Mechanizm spalania węgla i wiązania siarki w warstwie fluidalnej z zanurzonym wymiennikiem ciepła

Z E S Z YT Y NAUKOWE P O L IT E CH NI KI ŚLĄ S KI EJ

Seria: E N E R G E T Y K A z. 68 Nr kol. 564

________ 1978

Z bi gn i e w L O R K I E W I C Z Derzy T O M E C Z E K

Instytut E n er ge t y k i Paliwowej

M E C H AN I ZM S P A L A N I A W Ę G L A I W I Ą Z A N I A S I ARKI W W A R S TW IE F L U I D A L N E 3 Z Z A N U R Z O N Y M W Y M I E N N I K I E M C I EP ŁA

S t r e s z c z e n i e . W a r t y ku le pr z ed s t a w i o n o w yn ik i badań procesu s p a ­ lania"] o ds ia r c z a n i a i w y m i a n y ciepła w p al enisku fluidalnym. B a d a ­ nia pr o wa d z o n o na s ta no w i s k u o w y d a j n o ś c i 50 kg/h w ę g la pr zy jego z i a r n i s t o ś c i do 6 mm.

i. W s tę p

S tr uk t ur a w a r s t w y fluidalnej i jej r o z mi a ry zale ż ne sę od i n t e n s y w n o ­ ści gen er a cj i ciepła oraz jego odbioru przez w y m i e n n i k ciepła. Opis z j a ­ wisk za ch o d z ą c y c h w palęcej się wa rs t w i e fluidalnej w ym a ga z na jo m o ś c i s t a ­ łych k i n et yc zn y ch reakcji chemi cz ny c h oraz w s p ó ł c z y n n i k ó w wn i ka n i a ciepła m iędzy w a r st wę i w y m i e n n i k i e m ciepła oraz m i ę d z y fazę stałę i gazowę w a r ­ stwy.

C h a r a kt er i ilość ukazu ję c yc h się inform a cj i na temat sp alania w ęg la w w arstwie fluidalnej ś w i a d c z y o w a d z e p r o bl e ma ty ki badawczej [2, 6, 7, 8, 9]. P u b l i k o w a n e dan e sę rozbieżne, jednak ost at ni o pojawiaję się już pra­

ce s yn te t y c z n e oraz p ró by up o rz ęd ko w an ia niektó ry ch zagadnień.

Rys. 1. S ta n o w i s k o badawcze

144 Z. Lorkiewicz, 0. Tomeczek

St a no w i s k o badawcze Instytutu Energetyki Paliwowej zostało zbudowane w celu zebrania s ze rokich informacji o kinetyce reakcji chemicznych i pr ze ­ kazywania ciepła w wa ru nk ac h zbliżonych do półtechnicznych. Rys. 1 p r z e d ­ stawia fragment l ab o ratorium z fluidalnę komorę spalania. W y m i a r y komory sę następujęce: ś rednica we wn ę tr zn a 5 0 0 mm, wys ok oś ć 1600 mm, średnica rusztu 1 0 0 mm. Komora w yp o sa żo na jest w dwa w ym ie nn i ki ciepła: poziomy i pionowy. W y m i e n n i k pozi om y usytu ow an y jest w warstwie f l u i d a l n e j ,natomiast pion ow y z a n u rz on y jest częściowo.

W aż ni e js ze o z n a c z e n i a :

2 A - pole przekroju p o p rz ec zn e go warstwy, m , H - wyso ko ść warstwy, m,

a r - j ednostkowa powierzchnia reakcji spalania, m /kg,2

c_ - molowa koncentracja tlenu, k m o l/ m3 , 2

^ e f ‘ ^e f s " s t a *a s zy bkości reakcji spalania i w ięzania tlenków siarki, m/s ,

n - m o lowy strumień czynnika f l u i d y z u j ę c e g o ,kmol/s,

£ - porowatpść warstwy,

- gęstość węgla w warstwie, k g/ m3 .

2, Sp al a ni e węgla

Proces spa la ni a ma z ł oż on y charakter z powodu skomplikowanej st ru k tu ry f iz ykochemicznej węgla oraz złożon oś ci zjawisk aerodynami c zn yc h w w a r ­ s twie fluidalnej. Zach od zę w niej nierozłęczne procesy podgrzewania, s u ­ szenia, odgazowania, zgazowania oraz spalania ziaren węgla i lotnych pro­

duktów od g azowania i zgazowania. D om i nu ję cy m procesem d ec ydujęcym o in­

t en sywności procesu spalania jest s palanie zi aren węgla. Oest to typowy proces h eterogeniczny. Mec ha ni z m takiego procesu można p rz edstawić za po- mocę trzech p rocesów c zęstkowych [l o j:

a) dyfuzja tlenu do powie rz ch n i reakcji,

b) wł aś ci wa reakcja chemiczna m iędzy tlenem i węglem,

c) dyfuzja pr od uk tó w reakcji z powierzchni reakcji do fazy gazowej.

