Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование разработки плазменно-циклонного способа сжигания твердого топлива
1.1 Анализ существующих способов сжигания твердого топлива 10
1.2 Сжигание твердого топлива в циклонной камере 14
1.3 Плазменно-энергетические технологии 20
1.4 Способы снижения выбросов оксидов азота при сжигании угля 26
1.5 Плазменно-циклонный процесс сжигания твердого топлива 29
2. Методика расчета плазменно-циклонной топливной системы 31
2.1 Алгоритм расчета плазменно-циклонной топливной системы 31
2.2 Методика расчета электротермохимической подготовки топлива 33
2.3 Определение геометрических и аэродинамических характеристик циклонной камеры 41
2.4 Распределение тепловых потоков плазменно-циклонной топливной системы 46
2.5 Пример расчета плазменно-циклонной топливной системы 51
3. Экспериментальное исследование сжигания пылеугольного топлива в плазменно-циклонной топливной системе 56
3.1 Цели и задачи экспериментального исследования 56
3.2 Описание экспериментальной установки 57
3.3 Методика проведения эксперимента 61
3.4 Результаты сжигания пылеугольного топлива в плазменно-циклонной топливной системе 64
3.5 Экспериментальное исследование влияния добавки цеолита к топливу на образование вредных газообразных выбросов 67
4. Оценка эколого-экономической эффективности технологии сжигания угля в плазменно-циклонной топливной системе 72
4.1 Область применения технологии сжигания угля в плазменно-циклонной топливной системе 72
4.2 Методика оценки эколого-экономической эффективности инвестиционных проектов 74
4.3 Оценка эколого-экономической эффективности технологии сжигания угля в плазменно-циклоннои топливной системе при переводе газомазутных котлов на уголь 83
Заключение 96
Библиографический список использованной литературы 98
Приложения 110
- Способы снижения выбросов оксидов азота при сжигании угля
- Определение геометрических и аэродинамических характеристик циклонной камеры
- Экспериментальное исследование влияния добавки цеолита к топливу на образование вредных газообразных выбросов
- Оценка эколого-экономической эффективности технологии сжигания угля в плазменно-циклоннои топливной системе при переводе газомазутных котлов на уголь
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В современных условиях особую важность приобретает вопрос ресурсосбережения. Постоянный рост цен на жидкое топливо, обусловленный сокращением природных запасов нефти, являющейся сырьем для нефтеперерабатывающей промышленности, заставляет искать другие энергетические источники. Дефицит нефти оказывает прямое воздействие на стоимость природного газа, запасы которого, в случае большого спроса, будут исчерпаны не менее быстрыми темпами, чем нефтяные ресурсы.
Особую важность данный вопрос приобретает в региональном аспекте. В Забайкальском крае нет нефтяных и газовых месторождений, способных обеспечить топливом существующие газомазутные энергетические котлы. Наличие последних в нашем регионе объясняется сопоставимой стоимостью мазута и угля на момент установки оборудования при более высокой эффективности газомазутных котлов. Вместе с тем, на указанной территории существуют значительные угольные месторождения, способные вытеснить газовое и мазутное топливо из энергетического баланса региона.
Эти обстоятельства приводят к необходимости замены газомазутных котлов на котлы, работающие на твердом топливе. Однако отсутствие инвестиций в энергетику и свободных денежных средств у энергетических компаний не позволяет это осуществить.
Сжигание твердого топлива существующими способами в газомазутных котлах требует значительной их реконструкции по двум основным причинам: тепловое напряжение топочного объема при горении газового или мазутного топлива намного выше, чем при горении твердого топлива; отсутствие системы золоудаления в газомазутных котлах.
Преодоление указанных трудностей возможно путем внедрения технологии, позволяющей интенсифицировать процесс горения твердого
топлива и обеспечить удаление минеральных примесей без серьезной модернизации газомазутных котлов.
