Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние теории и практики зажигания частиц водоугольного топлива в условиях, соответствующих топочным устройствам котельных агрегатов тепловых электрических станций 13
ГЛАВА 2. Постановка задачи тепломассопереноса при зажигании частицы водоугольного топлива в условиях, соответствущих топочным устройствам котельных агрегатов тепловых электрических станций 36
2.1 Физическая постановка 36
2.2 Математическая постановка 39
2.4 Решение уравнения теплопроводности 45
2.5 Решение уравнения теплопроводности с учетом движения границы раздела системы «исходное ВУТ - сухой углеродистый агломерат» в условиях испарения воды 47
2.6 Решение уравнения химической кинетики 50
2.7 Решение уравнения фильтрации 51
2.8 Алгоритм решения задачи 53
2.9 Решение тестовых задач 55
2.9.1 Одномерный теплоперенос в сферической частице 55
2.9.2 Одномерный теплоперенос в сферической частице с химической реакцией (задача зажигания) 57
2.9.3 Одномерный теплоперенос в сферической частице с химической реакцией и термическим разложением материала 61
ГЛАВА 3. Математическое моделирование зажигания частицы водоугольного топлива в условиях, соответствующих топочным устройствам котельных агрегатов тепловых электрических станций. 63
3.1 Зажигание частицы водоугольного топлива в условиях, соответствующих топочному устройству котельных агрегатов ТЭС 63
3.2 Сравнение результатов применения двух возможных различных подходов к моделированию процессов тепломассопереноса при зажигании частиц водоугольного топлива 69
3.3 Влияние зависимости теплофизических свойств угля от температуры на условия и характеристики зажигания частицы водоугольного топлива 76
3.4 Зажигание частиц водоугольного топлива при различных концентрациях угольной компоненты 81
3.5 Зависимость времени задержки зажигания частиц ВУТ от интенсивности теплообмена 86
3.6 Анализ зависимости времени задержки зажигания от геометрической конфигурации частицы водоугольного топлива 91
3.7 Влияние гетерогенности структуры частиц ВУТ на характеристики и условия воспламенения 96
3.8. Условия и характеристики воспламенения частиц водоугольных топлив, выполненных из углей различных марок 101
3.9 Рекомендации по конструированию топочных устройств водоугольных котельных агрегатов тепловых электрических станций 105
Заключение 108
Литература 111
- Решение уравнения теплопроводности
- Одномерный теплоперенос в сферической частице
- Сравнение результатов применения двух возможных различных подходов к моделированию процессов тепломассопереноса при зажигании частиц водоугольного топлива
- Зависимость времени задержки зажигания частиц ВУТ от интенсивности теплообмена
Решение уравнения теплопроводности
Известны [144] результаты экспериментальных исследований процессов зажигания и горения частиц водоугольной суспензии. Частицы ВУТ, помещенные в реакционную камеру, нагревались за счет облучения лазерной установки. Температуры определялись термопарой и фотометрическим датчиком. Размер частиц варьировался в диапазоне d=4002000мкм. Исследования проводились как для обводненных, так и для предварительно «подсушенных» частицы.
