Введение к работе
Актуальность работы. Длительный опыт использования канско-ачинских углей на тепловых электростанциях показал, что традиционные способы их подготовки и сжигания не в состоянии удовлетворить современным требованиям обеспечения эффективности, надежности и экологической безопасности работы котельных агрегатов. Эта проблема еще более усугубляется при сжигании непроектных углей или углей ухудшенного качества. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ № 1234-р от 28.08.2003 г., канско-ачипские угли служат крупнейшей сырьевой базой для энергетики, поэтому проблема повьішеїгая эффективности их использования и экономного расходования является актуальной.
Существующие проблемы энергетического использования канско-ачинских углей в значительной степени можно решить, если перед сжиганием угольную пыль подвергнуть термической обработке. Хорошая воспламеняемость продуктов термообработки, их высокая калорийность и реакционная способность открывают широкие возможности для применения на тепловых электростанциях процесса предварительной термоподготовки угля перед сжиганием. Эффективность предварительной термической обработки топлива во многом зависит от правильного выбора режимов термообработки и способов его реализации.
Наиболее рациональным средством решения указанных задач является использование методов комплексного термического анализа и математического моделирования неизотермической кинетики, однако сложность исследуемых процессов требует их дальнейшего совершенствования. Одной из важнейших задач развития вышеуказанного подхода является необходимость учета реакционной способности угольного вещества на основе установления корректной взаимосвязи различных этапов и процессов его термохимического превращения. Методическая трудность, связанная с определением скоростей различных этапов термохимического превращения твердого топлива в широком диапазоне режимных условий (среда, температура, скорость нагрева и т.д.), присущих условиям реальных технологических процессов переработки канско-ачинских углей, сопряжена с наложением нескольких процессов и невозможностью их раздельной оценки. Принципиальным выходом из сложившейся ситуации может являться экспериментальное определение реакционных характеристик различных этапов и стадий, составляющих процесс горения частиц пылевидного топлива на основе использования установки и методических приемов комплексного термического анализа при непрерывной регистрации в неизотермических условиях.
Объектом исследования в настоящей работе является комплекс процессов термохимического превращения канско-ачинских углей Ирша-Бородинского, Березовского и Назаровского месторождений.
Целью работы является разработка способов и устройств для повышения эффективности энергетического использования канско-ачинских углей на основе совершенствования и внедрения комплексного метода определения реакционной способности твердых органических топлив.
Задачи исследования, решаемые в настоящей работе:
-
Анализ современного состояния проблемы адекватного определения реакционной способности энергетических углей.
-
Совершенствование схемы и установки комплексного термического анализа твердого органического топлива для исследования и оценки кинетики процессов их термохимического превращения.
-
Исследование влияния различных факторов на характер термоаналитических
кривых и выбор экспериментальных условий выполнения комплексного термического анализа угольного вещества.
-
Совершенствование методики определения кинетических характеристик различных процессов термохимического превращения канско-ачинских углей, в частности, процессов испарения влаги, выхода летучих веществ с раздельной оценкой кинетики смоловыделения и выхода индивидуальных газообразных компонентов, а также кинетики выгорания коксового остатка.
-
Обоснование рекомендаций по практическому использованию результатов комплексного термического анализа для выбора рациональных способов и режимов подготовки и сжигания канско-ачинских углей в пылевидном состоянии.
Научная новизна работы:
-
Разработан метод обоснования условий и режимных параметров работы установки комплексного термического анализа твердого органического топлива, обеспечивающий адекватную оценку кинетических характеристик процессов, ответственных за термохимическое превращение угольного вещества при выполнении лабораторного эксперимента.
-
Усовершенствована методика оценки реакционной способности угля при нагревании в окислительных условиях; получен банк данных по кинетическим константам процессов испарения влаги, выхода летучих веществ и горения нелетучего (коксового) остатка канско-ачинских углей.
-
Получены аналитические зависимости для экстраполяции результатов комплексного термического анализа примешггелыго к реальным условиям энерготехнологических устройств подготовки и сжигания твердого органического топлива на основе обобщения математического аппарата неизотермической кинетики.