Такой технологией может стать сжигание твердого топлива в плазменно -
циклонной топливной системе (ПЦТС), пристраиваемой к существующим
газомазутным котлам. Сжигание в плазменно-циклонной топливной системе
совмещает следующие высокоэффективные процессы:
электротермохимическая подготовка топлива и последующие вихревое сжигание пылеугольного топлива в циклонной камере, а также удаление расплавленной минеральной части топлива.
Основным направлением применения разрабатываемой технологии является повышение эффективности работы существующих котельных агрегатов ТЭС.
Таким образом, представленные положения обосновывают актуальность исследования сжигания угля в плазменно-циклонной топливной системе.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Степень научной разработанности темы. Циклонная организация топочного процесса заинтересовала отечественных и зарубежных ученых в первой половине прошлого века. Уже первые исследования, выполненные В. Тринксом, Г.Ф. Кнорре, Д.Н. Ляховским, Е.А. Нахапетян и др., выявили большие преимущества топливных печей циклонного типа. Последовавшие за этим полномасштабные исследования, сопровождающиеся промышленным внедрением циклонных печей различного назначения, отражены в коллективных трудах КазНИИЭнергетики, ВТИ, ЦКТИ, ЛПИ им. Калинина и др. Особо следует отметить вклад в развитие циклонных процессов Л. А. Вулиса, Б.П. Устименко, А.Б. Резнякова, АЛ. Калишевского и Б.Д. Канцельсона, Л.Н. Сидельковского, П.М. Михайлова, А.Н. Штыма, Э.Н. Сабурова и др. На современном этапе, в работах Э.Н Сабурова, СВ. Карпова, СИ. Осташева, АН. Егорова, Ю.Л. Леухина, О.А. Белозеровой и др., значительно расширен диапазон исследований, и достигнут высокий
уровень понимания процессов, протекающих в циклонных нагревательных устройствах.
Исследования плазменно-энергетических процессов, обусловленные возникшим энергетическим кризисом, появились в конце 70-х годов прошлого века. Концепция плазменной газификации углей, как нового метода повышения эффективности топливоиспользования и снижения вредных выбросов в энергетике, впервые сформулированаГ.Н. Кружилиным. Первые промышленные испытания плазменной подсветки пылеугольного факела проведены Ф. Блэкборном (США). Позднее, в работах Л.С. Полака, М.Ф. Жукова B.C. Перегудова, В.Е. Мессерле и др., была установлена возможность плазменного розжига и подсветки пылеугольного факела. Продолжением этих исследований стали работы Е.И. Карпенко, В.Е. Мессерле, АС. Аскарова, З.Б. Сакипова, MX Ибрагимова, С.Л. Буянтуева, АБ. Устименко, Б.Г. Трусова, В.В. Дробчик, СЮ. Шишулькина и др. В результате проведенных исследований разработаны плазменно-энергетические технологии, направленные на безмазутную растопку, стабилизацию горения факела и выходажидкого шлака пылеугольных котлов, а также газификацию и комплексную переработку твердого топлива.
При всем многообразии исследований циклонных и плазменно-энергетических процессов на сегодняшний день практически отсутствуют работы, посвященные совмещению этих высокоэффективных процессов. Поэтому постановки диссертационного исследования являются актуальными и правомочными.
Объектом исследования выступает плазменно-циклонная топливная система.
Предметом исследования является оценка эффективности сжигания твердого топлива в плазменно-циклонной топливной системе.
Исследовательская гипотеза: совмещение электротермохимической подготовки угля и его последующего сжигания в циклонной камере повысит эффективность топливоиспользования.
Целью работы является исследование совмещения процессов предварительной электротермохимической подготовки угля и его последующего сжигания в циклонной камере, а также влияния добавки цеолита к топливу на образование вредных газообразных выбросов.
Для достижения цели исследования поставлены следующие задачи:
- разработка методики расчета сжигания угля в плазменно-циклонной
топливной системе;
- экспериментальное исследование сжигания угля в плазменно -
циклонной топливной системе;
экспериментальное исследование влияния добавки цеолита к топливу на образование вредных газообразных выбросов и температурный режим ПЦГС;
оценка эко лого-экономической эффективности плазменно-циклонного процесса сжигания угля.
Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых, посвященные проблемам плазменно-энергетических и циклонных процессов.
Эмпирическая база исследования основана на собственных экспериментальных данных.
В рамках диссертационного исследования получены следующие наиболее важные результаты, определяющие его научную новизну:
- впервые представлена и обоснована возможность совмещения
процессов электротермохимической подготовки топлива и сжигания угля в
плазменно-циклонной топливной системе;
- разработана методика расчета сжигания угля в плазменно-циклонной
топливной системе;
- экспериментально исследовано влияние добавки цеолита на концентрацию вредных газообразных выбросов при сжигании угля в плазменно-циклонной топливной системе.
Достоверность, полученных в результате работы выводов и рекомендаций подтверждается использованием многократно проверенных теоретических и эмпирических методик и зависимостей.
Практическая значимость работы заключается в том, что технология сжигания угля в плазменно-циклонной топливной системе позволит отказаться от использования мазута в энергетике, интенсифицировать топочные процессы, и тем самым повысить технико-экономическую и экологическую эффективность топливоиспользования.
Основные положения, выносимые на защиту:
- теоретическое и экспериментальное обоснование совмещения
электротермохимической подготовки угля и его сжигания в циклонной
камере;
методика расчета сжигания угля в плазменно-циклонной топливной системе позволяет проектировать ГЩТС различной мощности;
результаты экспериментальных исследований влияния цеолита на концентрацию выбросов диоксидов серы и оксидов азота позволяют производить дальнейшее совершенствование аддитивного метода снижения вредных выбросов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2007 г.); Всероссийской научно-практической конференции: «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по проблемам промышленной теплоэнергетики (Челябинск, 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции: «Кулагинские чтения» (Чита, 2008 г., 2009 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции: «Энергетика в современном мире» (Чита, 2009 г.); XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы:
«Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (СПб, 2009 г.).
Личный вклад автора. Автор принимал активное участие в постановке и решении задач исследования. Экспериментальные исследования и обработка экспериментальных данных проводилась при непосредственном участии диссертанта.
Публикации. Основные научные результаты работы отражены в 10 печатных изданиях.
Структурно диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и двух приложений.
Объем работы: 97 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 30 рисунков, библиографический список из 109 наименований, 2 приложения.
Способы снижения выбросов оксидов азота при сжигании угля
В процессе сжигания угля происходит образование вредных оксидов азота. При термической деструкции углей происходит отщепление функциональных групп, содержащих .азот топлива, которые при взаимодействии с кислородом образуют топливные оксиды азота. Выход топливных оксидов азота линейно зависит от содержания азота в угле и возрастает при увеличении концентрации кислорода по квадратичному закону. Топливные оксиды азота возникают при температуре 950 К и увеличиваются примерно в 5 раз при повышении температуры до 1200 К. При дальнейшем увеличении температуры до 1800 К концентрация оксидов азота растет слабо. Образование термических оксидов азота происходит за счет окисления азота, содержащегося в воздухе, и обусловлено в основном максимальной температурой в зоне горения. Термические оксиды возникают при температурах выше 1800 К [47, 56].
Уменьшение выбросов оксидов азота может производиться по нескольким направлениям: очисткой исходного сырья от вредных примесей, проведением процесса в условиях, когда вредные вещества образуются в меньшей степени и удалением из газов вредных оксидов. Очистка исходного топлива от вредных примесей является весьма сложной и дорогостоящей операцией и имеет строгие экономически целесообразные границы применения.
Сжигание топлива в условиях, когда вредные вещества образуются в меньшей степени, является наиболее перспективным направлением. Одним из распространенных примеров развития этого направления является ступенчатый подвод окислителя и невысокий уровень температур. На сегодняшний день разработаны различные технологии, применяющие ступенчатое сжигание топлива. Наиболее благоприятные условия для снижения образования оксидов азота создаются при электротермохимической подготовке топлива. Особенности воздействия низкотемпературной плазмы на топливо в совокупности с оригинальной схемой процесса ЭТХПТ позволяют значительно снизить коэффициент избытка воздуха и соответственно оксиды азота.
