Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы повышения эффективности использования низкосортных углей в теплоэнергетике и методов математического моделирования процессов термохимической подготовки топлив (ТХПТ) к сжиганию 8
1.1 Проблема увеличения потребления второго вида топлива на пылеугольных ТЭС
1.2 Суть термохимической подготовки топлив к сжиганию 12
1.3 Алло-автотермический характер преобразования топлив 21
1.4 Известные математические модели процессов взаимодействия пылеугольного топлива с внутренним тепловым источником 24
2. Физическое и математическое моделирование процессов ТХПТ
2.1. Физическая модель процесса 28
2.2. Термодинамическое обоснование эффективности процесса термохимической подготовки энергетических углей к сжиганию
2.3. Принятые допущения и параметры математической модели ермохимической подготовки топлив.
2.4 Математическая модель термохимической подготовки топлива 49
2.5. Алгоритм численного решения уравнений математической модели. 51
2.6 Программа, реализующая математическую модель, и ее особенности 58
3. Результаты моделирования и их сравнение с экспериментальными данными по плазменному воспламенению ылеугольного топлива 66
3.1 Исследование влияния мощности плазмотрона, онцентрации пыли в аэросмеси , скорости потока и влажности топлива на температуру и состав продуктов ТХПТ 68
3.2 Сравнение результатов расчетов с опытными данными 94
3.3 Технологические рекомендации для проектирования плазменноугольных горелок 96
Выводы 100
- Суть термохимической подготовки топлив к сжиганию
- Термодинамическое обоснование эффективности процесса термохимической подготовки энергетических углей к сжиганию
- Программа, реализующая математическую модель, и ее особенности
- Сравнение результатов расчетов с опытными данными
Введение к работе
В последние десятилетия значительное внимание в мире уделяется повышению эффективности и экологической безопасности котельных агрегатов пылеугольных тепловых электрических станций (ТЭС), вырабатывающих более 40% электрической и тепловой энергии. Общемировая тенденция снижения качества энергетических углей приводит к увеличению доли использования непроектных топлив, т.е. углей с отличными от проектных характеристиками. При этом ухудшаются как экономические, так и экологические показатели работы котлоагрегата. В соответствии с этим большую актуальность приобретает разработка новых технологий эффективного сжигания твердых топлив, независимо от их качества [1-3]. Одной из таких перспективных технологий, уже внедренной на ряде угольных станций России и зарубежных стран, является термохимическая подготовка топлива к сжиганию с использованием генератора низкотемпературной плазмы (плазмотрона). Эта технология позволяет полностью устранить использование мазута, традиционно используемого как для стабилизации горения пылеугольного факела, так и для растопки котлоагрегата. В нашей стране внедрением плазменной технологии на угольных станциях занимается ряд организаций: Отраслевой Центр плазменно-энергетических технологий (ОЦ ПЭТ) РАО «ЕЭС России» (Гусиноозерск, Е.И. Карпенко); Институт теплофизики СО РАН (Новосибирск, А.П.Бурдуков); Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (Новосибирск, И.М.Засыпкин); Новосибирский государственный технический университет (Новосибирск, Г.В. Ноздренко, Ю.А.Овчинников); Всероссийский теплотехнический институт (Москва, С.И.Сучков, А.Г.Тумановский); Красноярский политехнический институт (Красноярск, Н.А.Сеулин, Ю.В.Видин); Всероссийский заочный политехнический институт (Москва, М.Х.Ибрагимов, Е.М.Марченко); Дальневосточный государственный университет (Владивосток, И.А.Штым); Сибирский энергетический научно-технический центр (СибЭНТЦ) (Новосибирск, С.Г.Потапов).
Несмотря на принципиально решенные вопросы практической реализации этой технологии на отдельных ТЭС, ее распространение в масштабах страны встречает трудности из-за большого разнообразия конструкций котлоагрегатов. Это требует индивидуального подхода к выбору параметров устройств термоподготовки топлив. Однако экспериментальное изучение реальных топочных процессов и проведение испытаний растопочного оборудования характеризуется чрезвычайно высокой стоимостью, несмотря на внешнюю простоту самого горелочного устройства. Самая простая схема оснащения прямоточной горелки плазмотроном приведена на рисунке 1.1 [1].
