Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка и учет реакционной способности углей при расчете и проектировании энергетических котлов и их топочных устройств
1.1. Опыт использования твердых органических топлив в энергетике (на примере канско-ачинских углей)
1.1.1. Геологическая карта Канско-Ачинского угольного бассейна 13
1.1.2. Теплотехнические свойства канско-ачинских бурых углей 13
1.1.3. Особенности сжигания бурых углей Канско-Ачинского бассейна
1.1.3.1. Опыт сжигания канско-ачинских углей в лабораторных условиях 20
1.1.3.2. Опыт сжигания канско-ачинских углей в котельных агрегатах с твердым шлакоудалением
1.1.3.3. Опыт сжигания канско-ачинских углей в котельных агрегатах с жидким шлакоудалением
1.2. Пути совершенствования технологий производства и потребления энергии, вырабатываемой на твердом органическом топливе
1.3. Исследование процессов термохимического превращения твердого органического топлива методом математического моделирования
1.4. Современное состояние теории горения пылевидного твердого топлива
1.4.1. Химическая структура и реакционная способность твердых топлив 33
1.4.2. Стадийность процесса горения пылеугольных частиц 39
1.4.3. Роль процессов сушки, прогрева и выделения летучих веществ при пылеугольном сжигании
1.4.4. Формирование структуры коксового (нелетучего) остатка и природа тепловых потерь с неполнотой сгорания
1.4.5. Горение и газификация углеродной (коксовой) основы 50
1.4.6. Методы оценки и учета реакционной способности энергетических углей
1.5. Исследование механизма и кинетики процессов термохимического превращения углей методом комплексного термического анализа
1.5.1. Характеристика экспериментальных методов термического анализа 63
1.5.2. Промышленные приборы для термического анализа
1.6. Учет качества топлива при расчете и проектировании энергети- 70 ческих котлов и их топочных устройств
1.7. Выводы 74
1.8. Постановка цели и задач исследования 76
2. Комплексный термический анализ: аппаратурное оформление, экспериментально-расчетное обоснование условий определения технических и реакционных характеристик твердых органических топлив
2.1. Совмещенная схема и аппаратурное оформление комплексного термического анализа твердых органических топлив
2.2. Экспериментально-теоретическое обоснование рекомендаций по выбору условий проведения комплексного термического анализа для оценки реакционной способности различных стадий термохимической обработки пылевидного топлива
2.2.1. Влияние теплообмена на поверхности образца 86
2.2.2. Влияние скорости нагрева на результат термоаналитического эксперимента
2.2.3. Влияние размеров пылеугольных частиц на характер термических кривых
2.2.4. Обоснование рекомендаций по определению условий проведения комплексного термического анализа углей
2.3. Технический анализ твердого топлива 107
2.3.1. Применение комплексного термического анализа для определения влажности и выхода летучих веществ твердых органических топлив
2.3.2. Применение комплексного термического анализа для определения зольности твердого органического топлива
2.3.3. Сопоставление результатов термического анализа технических характеристик угля в различных газовых средах
2.3.4. Применение комплексного термического анализа для определения теплоты сгорания твердого органического топлива
2.4. Выводы 117
Теоретическое обобщение и развитие математического аппарата неизотермической кинетики
3.1. Особенность протекания процессов термохимического превращения твердого органического топлива в условиях реальных топливоиспользующих установок
3.2. Неизотермическая кинетика термической деструкции твердых органических топлив
3.3. Теоретические основы неизотермической кинетики процесса горения коксовой основы твердых органических топлив
3.4. Методика экстраполяции данных комплексного термического анализа на различные скорости нагрева
3.5. Выводы 134
Комплексный термический анализ: методика и результаты определения реакционной способности энергетических углей
4.1. Кинетика процесса испарения влаги 13 7
4.1.1. Анализ подходов к исследованию кинетики сушки углей
4.1.2. Методика и результаты определения кинетических параметров процесса испарения влаги
4.2. Кинетика термической деструкции твердых органических топлив
4.2.1. Качественная оценка совместного протекания процессов выделения летучих веществ и выгорания коксовой основы твердых органических топлив в условиях медленного нагрева (термоокислительная деструкция)
4.2.1.1. Термоокислительная деструкция - суммарный процесс выделения летучих веществ и горения коксового остатка
4.2.1.2. Методика расчета кинетических параметров процесса выделения летучих веществ, применительно к условиям высокоскоростного нагрева угля в окислительной среде (термоокислительная деструкция)
4.2.1.3. Первичная обработка экспериментальных данных 155
4.3. Выделение летучих веществ при нагревании твердых органических топлив с различными скоростями (экстраполяция лабора
торного эксперимента применительно к условиям реальных то пливоиспользующих установок)
4.3.1. Определение кинетических характеристик выделения летучих веществ в условиях лабораторного эксперимента (КТА)
4.3.2. Кинетика индивидуальных реакций выделения газообразных горючих веществ и расчетный прогноз их протекания в условиях высокоскоростного нагрева
4.4. Экспериментально-расчетный метод оценки кинетики многостадийных процессов термохимического превращения твердых органических топлив. Алгоритимическое и программное обеспечение обработки результатов термоаналитического эксперимента
4.5. Кинетика горения нелетучего (коксового) остатка
4.5.1. Методика определения кинетических параметров горения коксового остатка твердого органического топлива
4.5.2. Экстраполяция результатов лабораторного эксперимента по определению кинетики выгорания коксового остатка применительно к реальным топочным условиям
4.6. Кинетика взаимодействия углекислого газа и водяных паров с коксовым остатком твердых органических топлив
4.7. Кинетика термических превращений химических компонентов минеральной части
4.8. Выводы 225
5. Экспериментальные исследования процесса термохимического превращения твердого органического топлива в условиях лабораторных, полупромышленных и промышленных установок