S zybkość reakcji heterogenicznej z ależy od szybkości na jp o wolniejszego procesu częstkowego. Szyb k oś ć ta uwarunkowana jest rodzajem reakcji, roz­

kładem tempera tu r w granicznej w a r st wi e ziarna węgla, lokalnymi w ar unkami w y m i a n y ciepła i ma sy itp.

Próba ilości ow eg o opisu procesu spalania węgla w wars tw i e wymaga przy­

jęcia założeń u p r a s z c z a j ę c y c h , prowadzęcych do stworzenia procesu modelo-

M ec hanizm spa la ni a węgla. 145

wego. P o r ó w n a n i e szybkości reakcji chemicznych w wars tw i e fluidalnej oraz szybkości dyfuzji tlenu międz y ziarnem i fazę gazową wskazuje, że w tem­

peraturze w a r s t w y fluidalnej (około 900°C' proces jest typu kinetycznego, zaś domin uj ąc ą jest reakcja: C + Og rstr COg [8], C elem s f o rm uł ow a ni a m o d e ­ lu procesu p rzyjęto n as tępujące założenia:

a) s p alanie węgla kamiennego traktuje się jako prostą reakcję h e t e r o g e ­ niczną C + Og COg, która w odniesieniu do tlenu jest reakcją pier­

w szego rzędu,

b) temperatura w a r s t w y jest wyrównana, T = idem,

c) warstwę c ha r ak te ry z uj ą w ie l ko śc i średnie: £ = idem, = idem, n =

= i d e m , p = i d e m ,

d) zaga dn ie ni e jest jednowymiarowe.

O int e ns yw no ś ci spalania decyduje intensywność zużycia tlenu. Dla w a r ­ wy o w y s o k oś ci dH zawierającej

zużyty do spal an i a określa równanie:

stwy o w y s o k oś ci dH zawierającej dm węgla, m o l o w y s trumień tlenu dn 2

dn0 2 = k e f ’ a r • c 0 2 • dm =

k ef ‘ a r * c0 2 ’ (1 ~ £ ) ‘

9„ ■

Wy r ażając strumień tlenu poprzez koncentrację:

d"o2 = - * dco2 = - dco2 C2)

otrzymuje się równanie różniczkowe, którego rozw ią za n ie m dla procesu m o ­ delowego jest zależność:

k , . &

ln COg ■ - n T T • H + C. (3)

g d z i e :

Stałą całkow an ia C o tr zymuje się z wsru nk u brzeg o we go cn = c* dla H =

2 2

= 0. Mamy więc:

( k ef • * (5) c = c* • exp (- --- . H )

2 2 \ ń . T

J

146 Z. Lorkiewicz, 0. T omeczek

R ó w n an ie (5) w y k o r z y s t a n o do eksp e ry me nt a ln eg o w y zn a cz en ia stałej k ef sz y bk oś ci spa l an ia węgla w w a r s t w i e fluidalnej. Na rysunku 2 p rz ed s t a w i o ­ no w i e l k o ś ć k ^ na po dstawie wła sn yc h w y ni k ów badań (prosta 1) oraz da­

m/s

Sr 0,007 - Ji

Ó

* 0,015 -

_J___

900 'K Tem peratura , T

Rys. 2. Stała s z yb kości reakcji modelowej spalania węgla;

1 - w a rs tw a fluidalna, 2 i 3 - C + Og COg wedłu g [3^{] i [4]}

nych p odanych w pracach £3^{^ i [}4] (proste 2 i 3). Stała kg ^ otrzymana dla modelowej reakcji w w ar s t w i e fluidalnej nie przewyższa w z akresie tempe­

ratur w y s t ę p u j ą c y c h w war st w ie wa rt oś c i literat ur o wy ch uzyskanych dla p ro­

cesu nie fluidalnego. Została ona uzyskana dla w ęgla kamien n eg o o z i a r ­ nistości Ot6 mm, poch od zą c eg o z jednej kopalni.

3. B a d an ia e k s p e r y m en ta ln e prz ek a zy wa ni a clępła oraz wią za ni a siarki

3.1. W s p ó ł c z y n n i k wn i ka n i a ciepła

D ot yc h c z a s o w e badania poz wo li ł y określić w s p ół cz y nn ik o? wn i ka ni a c i e ­ pła od w a r s t w y fluidalnej do w y mi en n i k a ciepła [5^{, 6,} 9]. Z uwagi na trud­

ności w o d d z ie le ni u efektu konw ek cy j ne go i radiacyjnego p r zekazywania cie­

pła pr zyjęto p o w sz ec hn i e posługiwać się c ałkowitym w sp ół c z y n n i k i e m w n i k a ­ nia ciepła.

