ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ КИНЕТИКИ ГОРЕНИЯ  И ГАЗИФИКАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ И ИХ КОКСОВ

Майстренко А.Ю.

Институт угольных энерготехнологий НАН и МинТопЭнерго Украины, Киев, Украина

Исследование кинетических характеристик взаимодействия углей и коксов с СО₂ и О₂ осуществлено в импульсном безградиентном реакторе кипящего слоя в широком диапазоне изменения температуры процесса, концентрации и давления газа-реагента , размеров топливных частиц.

В качестве объекта исследований были взяты основные энергетические угли Украины: антрацитовый штыб (АШ), донецкие тощий (ДТ), газовый (ГСШ), длиннопламенный (ДД), львовско-волынский газовый (Л-В(Г)), александрийский бурый (АБ) с размерами частиц d=0-6 мм, зольностью на сухую массу А₁^d=18-55 %, содержанием серы S₁^d Ј 2.8 %. Ряд сопоставительных экспериментов осуществлен на их высокосернистых аналогах (S₁^d=3.4-4.8 %) и отходах углеобогащения (А₁^dЈ 71.0 %).

Основные выводы из полученных исследований состоят в следующем.

1.     Определены кинетические  характеристики взаимодействия коксов основных энергетических углей Украины (АШ, ДТ, ГСШ, Л-В(Г), ДД, АБ), в том числе высокозольных и высокосернистых, с СО₂ и О₂ (приближение Аррениуса) в кипящем слое в широком диапазоне изменения зольности исследованных углей (А₁^d = 4.6-71.0 %), концентрации газа-реагента (  = 0.02-48.7 кг/м³,  = 0.05-7.43 кг/м³) давления в реакторе (Р = 0.101-2.51 МПа) и температуры конверсии (Т_г = 970-1350 К, Т_с = 650-1000 К), а также доверительные оценки их точности.

2.     Показано, что с ростом концентрации СО₂ и О₂, уменьшением зольности и степени метаморфизма используемых углей, происходит увеличение скорости конверсии их коксов, причем снижение степени метаморфизма  сказывается, в основном, на увеличении Е_а (энергии связи) и в ряде случаев (реакция С+О₂) на росте К_оў (меры доступности). Для реакции С+СО₂ найдены температурные границы существования внутрикинетического, а для реакции С+О₂ – внутрикинетического и внутридиффузионного режимов реагирования.

3.      Показано, что во внутридиффузионном режиме происходит вытеснение реакций С+О₂ на поверхность мезо-, макропор и контурную поверхность частиц, что характеризуется постоянством скоростей реагирования в максимуме конверсии.

4.      Обнаружено, что в случае взаимодействия  коксов энергетических углей с СО₂ и коксов АШ и ДТ с О₂ наблюдается постоянство скорости реакции, отнесенной к текущей массе углерода, а в случае конверсии коксов высокозольных каменных и бурых углей в О₂ – к начальной массе. Произведена корреляция определенных кинетических характеристик с данными других авторов, полученными на твердых топливах близкой степени метаморфизма. Константы скорости взаимодействия энергетических углей и их коксов с СО₂ и О₂ использованы в расчетах процессов горения и газификации твердых топлив при проектировании энергетических котлоагрегатов циркулирующего кипящего слоя и демонстрационных установок с реакторами кипящего и циркулирующего кипящего слоя под давлением.

Получены константы элементарных стадий реакции С+СО₂ в приближении Ленгмюра-Хиншельвуда для коксов энергетических углей при различных парциальных давлениях газа-реагента (  = 1.0-37.5 кг/м³), а также доверительные оценки их точности. Показано, что с ростом концентрации СО наблюдается уменьшение скорости конверсии коксов, причем по мере увеличения температуры взаимодействия топливных частиц с СО₂ влияние данного эффекта на скорость реагирования уменьшается. Найдено, что константы газофазных стадий реакции С + СО₂ не зависят от степени метаморфизма твердых топлив и являются универсальными. Произведена корреляция констант элементарных стадий с данными других авторов, полученными при атмосферном давлении на углеродных материалах. Показано, что при концентрации СО в продуктах реакции менее 3.0 % приближения Аррениуса и Ленгмюра-Хиншельвуда с одинаковой точностью описывают режимы конверсии коксов  углей с СО₂, а при более высоких концентрациях необходимо использовать приближение Ленгмюра-Хиншельвуда.