5.1. Кинетика термохимического превращения твердого органического топлива при высокоскростном нагреве в условиях лабораторного эксперимента
5.1.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований
5.1.2. Сопоставление результатов комплексного термического анализа и лабораторного эксперимента высокоскоростного нагрева
по определению видимых констант скоростей горения пылевидного твердого органического топлива
5.2. Экспериментальные исследования процесса термохимического превращения пылевидного твердого топлива в условиях полупромышленной установки (огневого стенда)
5.2.1. Описание экспериментального стенда и конструкции устройства для термической обработки твердых органических топлив. Методика проведения исследований
5.2.2. Анализ результатов испытаний устройства и исследования процесса термохимической обработки твердого органического топлива
(на примере березовских углей разной степени окисленности)
5.2.2.1. Исследование процесса шлакования поверхностей нагрева при сжигании продуктов термообработки березовских углей
5.2.2.2. Исследование процесса образования оксидов азота в продуктах сгорания при сжигании продуктов термообработки березовских углей
5.3. Экспериментальные исследования процесса термохимического превращения пылевидного твердого органического топлива в условиях промышленных энергетических установок
5.3.1. Результаты опытно-промышленных испытаний котла БКЗ-320- 140 ТЭЦ АГК при сжигании ирша-бородинского угля
5.3.1.1. Анализ результатов тепловых балансовых испытаний котла БКЗ-320-140ТЭЦАГК
5.3.1.2. Длительность выгорания горючих газовых компонентов летучих веществ (СН4 и СО) при работе котла БКЗ-320-140 ТЭЦ АГК на ирша-бородинском угле в интервале нагрузок (0,7 - 0,9)DHOM
5.3.1.3. Длительность выгорания нелетучего остатка иршабородинского угля при работе котла БКЗ-320-140 в интервале нагрузок (0,7-0,9)Ц,ОИ
5.3.1.4. К вопросу о природе тепловых потерь с неполнотой сгорания ирша-бородинского угля в топке котла БКЗ-320-140 ТЭЦ АГК
5.3.2. Результаты опытно-промышленных испытаний котла БКЗ-500- 307 Красноярской ТЭЦ-2 при сжигании канско-ачинских углей
5.3.3. Результаты опытно-промышленных испытаний котла П-67 Березовской ГРЭС при сжигании березовских углей
5.4. Выводы 326
Аналитические исследования процесса термохимического превращения твердого органического топлива в пылевидном состоянии
6.1. Физико-химическая модель термохимического превращения твердого органического топлива в пылевидном состоянии
6.2. Кинетическая модель термохимического превращения твердого органического топлива
6.3. Диффузионно-кинетическая модель процесса термохимической обработки пылеугольных частиц
6.4. Температурно-временной режим термохимической обработки пылеугольных частиц (на примере канско-ачинских углей)
6.5. Выводы 360
Внедрение результатов комплексного метода определения реакцион- 361
ной способности углей в практику их энергетического использования
7.1. Совершенствование методики и разработка алгоритмического и программного обеспечения совместного расчета степени выгорания и теплообмена в топочных камерах паровых котлов
7.1.1. К вопросу о сажеобразовании при сжигании бурых углей в пылевидном состоянии
7.1.2. Совершенствование методики расчета выгорания пылеугольного факела
7.1.2.1. Методика расчета длительности стадий сушки и выхода летучих веществ при сжигании угля в пылевзвеси
7.1.2.2. Методика расчета длительности выгорания горючих газовых компонентов летучих веществ
7.1.2.3. Методика расчета длительности выгорания нелетучего остатка твердого органического топлива
7.1.2.4. Алгоритм и программная реализация методики позонного расчета выгорания пылеугольного факела и теплообмена в топочных камерах паровых котлов
7.1.3. Расчетная оценка процесса выгорания ирша-бородинского угля в зоне активного горения котельного агрегата БКЗ-320-140 ТЭЦ АГК
7.1.3.1. Кинетические параметры горения ирша-бородинского угля и угольной пыли
7.1.3.2. Расчет степени выгорания в зоне активного горения котельного агрегата БКЗ-320-140 ТЭЦ АГК
7.2. Разработка имитационной динамической модели пылеугольной топки, учитывающей процесс горения и создание на ее основе тренажерных комплексов рабочих процессов топочных устройств
7.3. Практическое использование комплексного термического анализа для разработки рациональных и эффективных способов, устройств и режимов подготовки и сжигания твердых органических топлив в пылевидном состоянии
7.3.1. Обоснование требований к организации процесса подготовки и сжигания твердого органического топлива с учетом его исходного качества
7.3.2. Разработка технических решений по совершенствованию способов и устройств подготовки и сжигания пылевидного твердого органического топлива
7.3.3. Методика и результаты теплового расчета устройства для предварительной термической обработки пылевидного твердого органического топлива
7.3.4. Оценка экономической эффективности практического использования предложенных технических решений
7.4. Выводы 421
Научные выводы и рекомендации 424
Список использованных источников
- Опыт сжигания канско-ачинских углей в котельных агрегатах с жидким шлакоудалением
- Экспериментально-теоретическое обоснование рекомендаций по выбору условий проведения комплексного термического анализа для оценки реакционной способности различных стадий термохимической обработки пылевидного топлива
- Теоретические основы неизотермической кинетики процесса горения коксовой основы твердых органических топлив
- Методика расчета длительности выгорания горючих газовых компонентов летучих веществ
Опыт сжигания канско-ачинских углей в котельных агрегатах с жидким шлакоудалением
Одной из особенностей топливно-энергетического баланса страны является постепенное увеличение использования твердого топлива для производства тепловой и электрической энергии [1]. Принятый Правительством Российской Федерации курс на подъем национальной экономики, при котором темпы прироста ВВП составляют 7-8 %, должен сопровождаться ростом энергопотребления. В среднесрочных и долгосрочных прогнозах развития отраслей топливно-энергетического комплекса России по ряду объективных причин роль угля в производстве первичных энергоресурсов резко возрастает. Для удовлетворения потребности экономики страны в твердом топливе добыча угля должна возрасти с 249 млн. т в 2003 г. до 275-310 млн. т к 2006 г. [2].
