Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы использования плазменных технологий термохимической подготовки топлив (ТХПТ) и методов расчета этих процессов 12
1.1. Плазменные технологии ТХПТ к сжиганию на ТЭС 12
1.2. Существующие методы расчета процессов ТХПТ 17
1.3. Постановка задачи исследований 20
Глава 2. Термодинамическое моделирование процессов ТХПТ 22
2.1. Методика термодинамических расчетов с использованием программы АСТРА-4 22
2.2. Методы расчета исходных составов топливных смесей и удельных энергозатрат на процесс ТХПТ 39
2.3. Результаты термодинамического расчета ТХПТ различных энергетических углей 43
2.4. Численное исследование влияния концентрации пыли, зольности, влажности, удельных энергозатрат на ТХПТ 54
Глава 3. Математическое моделирование процессов ТХПТ с учетом движения, нагрева и кинетики термохимических превращений полидисперсных угольных частиц
3.1. Исходные данные для математического моделирования, расчет теплофизических коэффициентов для математического моделирования кинетики термохимических превращений углей 59
3.2. Система уравнений математической модели движения, нагрева и газификации полидисперсных угольных частиц в потоке окислителя, взаимодействующего с электрической дугой 63
3.3. Алгоритм и методика расчета по программе «ПЛАЗМА-УГОЛЬ-3» 72
3.4. Результаты кинетических расчетов для различных энергетических углей 80
3.5. Исходные данные для проектирования плазменно-угольной горелки котла «TAVICI» (ТЭС «Вояны», Словакия)
Выводы по диссертации
Список литературы
Приложения
- Существующие методы расчета процессов ТХПТ
- Методы расчета исходных составов топливных смесей и удельных энергозатрат на процесс ТХПТ
- Численное исследование влияния концентрации пыли, зольности, влажности, удельных энергозатрат на ТХПТ
- Система уравнений математической модели движения, нагрева и газификации полидисперсных угольных частиц в потоке окислителя, взаимодействующего с электрической дугой
Введение к работе
Актуальность проблемы. Большинство долгосрочных прогнозов то-пливоиспользования подтверждают, что уголь останется наиболее значительным источником энергии до 2050 г. При традиционном совместном сжигании угля и мазута на тепловых электрических станциях (ТЭС) ухудшаются эколого-экономические показатели котлов, возрастает скорость высокотемпературной коррозии экранных поверхностей, снижается надежность эксплуатации котельного оборудования; увеличивается выход оксидов азота и серы; появляются выбросы пятиокиси ванадия. С увеличением поставок на ТЭС непроектных углей снижается устойчивость горения факела и растет потребность в дефицитных жидких и газообразных топливах для его подсветки. Поэтому замещение мазута и природного газа низкосортными энергетическими углями является весьма актуальной проблемой теплоэнергетики. Эколого-экономический эффект от такого замещения связан с значительно меньшей стоимостью угля, снижением объемов сжигания высокосернистого топочного мазута и освоением новых экологически чистых плазменно-энергетических технологий топливоиспользования (ПЭТ), базирующихся на предварительной термохимической подготовке топлив (ТХПТ) к сжиганию.
Устройства с плазменным источником характеризуются высокой концентрацией энергии и химически активных центров, многократно ускоряющих процессы воспламенения факела и термохимических превращений угля и окислителя, в результате чего достигается более полное и быстрое выгорание пылеугольного факела.
Однако развитие и распространение плазменных технологий сдерживается из-за отсутствия адекватных сложным плазменным процессам математических моделей как термодинамических, так и кинетических, которые позволили бы проводить сравнительный количественный анализ эффективности различных технологий до постановки трудоемких и дорогостоящих экспериментов. В этой связи математическое моделирование процессов ТХПТ с использованием плазмотронов является весьма актуальной научно-технической задачей в области ПЭТ.