-
Разработаны критерии оценки и способы расчетного обоснования требований к организации процессов и режимов подготовки, а также сжигания твердого органического топлива с учетом его реакционной способности.
-
Разработана инженерная методика расчета устройств предварительной термической обработки угля, осуществляемой высокотемпературными продуктами сгорания части исходного топлива, позволяющая определять количество топлива, необходимого для сжигания и получения высокотемпературных продуктов сгорания в зависимости от различных режимных параметров процесса.
Практическая значимость работы:
-
Выполнено совершенствование схемы и отдельных узлов установки комплексного термического анализа твердых органических топлив с учетом специфических свойств различных процессов термохимического превращения угольного вещества для повышения информативности, надежности и точности результатов экспериментального моделирования. Установка реализована в виде аппаратно-программного комплекса, автоматизирующего процессы сбора, обработки и визуализации экспериментальных данных в масштабе реального времени.
-
Разработаны практические рекомендации для выбора эксперименталышх условий, обеспечивающих кинетический режим проведения комплексного термического анализа твердых горючих ископаемых в пылевидном состоянии с целью определения их реакционной способности.
-
Разработано специализированное алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее методику оценки кинетических параметров многостадийных процессов термохимического превращения твердых органических топлив, которое рекомендуется использовать для обработки результатов комплексного термического анализа.
-
На основе данных комплексного термического анализа выявлены особенности возникновения тепловых потерь с химическим и механическим недожогом при энергетическом использоваїши каиско-ачинских углей и предложена система обоснованных требований к организации процессов их подготовки и сжигания с учетом исходного качества, а также режимов работы котельных установок.
-
Разработаны технические решения и практические рекомендации по повышению эффективности энергетического использования канско-ачинских углей, основанные на реализации процесса предварительной термической обработки топлива перед сжиганием.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод обоснования экспериментальных условий выполнения комплексного термического анализа твердого органического топлива для оценки кинетических характеристик процессов, ответственных за термохимическое превращение угольного вещества.
-
Методика оценки реакционной способности угля по данным его комплексного термического анализа при нагревании в инертной и окислительных средах.
-
Результаты определения кинетических параметров, характеризующих процессы испарения влаги, выхода летучих веществ с раздельной оценкой кинетики смо-ловыделения и выхода индивидуальных газообразных компонентов, горения нелетучей (коксовой) основы канско-ачинских углей.
-
Аналитические зависимости для экстраполяции данных комплексного термического анализа на условия протекания реальных процессов подготовки и сжигания твердого органического топлива, позволившие выявить особенности возникновения тепловых потерь с химическим и механическим недожогом при энергетическом использовании канско-ачинских углей.
-
Технические решения, направленные на реализацию процесса предварительной термической обработки топлива перед сжиганием, и рекомендации по организации режимов их работы для повышения эффективности энергетического использования канско-ачинских углей.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследований в области комплексного термического анализа и подтверждается удовлетворительной сходимостью экспериментальных данных с теоретическими расчетами и данными других авторов.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи, разработке методик и проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов, формулировании основных выводов по результатам выполненных работ по теме диссертации.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены: на Российском национальном симпозиуме по энергетике (г. Казань, 2001 г.); на 3-ей научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (г. Челябинск, 2001 г.); на 2-ой всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии и развития городов» (г.Красноярск, 2001 г.); International congress on FEM-Technology and 19th all-European CAD-FEM user' meeting (Germany, Berlin-Potsdam, 2001); на XXII Российской школе по проблемам науки и техники (г. Миасс, 2002 г.); па IX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2003 г.); на международной научно-технической конференции «ХП Бенардосовские чтения» (г. Иваново, 2005 г.); на VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (г. Новосибирск, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, научных выводов и рекомендаций, списка литературы из 178 наименований и содержит 208 страниц текста, включая 99 рисунков и 20 таблиц.
Похожие диссертации на Совершенствование и внедрение комплексного термического анализа в практику энергетического использования канско-ачинских углей