Исходя из существующего состояния производственных мощностей угледобывающих предприятий России, удовлетворение растущей потребности в угле может быть обеспечено, в основном, за счет предприятий открытого способа добычи. Основной прирост потребности в энергетических углях будет приходиться на электроэнергетику, а реальным источником его обеспечения может стать канско-ачинский уголь, являющийся безусловным лидером России по запасам, соответствующим мировым кондициям. Высокая конкурентноспособность углей бассейна и возможность полного удовлетворения потребителей отдельных районов энергетическими ресурсами позволили придать Канско-Ачинскому бассейну статус федерального значения. В настоящее время канско-ачинский уголь поставляется в 32 региона России, а общий прогноз «сдержанного» спроса на данный вид топлива составляет 55-56 млн. т, из которых около 30 млн. т это объемы поставок для потребности в энергетике [3].
Общие геологические ресурсы этого бассейна достигают 639 млрд. т., из них на долю мощных, пригодных к открытой разработке, пластов приходится 143 млрд. т [4]. Отличительной особенностью данных углей является их низкая себестоимость добычи [3]. Фактическая средняя себестоимость производства канско-ачинских углей составляет 2,78 руб/т (в ценах 1989 г). Приведенные затраты на получение 1 т условного топлива из канско-ачинских углей ниже соответствующего показателя по природному газу -в 3,1 раза, мазуту из нефти Западной Сибири - в 3,8 раза. В связи с этим в ближайшей перспективе неуклонно будет возрастать роль канско-ачинских углей в топливно-энергетическом балансе страны и, особенно, для восточных ее районов (см. рис. 1.1).
Доля канско-ачинского угля в топливно-энергетическом балансе Сибири
Территория, которую занимает бассейн, представляет собой предгорную равнину, распространяющуюся на север от отрогов Кузнецкого Алатау и Восточного Саяна, с одной стороны, и юго-западной окраины Сибирской платформы, с другой. Западной границей бассейна можно считать долину реки Кия, а с восточной - долину реки Би-рюса. Северная и северо-западная границы открыты в сторону Западно-Сибирской низменности (рис. 1.2) [5].
Наиболее благоприятными (по горно-геологическим условиям) для разработки считаются месторождения: Ирша-Бородинское, Абанское - к востоку от города Красноярска; Березовское, Боготольское, Назаровское - в западной части Красноярского края; Итатское, Барандатское, Урюпское - на смежной территории Кемеровской области. Через все эти месторождения проходит разведанный главный рабочий пласт значительной мощности - от 12 до 60 м в среднем.
Бурые угли Канско-Ачинского бассейна относятся к типичным гумусовым, среди которых встречаются прослойки горючих сланцев и сапропелево-гумусовых углей. По степени углефикации они относятся к бурым углям с повышенной степенью углефикации.
Содержание петрографических микрокомпонентов в бурых углях основных месторождений бассейна приведено в табл. 1.1 в соответствии с ГОСТ 12112-78 (по данным [5, 6]). Наиболее реакционноспособную часть горючей массы угля представляют микрокомпоненты групп гуминита и липтинита. Их содержание в канско-ачинских углях превышает 80% (кроме углей Барандатского месторождения, а у Березовского угля составляют более 90%. По этой причине, при определении реакционной способности данных глей по отношению к кислороду воздуха, колебания по петрографическому составу можно не учитывать.
На буроугольных месторождениях Канско-Ачинского бассейна наибольшее количество исследований качества угля проводилось по основному пласту, отличающемуся повышенной мощностью или наилучшей выдержанностью [7]. Элементный анализ канско-ачинских углей (см. рис. 1.3) показывает сравни 14 тельно высокое содержание углерода (Cdaf = 70-74 %). Если рассматривать степень уг-лефикации, то по величине содержания углерода бурые угли Канско-Ачинского бассейна приближаются к каменным. Угли бассейна относятся к малосернистым (рис. 1.4), только на Ачинском месторождении отмечается несколько повышенное содержание серы (до 2,7 %). Выход летучих веществ изменяется в небольших пределах (Vdaf = 45-50 %, см. рис. 1.5). Повышенный выход летучих отмечается на Казанском и Соболевском месторождениях [5, 8].
Бурые угли бассейна отличаются повышенной теплотой сгорания, изменяющейся по горючей массе от 26400 до 31800 кДж/кг (рис. 1.6). Наиболее низкая теплота сгорания соответствует углям с повышенной влажностью, залегающих близко к поверхности. С изменением глубины залегания угля изменяются также значения выхода гуминовых кислот, содержания углерода и других теплотехнических показателей. Как следует из рис. 1.7, окисленные угли с повышенным выходом гуминовых кислот и пониженным содержанием углерода располагаются в верхней части пласта на глубине 20-30 м и отличаются повышенным содержанием кислорода и карбоксильных групп (рис. 1.8).