Цель и задачи работы. В связи с вышеизложенным основными целями диссертации являлись: термодинамическое моделирование процессов термохимической подготовки различных энергетических углей к сжиганию на ТЭС; математическое моделирование процессов термохимической подготовки топлива в горелочных устройствах с плазменным источником с учетом движения, нагрева и кинетики термохимических превращений полидисперсных угольных частиц в газах-окислителях для получения количественных закономерностей процесса ТХПТ. Исполь-
PUC НАШИЖАЛЬИЛ» ЬЙВЛЙОГЕКА
зование результатов численного исследования процессов ТХПТ для проектирования систем плазменного воспламенения (СПВ) и разработки исходных данных для проведения промышленных испытаний плазмен-но-угольных горелок на ТЭС.
Для достижения этих целей в диссертации поставлены следующие основные задачи:
Критический анализ существующих математических моделей взаимодействия теплового, в том числе плазменного, источника, с аэросмесью (воздух + угольные частицы).
Подбор и определение отсутствующих и необходимых для математического моделирования процесса ТХПТ коэффициентов переноса (вязкости, теплопроводности, диффузии) и теплоемкости многокомпонентных реагирующих газовых смесей в широком интервале температур с помощью модифицированной программы АСТРА-4. Разработка методики определения исходного состава рабочего тела (уголь + окислитель) и удельных энергозатрат на процесс ТХПТ. Составление системы уравнений математической модели, включая начальные условия.
Участие в разработке алгоритма решения нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений и освоение компьютерной программы кинетических расчетов «Плазма-уголь-3». Проведение численных исследований ТХПТ с использованием программ АСТРА-4 и «Плазма-уголь-3» в прямоточной плазменно-угольной горелке.
Обобщение результатов расчетов и получение новых зависимостей удельных энергозатрат и состава продуктов ТХПТ от концентрации пыли в аэросмеси (ц), влажности (Wp), зольности (Ас). Выдача исходных данных (мощность плазмотрона, геометрические размеры устройства, состав и скорость продуктов ТХПТ, температура процесса) для проектирования эффективной двухступенчатой вихревой плазменно-угольной горелки с целью создания систем плазменного воспламенения и проведения промышленных испытаний ТХПТ на ТЭС «Вояны» (Словакия).
Научная новизна заключается в получении ранее неизвестных расчетных зависимостей удельных энергозатрат от основных рабочих параметров топливной смеси (ц, W, Ас), расширении диапазона используемых для ТХПТ энергетических углей, составлении уравнений математической модели с учетом плазменного источника, исследовании поведения азот- и серосодержащих соединений твердых топлив при ТХПТ по длине прямоточной плазменно-угольной горелки и в выдаче исход-
менно-угольной горелки при создании СПВ на ТЭС.
Практическая значимость. Полученные результаты были использованы для обучения студентов и аспирантов ВС1ТУ по специализации 100509 «Нетрадиционные технологии на ТЭС»; для математического моделирования процессов термохимической подготовки низкосортных углей к сжиганию на ТЭС с использованием плазменных источников, проектирования плазменных систем ТХПТ и проведения промышленных испытаний СПВ на котле «TAVTCI» ТЭС «Вояны» (Словакия). Выносимые на защиту результаты:
Исходные данные для математического моделирования кинетики термохимических превращений твердых топлив (определение начального состава рабочего тела (уголь + окислитель)), удельные энергозатраты на процесс ТХПТ, значения теплофизических констант, рассчитанные по программе АСТРА-4. Система уравнений математической модели «Плазма-уголь-3» Алгоритм решения нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений.
Численные исследования ТХПТ различных энергетических углей с использованием программ АСТРА-4 и «Плазма-уголь-3». Расчетные зависимости удельных энергозатрат и состава продуктов ТХПТ от основных теплотехнических параметров процесса ц, Wp, Ас в широком диапазоне их изменения.
Рабочие параметры и конфигурация двухступенчатой вихревой плаз-менно-угольной горелки для системы плазменного воспламенения углей на ТЭС «Вояны» (Словакия).
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных и широко апробированных компьютерных программ «АСТРА-4» и «Плазма-уголь-3», контролируемой погрешностью численных расчетов и сравнением расчетных и опытных данных.
