Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса применения плазменных систем для розжига низкосортного твердого топлива 10
1.1. Элементарный состав и основные характеристики низкосортного топлива, П
1.2. Способы сжигания низкосортных топлив 13.
1.3. Системы плазменного розжига для воспламенения низкосортных твердых топлив 17
1.4. Классификация плазменных устройств 21
1.5. Взаимодействие твердого топлива с электродуговой плазмой 27
1.6. Постановка задач исследования 29
2. Исследование зажигания и стабилизации горения пылевидных твердых топлив вынесенной плазменной дугой 32
2.1. Экспериментальный стенд для зажигания пылевидных твердых топлив вынесенной плазменной дугой 32
2.2. Определение индукционных характеристик и теплового состояния элементов системы плазменного розжига при зажигании пылевидного твердого топлива, 37
2.3. Определение границы области устойчивого горения вынесенной плазменной дуги в кольцевом канале плазменного муфеля, 4!
2.4. Исследование вольтамперной характеристики плазменного генератора ; ; 49
2.5. Исследование зажигания и стабилизации горения пылевидного твердого топлива вынесенной плазменной дугой 51
2.6. Исследование плазменного сжигания топливных смесей 59
3. Моделирование теплообмена многослойного плазменного муфеля-стабилизатора 64
3.1. Численное моделирование теплообмена стенки канала муфеля-стабилизатора 64
3.2. Методы определения температуры и методика обработки экспериментальных данных 70
3.3. Автоматизированная система регистрации экспериментальных данных 73
3.4. Экспериментальное исследование теплового состояния стенки муфеля-стабилизатора 76
3.5. Результаты численного расчета и сравнение их с экспериментальными данными 78
3.6. Применение математической модели для расчета теплообмена стенки центрального канала пылевихревой горелки 79
4. Исследование тепловых и динамических характеристик потока воздуха при взаимодействии прямоточной и закрученной струй 84
4.1. Экспериментальная установка для исследования взаимодействия прямоточной и закрученной струй 86
4.2. Исследование динамических и тепловых характеристик потока воздуха 90
5. Эколого-экономическая эффективность применения плазменнных технологий 95
5.1. Экологические аспекты плазменно - энергетических технологий 95
5.2. Технико-экономическое обоснование внедрения системы плазменного розжига и поддержания стабильных условий горения твердого топлива 99
5.2.1. Экономическое обоснование внедрения СПВ на районной котельной 100
5.2.2. Экономическое обоснование внедрения СПВ на заводе ДСП
для сушильной установки 102
Заключение 106
Список литературы
- Способы сжигания низкосортных топлив
- Определение индукционных характеристик и теплового состояния элементов системы плазменного розжига при зажигании пылевидного твердого топлива,
- Методы определения температуры и методика обработки экспериментальных данных
- Исследование динамических и тепловых характеристик потока воздуха
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из направлений развития теплоэнергетики является разработка новых технологий, позволяющих использовать низкосортные топлива и при этом обеспечить хорошие эколого-экономические показатели энергетического объекта.
На практике предлагается множество конструктивных решений для эффективного сжигания низкосортного топлива. Отмечаются вихревые способы, способы сжигания \ в псевдоожиженном состоянии, широко распространено применение факельного способа сжигания, который доминирует при выборе технологии. Для обеспечения эффективного воспламенения и поддержания стабильного уровня горения таких топлив при факельном сжигании используется дополнительное высокореакционное топливо или применяются устройства электродугового розжига. Разработка технологий плазменного воспламенения низкореакционного топлива для решения проблем энергетических производств высокой мощности ведется коллективами ученых Института теплофизики и Института теоретической и прикладной механики СО РАН г. Новосибирска, Казахского НИИ энергетики; практическая реализация изучается и осваивается на Гусиноозерской ГРЭС и др.
Преимущества применения устройств электродугового розжига заключаются в том, что они позволяют исключить дополнительное высококалорийное топливо на стадии розжига и поддержания стабильных условий горения и значительно снизить вредные выбросы оксидов серы, азота и ванадия в атмосферу.