Для удаления вредных веществ из газообразных продуктов сгорания топлива широкое применение нашли адсорбционные методы очистки газов. Одними из наиболее дешевых сорбирующих веществ являются известняк и цеолиты. Цеолиты обладают перед известняком тем преимуществом, что позволяют поглощать целый ряд газовых компонентов: двуокись серы, оксиды азота, сероводород, сероуглерод, аммиак и др. [57]. Природные цеолиты являются наиболее распространенными породообразующими минералами вслед за минералами кремнезёма, полевыми шпатами и глинами.
В Забайкальском крае одним из крупнейших месторождений цеолита является Шивыртуйское. Цеолитсодержащий туф Шивыртуйского месторождения состоит в основном из клиноптилолита, содержание которого доходит до 80%. Адсорбционные свойства цеолитов определяются эффективным диаметром входных окон и внутрикристаллическим объёмом, занятыми молекулами воды. По величине эффективного диаметра входных окон клиноптилолит относится ко второму классу - среднепористые, а содержание влаги в нем достигает 30%. Клиноптилолит очень стабилен к дегидратации, после которой хорошо адсорбирует различные соединения. Механизм адсорбции при использовании цеолитов следующий. При нагревании цеолита молекулы воды вытесняются и оставляют после себя пустоту в правильно расположенной структуре цеолита, которая остается без изменений. Эти пустоты имеют одинаковый размер, что является уникальной особенностью цеолитов. Пустоты образуют объем свободного внутрикристаллического пространства, который определяет число молекул, адсорбирующихся дегидратированным цеолитом.
На основе обзора и анализа данных по очистке дымовых газов адсорбционными методами было установлено, что возможна разработка трех вариантов технологии применения природного цеолита [57, 58]: разработка и создание цеолитовых фильтров; распыливание цеолитов в объеме уходящих газов; добавка цеолита к топливу перед сжиганием.
Последний вариант был принят к разработке исходя из следующих соображений: высокая термостабильность природного цеолита Шивыртуйского месторождения позволяет производить совместное с ним сжигание; относительная простота данной технологии по сравнению с альтернативными; нет необходимости в сооружении специальной установки для дегидратации цеолита, поскольку этот процесс происходит при прохождении угольно-цеолитовой смеси через систему топливоприготовления. При сжигании твердого топлива в факеле и кипящем слое с добавкой цеолита Шивыртуйского месторождения наблюдается положительный эффект от использования данной технологии газоочистки [57, 59]. Таким образом, для снижения выбросов оксидов азота при сжигании твердого топлива наиболее целесообразным является направление, связанное с созданием условий, при которых образование вредных оксидов происходит в меньшей степени. Дополнительный экологический эффект может быть достигнут за счет поглощения вредных веществ цеолитом. 1.5 Плазменно-циклонный процесс сжигания твердого топлива
Основным направлением ресурсосбережения является замещение мазута в энергетике твердым топливом. Реакционная и теплотворная способность угля намного меньше мазута, в связи с этим необходима значительная интенсификация процесса сжигания угля.
Анализ существующих способов сжигания твердого топлива показал, что наибольшие возможности для интенсификации сжигания возникают при использовании циклонного процесса. Благодаря особой аэродинамической структуре потока в циклонной камере складываются исключительно благоприятные условия для тепло- и массообмена между газом и частицами топлива, а также удалением золы. Однако чувствительность к качеству топлива и повышенное образование оксидов азота (наряду с другими недостатками) затрудняют внедрение циклонного процесса сжигания твердого топлива.
Преодоление. указанных трудностей возможно применением электротермохимической подготовки топлива, позволяющей значительно интенсифицировать процесс воспламенения и горения топлива без использования дополнительного высокореакционного топлива при пониженном образовании вредных выбросов. Дополнительный экологический эффект может быть получен при использовании добавки цеолита-к топливу.
Таким образом, предварительная электротермохимическая подготовка топлива и последующее вихревое сжигание угля в циклонной камере в совокупности образуют плазменно-циклонный процесс. Организация плазменно-циклонного процесса осуществляется в плазменно-циклонной топливной системе (рис. 1.7).