Личный вклад автора заключается в разработке алгоритма решения нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, проведении численных исследований процесса ТХПТ с использованием программ АСТРА-4 и «Плазма-уголь-3», получении новых зависимостей удельных энергозатрат, состава продуктов ТХПТ от основных рабочих параметров топливной смеси и определении исходных данных для проектирования новой эффективной плазменно-угольной горелки для ТХПТ на ТЭС.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих Международных и Республиканских научных конференциях и симпозиумах: Ш-я Международная научно-техническая конференция по плазменно-энергетическим процессам и технологиям (г. Улан-Удэ, 2000); научно-практическая конференция преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ, посвященная 75-
летию первого ректора ВСГТУ Фролова Д.Ш. (г. Улан-Удэ, 2000), 141 Международный симпозиум «Горение и плазмохимия» (г. Алма-Ата, 2001) и на объединенных научно-методических семинарах кафедры ТЭС ВСГТУ и ОЦ ПЭТ РАО «ЕЭС России» (Улан-Удэ, Гусиноозерск - 1999-2003 гг.).
Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 10 работ, в том числе Методическое пособие по курсу «Плазменно-энергетические технологии».
Структура и объем диссертации. Диссертация, объемом состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и 3-х приложений.
Существующие методы расчета процессов ТХПТ
Методы термохимической подготовки углей к сжиганию можно разделить на две группы. К первой относится прогрев всей аэросмеси до смешения с вторичным воздухом, а ко второй - термообработка меньшей части пылеугольного потока с последующим ее смешением с остальной пылью и вторичным воздухом. Преобразование электроэнергии в энергию электродугового разряда позволяет более эффективно воздействовать на процессы воспламенения и сгорания твердого топлива. Энергетическую эффективность процесса плазменного воспламенения можно повысить, заменив плазменную струю электрической дугой и поместив ее в пылеугольный поток.
Анализ публикаций, относящихся к термодинамическим расчетам многокомпонентных гетерогенных систем в условиях высоких температур, показал, что подавляющее большинство специалистов в области плазменных технологий используют для термодинамического анализа Автоматизированную Систему Термодинамических Расчетов, известную под аббревиатурой АСТРА [58-60]. В отличие от традиционных в химической термодинамике методов расчета параметров равновесия с использованием энергии Гиббса, констант равновесия и закона действующих масс Гульдберга и Вааге, программа АСТРА, базируется на принципе максимума энтропии для изолированных термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия. Оно характеризуется максимумом энтропии относительно термодинамических степеней свободы, к которым относятся концентрации компонентов системы, температура, давление и т.д.
Программа АСТРА обладает собственной базой термодинамических свойств индивидуальных веществ, которая постоянно пополняется и уточняется. В настоящее время в банке данных содержатся термодинамические функции для 3500 веществ, включая компоненты органической и минеральной массы [60]. Модифицированная программа АСТРА-4 позволяет проводить расчеты процессов горения, термохимической подготовки и газификации любых углей в диапазоне температур 300-6000 К.
Известные кинетические модели горения и газификации угольных частиц, учитывающие движение и теплообмен газовой и конденсированной фаз [61, 62] не рассматривают внутренний тепловой источник (электрическую дугу), теплообмен со стенками и гидродинамическое сопротивление двухфазного плазменного потока в канале, полидисперсность угольных частиц, изменение теплофизических констант газовой фазы с температурой.
Указанные эффекты были учтены в математической модели электротермохимических превращений углей в каналах произвольной конфигурации [63]. Кинетическая схема этой модели позволяла рассчитать процессы термохимической подготовки, горения и газификации угольных частиц в устройствах с плазменным источником. По этой модели определяются температуры и скорости газовой фазы, угольных частиц, степень газификации углерода, мехнедожог топлива, удельные энергозатраты, размеры устройства.
Во всех упомянутых кинетических моделях используются константы скорости реакций в форме уравнения Аррениуса. Основные трудности при разработке такого рода моделей заключаются в построении правильного кинетического механизма процесса, в подборе и взаимосогласовании кинетических констант десятков химических реакций.
Для преодоления указанных трудностей авторами модели [66] в 1994 был предложен новый термодинамический подход к решению задач химической кинетики, В его основу положен вариационный принцип наименьшей диссипации энергии, который в сочетании с положениями неравновесной термодинамики позволяет количественно определить путь протекания химического процесса и изменение концентраций реагентов в произвольных газофазных системах, В этом случае изменение концентраций реагентов во времени реакции можно определить из решения системы дифференциальных нелинейных уравнений, связывающих концентрацию с химическим потенциалом вещества, не прибегая к записи уравнений Аррениуса, исключая тем самым и подбор констант скорости индивидуальных реакций.