P r z e p r o w a d z o n o p o mi a ry w s p ół cz yn n ik a w n i ka ni a ciepła dla poziomego w y ­ mi e nn ik a rurowego o ś r e dn ic y 20 mm c ałkowicie zanur z on eg o w w a r s tw ie flui­

dalnej o tempe ra t ur ze 850-f950°C. Rysunek 3 i lu s truje w y ni ki badań w ł a s ­ nych oraz obcych. Linie 1 i 2 wyznacz aj ą obszar danych ek sp er ymentalnych pr z ed s t a w i o n y c h w p racy £7]. U zyskano je dla w y m i e n n i k ó w ciepła o ś re d ni ­ cy rur 35 i 60 mm ułożonych w 2 do 8 rzędów. Linia 3 została wykreś lo n a

M echanizm sp alania węgla. 147

Rya. 3. W s p ó ł c z y n n i k w n i ka n ia ciepła od w a r ­ st wy fluidalnej do rury

1 - 35 mm [7], 2 - 60 mm [7], 3 - 9,6 mm [l]

A O 0 — 20 mm (badania własne)

na podstawie równania opi ­ s uj ąc eg o w pł y w prędkości fluidyzacji na w s p ó ł c z y n ­ nik wni ka n ia ciepła z am ie ­ s zc zo ne g o w p racy [lj .Rów­

nanie to opraco wa no na podstawie .eksperymentów dla węgla o ziarn is t oś ci poniżej 0,3 mm prz y tem­

p er aturze w a r s t w y flui d al ­ nej 800°C i dla rury o ś r e d ni cy wewnętrznej 9,6mm.

Natomiast pu nkty prz e ds ta ­ w ia ją wyni ki badań w ł a s ­ nych.

Wyniki badań p o tw ie r ­ dzają m ożliwości pra k ty cz ­ nego uzyskania w y sokich w ar to ś c i w s p ó ł cz yn n ik ów of dla powierzchni o g r z e w a l ­ nych, z an urzonych c a ł k o w i ­ cie w w ar st w i e fluidalnej.

O tr zy m a n e wa rt o śc i w s p ó ł ­ czynników wn i ka n i a ciepła dla rury o ś r e d ni cy 20 mm m ieszczę się zasad ni cz o w przedziale war to ś ci pod a­

nych przez Skinnera [7].

3.2. W i ą z an i e tlenków siarki

W przypadku spal a ni a fluidalnego węgla stosuje się wią za n ie tlenków siarki za pomocą zwi ąz k ów wapn ia i magnezu. Zos ta ło to po tw ierdzone rów­

nież wła sn ym i ba da niami e k s pe ry me n ta ln ym i [6, 9] . E k s p e r y m e n t y p r z e pr ow a­

dzono z w ę g l e m k a mi en ny m o w a r to śc i opałowej W ^ = 20,2 M O/kg i z a w a r t o ­ ści siarki całkowitej s c = 2 , 4 5 % oraz do lo m it em prażonym zawierającym 5 6%

CaO i 33% MgO. Z ia r ni s t o ś ć w ęgla wy no si ł a od 0 do 6 mm, natomiast d o l o m i ­ tu 0 , 5t2 mm. W war st wi e fluidalnej utrzy m yw an o temperaturę 850-f960°C oraz liczbę n admiaru p ow i etrza A = 1,1.

Na rysunku 4 pok az an o w pł yw dodatku dolomitu na emisję tlenków siarki z fluidalnej k o m or y spalania. Ws pó łr z ę d n e punktu A wyznac za ją d op us z c z a l ­ ną emisję S 0 2 w e dł u g norm amerykań sk i ch w przypadku sp alania węgli en er ­ getycznych oraz o dp o wi a d a j ą c y jej nadmiar dolomitu

' 4 3 Z. L o r k i e w i c z , 3. Tomeczek

Emisja S02 , g SOj / kq węgla

Rys. 4. E m is j a dwutlenku siarki z fluidalnej k o mory spalania

- m /s 0

1

* 10 8 -Ź 6

O JO-T 4

N T

«0 d ts U5 2

12 5 0 1200 1150

Temperatura , T

Rys. 5. S tała sz y bk oś ci reakcji w i ? za ni a tlenków siarki za pomoc? d o l o m i ­ tu prażonego