Определение геометрических и аэродинамических характеристик циклонной камеры
Процесс горения твердого топлива в плазменно-циклонной топливной системе (ПЦТС) состоит из сложного комплекса явлений: взаимодействие плазменной струи с потоком аэросмеси и воспламенение, движение двухфазного потока, тепло- и массообмена, горения в объеме циклонной камеры и на поверхности ее стенок. При этом каждое явление обусловлено взаимовлиянием друг на друга. Поэтому создание и решение единой системы уравнений, описывающей плазменно-циклонныи процесс, является весьма сложной задачей. В связи с этим для математического моделирования процесса целесообразно использовать поэтапный метод расчета. Этот метод предполагает разбиение ПЦТС на две подсистемы таким образом, что конечные значения параметров первой подсистемы являются начальными, вместе с собственными значениями материальных и тепловых потоков, последующей подсистемы.
Первым этапом переработки твердого топлива в плазменно-циклонной топливной системе является электротермохимическая подготовка топлива, вторым этапом - сжигание этого топлива в циклонной камере (рис. 1.7). Исходя из этого, алгоритм расчета, реализующий поэтапный метод расчета, состоит из пяти блоков (рис. 2.1).
Первый блок — исходные данные, задается необходимая тепловая мощность ПЦТС или расход топлива. Вводятся характеристики угля, рассчитываются, по стандартным зависимостям, объемы продуктов сгорания и необходимое количество воздуха. Задается температура вторичного воздуха.
Во втором блоке производится расчет ЭТХПТ. На основании термодинамического и кинетического расчета определяется оптимальная температура ЭТХПТ, при которой происходит стабилизация выхода горючих компонентов. Оцениваются удельные энергозатраты на процесс ЭТХПТ, определяется мощность плазмотрона и параметры на выходе из камеры, а также геометрия камеры ЭТХПТ.
Третий блок предназначен для определения геометрических характеристик циклонной камеры. На основе известных значений допустимого теплонапряжения сечения циклонных камер и данных первого и второго блоков рассчитывается определяющий размер — диаметр циклонной камеры и остальные характерные размеры.
В четвертом блоке осуществляется расчет аэродинамических характеристик циклонной камеры. Конечным результатом расчета этого блока является коэффициент сопротивления циклонной камеры.
В пятом блоке производится расчет тепловых потоков по уравнениям теплового баланса. Расчет производится итерационным методом при задаваемых температурах пленки жидкого шлака и газа на выходе. В итоге определяется истинное теплонапряжение сечения камеры и возможна коррекция геометрии (диаметра циклонной камеры). Завершающим этапом расчета является оценка перепада давления в циклонной камере с учетом неизотермичности процесса.
Представленная методика расчета плазменно-циклонной топливной системы реализована на ЭВМ в системе «Mathcad». Положительными чертами методики является простота и наглядность при достижении, достаточной для инженерных расчетов, точности. Рассмотрим наиболее интересные элементы алгоритма подробнее.
Расчет электротермохимической подготовки топлива заключается в определении удельных энергозатрат и мощности плазмотрона, состава продуктов процесса, параметров на выходе из камеры, а также геометрические размеры подсистемы ЭТХПТ. Для решения этих задач существуют две взаимодополняющие расчетные схемы термодинамическая и кинетическая [47].
Для термодинамического анализа процесса ЭТХПТ может быть использован программный комплекс АСТРА-4 [60, 61], модифицированный для энергетических углей [47].
Методическую основу расчета составляют фундаментальные законы термодинамики совместно с законами сохранения массы, энергии и заряда. Это позволяет для закрытых термодинамических систем (исключается возможность возрастания энтропии системы за счет диссипативных процессов и в связи с теплопередачей между различными частями системы или по ее внешней границе) построить математическую модель образования в равновесии газообразных и конденсированных веществ, электро-нейтральных и ионизированных компонентов. В общем случае система является гетерогенной и состоит из нескольких разнородных фаз, отделенных видимыми границами. При этом газообразные индивидуальные вещества входят в состав одной газовой фазы, а конденсированные компоненты могут образовывать отдельные фазы. Присутствие газовой фазы считается обязательным для любой из систем, в то время как конденсированные вещества могут, отсутствовать. Процесс установления фазового и химического равновесия является реальным необратимым процессом, в котором энтропия возрастает и в положении равновесия достигает максимума.