Недостаток этой модели заключается в рассмотрении только газофазных реакций и отсутствии в ней уравнений гидродинамики и теплообмена, без которых невозможно рассчитывать реальные плазменные процессы. Положительным фактором в этой модели является возможность учета влияния на плазмохимические превращения топлива и окислителя образования химически активных центров, термодинамические функции которых (в отличие от кинетических констант) известны в широком диапазоне температур.
Резюмируя вышесказанное, можно заключить, что известные интегральные показатели плазменно-энергетических процессов (концентрации, температуры и скорости реагентов, длину реакционной зоны, тепловые и материальные потоки в устройстве). При этом не раскрываются механизмы энергетической и химической эффективности электродуговой плазмы в процессах термоподготовки топлив в плазменных устройствах, на существование которых указывает практика использования плазменных систем воспламенения пылеугольного факела [67].
Методы расчета исходных составов топливных смесей и удельных энергозатрат на процесс ТХПТ
Этот список включает имена простых веществ и их термодинамические свойства. Программный модуль SORB выполняет следующие основные функции: а) обеспечивает ввод термодинамической информации об индивидуальных веществах; б) производит размещение полиномов, аппроксимирующих термодинамиче ские свойства одного и того же вещества в «основной» и «резервный» масси вы и организует между ними адресные ссылки; в) исключает из рассмотрения те индивидуальные вещества, которые по ис ходным условиям не могут входить в число ожидаемых; г) проверяет возможность удовлетворить условие электронейтральности. Кроме того, в подпрограмме определяется число компонентов, находящихся в различных фазовых состояниях, и общие пределы аппроксимации свойств по температуре для всех индивидуальных веществ. Уточняется состав конденсированных растворов после организации библиотеки компонентов, и если какое-либо из указанных в исходных данных индивидуальное вещество отсутствует, сообщение об этом выводится на печать, компонент раствора игнорируется, как будто его не было в исходных данных. Если какой-либо химический элемент исходных данных не встречается в отсортированном наборе (библиотеке), то выводится сообщение: КОМПОНЕНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЭЛ, В БИБЛИОТЕКЕ НЕТ (где ЭЛ -символ химического элемента). Программа прекращает дальнейшие расчеты и организует переход на ввод очередного варианта задания. Подпрограмма INCOMP осуществляет ввод одного комплекта термодинамических свойств индивидуальных веществ. Подпрограмма CONAME обеспечивает преобразование условного числа компонента (JA, JB) в строку символов (CS), которая содержит общепринятую запись химической формулы индивидуального вещества и может выдаваться на печать по алфавитному формату.
Программный модуль PROPS реализует алгоритм вычисления термодинамических свойств индивидуальных веществ по аппроксимирующим полиномам, ранее отобранным в библиотеку компонентов и задает значение температуры, при которой нужно определить величины энтропии, полной энтальпии и теплоемкости компонентов.
Подпрограмма автоматически осуществляет поиск того комплекта термодинамических свойств каждого вещества, чьи пределы аппроксимации включают заданное значение температуры. Для этого анализируется вначале «основные» комплекты, а затем «резервные». В том случае, когда заданное при обращении к подпрограмме значение температуры находится вне пределов аппроксимации, производится экстраполяция термодинамических функций относительно внешней границы всех имеющихся интервалов. Принимается, что за пределами аппроксимации теплоемкость остается постоянной, а энтальпия и энтропия описываются, соответственно, выражениями:
Подпрограмма STEPS печатает результат очередной итерации. Она выполняет служебные функции и вызывается из основного программного модуля HEART в трех случаях: по директиве OUT после нахождения равновесного состояния для каждой пары задаваемых термодинамических параметров; по директиве PPPQQQ , запрашивающей печать результатов промежуточных итераций; в случае, когда процесс последовательных приближений не может быть завершен и производится переход к новым значениям задаваемых параметров. Из модуля производится вызов подпрограммы CONAME для формирования имен индивидуальных веществ. В подпрограмме STRING организовано вычисление коэффициентов итерационных уравнений. Обращение к модулю STRING производится из подпрограммы HEART.