Рис. 1.1. Схема системы плазменного воспламенения угольной пыли
1 - плазмотрон, 2 - катод, 3 - анод, 4 - зона реакций, 5 - огнеупорный материал (керамика, жаропрочный бетон), 6 - внешняя стенка канала, 7 -стенка котлоагрегата, 8 - топка котлоагрегата, 9 - подача плазмообразующего газа, 10 - подача аэросмеси (взвеси частиц угля в воздухе)
В связи с вышесказанным, актуальной становится задача создания такой математической модели, которая позволила бы осуществить серийные расчеты параметров процессов термоподготовки топлива [2], необходимые для
проектирования горелочного устройства, использующего электродуговой плазмотрон. На основе математической модели должен быть создан комплекс компьютерных программ, достаточно точных и одновременно универсальных для проведения вычислительных экспериментов по моделированию всей совокупности процессов, происходящих в горелке [3-5]. Математический аппарат, позволяющий с достаточной для практических потребностей точностью проводить определение конкретных параметров горелочного устройства, оснащаемого плазмотроном, до сих пор не создан. Это обусловлено высокой сложностью и разнообразием взаимосвязанных разномасштабных (по времени) процессов переноса вещества, импульса и энергии при сжигании природного топлива, и практически все существующие горелочные устройства были спроектированы после длительной экспериментальной отработки [6-13]. Целями работы в соответствии с указанной проблематикой, явились:
разработка физической и математической моделей распространения реагирующей пылеугольной смеси в прямоточной горелке с плазменным источником , учитывающей особенности взаимодействия угольно-воздушной смеси со струей плазмы;
создание на этой основе нового программного комплекса для численного моделирования такого процесса.;
проведение детальных численных исследований с вариацией параметров и сравнение их результатов с опытными данными;
разработка технологических рекомендаций для проектирования систем плазменного воспламенения.
В силу большой сложности этих задач для упрощения (необходимого для уменьшения времени вычислений) в модели был предпринят переход от трехмерного описания распространения реагирующей смеси внутри горелки к одномерному с помощью введения ряда эмпирических зависимостей, позволяющих в первую очередь учитывать перемешивание гетерогенных потоков разной температуры, состава и запыленности.
6 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. В настоящее время разработаны различные технологии - в том числе и плазменные, повышающие эффективность топливоиспользования. Использование электродуговой плазмы для термохимической подготовки углей во многих случаях более эффективно, чем традиционные методы (термохимическая подготовка угля с помощью резисторных нагревателей, СВЧ-поля , сжигание в "кипящем" слое и др.) Устройства с плазменным источником обладают высоким термическим КПД, характеризуются значительной концентрацией энергии. При плазмохимической переработке углей значительную роль могут играть реакции с участием ионов и радикалов. Кинетика химических процессов, протекающих при плазмохимических превращениях сложных органических веществ, мало изучена. Также практически не изучено взаимное влияние физических и химических процессов.
Между тем, понимание этих явлений необходимо для развития новых технологий, особенно тех, которые находятся на стадии реализации или используются в промышленности. В этой связи особую актуальность приобретает математическое моделирование процессов термохимической подготовки топлив к сжиганию, сочетаемое с термодинамическим анализом многокомпонентных гетерогенных систем, позволяющим до опыта получить предельные значения параметров исследуемого процесса и другие исходные данные для кинетической модели процесса [16-22,27].
Цель диссертации состоит в разработке физической и математической моделей распространения реагирующей пылеугольной смеси в прямоточной горелке с внутренним плазменным источником, учитывающей особенности взаимодействия угольно-воздушной смеси со струей плазмы; создании методики расчета процессов термохимической подготовки пылеугольных топливных смесей с использованием математической модели нагрева, кинетики превращений и движения смеси; проведении параметрических численных
анализов и сравнение их с опытными данными; разработке технологических рекомендаций для проектирования горелочных устройств.
Научная и практическая ценность работы: разработанный в работе метод расчета может быть использован для быстрого и достаточно надежного расчета процессов движения и нагрева угольных частиц; для исследований кинетических закономерностей процессов термохимической подготовки топлив к сжиганию, с целью определения оптимальных параметров процесса; для проектирования горелочных устройств, использующих плазмотроны, а также задач, связанных с охраной окружающей среды. С помощью программы, реализующей созданную математическую модель, был осуществлен расчет ряда горелочных устройств, разработанных и испытывавшихся в Отраслевом центре плазменно-энергетических технологий РАО ЕЭС России и внедренных на Кураховской ТЭС (Украина) и ТЭС «Вояны» (Словакия).
На защиту выносятся: математическая модель, позволяющая осуществлять серийные расчеты процессов термоподготовки и горения угля в цилиндрическом канале; результаты термодинамических исследований процесса термохимической подготовки топлива с помощью разработанной программы, реализующей созданный алгоритм; результаты численных расчетов по математической модели нагрева, движения, теплообмена и кинетики термохимических превращений аэросмеси (угольная пыль + воздух) в цилиндрическом канале с плазменным источником.
Апробация работы
Результаты исследований по теме диссертации обсуждались на III Международной научно-технической конференции «Плазменно-энергетические процессы и технологии» (Улан-Удэ, 2000г.), первом Международном симпозиуме «Горение и плазмохимия» (Алма-Ата, 2001г.), научной конференции «Новые технологии», посвященной 300-летию инженерной науки в России (Улан-Удэ, 2001 г.), I Всероссийской конференции «Прикладные аспекты химии высоких
энергий» (Москва, 2001г.), III Международном симпо-зиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Плес, 2002г.), научно-методических семинарах МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва), Отраслевого Центра плазменно-энергетических технологий РАО ЕЭС России (Гусиноозерск), Института проблем горения (Алма-Ата) и Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск), проведенных в 1998-2005 гг.