Сравнительная характеристика окисленного и неокисленного ирша-бородинского угля (по данным В. С. Носоченко) приведена в табл. 1.2; можно отметить, что окисленный уголь, в дополнение к сказанному выше, характеризуется пониженным содержанием водорода, повышенным содержанием кислородсодержащих функциональных групп и выходом летучих веществ. В соответствии с данными Красноярского геологического управления запасы бурых окисленных углей Канско-Ачинского бассейна составляют около 3000 млн. т, т.е. около 0,5 % от общих запасов.
Коэффициент размолоспособности канско-ачинских углей находится в пределах Кло = 1,1-1.3 (рис. 1.9), т.е. канско-ачинские угли лучше подвергаются измельчению по сравнению с бурыми углями других месторождений. Влажность углей составляет Wv = 29 5 %, зольность воздушно-сухого угля по месторождениям колеблется от 4 до 10 % и более. Повышенная зольность углей отмечается на Ачинском (до 32 %), Балахтин-ском (до 28 %) и Казанском (до 47 %) месторождениях.
На рис. 1.10 представлена зависимость изменения химического состава золы от содержания золы в сухой массе ирша-бородинского угля [9, 10]. Из графиков видно, что достаточно хорошо выражена общая закономерность изменения химического состава золы с изменением зольности. С увеличением зольности наблюдается снижение содержание оксида кальция (СаО) и повышение содержания оксида кремния (Si02). Влияние изменения химического состава золы на температуры плавкости может быть оценено по эмпирической зависимости в соответствии с [11]:
Экспериментально-теоретическое обоснование рекомендаций по выбору условий проведения комплексного термического анализа для оценки реакционной способности различных стадий термохимической обработки пылевидного топлива
Аналогичные исследования проводились применительно к отопительным котлам [44]. В Германии 30 0% жидкого топлива используется в отопительных установках, поэтому вопросу экономии мазута там уделяется значительное внимание. В описываемой работе приведены результаты исследования совместного сжигания легкого мазута марки EL с пылью бурого угля при соотношениях жидкого и твердого топлив 1:2, 1:3 и 1 А. Целью работы было создание топки для водогрейного котла тепловой производительностью до 800 МДж/ч, приспособленной для сжигания мазута с углем при условии ограниченного выброса вредных веществ с дымовыми газами.
Использование углемазутных суспензий в Израиле осуществляется в рамках программы исследований компании Coal United Со совместно с компанией Coaliguid International (США). Испытания проводились на предприятии Paz Industries. В работах [45, 46] описаны системы хранения и транспортировки углемазутных суспензий.
Попытка частичной замены мазута углем в виде углемазутной суспензии обусловлена желанием сэкономить часть мазута на электростанции, первоначально предназначенной для работы на жидком топливе. Такие паллиативные меры не решают проблемы, существенно усложняют условия эксплуатации: даже при содержании 50% угля в суспензии (по массе) по теплу эта добавка составит 15-20%, в то же время такая технология наряду с мазутным хозяйством потребует для электростанции наличия системы подачи и приготовления твердого топлива, системы приготовления и хранения суспензий.
Другая перспективная технология преобразования угля в электроэнергию, приближающаяся к промышленному внедрению, водоугольные суспензии, способные заменить жидкое топливо [47, 48, 49].
Уже имеется положительный опыт сжигания 2,2 тыс. т. Водоугольной суспензии на котле производительностью 5,56 кг/с в Мемфисе (штат Индиана, США) [50]. Фирма Bab-cock- Wolcox разработала многолетнюю программу внедрения водоугольных суспензий, намечены испытания по сжиганию водоугольных суспензий на промышленных котлах.
Водоугольные суспензии обычно содержат 70-75% угля (по массе), измельченного до размера не более 74 мкм. Теплота сгорания этого топлива составляет 23-26,5 МДж/кг на рабочую массу и 32-34 МДж/кг на сухую массу, зольность 1,7-9,2%, выход летучих 32,7-38,2%, вязкость при поставке - от 500 до 2000 сПз. В [51] отмечается, что для хорошего горения выход летучих должен превышать 20%. При высокой температуре плавления золы шлакование котла может быть сведено к минимуму. Уголь должен иметь достаточную размолоспособность. При приготовлении водоугольной суспензии целесообразно обогащать уголь. Однако система подачи суспензии требует большего обслуживания, чем система подачи мазута.
Еще одной перспективной технологией для замены жикого топлива и газа углем является использование переизмельченной угольной пыли [51]. Американская фирма Ergon разработала метод сжигания в котлах такого. В обычных мельницах уголь размалывается таким образом, что 70% частиц имеет максимальный размер 74 мкм, а 28% -от до 300 мкм; остальные частицы - более крупные. В струйной мельнице фирмы Ergon 100%) частиц имеет размеры менее 44 мкм. Зола, образующаяся при сжигании такого угля обладает меньшими абразивными свойствами.