По аналогии с [86,87,143] выделены стадии термоподготовки и зажигания. Установлено по результатам фотометрии, что частицы ВУТ диаметром 2000 мкм прогреваются в течение 1,8с. Следующая стадия (испарение) продолжается около 1,5с. Выход и горение летучих длятся еще 2,5с. После воспламеняется горит кокс. Процесс горения заканчивается через 15с. Установлено, что «влагонасыщенные» частицы ВУТ воспламеняются быстрее, чем предварительно подсушенные. Это объясняется [51-54,79] термохимическим взаимодействием углерода кокса с водяными парами, в результате которого образуются низкореакционные комплексы, ускоряющие зажигание углеродистого остатка. Теоретические исследования закономерностей зажигания и горения ВУТ были выполнены отечественными учеными [20,21,27,29-31,53-64]. По утверждению авторов [53-55] отличительной особенностью горения ВУТ (по сравнению с сухим углем) является пониженная реакционная способность и, следовательно, низкая температура воспламенения. Так, например, частица водоугольного топлива, подготовленная из антрацита, зажигается при температуре 4900С [53]. В то же время сухой уголь той же марки воспламеняется при температуре 80010000С. Авторами [53] последнее объясняется тем, что молекулы угольного агломерата с ненасыщенными валентными связями совместно с молекулами кислорода и воды (также с разорванными валентными связями), образуют поверхностно активные комплексы с меньшей энергией активации. Активация поверхности частицы приводит к снижению температуры воспламенения: для топлив из антрацита в 2 раза (с 10000С до 5000С), топлив из углей марок Г и Д в 1,5–1,8 раза. Температура топлив из бурых углей падает до значения 300–3250С [20,32]. Также необходимо отметить, что фильтрация водяных паров через углеродистый каркас усиливает газификацию твердого горючего и соответственно интенсифицирует выход летучих.
Установлено [53], что вода оказывает существенное влияние на процесс воспламенения частиц ВУТ. В результате испарения влаги у поверхности образуется высокопористый угольный каркас, обладающий высоким термическим сопротивлением. В результате рост температуры водоугольной частицы происходит много быстрее, чем обычного угольного топлива. Водяные пары, образовавшиеся в результате испарения, фильтруются через пористый каркас. Соответственно, в частице непосредственно вблизи фронта испарения формируется зона повышенного давления. Температура паров так же повышается (в среднем на 10-20 0С) [53].
Большое количество воды в слое ВУТ приводит к увеличению затрат энергии на ее испарение. В результате практически все стадии термической подготовки (инертный прогрев, испарение, термическое разложение, зажигание) протекают одновременно. Следует отметить, что отсутствие явно выраженной зоны подготовки топлива, высокие термические напряжения на его поверхности и полнота сгорания при малых избытках воздуха (1,031,05) характерны для горения жидких топлив. Можно сделать вывод, что механизм зажигания частиц водоугольного топлива подобен механизмам воспламенения конденсированных веществ и жидких топлив.
Водяной пар при высоких температурах может быть активным окислителем [54]. При этом его роль не ограничивается только реакциями взаимодействия углерода и водяных паров (С+Н2О). При достаточно высоких температурах (более 1000оС) могут протекать реакции термохимического взаимодействия с продуктами газификации и термического разложения например (СО + Н2О и СН4 + Н2О). Такие реакции, как правило, имеют меньшую энергию активации. В результате при высоких концентрациях воды (как в случае ВУТ) выполняются условия более быстрого зажигания частиц водоугольного топлива.
Необходимо отметить, что высокие температуры факела и концентрации водяных паров приводят к образованию мощных катализаторов, ускоряющих основных реакций окисления угольной компоненты (С+О2 и СО+О2).
С учетом всего вышеизложенного разработана модель [53] зажигания частиц ВУТ. Физическая постановка задачи строилась на гипотезе, что частица водоугольной суспензии, состоящая из большого количества мелких угольных фракций и воды, попав в высокотемпературный поток, прогревается до температуры кипения воды на ее поверхности. В результате формируется зона испарения, ширина которой определяется изотермами начала и конца процесса испарения. С ростом температуры зона испарения продвигается вглубь частицы, формируются зоны термического разложения и термохимического взаимодействия водяных паров с углеродом кокса. По мере дальнейшего прогрева на поверхности частицы инициируется горение углерода и разложение водяных паров. В «пристеночной» зоне частицы формируется область объемного догорания продуктов промежуточных реакций [53].
Модель [53] не была в полной мере реализована. На сегодняшний день решена существенно более простая задача [142], постановка которой базируется на предположении, что при попадании частицы в топочное пространство формируется фронт испарения с переменной температурой. Фронт движется вглубь топлива. После полного высыхания продолжается прогрев до температуры воспламенения углерода. Завершается весь процесс стадией выгорания углеродистого агломерата при постоянной температуре поверхности частицы [142].