Плазменный розжиг основан на взаимодействии частиц топлива с высокотемпературным потоком электродуговой плазмы, при этом происходит первичная термохимическая подготовка топлива, осуществляется резкий прогрев частиц, подаваемых на горение, интенсифицируется выход летучих составляющих, обеспечивающих стабильно горящий факел
В настоящее время ведется интенсивный поиск способов повышения эффективности воспламенения топлив на установках энергетических произ-
водств малой мощности, относящихся главным образом к системам промышленной теплоэнергетики. Это может быть реализовано на основе применения электрических устройств, генерирующих вынесенную плазменную дугу непосредственно в топливном потоке. При этом взаимодействие частиц топлива с ионами и электронами высокой концентрации электродуговой плазмы увеличивает интенсивность химического реагирования топлива.
Отмеченное выше характеризует актуальность создания эффективных: электродуговых устройств, генерирующих вынесенную плазменную дугу в потоке аэросмеси, для решения проблем малой энергетики при детальном изучении зажигания и поддержания стабильного уровня горения низкосортных полидисперсных топлив высокотемпературным плазменным потоком.,
Таким образом, целью диссертационной работы являются исследование зажигания и стабилизации горения пылевидного твердого топлива электродуговым устройством с вынесенной плазменной дугой, горящей непосредственно в топливном потоке, и разработка технологии плазменного розжига и поддержания стабильного горения топлив для решения проблем энергетических производств малой мощности.
Научная новизна работы:
экспериментально и теоретически обосновано применение электродугового устройства с вынесенной плазменной дугой для зажигания и стабилизации горения пылевидных топливных смесей; разработана конструкция плазменного модуля;:
экспериментально определена граница области устойчивого горения электродугового разряда в кольцевом канале муфеля термохимической подготовки топлива при динамическом воздействии на плазменный жгут потоком аэросмеси; зависимость расхода воздуха от мощности плазменного генератора
имеет вид: ^=638,4+34,5-7^-0,34-JVn2;
— найдены условия эффективного зажигания топливовоздушного потока
вынесенной плазменной дугой во внутренней области плазменного модуля, при
которых обеспечивается рациональная термохимическая подготовка топлива к
его факельному сжиганию в топочном пространстве; коэффициент избытка воздуха для эффективной подготовки топлива близок к 0,3;
— экспериментально исследована зона возвратных течений на выходе пы-
левихревой горелки при взаимодействии прямоточной струи розжигового кана
ла с закрученной струей основного потока аэросмеси.
Основные положения, выносимые на защиту:
экспериментально определенная граница области устойчивого горения вынесенной плазменной дуги в кольцевом канале муфеля термохимической подготовки топлива при динамическом воздействии на неё потоком аэросмеси, подаваемым в область зажигания топлива;
результаты экспериментальных исследований зажигания топливовоз-душного потока электродуговым устройством с вынесенной плазменной дугой;
результаты исследования поведения зоны возвратных течений на выходе вихревой пылеугольной горелки при взаимодействии прямоточной струи, истекающей из розжигового канала, с закрученной струёй основного потока аэросмеси, подаваемой на горение, позволяющие прогнозировать эффективность сгорания топлива в факеле в топочной камере.
Практическая ценность работы:
результаты экспериментальных и теоретических теплофизических исследований при плазменном зажигании и стабилизации горения потока аэросмеси, полученные в работе, использованы при разработке системы плазменного розжига для котла КВТК 100/150 районной котельной г. Прокопьевска Кемеровской области;
в результате экспериментального исследования поведения зоны возвратных течений на выходе вихревой пылеугольной горелки определено рациональное соотношение расходов воздуха через центральный и коаксиальный каналы при зажигании и стабилизации горения твердотопливной аэросмеси вынесенной плазменной дугой, обеспечивающее интенсивное взаимодействие потоков аэросмеси и полноту сгорания частиц топлива в топочном пространстве;
- результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Томского государственного архитектурно-строительного университета для студентов специальности 291300 "Механизация и автоматизация строительства".