Для замены жидкого топлива угольной пылью при растопке и для стабилизации горения фирма Steinmueller (Германия) разработала специальную растопочную пыле-угольную горелку [51]. Ее конструкция выполнена таким образом, чтобы обеспечивалась компенсация снижения реакционной способности топлива при переходе с мазута и газа на уголь. По сои горелки имеется двухступенчатое газоэлектрическое зажигательное устройство. По кольцевому каналу вокруг зажигательного устройства вводится пылевоздушная смесь. Часть воздуха необходимого для горения, подается по другому концентрично расположенному кольцевому каналу. Благодаря завихрителю с поворотными лопатками изменяется крутка этого воздушного потока. Остальной воздух, необходимый для полного выгорания, растопочный пылеугольный факел получает через дополнительное кольцевое сопло либо из воздушной струи основной горелки.
Пониженная реакционная способность угля при подаче холодного воздуха компенсируется благодаря следующим мероприятиям: 1 - выходная часть горелки выполнена в виде муфеля с коническим раструбом, что создает внутреннюю рециркуляцию, обеспечивающую подвод теплоты к корню факела; 2- надежное воспламенение может быть обеспечено путем подачи более тонкой угольной пыли, угля с большей реакционной способностью.
Снабжение растопочных горелок угольной пылью обеспечивается специальной централизованной системой подготовки пыли. Топливо для растопки и подсветки размалывается до нужной тонкости и сушится высокотемпературными продуктами сгорания угля, подаваемыми из котла. Первые промышленные опыты были проведены на котле мощностью 150 МВт электростанции Luenen.
На ТЭС Luebbenau-Vetschau (Германия), сжигающей бурый уголь, мазутные форсунки были заменены пылеугольными горелками муфельного типа. Для получения растопочной пыли существующая пылесистема была дополнительно оборудована устройствами отбора пыли из пылепровода к основной горелке. Исследования проводились на котле паропроизводительностью 365 т/ч, оборудованном четырьмя мельницами. Если частиц размером менее 63 мкм было менее 20%, пыль в муфеле не горела даже при работе газового запальника. Дальнейшие усилия по совершенствованию этого метода растопки и подсветки факела были направлены на повышение доли тонких частиц в отобранной пыли, увеличении мощности муфельной горелки.
Для уменьшения зависимости от жидкого топлива и снижения затрат на топливо, руководство ТЭС Nideraussem (Германия) решило перевести растопку котлов с мазута на угольную пыль [52]. При реконструкции мазутные растопочные горелки модернизированы в пылемазутные. Для растопки использовалась пыль бурого угля, имеющая следующие характеристики: Q\= 8,34 МДж/кг, влажность 11%, зольность 5%, выход летучих 44%, остаток на сите R90 = 43%, i?200 = 16%. В виде низкой влажности, тонкости помола и высокого выхода летучих веществ, растопочная угольная пыль взрывоопасна, поэтому эксплуатация системы растопки потребовала строго соблюдения техники безопасности. Пыль бурого угля, необходимая для пуска котла, доставлялась автоцистерной. Если пыль для растопки отсутствовала, растопка производилась, как и прежде мазутом. Недостатком приведенных устройств растопки и подсветки котлов ТЭС является зависимость их стабильной работы от качества растопочной пыли.
В техническом решении [53] (Германия) предложено выходящую из мельниц пылевоздушную смесь направлять в два параллельных сепаратора, настроенных на различную тонкость пыли. Пыль более тонкого помола направляется в нижний ряд горелок, которые являются стабилизаторами горения, а пыль из сепараторов, улавливающих более грубый помол, подается в верхний ярус горелок и сжигается там с подсветкой из нижнего ряда.
В патенте США [54] предложено на выходе из прямоточных пылеугольных горелок устанавливать спаренные поворотные насадки, которые при высоких нагрузках направлены параллельно, а при низких - поворачиваются относительно друг друга. При этом пылевоздушный поток раздваивается, создавая зону пониженного давления, куда рециркулируют горячие топочные газы, создавая условия для надежного воспламенения факела.
По другой заявке на изобретение [55] (Болгария) угольную пыль грубого помола без предварительного разделения предлагается направить в комбинированную топочную камеру, где тонкая пыль будет сгорать в виде факела (камерным способом), а грубые фракции будут гореть на решетке в кипящем слое. Способ может быть применен при размоле высокозольных мягких топлив мельничными вентиляторами.
В последние годы появились публикации, посвященные безмазутной растопке пылеугольных котлов с использованием плазменных горелок [56]. Так, в работе [57] указывается на возможность отказа от использования мазута и газа при растопке пылеугольных котлов путем внедрения плазмотронов. Разработчик этого метода фирма Babcock and Wilcox проводит долгосрочные испытания с целью выпуска серийного оборудования. Испытания показали, что при высокотемпературном воспламенении угольной пыли затрачивается меньше энергии, чем при использовании для этих целей газа и мазута. Обычно растопочная горелка имеет тепловую мощность 2,93-7,33 МДж/с. Плазмотрон, испытанный недавно на одной из ТЭС энергокомпаний Colorado Ute Electric, имел мощность около 100 кВт. Испытания показали, что плазмотрон может вполне заменить мазут при растопке котла на угольной пыли с высоким выходом летучих веществ и низкой влажностью.
Принципиально такой способ растопки котла представляется достаточно простым, однако при его практической реализации неизбежны определенные трудности. К надежности и работоспособности плазмотрона должны предъявляться те же требования, что и к остальному оборудованию электростанции. Между тем ресурс плазмотронов измеряется сейчас десятками-сотнями часов. Обслуживание и ремонт таких устройств на котле вызывает дополнительные сложности.