Структура и объем диссертации
Текст диссертации объемом 117 страниц состоит из введения, 3 глав, заключения, приложения, 48 рисунков, списка цитированной литературы из 125 наименований.
Суть термохимической подготовки топлив к сжиганию
Суть термохимической подготовки топлива заключается в нагреве при дефиците кислорода потока пылеугольной смеси в специальной камере до температуры, превышающей температуру самовоспламенения данного угля. При этом происходит практически полный выход летучих соединений угля , и возможно частичное сгорание углерода. В результате на выходе из камеры термохимической подготовки топлива (ТХПТ) в топку полученная топливная смесь или высокореакционное двухкомпонентное топливо (газ + коксовый остаток) воспламеняется при смешении с вторичным воздухом и устойчиво горит в топочном пространстве без использования для стабилизации факела второго вида топлива. Нагрев аэросмеси, представляющей собой взвесь частиц угля в воздухе в камере термоподготовки , может быть осуществлен за счет сжигания газообразного, жидкого или твердого топлива, электродуговой плазмой или другим способом подвода тепловой энергии. Технология термоподготовки должна обеспечить надежную работу при использовании углей различного качества (с различной зольностью, влажностью и выходом летучих). В России широко распространены следующие типы углей, характеристики которых приведены в таблице: Плазменная технология ТХПТ была на практике опробована на всех этих типах углей. Простейшее моделирование процесса термоподготовки может быть выполнено путем расчета равновесного состава продуктов пиролиза угля в присутствии воздуха. Такие результаты термохимической подготовки угля в плазменном реакторе (при концентрации 0.8 кг угля / 1 кг воздуха) приведены на рисунках 1.2(1) и 1.2(2). Состав газа, полученный при обработке других типов углей, будет находиться "между" составами, приведенными на графиках, т.к. эти два типа углей обладают очень разными с точки зрения энергетики характеристиками. Видно, что вне зависимости от типа угля на выходе реактора будет получен горючий газ с близким для разных типов углей составом, что связано с небольшими отличиями в химических брутто-составах различных углей.
Основу плазменной термохимической подготовки топлив к сжиганию составляет нагрев электродуговой плазмой небольшой мелкодисперсной части пылеугольного потока до температуры выделения летучих и частичной газификации коксового остатка и последующим воспламенением остальной аэросмеси этой активированной частью, предназначенной для компенсации эндотермического эффекта газификации основной части угля. Кроме плазменной, существует ряд технологий и технических решений, направленных на борьбу с вынужденным использованием некачественного угля [ 38 46 ]: предварительный (до выхода в топку) нагрев пылеугольной аэросмеси осуществляют путем сжигания жидкого топлива в специальной жаровой камере; в другом варианте подогрев осуществляют сжиганием природного газа; термохимическая подготовка высокореакционных (с Vr 40%) углей путем воспламенения самой угольной пыли резисторным электрозапальником, и нагрев ее внутри горелки за счет частичного горения пыли. термоподготовка углей с помощью подвода СВЧ-энергии через волноводный тракт. сжигание в кипящем слое и циркулирующем кипящем слое. Рассмотрим особенности ТХПТ для различных способов ее инициирования: Использование газового или жидкого топлива. При использовании газового или жидкого топлива при растопке котла энергия активации реакций горения этих топлив существенно ниже, чем у угля, поэтому трудности при осуществлении процессов воспламенения и горения газомазутного факела - минимальны. Отрицательные моменты этого процесса состоят в том, что при совместном сжигании угля с другими топливами снижается концентрации окислителя из-за более активного выгорания высокореакционного газа или мазута и соответственно замедляется процесс горения угольных частиц и затягивается процесс выгорания коксового остатка, увеличивается мехнедожог. Кроме того, наличие 2-х видов топлива предусматривает наличие обязательного мазутного или газового хозяйства со всеми вытекающими проблемами [43]. Нагрев потока с помощью резисторного нагревателя. В работах [39, 41] описан метод растопки пылеугольного котла без использования второго вида топлива, в котором в качестве источника воспламенения служит резисторный (омический) нагреватель. Достоинством этой схемы является простое устройство горелочного устройства и его дешевизна. Однако, этот способ применим только при работе с высокореакционными углями, в то время как плазменная ТХПТ не имеет ограничений по качеству исходного угля. К тому же, существует опасность покрытия нагревательного элемента шлаковой пленкой с последующим его разрушением от перегрева. Большая инерционность омического нагревателя не позволяет использовать его в режиме подхвата факела. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту использования резисторного нагрева, последний, из-за относительно высоких энергозатрат и малой надежности едва ли может рассчитывать на широкое применение. Нагрев топлива с помощью СВЧ-поля. Воспламенение угля с помощью СВЧ-энергии - относительно новый метод инициации термохимической подготовки топлива [125]. В настоящее время опыты проводятся в МГТУ им.Баумана (РЛ-1) совместно с Институтом проблем машиностроения НАН Украины (Днепропетровск) [123] . Суть его в генерации СВЧ-поля в зоне подачи угольной пыли.