Подпрограмма SLEQ реализует стандартный алгоритм Гаусса решение системы линейных уравнений с выбором главного элемента. Подпрограмма RECODE преобразует действительные числа в строку из девяти символов.
В основной подпрограмме HEART организуется итерационный процесс определения равновесных параметров и состава для заданной пары термодинамических исходных величин. Из подпрограммы осуществляется вызов модулей PROPS, SLEQ, STRING, STEPS. В модуле NOTE реализуется вычисление основных термодинамических параметров равновесного состояния, которые непосредственно не входят в число неизвестных, но могут быть определены из состава компонентов. К ним относятся: V- удельный объем ; М — общее число молей компонентов в смеси; Ср - замороженная теплоемкость смеси; к = Ср/Сх\ Ср — равновесная теплоемкость смеси; ММ — кажущаяся молярная масса; А — скорость звука; характеристики газовой фазы; массовые доли конденсированных фаз. Все эти величины приводятся в подпрограмме к размерностям, установленным директивой печати.
В подпрограмме MMASS производится анализ химической формулы (условного числа) индивидуального вещества и на его основе вычисление молярной массы. Подпрограмма SNDVEL предназначена для определения равновесной скорости звука и равновесных теплоємкостей при постоянном давлении и объеме. С этой целью реализован алгоритм нахождения производных термодинамических функций и состава от температуры при р — const и v = const. Входными данными для вычислений являются равновесные параметры, состав смеси и свойства индивидуальных веществ, находящихся в базе данных.
Модуль OUTPUT представляет собой программу печати итоговых результатов. Он вызывается из подпрограммы MANAGE и содержит обращения к RECODE, PROPS, STRING, MMASS и CONAME. Взаимосвязь между отдельными модулями дополнительно иллюстрируется с помощью рис. 2.2, где изображена схема взаимных ссылок.
Методы расчета равновесий на основе максимума энтропии [57-59J и методы, базирующиеся на законе действующих масс [70-72], математически связаны и, при определенных условиях, можно перейти от уравнений, связывающих энтропию с концентрациями компонентов, к уравнениям констант химического равновесия [57].
Численное исследование влияния концентрации пыли, зольности, влажности, удельных энергозатрат на ТХПТ
Математически условие неотрицательности числа молей компонентов можно выразить, заменив МІ функцией, положительной во всей области определения. Необходимые параметры равновесия можно определить путем решения задачи о нахождении экстремума энтропии (2.4) с учетом связей и ограничений, накладываемых уравнениями (2.7)-(2.11). Для этого при разработке программы был использован вариационный метод Лагранжа [74]. Для переменных, фигурирующих в уравнениях (2.4) и (2.7)-(2.11) и описываемых функцией Лагранжа и путем приравнивания к нулю частных производных последней по всем неизвестным, включая неопределенные множители Лагранжа, была получена система алгебраических уравнений, устанавливающая связь между всеми параметрами состояния.