Достоверность полученных результатов определяется использованием надежных методов диагностики, обеспечивающих возможность получения результатов измерений с погрешностью не более ± 10%; статистической обработкой результатов экспериментальных измерений, которая осуществлялась в относительных единицах для повышения достоверности полученных данных. Теоретические исследования проводились на основе математических моделей с использованием аналитических и численных методов расчета с допущениями, не вступающими в противоречие с общепринятыми. Приведенные в работе результаты находятся в согласии с данными, полученными для других устройств воспламенения и стабилизации горения пылевидных топлив.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Решетневские чтения» (Красноярск, 1998); III международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск, Беларусь, 2000); II международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, 2001); II и III семинарах вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Томск, 2001, Барнаул, 2003); научно-технической конференции «Архитектура и строительство» (Томск, 2002), а также на ряде научно-технических совещаний и семинаров..
Публикации. Основные научные результаты работы изложены в 8 публикациях.
Структура диссертации. Первая глава посвящена рассмотрению вопросов развития технологий для сжигания низкосортного твердого топлива, анализу применения систем безмазутного плазменного воспламенения пылевидных топлив и используемых плазменных устройств. Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования зажигания и стабилизации горения
низкосортного пылевидного твердого топлива электродуговым устройством с вынесенной плазменной дугой. В третьей главе представлено численное моделирование теплообмена многослойной стенки плазменного муфеля, применяемого для пассивного метода стабилизации процесса горения пылевидных твердых топлив, который осуществляется за счет аккумуляции тепла стенками, нагреваемыми до температуры, необходимой для стабильного самовоспламенения топлива. В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования поведения зоны возвратных течений на выходе пылевихревой горелки в процессе взаимодействия прямоточной струи розжигового канала с закрученным основным потоком, позволяющие найти условия эффективного воспламенения потока аэросмеси и полного сгорания частиц топлива в топочном пространстве. В пятой главе рассмотрены экологические аспекты плаз-менно-энергетических технологий сжигания твердого топлива и приведено экономическое обоснование внедрения системы безмазутного плазменного розжига.
Автор выражает глубокую признательность за поддержку и обсуждение результатов работы заведующему кафедрой «Прикладная механика и материаловедение» ТГАСУ, заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Г.Г. Волокитину, заведующему лабораторией «Плазменные процессы и аппараты» НИИ СМ при ТГАСУ, к.ф.-м.н., доценту A.M. Шиляеву.
Способы сжигания низкосортных топлив
На практике предлагается множество конструктивных решений для эффективного сжигания низкосортного топлива. Широко распространено применение факельного способа сжигания, используются вихревые способы, способы сжигания в псевдоожиженном состоянии и др., не исключаются и комбинированные схемы сжигания [15, 16].
За более чем полувековой период вихревой принцип сжигания реализован во многих конструктивных схемах и технических решениях [17, 18].
Вихревые способы сжигания основаны на использовании вихревого движения газовоздушного потока в топочной камере. Газовоздушный поток обеспечивает транспортирование частиц топлива, их циркулирование по локализованному контуру в течение времени, необходимого для газификации и сгорания топлива. Преимуществом вихревых топок является тот факт, что им свойственно значительное объёмное теплонапряжение, при котором повышается общий температурный уровень процесса сжигания.
В тоже время, топки, реализующие вихревой принцип сжигания, не обеспечивают достаточно высокие показатели по экономическим и экологическим; характеристикам. Более предпочтительным в этом отношении среди них являются топки с умеренным тепловым напряжением топочного объёма [17].
Значительная группа топочных устройств основана на использовании принципа сжигания топлива в псевдоожиженном слое. В соответствии с протекающими аэродинамическими процессами при сжигании топлив в псевдоожиженном состоянии различают топки с низкотемпературным кипящим слоем (КС) [19-21], аэрофонтаные топки (АФТ), топки с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) и др.
Основные преимущества сжигания в кипящем слое состоят в обеспечении высокого коэффициента теплоотдачи, снижении удельных капитальных затрат, снижении выбросов оксида азота, а при добавках известняка и оксидов серы, обеспечении возможности использования топлив с высокой зольностью и низкой теплотой сгорания.