Подготовка исходных данных для расчета состава и параметров равновесного состояния включает: директивы к конкретному варианту расчета, которые определяют условия его проведения; собственно исходные данные, в которых задают элементарный состав рассматриваемой термодинамической системы, и параметры, определяющие ее равновесие (давление и температура). Все остальные данные, параметры и константы, необходимые для организации итерационного процесса и вычисления термодинамических функций в равновесных условиях, определяются через взаимосвязанные величины или задаются непосредственно в программе. Результат расчета равновесного состояния представлен в виде таблицы теплофизических и термодинамических "параметров рабочего тела для заданного давления и температуры.
Современным, усовершенствованным аналогом программы АСТРА является, разработанная в Московском государственном техническом университете им.. Н.Э.Баумана, программа термодинамического состава фаз произвольных гетерогенных систем, а также их термодинамических и транспортных свойств - TERRA [62]. По сравнению с предшествующим прототипом, TERRA обладает гораздо более удобным пользовательским интерфейсом и представляет новые возможности по обработке и отображению результатов моделирования. Предельное число химических элементов, из которых может состоять исследуемая система, равно пятидесяти, число конденсированных фаз, рассматриваемых в ходе одного расчета, ограниченно двумястами, а количество компонентов газовой фазы, образующихся в. равновесии (число индивидуальных веществ), может достигать восьмисот.
Экспериментальное исследование влияния добавки цеолита к топливу на образование вредных газообразных выбросов
Кинетическая схема лежит в основе математической модели движения, нагрева и кинетики термохимических превращений угольных частиц в плазменных устройствах [63, 64, 54, 65, 66]. Модель процесса описывает двухфазный (полидисперсные угольные частицы + газ окислитель) химически реагирующий поток, распространяющийся в канале с внутренним источником тепла.
Физическая схема процесса предполагает следующие стадии: - «холодные» частицы и газ поступают в плазменное устройство с различными скоростями, определяемыми их массовыми расходами; - газ вступает в теплообмен с дугой и нагревает частицы при наличии тепловых потерь в стенку и излучения как стенки на частицы, так и частиц на стенку камеры ЭТХПТ; - по мере достижения частицами значения температуры выделения летучих начинается выход последних в газовую фазу в соответствии с кинетическим механизмом данного процесса. Кинетическая схема включает следующие стадии: - выделение летучих из угля; - термохимические превращения летучих в газовой фазе; - термохимические превращения коксового остатка в реакциях газ твердое тело. При математическом описании процессов воспламенения, горения и газификации угольной пыли в одномерном приближении вероятную двух-или трёхмерность явлений можно неявно учесть с помощью метода ступенчатого расчета. Этот метод предполагает разбиение плазменного устройства на условные ступени. Первая ступень включает зону теплового источника (дугу, плазменную струю), в которой плазмой с определенной тепловой мощностью нагревают часть аэросмеси до температуры воспламенения, при которой начинается процесс интенсивного окисления угольных частиц. Количество аэросмеси подбирается таким образом, чтобы мощности теплового источника было достаточно для инициирования этого процесса. Конечные значения параметров на 1-ой ступени являются начальными значениями для 2-ой ступени вместе с собственными значениями материальных и тепловых потоков для 2-ой ступени. Состав топлива уже будет отличен от состава исходного угля, который частично газифицирован на 1-ой ступени. Необходимо учитывать также, что твердая фаза пылеугольного потока разделена по температуре на две части: прошедшая термоподготовку на первой ступени, и вторая часть - угольные частицы с начальной температурой свежей аэросмеси, поступающей на вторую ступень.