При этом происходит нагрев как пыли, так и воздуха. Механизм взаимодействия СВЧ-поля с пылевоздушной смесью не изучен, однако он может оказаться достаточно эффективным. Кроме того, достоинствами этой технологии является высокий электрический КПД системы и достаточно высокий ресурс работы генерирующего поле магнетрона. Недостатки - высокая стоимость и сложность оборудования, а также большие габариты (в первую очередь это касается волноводного тракта). Трудности в решении вопросов компоновки громоздкого СВЧ - оборудования с котельным, а также вопросы безопасности обслуживающего персонала делают этот способ неконкурентоспособным, в сравнении с плазменной ТХПТ. Плазмохимический процесс. Предварительная термохимподготовка углей разрабатывается уже более 20 лет, и ее основные режимы достаточно хорошо изучены [46 9]. Первоначальной целью названных работ было снижение выбросов оксидов азота, а в последующем к этому добавилась и стабилизация процесса горения пылеугольного факела. Исследования проводились в условиях нагрева аэросмеси при сжигании мазута или газа. Авторы работы [122] пришли к выводу о перспективности плазменной ТХПТ. Из известных технологий сжигания твердых топлив с учетом необходимости повышения технико-экономических и экологических показателей ТЭС плазменно-энергетические технологии использования твердых топлив обладают рядом нижеследующих преимуществ, по сравнению с традиционными технологиями сжигания топлив, включая сжигание в кипящем слое и циркулирующем кипящем слое [63-65]: - облагораживание угля любого качества происходит до его сжигания за счет термохимической подготовки топлива, результатом которой является повышение реакционной способности и рекомбинация атомарного азота топлива, выходящего вместе с летучими, в молекулярный азот. По этой причине образование оксидов азота из молекулярного азота возможно только при температурах в топке выше 1700С (термические оксиды азота); - малые затраты на плазменное оборудование по причине его небольших габаритов и высокой концентрации энергии в электродуговых плазмотронах (порядка 200-250 МВт/м3); - малые значения относительной электрической мощности плазмотронов для электротермохимической подготовки топлива (ЭТПХТ) (0,5-1,5% от тепловой мощности пылеугольных горелок), на которые их устанавливают.
Термодинамическое обоснование эффективности процесса термохимической подготовки энергетических углей к сжиганию
Рассмотрим энергетическую эффективность использования квазиравновесной электродуговой плазмы в процессах термохимических превращений твердых топлив по сравнению с традиционными огневыми методами сжигания, газификации и термохимической подготовки. Прямые эксперименты по исследованию сравнительной энергетической эффективности термохимической подготовки твердых топлив с помощью электрической дуги, мазутного запальника и газовой горелки показали, что при одинаковой тепловой мощности всех трех источников и прочих равных условиях степень превращения угля в плазменном процессе в 2-2,5 раза выше [6]. Ф.Блэкборн при испытаниях плазменного воспламенения углей на блоке мощностью 200 МВт (ТЭС «МАРИЭТТА», США) показал, что энергетическая эффективность плазменного розжига пылеугольного факела почти в 6 раз выше, чем при использовании традиционного розжига мазутом. По оценкам Ф. Блэкборна, для котла мощностью 44 МВт необходим плазмотрон мощностью 460 кВт или мазутный запальник мощностью 2600кВт. [50] Позднее эти результаты были подтверждены при испытаниях плазменного воспламенения углей на котлах паропроизводительностью от 75 до 670 т/ч [58]. Этот эффект теоретически можно объяснить причинами, рассмотренными в п. 1.3: — значительно большей удельной теплонапряженностью топочного объема, достижимой при использовании плазменного факела, по сравнению с газовой горелкой или мазутным запальником (табл.3 ). - деструкцией угольных частиц в зоне плазменного факела. - Образованием в зоне горения угольных частиц активных радикалов. - Интенсификацией турбулентного переноса тепла в поток аэросмеси за счет большой разности скоростей потоков плазмы и аэросмеси, что способствует ее быстрому прогреву и воспламенению. Сравним энергетическую эффективность плазменной термоподготовки угля с традиционной мазутной. При плазменной ТХПТ в качестве топлива для нагрева аэросмеси используется часть самой угольной пыли, являющейся основным топливом. Это существенно упрощает технологический процесс в целом.