Несмотря на ряд преимуществ способов сжигания с применением технологии псевдоожиженния, при использовании низкореакционных топлив ухудшенного качества они не обеспечивают возможности создания котлов большой единичной мощности, а также реализацию безотходности технологии сжигания [17].
Достижение эффективных характеристик топочного оборудования при сжигании топлив ухудшенного качества для обеспечения большой мощности, надежности работы, предельной маневренности, современных требований по экологической чистоте и экономичности может быть реализовано на основе оптимального сочетания различных технологий сжигания. Использование в совокупности модулей отдельных способов сжигания позволит создать схемы, в которых достигается максимально наилучший конечный результат при дополнении к преимуществам одного способа сжигания других; Примеры комбинированного способа сжигания низкосортных топлив рассмотрены в [17].
Однако наибольшее распространение, помимо рассмотренных способов, получил факельный способ сжигания. Возможно, в ближайшей перспективе, он будет занимать доминирующее положение в энергетике Факельный способ сжигания обладает большими технологическими достоинствами. Он позволяет использовать в котлах широкую гамму твердых топлив, обеспечивает хорошие регулировочные характеристики в большом диапазоне управления процессом горения, может быть применен в агрегатах, как большой, так и малой мощности, отличается относительно высоким КПД.
При использовании данного способа перед сжиганием топливо, как правило, проходит стадию подготовки, например, наиболее распространено измельчение исходного твердого топлива или распыление жидкого топлива. Цель процессов предварительной подготовки топлив к сжиганию заключается в повышении химической активности реагентов и обеспечении наилучшего смешения топлива с окислителем.
Для повышения химической активности известны и используются следующие способы:
1. В зону воспламенения вводятся продукты неполного сгорания небольшой доли обогащенного топлива [22]. Возникающие в процессе горения богатой смеси химически активные радикалы обеспечивают сокращение периода индукции и увеличение скорости горения в 4-5 раз при одновременном повышении экономичности процесса. Это говорит о том, что определяющим фактором является не температура вводимых продуктов горения, а именно неполное химическое реагирование их в предварительной стадии процесса.
2. Заметное влияние на процесс горения оказывает присутствие электрического и магнитного полей. Наложенное электрическое поле с напряжением 1,5 кВ способствует увеличению скорости сгорания частиц угля в 1,4 раза [23]. Топливовоздушная смесь в работе [24] подвергалась обработке коронным разрядом, вследствие чего скорость сгорания смеси возрастала на 40 %. Улучшение эксплуатационно-технических и экономических показателей процесса сжигания топлива объясняется образованием возбужденных химически активных частиц и снижением энергии активации.
В литературе встречаются работы, когда снаружи камеры размещается источник радиоактивного излучения [25]. В этом случае исключаются иные (тепловые, газодинамические) воздействия на реагирующие компоненты, а отмеченное увеличение скорости сгорания топлива объясняется только снижением энергии активации. Подобные результаты были получены и при введении в топливо радиоактивной присадки в небольшом количестве.
Определение индукционных характеристик и теплового состояния элементов системы плазменного розжига при зажигании пылевидного твердого топлива,
Характерные термограммы, полученные при розжиге аэросмеси древесной пыли на лабораторном стенде: Мощность плазмотрона 50 кВт, время работы плазменного устройства 1 минута, расход топлива в розжиговый канал 40 кг/ч, расход воздуха в первой ступени 100 м3/ч; L — расстояния от торца горелки до места установки термопар; Н— расстояние от торца камеры сгорания до места установки термопары
В ходе плановых экспериментов мощность плазменного"1 ст бйства колебалась в пределах от 40 до 50 кВт, расход топлива в первой розжиговой ступени устанавливался равным 40 кг/ч, расход воздуха здесь изменялся от 80 до 120 м /ч, во вторую ступень (коаксиальные каналы вихревой горелки) подавался воздух, недостающий до полного дожигания топлива. При переходе на основной режим питатель топлива второй ступени работал с производительностью 100 кг/ч, соответственно расход воздуха доводился до расчетного с коэффициентом избытка, равным 1,2. На рис. 2.3 представлены характерные термограммы, зарегистрированные при плазменном розжиге древесной шлифовочной пыли завода ДСП г. Томска на лабораторном стенде.