Состав твердых топлив представляется в модели их органической (ОМУ) и минеральной (ММУ) массами. Минеральная часть угля задается в виде золы с соответствующими теплофизическими свойствами, а органическая масса угля - углеродом и летучими, которые в свою очередь представляют собой набор функциональных групп (СО, С02, СНЛ, Н2, Н20, С6Н6). Для многих углей данные о концентрациях в них различных функциональных групп отсутствуют, поэтому в случаях, когда состав летучих угля не известен, по результатам эксперимента рекомендуются такие пределы изменения концентраций функциональных групп: для бурых углей: СО = 14-21 %, С02 =4-10%, СН4 =5-10%, Я2 =0,2-3 %, Н20 = 20-30%, С6Яб =35-40%. Для каменных углей и антрацитов: СО = 25-30%, С02=5-15%, СНЛ =3-6%, Я2 =18-23%, Я2 9 = 11-14%, С6Я6 = 22 - 26 %. При подборе концентраций функциональных групп необходимо иметь в виду, что суммарная концентрация водорода и кислорода должна соответствовать таковой, взятой из элементарного состава летучих угля.
В модели предполагается, что азот входит только в состав органической части угля, причем большая часть азота содержится в смоле, а меньшая в других газообразных продуктах. Содержание азота в углях различной степени метаморфизма известно и составляет 0,5-2%. Бурые и каменные угли, в плане учета азота, различаются между собой только долей выделяющегося при нагреве угля азота. Так с уменьшением содержания летучих от 40 до 10% доля выделяющегося при пиролизе угля азота уменьшается с 53 до 20%. Даже при температурах порядка 2000 К 30-40% азота остается в коксовом остатке в виде очень прочных соединений. Распределение азотсодержащих продуктов (в % от азота топлива): для бурых углей принято 70%,— летучие, 30% — коксовый остаток; для каменных углей и антрацитов 50% летучие, 50% коксовый остаток.
В процессах термообработки угля происходит деструкция органической и неорганической составляющих его с образованием различных серосодержащих веществ. Общее содержание серы колеблется в пределах 0,5-3%. Основное количество неорганической серы содержится в пирите (FeS2), а органической в меркаптанах (CH3SH) и тиофенах (C4H4S). Предполагается, что сера исходного сырья распределяется следующим образом (в % от общего содержания серы в угле): для бурых углей FeS2 « 42, СЯ3Я«9, C4H4S и 49; для каменных углей и антрацитов FeS2m 33, CH3SH 23, C4H4S 44. Кинетическая расчетная модель реализована на ЭВМ в программных комплексах «Плазма-уголь» и «Плазма-муфель» [47]. Таким образом, для комплексной оценки эффективности процесса электротермохимической подготовки топлив возможно использование термодинамического и кинетического расчета.
Оценка эколого-экономической эффективности технологии сжигания угля в плазменно-циклоннои топливной системе при переводе газомазутных котлов на уголь
Отсутствие опытных данных по сжиганию угля в плазменно-циклонных топливных системах (ПЦТС), а также влияние добавки цеолита к топливу при вихревом сжигании, побудили произвести собственные экспериментальные исследования. Целями экспериментального исследования являются. 1. Доказательство существования и снятие параметров плазменно-циклонного процесса. В связи с тем, что ранее не производилось совмещения электротермохимической подготовки и сжигания угля в циклонной камере необходимо опытное доказательство такой возможности. 2. Определение влияния добавки цеолита на режим горения и образование вредных выбросов при сжигании угля в ПЦТС, что ранее также не производилось. В соответствии с этими целями поставлены следующие задачи экспериментального исследования. 1. Определение характеристик режима горения. 2. Фиксация газообразных продуктов сгорания и определение химического недожога. 3. Определение степени золоулавливания и механический недожог топлива. 4. Фиксация состава продуктов сгорания и температурный режим при различных массовых добавках цеолита к топливу. Опыты осуществлялись на базе Отраслевого центра плазменно-энергетических технологий (ОЦ ПЭТ) РАО «ЕЭС России». ОЦ ПЭТ был создан в 1995 году для повышения эффективности топливоиспользования за счет внедрения плазменно-энергетических технологий. В состав центра вошли три научно-технические лаборатории, теплотехническая и электротехническая службы. Научным центром в сотрудничестве с другими научно-исследовательскими коллективами разработаны и освоены такие плазменно-энергетические технологии как: безмазутная растопка пылеугольных котлов; плазменная стабилизация горения (подсветка) пылеугольного факела; безмазутная стабилизация выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением; плазменная алло-автотермическая газификация углей; комплексная переработка твердых топлив.