Температурная зависимость состава продуктов газификации каменного угля , полученная в предположении о термодинамическом равновесии неоднократно описанная в литературе [1] и рассчитанная теоретически [12], приведена на рисунке 2.3 Как видно из кривых на рис.2.3. концентрации водорода (Н2) и монооксида углерода (СО) нарастают при повышении температуры процесса и при температуре более 1200 К составляют значительную долю от общего объема газовой фазы, доходя до 40-50%. Рассчитаем количество мазута , необходимого для получения той же тепловой мощности, которая выделяется при плазменном воспламенении тугнуйского каменного угля со следующим брутто-составом: C67.3O8.92H3.3N0.7S04 сжигаемого в прямоточном канале с концентрацией частиц угля в воздухе, равной 0.5 кг\кг. При плазменном воспламенении плазмотроном мощностью 60 кВт. и расходе угля 2000 кг\час средемассовая температура продуктов термоподготовки на выходе из канала будет равна 1483 К, как будет показано в главе 3. При этом тепловую мощность можно определить через разность энтальпий продуктов на выходе из канала и на его входе. Для расчета энтальпий была использована программа «TERRA» [80]. При этом тепловая мощность: N = - — т, где /и-масса аэросмеси , проходящая через сечение канала за время t. За 1 с. через сечение канала проходит количество пылеугольной смеси , мощность факела на выходе составит N = 3483 кВт. Вклад энергии плазмотрона (60 кВт.) при этом составляет всего 1,7 % от суммарной мощности факела. Таким образом, растопка котла фактически осуществляется не факелом плазмотрона, а продуктами частичного сгорания угля в канале термоподготовки. Образно говоря, плазмотрон можно рассматривать, как зажигалку, инициирующую начало горения мелких фракций угля. Для создания на выходе такой - же тепловой МОЩНОСТИ НеобхОДИМО СЖИГаТЬ КОЛИЧеСТВО Мазута, раВНОе ТУ/Омазута уд. = 3483/37600 = 0.93 кг/с. (где 37600 кДж\кг - характерная удельная теплота сгорания мазута). При этом затраты мазута для растопки типового промышленного котлоагрегата мощностью 200 МВт и оборудованного 16 горелками (котел ТПЕ-215), которая длится по условиям эксплуатации порядка 8 часов , составляют десятки тонн ( от 60 до 100 тонн в зависимости от характеристик угля , влажности воздуха и его температуры и др.). Для растопки этого котлоагрегата с использованием плазменной технологии за такое же время достаточно задействовать 4 камеры термоподготовки [58]. Это эквивалентно по тепловой мощности сжиганию 4 8 3600 0.093=10700 кг мазута. При использовании мазутных форсунок мазут вводится не в горелку, а непосредственно в топку котла, что приводит к диссипации энергии мазутного факела и снижению его эффективности. Размещение мазутной форсунки внутри канала термоподготовки неэффективно, т.к. мазут является более высокореакционным топливом по сравнению с углем и сгорать в условиях дефицита кислорода прежде всего будет он, то это не приведет к осуществлению термоподготовки угля и выделению из угля горючих газов - частицы угольной пыли просто нагреются от мазутного факела. Этим объясняется значительно большая эффективность использования плазменных устройств по сравнению с традиционными.
Таким образом, можно заключить, что энергетическая эффективность традиционных огневых методов воспламенения, термохимической подготовки и газификации углей существенно ниже, чем в плазменных процессах. 2.3. Принятые допущения и параметры математической модели термохимической подготовки топлив Практическое распространение плазменных методов сдерживается из-за отсутствия математических моделей, которые позволили бы прогнозировать конструктивные параметры устройств термоподготовки в каждом конкретном случае. Предлагаемые в работах [12,17,21,32,72] математические модели приводят к получению качественно верных , но не всегда количественно достоверных результатов, кроме того они слишком сложны для проведения параметрического численного анализа, необходимого при проектировании устройств термоподготовки для конкретных топочных устройств. В настоящей работе создана модель процесса, которая описывает двухфазный (полидисперсные угольные частицы + газ-окислитель) химически реагирующий поток, распространяющийся в канале с внутренним источником тепла (плазменная струя) , принципиальным отличием которой от предшествующих моделей является наличие в ней механизма взаимодействия потока плазмы с потоком аэросмеси. Для математического описания процессов термообработки пылеугольных топлив сделан ряд следующих основных предположений. —Допущение об одномерности и стационарности процесса. Как правило процессы термообработки углей осуществляются при атмосферном давлении и температуре порядка 1500-3000 К. Известно [6,9,10,12], что в двухфазных потоках распределение температуры и скорости частиц и газа по сечению канала достаточно равномерно. Степень двухфазности потока или концентрации пыли в аэросмеси обычно варьируется в интервале 0,3-1,0 кг/кг. воздуха. При концентрации угольных частиц ц=2,66 кг/кг. в кг. воздуха коэффициент равномерности профилей скорости ( определяемый в виде выражения где R - радиус реакционного канала, vmax - максимальная скорость, по опытным данным [10,32] равен 0,92, а при ц = 4,4 кг/кг равен 0,96, т.е. достаточно близок единице. Экспериментальные измерения профилей температуры в совмещенных плазмотронах - реакторах показали [56], что неравномерность профилей не превышает 8-10% при среднемассовой температуре реагентов 2000-3000 К. Таким образом, профили скорости и температуры в двухфазных плазменных потоках приближаются к прямоугольным, а само течение - к одномерному.