Учитывая, что давление и объем термодинамической системы не могут быть равны нулю, можно найти множители Лагранжа и получить совокупность (R + К + т + 7) алгебраических уравнений, определяющих связи между (R + К + т + 9) параметрами равновесия произвольной термодинамической системы. Это означает, что два термодинамических параметра, например Р и Т, должны быть заданы и тогда остальные неизвестные находятся с помощью системы алгебраических уравнений: где J и 5- полная энтальпия и энтропия системы; У = А//(г/)+ Jc c/T; Т/ — стандартная температура; А- множитель Лагранжа. Система уравнений (2,12)-(2.17) становится замкнутой после подстановки в нее конкретных значений Р и Т, определяющих условия равновесия рабочего тела с окружающей средой. Для решения этой системы используется метод последовательных приближений Ньютона, заключающийся в линеаризации исходных алгебраических уравнений. Для этого нелинейные члены уравнения разлагают в ряд Тейлора относительно начального приближения, ограничиваясь членами первого порядка: где X? - начальные приближения неизвестных. В результате проделанной операции система уравнений становится линейной и может быть решена методом итераций с заданной точностью. После линеаризации эта система принимает вид, удобный для программирования и численного исследования: 1. Уравнения для концентрации газообразных индивидуальных веществ где Y = \X\(RQT/V). Индекс 0 при T, S означает, что значение температуры и энтропии является итерационным и линеаризация этого уравнения справедлива в окрестности этих величин. Анализ уравнений (2.19)-(2.26) показывает, что при термохимических превращениях углей число переменных может достигать 300 и более, и, следовательно, потребуется значительное количество итераций. Практически в программе АСТРА-4 максимум итераций равен 150. Расчет считается завершенным, если максимальная относительная погрешность станет меньше 0,0001 %. Программа позволяет определить равновесный состав термодинамической системы (уголь + окислитель), состоящей максимум из 20 химических элементов. Расчет осуществляется автоматически в пределах созданного при программе банка данных. Он содержит свойства более 3500 индивидуальных веществ, образованных 85 элементами при Т— 300-6000 К. Основу банка данных составляют термохимические свойства веществ, систематизированные, в основном, ИВТ РАН и Национальным бюро стандартов США [60]. База данных АСТРА-4 может легко изменяться и пополняться с помощью программы MDWRT [60]. Для каждого вещества комплект свойств должен состоять из его химической формулы, пределов аппроксимации термодинамических функций Tmin, Tmaxy семи коэффициентов для термодинамического потенциала, Ф ітХРі+Рі) стандартной энтальпии образования Д//(298), стандартной энтропии S29(, теплоты плавления и полиморфных превращений. Количество вводимых свойств неограниченно. Каждому индивидуальному веществу, находящемуся в базе данных, соответствует один или несколько комплектов свойств, в которые, кроме термодинамических функций, включают параметры функции Лен нарда-Джонса для расчета теплофи-зических констант (коэффициентов теплопроводности, вязкости, диффузии) многокомпонентных газовых смесей. Поскольку при высоких температурах термоподготовки на равновесный состав продуктов существенно влияет взаимодействие компонентов минеральной части с органической массой и окислителем, база данных содержит 40 комплектов термодинамических свойств основных соединений, образующихся при этих взаимодействиях. Комплекты рассчитаны с помощью программы ТЕРМОС, предназначенной для вычисления и аппроксимации термодинамических функций индивидуальных веществ. В таблице 2.1 представлены основные соединения, способные образовываться при взаимодействии компонентов минеральной части в широком интервале температур 298-6000 К и коэффициенты аппроксимирующего полинома для 40 комплектов термодинамических функций. Значения изобарно-изотермического потенциала Гиббса рассчитывались, кал/(моль-К): Программа АСТРА-4 дополнена базой данных для энергетических углей, автоматически осуществляет поиск нужного компонента в пределах банка термодинамических данных. Если заданное в исходных данных значение температуры находится вне пределов температурной аппроксимации, производится экстраполяция термодинамических функций относительно внешней границы всех температурных интервалов. Сообщение об этом выводится на дисплей.
Подготовка исходных данных для расчета состава и параметров равновесного состояния включает: директивы к конкретному варианту расчета, которые определяют условия его проведения; собственно исходные данные, в которых задают элементный состав термодинамической системы и параметры, определяющие ее равновесие, например РпТ,
Остальные данные, параметры и константы, необходимые для организации итерационного процесса и вычисления термодинамических функций в равновесных условиях, определяются через взаимосвязанные величины или задаются непосредственно в программе.
