząstki jest przenoszony do strefy recyrkulacji za cząstkę, gdzie spala się jasno świecącym promieniem dyfuzyjnym,utrudniającym dostęp tlenu do powierzchni cząstki.
Temperatura powierzchniowa i masa cząstki węgla podczas procesu spalania, w funkcji czasuZTemperatura powierzchniowa i masa cząstki węgla podczas procesu spalania, w funkcji czasu.