С целью отказа от применения вспомогательного топлива (мазута и газа) на пылеугольных котлах фирма Combustion Engineering (США) разрабатывает и внедряет способ непосредственного розжига пылеугольного факела [58]. Воспламенение угольной пыли осуществляется с помощью электрической дуги. Основными условиями надежного воспламенения является подача пыли высокой концентрации и организация рециркуляции горячих газов к корню факела.
В работе [59] представленный запатентованный способ и устройство для термической обработки угольной пыли перед сжиганием с целью получения пылевоздушной смеси с минимальным размером угольных частиц. Способ заключается в нагреве угольной пыли и взрывообразном их разрушении под действием выделяющихся летучих веществ. Нагрев пыли осуществляется за счет ее частичного сжигания при дефиците подаваемого воздуха (а « 0,2-0,5) или нагревом газами, образовавшимися при полном сгорании пыли в топке. Хотя предложение предназначено для использования в промышленных печах цементных заводов, принципиально это способ может быть применен в теплоэнергетике.
Теоретические основы неизотермической кинетики процесса горения коксовой основы твердых органических топлив
При медленном нагреве вторичный крекинг смол обуславливает снижение их суммарного выделения; одновременно возрастает выход газа (и искажается его компонентный состав), а также интенсифицируется коксообразование. Очень быстрый отвод летучих продуктов в условиях высокоскоростного нагрева снижает до минимума их вторичные преобразования. Изложенное выше позволяет сделать важное предположение, что изменение количества и состава летучих веществ в зависимости от скорости нагрева связано с протеканием вторичных процессов, а не с изменением механизма деструкции угольного вещества. Механизм образования отдельных парогазовых компонентов летучих веществ, в конечном счете, определяется физико-химическим молекулярным строением исходного угольного вещества.
В условиях высокоскоростного нагрева индивидуальные реакции газовыделения с узким распределением кинетических параметров протекают практически единовременно, а выделение основной массы продуктов деструкции смещается в область повышенных температур. Выдвинутая З.Ф. Чухановым схема последовательно-параллельных реакций предполагает возможность разделения выхода отдельных компонентов летучих веществ по температуре процесса [111].
Схожесть механизма термического разложения угольного вещества при экстремально различных скоростях нагрева может быть строго подтвержден неизменностью кинетических характеристик смоловыделения и индивидуальных реакций деструкции. Выполненные Б.В. Нелюбиным экспериментальные исследования [157] показали, что кинетические характеристики {Е и к0) смоловыделения Кузбасского газового угля в интервале скоростей нагрева 2-24 град/мин не изменяют своих значений. Соотношение же между реакциями деструкции и синтеза, вследствие различия констант их скоростей, изменяется на этом интервале - существенно.
Известно, что выделение низкомолекулярных газообразных продуктов термической деструкции при медленном нагреве связано с протеканием последовательных по температуре и частично налагающихся друг на друга индивидуальных реакций. Так в работе [96] показано, что выделение метана (СН4) является следствием 6-ти реакций с различными кинетическими параметрами. Выделение С02, СО и Н20 протекает по 4-м «единичным» реакциям. И только дифференциальные кривые углеводородных газов (C„Hffl), выделение которых связано с образованием смол, могут быть описаны одной реакцией. Экспериментами Г. Юнтгена и его сотрудников [101] были подтверждены практически неизменные значения Е и к0 для углеводородных газов при скоростях нагрева угля от 10" до 10 град/мин. К этому следует добавить, что прецизионный анализ выделения углеводородных газов (до С0) при термическом разложении широкой гаммы углей, выполненный Ж. Элдером [174], показал неизменность механизма их образования и для различных по степени метаморфизма топлив (в интервале Cdaf= 70-90 % температура максимума скорости их выхода меняется незначительно).
В настоящей работе, в качестве возможного варианта рассматривается неизменный механизм термической деструкции угольного вещества при переходе от медленного (эксперимент, 5-20 град/мин) к высокоскоростному (например, топочные условия, 104-106 град/с) нагреву. Учитывая невозможность осуществления непрерывной оценки скорости выделения летучих веществ при высокоскоростном нагреве при проведении прямого эксперимента, целесообразно использовать расчетное определение длительности периода выделения летучих веществ по результатам кинетической оценки экспериментальных данных с медленным нагревом. Необходимым условием такого расчета является максимальное приближение к непрерывному анализу и использование математического аппарата неизотермической кинетики.
Выделившиеся горючие газообразные летучие компоненты при достижении достаточной концентрации стехиометрической смеси реагируют в газовой фазе с кислородом воздуха до получения конечных продуктов С02 и Н,0 [175, 176]. Смолы при недостатке окислителя могут повторно деструктировать, образуя вторичные продукты, в частности ацетилен, бензол, водород и сажу, которые, в свою очередь, также вступают в реакцию с кислородом воздуха, генерируя продукты полного (СО, и Н20) и неполного горения (например, СО) с последующим их догоранием [82].