При установке и настройке горел очного и вспомогательного оборудования плазменное, транспортное и топочное оборудование показало достаточно высокую надежность работы.
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать заключение о том, что незначительное время работы плазменного устройства (-1 минута) обеспечивает в топочном пространстве температуру стабильного самовоспламенения древесного пылевидного топлива (600-650 С). Запуск основного потока топливной смеси, в условиях экспериментального стенда при расходе топлива равном 40 % от номинального, осуществляется через 5 — 6 минут после отключения вынесенной плазменной дуги. Тепловое состояние внутренней прямоточной зоны горелки достаточно умеренное — около 500 С в самой нагретой зоне в начальный период розжига [62].
Применение генераторов плазмы линейной схемы для зажигания пыле-воздушного твердотопливного потока предполагает взаимодействие аэросмеси с плазменной струей, истекающей из сопла плазмотрона.. Температура плазменной струи резко снижается вдоль по потоку при удалении от сопла плазмо трона [63, 64], этот фактор значительно уменьшает эффективность использования тепловой энергии, вырабатываемой плазменным генератором. Использование плазменных устройств с электрической дугой, горящей непосредственно в топливном потоке, обеспечивает более высокую степень ионизации газа в области взаимодействия частиц топлива с дугой при высоких температурах. Кроме того, взаимодействие частиц топлива с ионами и электронами высокой концентрации электродуговой плазмы увеличивает интенсивность химического реагирования топлива.
Вынесенная плазменная дуга, горящая между электродами во внутренней области модуля при динамическом воздействии на неё потоком пылегазовой смеси ведет себя неустойчиво по сравнению с плазменной дугой, стабилизируемой газовихревым потоком в канале плазмотрона линейной схемы. В связи с этим необходимо определить область устойчивого горения дугового разряда при его взаимодействии с пылевоздушным потоком.
Граница области устойчивого горения плазменной дуги, обеспечивающей стабильную работу всей системы плазменного розжига, определялась экспериментально из условия погасания дугового разряда при постепенном увеличении динамического воздействия на него потоком воздуха, транспортирующего топливо (рис. 2.4).
После зажигания основной дуги, формируемой под действием плазмооб-разующего газа - воздуха, фиксировалась сила тока и напряжение плазменного устройства. С пульта управления осуществлялся запуск напорного вентилятора 1, создающего воздушный поток для транспорта пылевидного топлива. Изменением положения шиберной заслонки 2 равномерно изменялся расход воздуха в сторону его увеличения вплоть до момента погасания плазменной дуги. Напряжение и сила тока.дуги в момент погасания дугового разряда регистрировались по показаниям приборов, установленных на панели управления источника питания. Расхода воздуха фиксировался по показаниям электромеханического ротационного расходомера.
Методы определения температуры и методика обработки экспериментальных данных
Известно, что наиболее простыми и удобными являются контактные методы измерения температур. При этих методах чувствительный элемент (ЧЭ) помещается в измеряемую среду и, следовательно, определяется температура ЧЭ, а не среды [80].
Контактные методы диагностики в условиях высоких температур осно ваны на измерении нестационарных (изменяющихся во времени) температур чувствительного элемента (датчика температуры — королька термопары, дат чика теплового потока — пластинки или цилиндра, заделанных в исследуемый образец).
Можно рассмотреть процесс нагрева тела чувствительного элемента (ЧЭ) при условиях: - температура газового потока Тг не изменяется во времени; - коэффициент теплоотдачи а является неизменной во времени величи ной; - внутренние источники тепловыделения в теле образца (ЧЭ) имеют нулевую мощность (W= 0); - начальное распределение температуры в теле образца (ЧЭ) может быть произвольным; - разность между температурой в любой точке тела и температурой по тока имеет один и тот же знак.