Наличие необходимого оборудования и многолетнего опыта работы сотрудников ОЦ ПЭТ позволили создать лабораторную экспериментальную установку по сжиганию пылеугольного топлива в плазменно-циклонной топливной системе.
Бункер 6 пылевидного топлива обеспечивает подачу топлива на несколько минут. Питатель оригинальной конструкции осуществляет порционную подачу топлива на пяти режимах. Несущей средой для топлива является воздух, подаваемый по воздуховоду 7 от дутьевого вентилятора 5. Пылеугольная аэросмесь поступает в плазменно-топливную систему (ПТС), представляющий собой цилиндрическую камеру диаметром 0,21 ми длиной 1,84 м, охлаждаемую снаружи потоком вторичного воздуха, подаваемого по трубопроводам 8. Особо теплонапряженная часть ПТС имеет водяное охлаждение.
Линейный плазмотрон 1 постоянного тока обладает мощностью, необходимой для воспламенения потока аэросмеси на максимальном режиме работы питателя. Плазмотрон также имеет водяное охлаждение. В плазмомуфеле происходит нагрев электродуговой плазмой пылеугольной части аэросмеси до температуры полного выделения летучих и частичной газификации коксового остатка и перевод системы в автотермический режим. Пройдя электротермохимическую подготовку, пылеугольная аэросмесь подается в горизонтальную циклонную камеру 3 диаметром 0,768 м, длиной 1,13 м.
Внутренняя поверхность камеры ошипована и обмурована слоем огнеупорной карборундовой обмазки. Тангенциальная подача топлива и вторичного воздуха в циклонную камеру осуществляется по прямоугольным каналам, площадь поперечного сечения которых составляет 0,031 м2 и 0,036 м2 соответственно. В циклонной камере частицы топлива многократно циркулируют в газовоздушном потоке по обтекаемому контуру. В закрученном пылегазовом потоке отдельные пылинки вследствие действия центробежных сил приобретают значительные относительные скорости по отношению к газу в радиальном направлении. При этом происходит сегрегация частиц по размерам: более крупные сепарируются на цилиндрическую стенку циклонной камеры, где сгорают в пленке жидкого шлака, наиболее мелкие, не успев достигнуть стенки, сгорают в объеме. Выход жидкого шлака осуществляется через летку расположенную с дальнего по ходу газов торца по нижней образующей камеры. Дымовые газы отводятся через центральное выходное отверстие диаметром 0,33 м, углубленное внутрь камеры. Отбор дымовых газов 14 для анализа осуществляется на выходе из циклонной камеры. Дымовые газы, пройдя через газоход 12, снабженный измерительными отверстиями 13, поступают в водогрейный котел-утилизатор 4. Питание котла водой осуществляется от трубопровода охлаждающей воды 15. Пройдя котел-утилизатор и пылеуловители дымовые газы, при помощи дымососа 9 и дымовой трубы 11, отводятся в окружающую среду. Тарировка отдельных элементов, а также холодная продувка экспериментальной установки производилась в соответствии с инструкцией по эксплуатации измерительных приборов и рекомендациями, изложенными в работе [132]. В качестве топлива использовался бурый уголь Окино-Ключевского месторождения со следующими характеристиками: Помол угля и цеолита осуществлялся в дробильной машине, а затем вручную подавался в бункер пыли экспериментальной установки. Дисперсный состав полученной пыли приближен к составу пыли, произведенной в промышленных условиях молотковой мельницей. Таким образом, представленная экспериментальная установка соответствует физической схеме плазменно-циклонного процесса, и способна обеспечить, при наличии соответствующей приборной базы, решение поставленных задач.