В процессе выделения летучих веществ и их последующего горения происходит нагрев угольной частицы, сопровождающийся инициализацией процесса горения ее нелетучей (коксовой) основы. Реакция протекает на поверхности угольной частицы, в результате которой из газового объема кислород воздуха адсорбируется на поверхности углерода. На ней атомы кислорода вступают в химическую реакцию, образуя сложные углерод-кислородные комплексы СхОу [177]. Последние затем распадаются с получением продуктов полного (С02) и неполного (СО) горения. Водяные пары (Н20) и углекислый газ (С02), образующиеся в результате протекания процессов сушки, возгонки балластных летучих, горения горючих летучих и коксовой основы топлива, а также в результате догорания неполных продуктов сгорания могут реагировать с твердой фазой, образуя СО и Н2. Эти реакции протекают по радикально-цепному механизму при непосредственном участии гидроксилов как промежуточных соединений с появлением комплекса НСОН, а затем и валентных донор-но-акцепторных связей с атомарным углеродом [96]. Вследствие соударения атомов и молекул с вакантными местами и благодаря наличию валентных сил на активных местах поверхности образуются промежуточные комплексы. Последние стимулируют электронный перенос, обеспечивая хемосорбцию газообразных компонентов на поверхность коксовой основы. Получающийся в результате вторичных реакций водород может вступать в химические реакции: с углеродом до образования неполного продукта горения (СН4) и кислородом до - Н20 [141]. Метан в газовой фазе окисляется до СО2 и Н20. Продукты полного (Н20) и неполного (СО) горения могут взаимодействовать между собой, образуя С02 и Н2 [82].
В практике кинетических расчетов в последнее время все большее распространение получила неизотермическая кинетика [108, 178]. Так, например, в работе К. Дойля [179] отмечается, что одна динамическая кривая изменения массы эквивалентна большому числу соответствующих изотермических кривых; кроме того, отсутствуют ошибки, связанные с заменой образцов, поскольку всю информацию получают с помощью одного и того же образца. Следует, однако, отметить некоторую ограниченность термогравиметрических данных при проведении кинетического анализа, поскольку они позволяют получать кинетические параметры процесса изменения массы только для определенных условий эксперимента.
Преимущества определения кинетических параметров неизотермическими методами по сравнению с обычными изотермическими состоят в следующем [180]: требуется значительно меньшее количество данных; кинетические параметры могут рассчитываться непрерывно для всего интервала температур; опыт проводится в рамках одного образца. Определенным недостатком неизотермических методов по сравнению с изотермическими является возникновение некоторой сложности при установлении механизма реакции и определения достоверных значений кинетических характеристик. Следует отметить, что во многом преодоление данной трудности достигается правильным выбором метода обработки данных термического анализа и оценки кинетических параметров.
В общем случае задача поиска кинетических констант сводится к задаче поиска математической модели скорости реакции под экспериментально полученную кинетическую кривую или ее отдельные точки [181]. Такие задачи определения коэффициентов дифференциального уравнения по некоторым известным функционалам получили название обратных кинетических задач. В настоящее время существует два принципиально различных подхода к решению обратной кинетической задачи или, другими словами, два пути уменьшения ее неоднозначности [182]. Первый путь - путь анализа, состоящий в дискриминации конкурирующих формальных моделей процесса с целью выбора наиболее оптимальной (единственно «лучшей»), основанный на принципе однозначного описания. Второй - путь синтеза, состоящий в создании обобщенных (синтетических) описаний из совокупности конкурирующих моделей, основанный на принципе дополнительности. Именно эти два принципа - принцип дополнительности и принцип однозначного описания - составляют основу предлагаемой классификации методов решения обратной кинетической задачи, схематическое изображение которой представлено на рис. 1.31.
Отметим, что предлагаемая классификация методов решения обратной кинетической задачи позволяет в свою очередь объединить методы расчета кинетических параметров в определенные группы, обладающими общими свойствами по отношению к решению обратной кинетической задаче, т.е. фактически осуществить классификацию методов с точки зрения их надежности.
Для изучения кинетики процессов термического разложения используются три класса математических методов: а) дифференциальный; б) интегральный; в) метод аппроксимации. Следует отметить, что обзор традиционных методов обработки данных термогравиметрических экспериментов, несмотря на значительные аналитические возможности, показывает их непригодность для обработки кинетических кривых многостадийных процессов, в частности процессов термической деструкции твердого органического топлива [183-185]. Одной из традиционных кинетических задач исследования гетерогенных реакций, например, процесс выгорания нелетучей коксовой основы, является установление механизма реакции [186].
Методика расчета длительности выгорания горючих газовых компонентов летучих веществ
Термохимическое превращение угольного вещества связано с независимым протеканием большого числа реакций и образованием радикалов ароматической природы [151]. Возможной рекомбинацией радикалов обусловлены процессы синтеза (поликонденсации) осколков, идущие одновременно с деструкцией и ответственные за формирование коксовой структуры [154].
Образование жидких и газообразных продуктов термической деструкции является следствием отщепления структурных групп и низкомолекулярных соединений, входящих в состав элементарных структурных единиц, и их дальнейших преобразований [255, 256]. Можно предположить, что каждый из продуктов деструкции твердого органического топлива обязан своим отщеплением одной или нескольким реакциям, для которых характерны различные, но изменяющиеся в узких пределах, значения энергии активации. Зависимость между количеством реакционных групп данного типа и прочностью их связи подчиняется статистическому закону гаусового распределения. Замена узкого распределения реакций с близкими кинетическими параметрами одной индивидуальной реакцией с усредненным значением энергии активации, впервые рассмотренная в работе Б. В. Нелюбина [157], близка к концепции «реакционного комплекса» с узким распределением Е и к0 Г. Юнтгена [158]. Гипотеза об узком распределении энергии связей позволяет обоснованно выделить индивидуальные последовательно-параллельные реакции образования паро- и газообразных компонентов по мере подъема температуры и уточнить характер выделения летучих соединений в зависимости от молекулярного строения угольного вещества [257].