При этих условиях нестационарный процесс нагрева (охлаждения) может быть разделен на две стадии: начальную стадию и стадию регулярного теплового режима.
Первая стадия характеризуется тем, что изменение температуры во вре мени существенно зависит от начального распределения температуры в теле (теплового состояния ЧЭ). Здесь характер процесса не определяется однозначно а условиями нагрева (охлаждения) и свойствами тела.
Во второй стадии постепенно влияние начальных условий все более и более утрачивается. Воздействие условий нагрева и свойств материала тела ЧЭ становится определяющим. Наступает регулярный тепловой режим (РТР).
При этом закон изменения температурного поля во времени принимает простой и универсальный вид: логарифм избыточной температуры (9 = I Т-Тг I) тела в любой точке изменяется по линейному закону
Скорость нарастания температуры пропорциональна разности температур между телом ЧЭ и средой омывающего потока. Так же можно записать д[ы{гг-г)] —- ± = т. Решение этого уравнения имеет вид Т = Тг-С-е-т\ (3.19) то есть температура во времени изменяется по экспоненциальному закону. Здесь С - константа интегрирования, зависящая от начальных условий (распределения температуры в теле ЧЭ в момент времени х = 0).
Величина т, 1/с, есть положительное число, не зависящее от координат и времени. Это темп нагрева.
Основные закономерности регулярного теплового режима были подробно исследованы Г.М. Кондратьевым [81, 82], который раскрыл основные связи, существующие между темпом нагрева т, с одной стороны, и физическими свойствами тела, его формой, размерами и условиями нагрева - с другой [74].
Для регулярного теплового режима характерны следующие основные положения:
1. Основное соотношение (3.19), определяющее наступление РТР, выполняется не только для однородных простых тел, но так же для любых сложных систем из разнородных тел — РТР имеет общий характер.
2. Темп нагрева т однородного тела при конечном значении коэффициента теплоотдачи а пропорционален коэффициенту теплоотдачи и внешней поверхно сти тела F и обратно пропорционален полной теплоемкости тела Су m = V , (3.20) где Ч — коэффициент пропорциональности.
3. При а-»оо значение гада для любой сложной системы конечно, причем величина Woo для однородных тел пропорциональна коэффициенту температу ропроводности материала: а = К-та). (3.21) Соотношение (3.20) - закон сохранение энергии для РТР. Величина F в (3.20) - отношение средней по поверхности избыточной температуры QF к средней по объему 9г, т.е. vi/ = _L е, V
Это параметр неравномерности температурного поля, изменяется от 0 до 1. Коэффициент К в (3.21) имеет размерность м2 и зависит лишь от геометрических свойств - формы и размеров тела. Его называют коэффициентом формы. Соотношения (3.20) и (3.21) можно объединить, если их представить в безразмерной форме М = Х-ВГ, (3.22) YYl YYI ОС, К. F где М — = —К - относительный темп нагрева, ВС = -—— модифици руя, а XV рованное число Био, А, — коэффициент теплопроводности материала, F и V — площадь поверхности и объем тела соответственно.
Исследование динамических и тепловых характеристик потока воздуха
Использование плазменных потоков для высокотемпературного воспламенения и окисления твердых частиц органических топлив значительно эффективнее по сравнению с традиционными методами инициирования горения мазутным или газовым факелом. Недостатки сжигания органических твердых топлив с использованием мазута заключаются в том, что сжигание мазута не отвечает современным требованиям повышения эффективности топливоисполь-зования и не обеспечивает требуемых эколого-экономических показателей.
Мазут имеет высокую теоретическую температуру горения, и, являясь высокореакционном топливом с очень малым содержанием влаги, сгорает в основном в начальном участке факела при высоких температурах. Сжигание высокосернистых мазутов сопровождается образованием окислов азота и серного ангидрида, обладающих большой токсичностью. Выброс этих вредных газов с большим количеством продуктов сгорания топлив загрязняет воздушный бассейн [61].