Следует также подчеркнуть, что в связи с переоценкой приоритетов развития отечественной энергетики все больше и больше внимания уделяется разработке и внедрению технологии водоугольного топлива. Однако отсутствие теории воспламенения и горения такого «сложного» по структуре вещества, тормозит внедрение водоугольных суспензий как топлива ТЭС. Попытки простого перевода [145] обычных котельных агрегатов со сжигания угля на водоугольное топливо приводит лишь к незначительному повышению (а иногда и к снижению) экономичности и улучшению экологических характеристик.
Большая доля воды (до 50% по массе) обуславливает увеличение затрачиваемой на инициирование зажигания частиц энергии. Неоптимальная организация температурного режима зоны горения и не самая рациональная конструкция топочного устройства может привести к снижению характеристик котельного агрегата, росту механического недожога и интенсивному «зашлаковыванию» поверхностей нагрева.
Анализ возможных вариантов реконструкции котельных агрегатов с целью перевода на сжигание водоугольных суспензий проведен на примере котельной установки КЕ-10-14С. Рассмотрен перевод на водоугольное топливо на основе углей Шиво-Овооского месторождения (ШОМ) [6,146]. Это очень крупное месторождение бурых углей в Монголии. Cредняя толщина угольного пласта составляет 50,4 м. Общие геологические запасы – 2,7 млрд.т, утвержденные производственные запасы – 564,1 млн.т [147]. Использование плохо исследованных углей этого месторождения в энергетике пока затруднено в связи с неизученностью их теплотехнических свойств [6,146].
Одномерный теплоперенос в сферической частице
Антропогенные выбросы предприятий теплоэнергетики в результате сгорания органического топлива являются одним из основных источников загрязнения атмосферы [2]. Объемы пылегазовоздушных выбросов определяются эффективностью сжигания топлива (полнотой его выгорания). Соответственно, применение экологически чистого водоугольного топлива привлекает к себе внимание потребителей как способ решения ряда проблем в первую очередь экологического характера.
Кроме того преимуществом применения водоугольных технологий является возможность применения гидротранспорта, который исключает потери угля при перевозке и не оказывает прямого негативного воздействия на окружающую среду. Вовлечение в топливный баланс углей мелких фракций и транспортировка их в виде непрерывного потока по трубопроводам исключает проведений традиционных погрузо–разгрузочных работ.
Сжигание угля в виде водоугольного топлива создает условия для снижения химической неполноты сгорания с образование летучей золы, уменьшает образование диоксидов серы от 7% до 60 % [6,146]. Более полное сгорание топлива (эффективность сгорания ВУТ 97–99 %) позволяет минимизировать количество твердых отходов (золы и шлака) [6,146]. Соответственно снижаются затраты на строительство специальных установок по очистке дымовых газов (электрофильтры, скрубберы, циклоны и др.). Использование технологий ВУТ позволит существенно сократить площади золоотвалов. Сопоставление массы антропогенных веществ, образующихся при сжигании различных видов топлива (таблица 1.4), показывает наглядно преимущества водоугольного топлива [6,146].
При анализе технико-экономической эффективности использования ВУТ необходимо учитывать [6,146]: вид топлива, заменяющегося на ВУТ; состав исходных компонентов, использующихся для приготовления топливной композиции; условия производства топлива.
Технико-экономические обоснования, как правило, предполагают использование многих характеристик топлива и условий их сжигания (теплота сгорания углей; зольность; баланс продуктов обогащения; транспортные расходы; затраты, связанные с обогащением и сжиганием; степень изменения КПД; необходимые капитальные затраты и др.) [6,146]. Традиционные технико-экономические анализы проводятся по элементам затрат в соответствии с этапами технологической цепи [6,146]. Для обычного угля эта цепь имеет вид: добыча - обогащение —» транспортировка до места использования —» сжигание (с частичным учетом затрат на экологические мероприятия). При работе на водоугольном топливе появляется дополнительная затратная компонента (приготовление водоугольной суспензии) [6,146].