M ec hanizm spa la ni a węgla. 149

W yniki obliczeń stałej k ^ g szy bk o śc i reakcji w i ą z an ia tlenków s i a r ­ ki za pomocą dol o mi tu pra żo n eg o prze ds t aw io no na rysunku 5 W - W p r z y j ę ­ tym ukła dz ie w s p ó ł r z ę d n y c h zależność stałej kef s od t e mp er at u ry jest liniowa i ok reślona z a le żn o śc ią uzyskaną metodą najmnie js z yc h kwadratów:

ln k ef,s = 1,768 ' 1 3 ’978 • (6)

4. Uwagi końcowe

Podane w a r to śc i s t a ły c h s z y b k oś ci reakcji s palania i wi ą za ni a tlenków siarki umoż li wi aj ą określe n ie geometrii w a r s t w y fluidalnej oraz n i e z b ę d ­ nego n admiaru d olomitu dla uzyskania odpowiedniej s k u te cz no ś ci o dsiarcza- m a . i

P r z e ds ta w io ne w s p ó ł c z y n n i k i w n i k a ni a ciepła p ot wi erdzają dane lit er at u­

rowe i wska zu j ą na m oż liwość zmni ej s ze ni a p ow ie r zc hn i ogrzewalnych.

O ds ia r c z a n i e wę gl a podczas fl uidalnego spalania odznacza się wysoką e fe kt ywnością w i ą z a n i a tlenków siarki.

W y z n a c z o n e stałe kinety cz n e uzyskano dla jednostk ow y ch powierzchni reak-

2 2

cji ziaren w ę gl a a p = 2,05 m / kg oraz a r s = 474 m A g dla ziaren d o l o ­ mitu. W y k o r z y s t a n i e stałej k g ^ dla w yz na c z e n i a nadmiaru do lomitu wyma­

ga również pr z yjęcia czasu przeb yw an i a zi aren dolomitu w warstwie, jako równego czasowi p rz eb yw a ni a ziaren węgla.

Bada ni a fluid al ne g o sp alania w ęgla są kont yn uo w an e w Instyt u ci e E n e r g e ­ tyki Pa l iwowej w celu ze br an i a pełnej inform a cj i o zjawiskach zachodzących w tym procesie.

L IT ER A T U R A

[1] B o t t er il l 0., Whe ll oc k 0.: I n ż e n ie rn o- f iz ic ze s ki j żurnał, t.25,1973, nr 3.

[2] Fl ui di s ed C o m b u s t i o n Conference, London, S e p t e mb e r 1975.

[3] Fr an k - K a m i e n i e c k i D . A . : Dif fu zj a i tiepło pi er e da cz a w chimiczeskoj kinietikie. Nauka, Moskwa 1976.

[4] Sesin 0.A . , Giełd P.W. : Chem ia fizyczna p rocesów pirome ta lu r gi cz ny c h cz. I, śląsk, Kat o wi ce 1966.

[5] Lo rk ie w i c z Z., Jast rz ąb Z.: V-th In te rn at i on al S y m p o s iu m on C o m b u ­ stion Processes, Kraków, Se pt em b er 1977.

[6] Praca badawcza. Instytut E ne r ge t y k i Paliwowej, Dąbrowa Górnicza, li­

stop ad 1977, nie publikowana.

[7] Skinner D. : T he Fluidised Combus ti on of Coal, London 1971, Mills and Boon Ltd.

[8] T om ec z e k 3., R em arczyk L . : A r c h i w u m T e r m o d y n a m i k i i Spalania, vol. 7 1976, nr 1.

150 Z. Lorkiewicz, 3. Tomeczek

[9j Tome cz e k 3., Lorki e wi cz Z. i inni: G ospodarka paliwami i energią 1977, nr 7.

[lo] Walas S . M . : Ki netyka reakcji, WNT, W a r s z aw a 1963.

MSXAH43M CKHTAHMi! y rJ IH H 3AHEP5iliBAHH3 CEPH 3 TO ilKE C nCEBflOO&HMSHHHM CJ10EM

F e

e

3 e r a i t e n p e^ ciaB JieH U p e a y j i b t a m nceJie,ĄOBaHnM MexaHHBMa cxuraH H H y t j i h , 3aAcp3CKBaHHa c e p a u

Koe<}4>HUHeHTa

c

czo-

rpe6xeHHeM y r a a 50 K r / i n p n e r o 3epHH0T00Tti ą o 6 m m .

COAL CO MB US T I O N A NO SULPH U R REMOVAL IN A FL U IDISED BED W I T H A S U 8 M E RG ED HEAT E XC HANGER

S u m m a r y

E x pe ri me n ta l results of the combustion process, desulphur is a ti on and heat transfer in a fluidised combustor are prese n te d. A 50 kg/h coal fluid ised c ombustor and coal of up to 6 mm size heve been used.