Система уравнений математической модели движения, нагрева и газификации полидисперсных угольных частиц в потоке окислителя, взаимодействующего с электрической дугой
Исследовалось влияние диапазона изменений концентраций пыли (1=0,1+50 (кг/кг), зольности Ас=5+50% и влажности Wp=l+25% на величину удельных энергозатрат Qyj, (кВтч/кг) при ТХПТ тугнуйского каменного угля при оптимальной температуре 1200 К. Зависимость составов конденсированной фазы от концентрации пыли, зольности и влажности показана на рис. 2.15—2.17. Из рис. 2.15 видно, что состав конденсированной фазы продуктов ТХПТ сильно изменяется при изменении концентрации пыли д=0,1-т-5 кг/кг. При этом концентрация углерода достигает постоянной величины 75% и при дальнейшем увеличении концентрации пыли от 5 до 50 кг/кг содержание углерода в коксовом остатке практически не изменяется. Содержание SiC»2, СаБіОз увеличивается при изменении концентрации пыли от 0,1 до 5 кг/кг, что связано с переходом углерода в газовую фазу. При увеличении концентрации пыли ц 5 кг/кг их содержание практически не меняется. Содержание компонентов K2S14O9 и Fe3C сначала увеличивается, а затем достигает постоянной величины при р 5 кг/кг. Это связано с тем, что при увеличении концентрации пыли от 5 до 50 кг/кг, количество воздуха меняется незначительно (6,67- 2 кг воздуха на 100 кг угля).
Из рис. 2.16 видно, что при увеличении зольности тугнуйского каменного угля от 5- -50% содержание углерода в коксовом остатке уменьшается до нуля (при Ас=30%), вследствие перехода его в газовую фазу, а содержание остальных компонентов в КО соответственно увеличивается. При Ас 40%, в коксовом остатке появляется восстановленное железо.
Из рис. 2.17, на котором показана зависимость состава конденсированной фазы от влажности тугнуйского каменного угля видно, что с увеличением влажности от 0 до 15%, весь углерод переходит в газовую фазу, а при влажности более 15% начинается восстановление оксидов железа. Концентрация остальных компонентов S1O2, CaSiOj, Si. и Fe3C возрастает с уменьшением содержания углерода в КО.
На рис. 2.18 показана зависимость выхода горючих газов (СО+Н2+СН4) от концентрации пыли ц, влажности Wp и зольности Ас при температуре 1200 К. Из рисунка видно, что выход горючих газов увеличивается с ростом концентрации пыли, что связано с увеличением выхода летучих веществ из угля. С увеличением влажности угля выход горючих газов сначала увеличивается, а затем уменьшается. Это связано с тем, что весь свободный углерод связывается с водяным паром по реакции С + Н2О = СО + Н2. Избыток влаги от 10 до 25 % не участвует в реакции, являясь балластом, требующим увеличения удельных энергозатрат на ТХПТ. С увеличением зольности от 5 до 50% выход горючих газов уменьшается, так как происходит уменьшение доли органической массы угля. На рис. 2.19 показана зависимость удельных энергозатрат Qyj угля от концентрации пыли ц, влажности Wp и зольности Ас тугнуйского каменного угля при температуре 1200 К. Из рисунка видно, что удельные энергозатраты возрастают с увеличением концентрации пыли от 0,1 до 10 кг/кг, а затем остаются неизменными, что связано с тем, что вначале энергозатраты увеличиваются в связи с нагревом угольных частиц и осуществлением эндотермической реакции углерода с водяным паром. С увеличением концентрации пыли от 10 до 50 кг/кг выход горючих газов (СО + Н2 + СН4) достигает максимальной постоянной величины, а удельные энергозатраты приближаются к 0,38 кВтч/кг угля. Удельные энергозатраты при этом приходятся фактически на нагрев одного и того же количества угля, так как с увеличением концентрации пыли, количество воздуха изменяется мало. Из рис. 2.19 видно также, что с увеличением влажности угля от 1 до 5% удельные энергозатраты возрастают, что также связано с осуществлением эндотермической реакции углерода с водяным паром, а затем в интервале 5 - 25% остаются на постоянном уровне (0,3 кВтч/кг). Из рис. 2.19 видно, что с увеличением зольности удельные энергозатраты уменьшаются, что связано со снижением эффекта эндотермических реакций для компонентов органической массы угля, например реакции С + Н20 = СО + Н2 - Q и др.
Из анализа рисунков 2.15 — 2.19 видно, что концентрация пыли в аэросмеси, влажность и зольность угля оказывают сложное влияние на выход горючих газов и величину удельных энергозатрат. Для оценки совместного влияния этих параметров был проведен термодинамический анализ ТХПТ тугнуйского каменного угля со следующими усредненными теплотехническими характеристиками: влажность Wp=10%, зольность Ас=25%, концентрация пыли ц=0,4 кг/кг.