Анализ затрат на перемещение топлива [19-30] показывает, что применение трубопроводного транспорта может снизить транспортные расходы более чем в 2 раза [50]. Водоугольное топливо по своим экономическим свойствам (количество золошлаковых отходов, вредных выбросов в атмосферу) и вследствие уменьшения затрат на собственные нужды более технологично по сравнению с топливом пылеугольного сжигания. Но эффективность использования ВУТ зависит от способа доставки. При транспортировке ВУТ на большие расстояния предпочтительней использовать трубопроводный транспорт [3-5]. Установлено [19-30], что технологии получения и применения ВУТ стоит рассматривать только совместно с разработкой системы транспорта по трубопроводу, как более совершенного и дешевого [19-30].
При проведении технико-экономического обоснования, как правило, учитывают все значимые факторы, оказывающие влияние на реализацию проекта. На этапе анализа инвестиций в теплоэнергетике сопоставляются варианты нескольких технических решений и предлагаемые к внедрению технологий. По итогам этого сопоставления выбираются технологии, приносящие наибольший экономический эффект [6,146].
Реконструкция энергетического оборудования всегда приводит к изменению затрат не только в сфере непосредственно реконструкции, но и эксплуатации. В качестве примера ниже представлены результаты технико-экономического и экологического обоснования перевода котельного агрегата на сжигание ВУТ (рисунок 1.4) [6,146].
Сравнение результатов применения двух возможных различных подходов к моделированию процессов тепломассопереноса при зажигании частиц водоугольного топлива
Результаты теоретических исследов аний (рисунок 3.1.2) свидетельствуют о том, что применение для описания процессов тепломассопереноса в водоугольной частице в типичных условиях топочного пространства упрощенных моделей испарения воды [162] может привести к достаточно большим отклонениям в определении характеристик зажигания. Образовавшийся в результате испарения пористый угольный каркас замедляет процесс теплопередачи и тем самым уменьшает интенсивность процесса испарения и термического разложения. Другими словами, существенно увеличиваются характерные времена пиролиза угля и достижения высоких температур поверхности частицы. При численном решении системы (п.2.2) получены зависимости времен задержки воспламенения (рисунок.3.1.3) от температуры внешней среды при различных диаметрах «распыла» [165] частиц ВУТ.
Анализ результатов, представленных на рисунке 3.1.3, показывает, что зависимости tз = (p(Tc,8) существенно отличаются от аналогичных зависимостей для обычных твердых конденсированных веществ [114], которые отражают экспоненциальный характер связи скорости химической реакции воспламенения и температуры. Полученные результаты (рисунок 3.1.3) обусловлены, скорее всего, влиянием процессов испарения влаги, фильтрации водяных паров к поверхности нагрева и их вдува в «пристенную» область частицы. Все эти физические процессы препятствуют росту температуры в зоне воспламенения ВУТ и снижают концентрацию газообразных продуктов пиролиза угля (основного горючего). То есть, режим процесса воспламенения частицы ВУТ не являются «кинетическим» (по определению [144]). Также его нельзя классифицировать и как диффузионный
Очевидно, что вид кривых tз = (p(Tc,S) иллюстрирует, скорее всего, режим воспламенения частицы водоугольного топлива в результате совместного протекания комплекса взаимосвязанных физических (теплопроводность, испарение воды, фильтрация паров, вдув паров в пристенную область) и химических (термическое разложение угля; взаимодействие паров воды с углеродом кокса, образующегося при пиролизе, взаимодействие газообразных продуктов термического разложения угля с окислителем внешней среды) процессов.
На рисунке 3.1.4 приведены зависимости температуры поверхности частицы ВУТ Т (r0; t) от времени при различных диаметрах последних в момент воспламенения. Хорошо видно, что в диапазоне изменения 8 от 4-10–4 м до 910–4 м максимальные значения Тз при зажигании не превышают 620К.