С другой стороны, термическое разложение угольного вещества необходимо рассматривать как развитие конкурирующих процессов - деструкции и поликонденсации [258]. Паро- и газоообразные продукты термического разложения являются результатом участия элементарных структурных единиц угольного вещества в указанных процессах (в противоположность точки зрения С. Драй дена о возможном точном соответствии летучих веществ алифатическим структурам [259]). Особенно отчетливо это проявляется при анализе выделения углеводородых газов. По X. Ойлерту [260], лишь начальный период выделения метана в первом приближении коррелирует с отщеплением СН3- групп исходного угля. Основная же его доля выделяется не за счет отщепления реакционных СН- групп, а в результате участия водорода в промежуточных реакционных актах. Для большинства твердых горючих искомаемых характерно выделение углеводородных газов (этана, этилена, пропана, пропилена) с порядком реакции больше единицы (п 1) и со смещением максимума скорости в сторону более высоких температур по сравнению с Ттж основного периода выделения летучих веществ [261]. Значения п \ указывают на многоступенчатый характер образования углеводородных газов, который в значительной степени объясняется тем, что выделение углеводородных газов обусловлено не непосредственной деструкцией боковых цепей структурных единиц, а является результатом разложения промежуточных продуктов в период смолообразования [262]. Это предположение подтверждается и увеличенными значениями температуры максимума скорости выхода углеводородных газов по сравнению с положением температурного максимума основного периода выделения летучи веществ [263, 264].
Основной период термического разложения, характеризующийся максимальной скоростью процесса, обусловлен главным образом, выделением смол [96]. Если образование и выделение газообразных продуктов (СО, С02, Н2, СН4), а также пирогене-тической влаги, является следствием множества последовательно-параллельных реакций, то смоловыделение в большей мере отражает статистический характер разрыва молекулярных связей с узким интервалом распределения энергий активации, и описывается, в первом приближении, одной реакцией первого порядка. Следует отметить, что анализ работ К. Крюгера [265] и Ван-Кревелена [168], которыми охватывается круг вопросов, связанный с термическим разложением отдельных петрографических микрокомпонентов каменных углей различной степени метаморфизма, показал, что основное отличие между микрокомпонентами в период выделения летучих веществ заключается в динамике выделения и составе углеводородных соединений, главным образом смол. Этот вывод подтвержден неоднократно Г.П. Алаевым, как на отобранных из пласта петрографических разновидностях, так и на фракциях, обогащенных отдельными микрокомпонентами [36]. Суммарное выделение углеводородных соединений снижается в ряду «липтинит - витринит» (Lt - Vt) [169].
Приведенные выше данные относятся к результатам термического разложения угольного вещества с низкими скоростями нагрева (менее 20 град/мин). Однако известно, что при горении пылевидного твердого топлива в топочных условиях процесс выделения летучих веществ необходимо рассматривать как комплекс первичных деструктивных изменений органической массы угольного вещества и вторичных взаимодействий продуктов термического разложения с твердой фазой (коксовой основой). С уменьшением скорости нагрева роль вторичных процессов возрастает. Даже в интервале 2-20 град/мин при исследовании Кузбасских углей (марки Г) это отчетливо наблюдается на примере выделения водорода Н2 [169]. Следует отметить, что увеличение смоловыделения при высокоскоростном нагреве разных марок углей отмечалось в работах [266-268]. По данным В. Петерса [269], на углях средней стадии метаморфизма смоловыделение в 1,6-1,8 раз выше, чем при стандартном полукоксовании в реторте Фишера. Причем основная доля повышенного выделения смол приходится на пековую составляющую. По данным П. Агарвала [270] содержание смол при высокоскоростном разложении угля с Vdaf« 33 % возрастает до 27 % (вместо 16 % при медленном нагреве). Увеличение скорости нагрева до 106 град/с радиационный нагрев угольных частиц размером 3-5 мкм [271] приводит к смещению максимума скорости выделения жидких продуктов в область температур более 1000 С.
При медленном нагреве вторичный крекинг смол обуславливает снижение их суммарного выделения; одновременно возрастает выход газа (и искажается его компонентный состав), а также интенсифицируется коксообразование. Очень быстрый отвод летучих продуктов в условиях высокоскоростного нагрева снижает до минимума их вторичные преобразования. Изложенное выше позволяет сделать важное предположение, что изменение количества и состава летучих веществ в зависимости от скорости нагрева связано с протеканием вторичных процессов, а не с изменением механизма деструкции угольного вещества. Механизм образования отдельных парогазовых компонентов летучих веществ, в конечном счете, определяется физико-химическим молекулярным строением исходного угольного вещества.
В условиях высокоскоростного нагрева индивидуальные реакции газовыделения с узким распределением кинетических параметров протекают практически единовременно, а выделение основной массы продуктов деструкции смещается в область повышенных температур. Выдвинутая З.Ф. Чухановым схема последовательно-параллельных реакций предполагает возможность разделения выхода отдельных компонентов летучих веществ по температуре процесса [111].
Схожесть механизма термического разложения угольного вещества при экстремально различных скоростях нагрева может быть строго подтвержден неизменностью кинетических характеристик смоловыделения и индивидуальных реакций деструкции. Выполненные Б.В. Нелюбиным экспериментальные исследования [169] показали, что кинетические характеристики (Е и к0) смоловыделения Кузбасского газового угля в интервале скоростей нагрева 2-24 град/мин не изменяют своих значений. Соотношение же между реакциями деструкции и синтеза, вследствие различия констант их скоростей, изменяется на этом интервале - существенно.
Похожие диссертации на Комплексное исследование и учет реакционной способности энергетических углей в практике моделирования и совершенствования теплотехнологических процессов и оборудования