Программа, реализующая математическую модель, и ее особенности
В соответствии с описанным выше алгоритмом разработана компьютерная программа "Плазма-уголь". Она составлена на языке С++ применительно к среде операционной системы Windows. Программа проверена на тестовых примерах и показала свою работоспособность в условиях проведения серийных расчетов. Каждый расчет при заданных конструктивных параметрах на ПЭВМ с процессором Intel Р—1000 занимает около 90 секунд, что дает возможность проводить с ее помощью систематические параметрические анализы. Программа тестировалась для различных видов углей и позволяет рассчитывать параметры процессов ТХПТ и горения углей при различных геометрических параметрах канала, расходах угольной пыли (от 1 до 4 т/час), концентрации пыли (от 0.2 до 1 кг/кг), а также различных значениях влажности и тонины помола пыли. Предусмотрена возможность моделирования размещения внутри канала термоподготовки двух плазменных источников. В программу включена расширяемая база характеристик углей. Программа дает возможность модельного исследования процессов термохимической подготовки угля в цилиндрическом канале, на основании которых возможно определить ряд конструктивных параметров горелочного устройства. На рисунке представлено главное окно программы, обеспечивающее ввод исходных данных. Для типового расчета должны быть заданы следующие параметры: а) Характеристики угля: - Брутто-состав органической массы угля. - Зольность - процентное содержание минеральных веществ в угле отнесенное к его сухой массе. - Выход летучих - суммарное процентное содержание следующих связанных органических соединений в угле (Н20, Н2, С02, СО, СН4, СбНб), отнесенное к его сухой массе. - Влажность угля - влажность (массовые %) б) Входные параметры: - задаются в соответствии с начальными условиями конкретной задачи: Начальная температура пылеугольной смеси, концентрация пыли и ее расход, геометрические параметры канала термоподготовки. в) Мощности плазмотронов и расход воздуха через плазмотроны: - Плазмообразующим газом является воздух.
При изменении мощности плазмотрона (например, при ее увеличении) расход воздуха также должен увеличиться, что связано с необходимостью отвода тепла от дуги и конструктивными особенностями собственно плазмотрона. Программа меняет его автоматически (пропорционально мощности плазмотрона), однако пользователь может ввести тот расход воздуха, который считает нужным (это зависит от типа и режима работы используемого агрегата). г) Подмешивание воздуха и угольной пыли по длине - Подробно назначение этого параметра описано в разделе 2.1. Фактически с помощью этих параметров осуществляется учет перемешивания газовых потоков разной температуры и состава. Этот параметр влияет как на инициирование процесса термоподготовки или горения угля, так и на его дальнейший ход. Он также выбирается в программе автоматически, исходя из соотношения скоростей потоков, но пользователь может ввести и другие значения. Общие закономерности здесь таковы: - при увеличении длин подмешивания возрастает реакционная способность, но при этом возрастает и необходимая для завершения реакций длина канала. Если задать слишком малые расстояния подмешивания, то процессы термохимической подготовки не инициируются, т.к. происходит быстрая диссипация энергии (подмешиваемое большое количество воздуха и холодной угольной пыли "гасит" реакции). д) Диаметр и длина плазменного факела. Эти значения определяют объем, "занимаемый" струей плазмы, вытекающей из сопла плазмотрона. Эти параметры важны в первую очередь для инициации термохимических процессов. При уменьшении этих значений процессы воспламенения теоретически могут быть инициированы при меньших значениях мощности плазмотрона. Очевидно, что чем больше расход плазмообразующего воздуха через плазмотрон и мощность плазмотрона, тем больше объем плазменного факела. Задаваемые автоматически значения выбирались, исходя из экспериментальных визуальных оценок размеров факела. Пользователь может их изменять , что необходимо для исследовательских целей. е) Фракции угольной пыли. Характеристика тонины (тонкости) помола угля. За «базовый» помол принимается следующий состав фракций пыли, характерный для пылеугольных ТЭС [56]: В программе возможно варьировать размерами фракций пыли. При этом массовая доля частиц фракций 1-5 (их распределение) в смеси остается неизменной. На практике тонина помола угля зависит как от типа используемой мельницы (шаровой, молотковой, валковой и др.), так и от механических характеристик угля. ж) Коэффиииент теплообмена пыль — воздух: - Считается, что частицы угольной пыли имеют сферическую форму. Однако это не так. Теплообмен между частицами несферической формы и газом будет происходить интенсивнее, чем в случае сферической формы частиц. Для учета этого фактора (в исследовательских целях) введен поправочный коэффициент. Пропорционально ему увеличивается коэффициент теплообмена. з) Брутто—состав органической части угля задается при нажатии на кнопку «Выберите уголь!». Эти данные сохраняются в расширяемой базе данных и доступны для последующего использования и редактирования. В базе данных хранится содержание компонентов летучих (Н2, Н20, СО, СОг, СН4, С6Нб) в органической массе различных углей (рис.2.6). Другие его характеристики (зольность, влажность и выход летучих) задаются в главном окне программы.