Увеличение времени задержки зажигания с ростом диаметра частиц обусловлено, скорее всего, необходимостью достижения условия полного испарения воды. Сравнение рисунков 3.1.1-3.1.4 дает основание для вывода о том,
Рисунок 3.1.4 Зависимость температуры поверхности частицы от времени при различных диаметрах частицы (Тс=1200К): что зажигание происходит только при полном удалении всей влаги из пористой структуры водоугольного топлива. Сравнение результатов применения двух возможных различных подходов к моделированию процессов тепломассопереноса при зажигании частиц водоугольного топлива
В связи с отсутствием до последнего времени общих математических моделей, методов и результатов решения задач тепломассопереноса в структуре ВУТ при интенсивном нагреве разработан комплекс упрощенных постановок [81 84]. При решении каждой из задач [81-84] рассматривалась только одна стадия многостадийного процесса тепломассопереноса, протекающего в частице водоугольного топлива, в условиях топочного пространства котельного агрегата. Результаты математического моделирования процессов, предшествующих зажиганию ВУТ, на базе упрощенных моделей [81-84] являются основой для оценки истинных значений времен задержки зажигания частиц водоугольных топлив (tз). Целесообразно сравнение этих значений tз с полученными из решения задачи тепломассопереноса в постановке, учитывающей одновременное протекание в определенные интервалы времени всей группы основных физических и химических процессов [81-87] в структуре ВУТ при нагреве до высоких температур. Совместная реализация «стадий» прогрева, испарения воды, термического разложения органической части угля и последующих «вторичных» химических реакций продуктов физико-химических превращений между собой в соответствующих температурных диапазонах обусловлены большими градиентами температур по толщине частицы ВУТ и непрерывным изменением во времени состояния топлива по мере удаления от поверхности нагрева. Рассмотрены три постановки задачи зажигания частицы ВУТ, приведенные в [81-83]. Решение выполнено численно (методом конечных разностей).
Схема области решения задачи приведена на рисунке 3.2.1. Результаты решения в виде зависимостей характерных времен процессов нагрева, испарения и зажигания от температуры внешней среды приведены на рисунках. 3.2.2-3.2.4. На рисунке 3.2.4 приведена основная характеристика процесса – время задержки зажигания tз(Tс).
Зависимость времени задержки зажигания частиц ВУТ от интенсивности теплообмена
Одним из важнейших (но наименее изученных) при моделировании горения частицы ВУТ остается фактор влияния ее формы на условия и характеристики зажигания. Экспериментально установлено [148], что при формировании водоугольной суспензии образуются частицы различной геометрической формы. Как правило, все они представляют собой насыщенные влагой неправильные многогранники, число и размер граней которых изменяется случайным образом. Можно предположить, что деформация частицы [176] при измельчении угля и срыв водяной пленки с ее поверхности [88,177] (вследствие воздействия аэродинамических сил) приводят к различным конфигурациям ВУТ. По этим причинам моделирование реальной формы частиц водоугольного топлива представляется крайне затруднительным. В тоже время есть основания для предположения, что форма частицы может оказывать влияние на динамику воспламенения топлива [178].
В реальных условиях топливоподготовки технически сложно сформировать одну конфигурацию частиц ВУТ. Соответственно, организация определенного режима горения возможна только в рамках представлений о конкретной форме частицы водоугольного топлива.
Наиболее характерными вариантами геометрии частиц, возможно, являются сфера или куб. Эти конфигурации представляются равновероятными. По этой причине их можно использовать при моделировании задач зажигания топлива.
Решена задача тепломассопереноса при зажигании частицы водоугольного топлива, в условиях, соответствующих топочному пространству (рисунок 2.1.1). Задачи исследования состояли в определении масштабов влияния различных конфигураций частиц ВУТ (на примере сферы и куба) на характеристики и условия воспламенения. Физическая постановка задачи приведены в п.2.2. Математическая модель зажигания записана в сферической и декартовой системе координат (п.2.1 и п.2.2).
Система уравнений решена методом конечных разностей с использованием итерационного алгоритма (п.2.3-2.9).