Также необходимо отметить, что снижение качества мазута и его совместное сжигание с твердым топливом ведет к неполноте сгорания и, как следствие, к засорению дымоходов и систем газоочистки. При использовании электроэнергии (отказ от применяющегося мазутного воспламенения), преобразуемой в энергию плазмы в электродуговых плазмотронах, эффективность плазменного воспламенения достигается благодаря высоким значениям температуры, концентрации энергии в единице объёма и химической активности плазмы. Состав плазмы насыщен радикалами, ионами, электронным газом, что способствует более высокой реакционной способности и оказывает на пылевоздуш-ную смесь каталитическое действие.
Экологическим преимуществам плазменной термохимической подготовки твердого топлива к сжиганию посвящено значительное число публикаций [29, 32, 33, 53, 54].
Безмазутные технологии растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения факела с использованием электродуговых плазмотронов [29, 42, 54] способствуют снижению вредных газовых выбросов: оксидов азота, серы и ванадия.
Сера содержится в угле в виде дисульфида железа FeS2 (пиритная сера) и органической серы. Количество органической серы составляет 30 — 50 % от общей. При переработке угля происходят сложные процессы разложения пирита и органических серосодержащих групп с выделением в основном сероводорода и последующим его взаимодействием с органической массой угля, компонентами золы, пиритом и т.д. Упрощенная схема этих превращений представлена на рис. 5.1 и описывается следующим образом [33]:
1. Большая часть серы выделяется из угля при температурах около 1073 К, так как в этих условиях FeS2 полностью разлагается на FeS и H2S, а из органической массы выделяются летучие, содержащие в инертной или восстановительной среде серу в виде H2S, CS2 и серосодержащие соединения смолы (в основном тиофеновые соединения и сульфиды). Дальнейший распад FeS происходит трудно, и значительная часть его остается в коксе.
2. При температурах выше 923 К скорость реакции H2S с минералами МО и МСОз (М = Fe, Mg, Са) велика и значительная часть выделившегося H2S связывается или остается в коксе.
3. Серосодержащие компоненты смолы в инертной или восстановительной среде при высоких температурах разлагаются на сероводород и низкомолекулярные углеводороды.
4. В парокислородной среде идут радикальные и радикально — цепные газофазные реакции окисления FL S и CS2 с образованием оксидов серы (SO, SO2 и SO3).
Азот входит только в состав органического вещества угля, в золе он не содержится. Выделение азотсодержащих соединений из угля начинается после образования около 10 % летучих. Основными азотсодержащими соединениями смол пиролиза угля являются пиридины, пироллы, нитрилы, карбозолы, хино-лины, индолы [33].
Оставшийся в коксе азот связан очень прочными связями, которые не разрываются даже при высокотемпературном пиролизе. В выделившихся при пиролизе летучих азот содержится в виде NH3, HCN, N2 и в соединениях, входящих в состав смолы.
Дальнейшие превращения выделившихся азотсодержащих летучих зависит от среды и при сжигании в кислороде и воздухе основные газообразные продукты - NOx и N2. Превращение азотсодержащих групп в окислительной атмосфере происходит по схеме на рис. 5.2 [33] и приводит к образованию "топливных" оксидов азота. Соединения и фрагменты: цианистый водород (HCN), цианы (CN), амины (NH„), атомарный азот (N) образуются как в результате первичных процессов распада угля, так и во вторичных процессах с получением так называемых быстрых оксидов азота.
Основные элементарные реакции окисления CN, NH„ и N представлены в [33].
На основе экспериментальных исследований [29] и расчетно - теоретических данных [54] можно смело говорить об экологической эффективности систем плазменного воспламенения твердых топлив.
Снижение вредных выбросов оксидов азота объясняется трехступенчатой схемой сжигания: ступень 1 - камера электротермохимической подготовки топлива с плазменным устройством; ступень 2 - камера смешения основного потока аэросмеси с высокотемпературным потоком; ступень 3 — топочное пространство, где происходит взаимодействие вторичного воздуха с нагретой до температуры воспламенения пылеугольной смесью.