Результаты расчетов выводятся в табличной и графической форме (масштабируемые графики скорости газа и фракций пылеугольных частиц, их температура по длине канала, а также состав газовой фазы ). Для удобства просмотра графиков состава газовой фазы предусмотрены две шкалы: линейная и логарифмическая, (рис. 2.7(1) и 2.7(2)). Все графики являются масштабируемыми, т.е. пользователь программы может просмотреть в увеличенном масштабе любую область графика. Результаты расчетов могут накапливаться и использоваться позднее. Работа с сохраненными результатами происходит при нажатии на кнопку" Результаты" в главном окне программы. При этом появляется следующее окно (рис.2.8), в котором при нажатии на кнопки «Температуры», «Скорости» и «Состав продуктов реакций» выводятся соответствующие данные текущего результата в графической форме. Кнопка "Таблица" вызывают форму, в которой полученные значения температуры, скорости и состава сведены в общую таблицу. При нажатии на кнопку «Сохранить результаты» происходит запись текущего результата для последующего использования. С помощью разработанной математической модели и ее программной реализации был осуществлен ряд расчетов и проведено их сравнение с экспериментальными данными, полученными в процессе промышленных испытаний на пылеугольных ТЭС России, Китая, Словакии и Украины [64,65,77]. Целью расчетов является определение конструктивных параметров плазменно-угольных горелок (прежде всего геометрических), а также разработка технологических рекомендаций для вновь проектируемых устройств. Критерием устойчивого горения угольно-газовой смеси на выходе из канала термоподготовки является высокое содержание горючих газов (СО, Н2, С6Н6) свыше 40%, а также нагрев газа на выходе до температуры самовоспламенения (порядка 800С) при контакте со свободным кислородом, имеющимся в топке котла. Была рассмотрена термохимическая подготовка антрацита и тугнуйского каменного угля при различных наборах исходных данных. Эти типы углей были выбраны из-за того, что они очень сильно различаются по своим характеристикам. Антрациты являются наиболее низкореакционными из всех типов углей. Это связано с низким содержанием в них летучих веществ. Однако, из-за высокого процента содержания углерода, они характеризуются высокой удельной теплотой сгорания. Тугнуйский каменный уголь относится к группе высокореакционных углей с выходом летучих порядка 45%.
Сравнение результатов расчетов с опытными данными
На ряде ТЭС России, Украины, Китая и Словакии были установлены системы плазменного воспламенения углей по схеме компоновки , близкой к рассмотренной в математической модели [87]. Некоторые отличия (ТЭС «Вояны» - Словакия) заключались только в способе подачи пылеугольной смеси в зону реакций. Здесь для увеличения реакционной способности пылеугольного потока проводилось его закручивание с помощью улиточной части горелки. Канал термоподготовки везде был футерован огнеупорным бетоном, керамикой или шамотобетоном. Системы плазменного воспламенения были смонтированы на следующих промышленных котлоагрегатах. 1. Россия (Гусиноозерская ГРЭС) - котлы БКЗ - 640 и ТЛЕ - 215 (энергоблоки № 2,3,5,6). 4. Словакия (ТЭС «Вояны») - котел «TAVICI» (энергоблок №2) 3. Китай (Шаогуанская ТЭС) - котел F -100/W (энергоблок №3) 4. Украина (Кураховская ГРЭС) - котел ТП - 109 (энергоблок №4) В ряде проведенных испытаний и штатной работы плазменных систем были получены результаты, достаточно хорошо согласующиеся с расчетными. Так, расхождение расчетных и экспериментальных значений температуры факела нигде не превышает 15-20%, скорости потока на выходе из канала 10-15%, а концентраций продуктов ТХПТ: для СО 5-10% , Н2 10-12% и для С02 12-15%. Учитывая сложность рассмотренных плазменных двухфазных процессов ТХПТ в многокомпонентных гетерогенных системах, такое расхождение между расчетом и экспериментом следует признать удовлетворительным, а саму математическую модель адекватно отражающей основные закономерности плазменной ТХПТ. Указанные расхождения могут быть вызваны как допущениями, принятыми в используемой математической модели, так и невозможностью точного задания состава органической массы угля. Например, под компонентом бензол (СбН6) подразумевается набор смол, фактическая возгонка которых из угля идет с разными скоростями. Кроме того, как правило заниженные расчетные температуры могут быть объяснены тем фактом, что в реальных условиях не происходит полного перемешивания газовой фазы на выходе из канала. В [56] приведено экспериментальное распределение температуры газа димаметру канала с плазмотроном (ТХПТ каменного угля) В модели принято, что при превышении длин подмешивания происходит полное перемешивание газовой фазы, а в экспериментах измеряют температуру в так называемом ядре факела (то есть в зоне с наибольшей температурой).