В результате численного моделирования установлены времена задержки зажигания (рисунок 3.6.1) для частиц двух конфигураций в зависимости от температуры окружающей среды при различных характерных размерах . Заметно (рисунок 3.6.1.) увеличение времени задержки воспламенения с ростом характерного размера частицы. Можно отметить значительное отличие времен задержки воспламенения для одинаковых по характерным размерам частиц сферической и кубической формы. Так кубическая частица размером L=410-3м, в среде с температурой Тс=900К, воспламеняется почти в 2,5 раза медленнее, чем сопоставимая по размерам сферическая частица. Полученные зависимости можно объяснить более высокой способностью сферы аккумулировать тепловую энергию. Соответственно рост температуры поверхности сферической частицы происходит существенно быстрее, чем кубической.
На рисунке 3.6.2 представлены зависимости температуры поверхности частицы ВУТ от времени процесса воспламенения. Для каждой из частиц характерно изменение угла наклона кривой в точке (Tи;tи), которая характеризует момент времени завершения процесса влагоудаления. Так как теплопроводность «сухого» пористого углеродистого каркаса существенно ниже, чем исходного ВУТ, то рост температуры до критического значения происходит значительно быстрее.
С целью определения предельных случаев воспламенения топлива также было выполнено сравнение времен задержки зажигания частиц ВУТ в среде с Рисунок 3.6.2 Зависимость температуры поверхности частицы T(r0;t) от времени процесса зажигания tз для частиц различных конфигураций (при температуре среды Тс) с характерным размером =0.410-3м, 1-Тс=1500К; 2-Тс=1400К; 3-Тс=1200К; 5-Тс=1100К; 6-Тс=900К; – сферическая частица. 4-Тс=1500К; 7-Тс=1400К; 8-Тс=1200К; 9-Тс=1100К; 10-Тс=900К; –кубическая частица. - 93 температурой Тс=900К различных конфигураций в рамках трех вариантов представлений о соотношений геометрических размеров в системе «сфера-куб». На рисунке 3.6.3 представлено такое сравнение. Очевидно, что в любой конфигурации кубическая частица воспламеняется значительно медленнее, чем сферическая.
Установленные закономерности позволяют сделать вывод о том, что форма частицы играет одну из определяющих ролей в реализации рассматриваемого механизма воспламенения.
Полученные результаты также дают основания для вывода, что при анализе условий и характеристик зажигания водоугольных топлив (учитывая реальное
Зависимость времени задержки зажигания частиц ВУТ (в различных конфигурациях) от характерного размера, при температуре внешней среды. 1-частица в виде, описывающего сферу, куба; 2-частица в виде, вписанного в сферу, куба; 3-частица в виде сферы; многообразие возможных формы частиц водоугольного топлива) целесообразно оценку времени задержки зажигания проводить с использованием двух моделей частицы (куба и сферы). В этом случае одна оценка будет верхней, другая нижней. Для подавляющего большинства возможных других конфигураций значения tз, скорее всего, будут в диапазоне ограниченном значениями для куба и сферы. По мере роста размеров частиц этот диапазон будет увеличиваться.
При рассмотрении сложных топливных композиций, к которым относится ВУТ, возникают проблемы, связанные с определением эффективных теплофизических характеристик [179,180]. В общем случае частица ВУТ представляет собой многокомпонентную топливную композицию, состоящую из частиц угля и пор, заполненных водой. Предположение об истинных теплофизических характеристиках пористой структуры является важным фактором при определении условий зажигания частиц ВУТ.
Решена задача тепломассопереноса при зажигании частицы водоугольного топлива в условиях, соответствующих топочному пространству котельных агрегатов, с учетом различных представлений об эффективных теплофизических характеристиках (гетерогенной структуры ВУТ). Физическая и математическая постановка задачи приведены в п.2.2.
С целью оценки влияния различных представлений о теплофизических свойствах ВУТ на характеристики зажигания использовались следующие методики.
В первом варианте постановки задачи тепло физические характеристики влажной и «обезвоженной» части топлива рассчитывались с учетом объемных долей компонент аналогично п.2.2. Вторая модель базируется на результатах исследований [179,180]. Для вычисления теплофизических характеристик определялась объемная доля воды в частице из выражения