Разумеется она выше, чем средняя температура исходящих из сопла канала газов. 3.3. Технологические рекомендации для проектирования плазменно-угольных горелок Существует несколько общих технологических рекомендаций, необходимых для эффективного использования плазменных технологий термохимической подготовки топлива [ 57-61]: 1. При использовании плазменных технологий необходимость обеспечения интенсивного тепло- и массообмена и термохимических превращений топлива требует измельчения угля до определенной тонины помола, зависящей от качества топлива. Исследования показали, что требованиям плазменных технологий удовлетворяет обычная угольная пыль промышленного помола (с размером частиц меньше 200 мкм). 2. Влажность угольной пыли в процессах ТХПТ должна приближаться к аналитической влажности топлива, поскольку нецелесообразно расходовать электроэнергию (с КПД выработки 0,35-0,40) на испарение влаги топлива. 3. Обеспечение высокой скорости термохимических превращений угля и окислителя (воздуха) в камерах ТХПТ требует наиболее полного перемешивания частиц и газа для образования однородной их смеси в камере. С этой целью пыль может подаваться по трубопроводу окислителем из отдельного бункера с необходимой скоростью, обеспечивающей полное смешение частиц и газа за время транспортировки до поступления в плазменно-угольные горелки. При транспортировке пыли горячим воздухом или сушильным агентом к пылеугольным горелкам котлов ТЭС при существующей протяженности пылепроводов от промбункера или мельницы до котла , практически полное перемешивание пыли и газа обеспечивается автоматически за счет значительного времени пребывания аэросмеси в пылепроводе ( 1-3 сек). Ряд проведенных численных исследований плазменных процессов безмазутного воспламенения пылеугольного топлива с использованием разработанной математической модели позволяет "априори" определить особенности и основные параметры плазменно-угольных горелок и уже на этой основе предложить технологические рекомендации для их проектирования.
Нижеследующие рекомендации носят обобщенный характер и могут быть уточнены в каждом конкретном случае применения систем плазменного воспламенения [94-123]. Программная реализация разработанной математической модели позволяет при задании следующего фиксированного набора начальных условий: - тип и три основные характеристики угля - Ас, Wp, Vr; - расход угля и концентрация пыли в аэросмеси; - диаметр канала и конфигурация плазменного факела; - длина подмешивания свежей аэросмеси; рассчитать поля температуры и скорости газа и частиц, а также концентраций реагентов внутри канала по его длине. 1. Из анализа расчетных данных можно определить минимальную мощность плазмотрона, необходимую для воспламенения и устойчивого горения факела в топке, для заданного типа и расхода угля; конкретных геометрических размеров горелки, включая координаты места установки плазмотрона; заданной тонины помола топлива и его концентрации в аэросмеси. 2. Снижение мощности плазмотрона ниже минимального значения для осуществления процесса приводит к резкому затуханию горения пылеугольного факела на выходе из канала. 3. Созданная программа "Плазма-муфель" позволяет определить (при заданном диаметре) длину канала, исходя из наперед заданной максимальной величины какого-либо критерия завершенности процесса электротермохимической подготовки топлив к сжиганию (ЭТХПТ). Как правило, таким критерием является максимальная температура газовой фазы или максимальная суммарная концентрация горючих газообразных компонентов (СО+Н2+СН4) после термообработки угля. 4. Мощность плазмотрона при устойчиво горящем факеле практически не влияет на его температуру. Это объясняется алло - автотермическим характером процессов плазменного воспламенения и термохимических превращений топлива в канале термоподготовки, когда плазмотрон является лишь инициатором ЭТХПТ и его относительная мощность не превышает 1-2% от тепловой мощности получаемого пылеугольного факела. Увеличение мощности плазмотрона выше определенного значения, с энергетической точки зрения нецелесообразно, так как характеристики процесса на выходе из канала практически не зависят от мощности плазмотрона при устойчиво горящем факеле. 5. Проведенные численные исследования показали, что энергетическая эффективность использования плазменного факела для инициирования процессов горения заключается, прежде всего, в огромной концентрации энергии в нем (порядка 200-250 МВт/м). Отсюда следует важная технологическая рекомендация относительно неэффективности набора минимально необходимой для осуществления ЭТХПТ мощности путем установки на один канал двух и более разнесенных по его длине плазмотронов. Таким образом, один плазмотрон мощностью 300 кВт будет эффективнее трех плазмотронов по 100 кВт или один плазмотрон 200 кВт — вместо двух по 100 кВт и т.д.
