Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема снижения потребления мазута на пылеугольных тэс и способы ее решения 20
1.1. Актуальность проблемы снижения потребления мазута (природного газа) на пылеугольных ТЭС. 20
1.2. Способы повышения стабильности горения угля. 27
1.3. Способы активации топлив и универсальные качества плазмы . 31
1.4. Эффективность плазмы в процессах воспламенения на примерах воспламенения жидких и газообразных топлив. 34
1.5. Известный опыт в применении плазмы для воспламенения угля в пылеугольных котлах ТЭС. 37
1.6. Термохимическая подготовка углей к сжиганию. 39
1.7. Начало и последующие стадии исследований плазменного воспламенения углей в нашей стране. 44
1.8. Расчетные методы исследований процессов, протекающих при плазменной термохимподготовке углей. .51
1.9. Выводы и постановка задачи исследований. 57
Глава 2. Экспериментальные исследования плазменного воспламенения угольной пыли энергетических котлов 61
2.1. Методика исследований 61
2.2. Суть плазменной термохимической подготовки углей к сжиганию и ее особенности . 66
2.3. Результаты стендовых испытаний плазменного воспламенения углей. 68
2.4. Исследование плазменного воспламенения тощих углей на промышленном котле, оснащенном системой пылеприготовления с промбункером. 77
2.5. Изучение возможности плазменного воспламенения угля в котле с прямым вдуванием пыли в горелки. 87
Глава 3. Расчетно-теоретические основы плазменной термохимической подготовки угля 93
3.1. Термодинамические расчеты характеристик процесса термохимической подготовки углей. 93
3.1.1. Расчет термохимической подготовки переясловского и черемховского углей. 94
3.1.2. Расчет удельных энергозатрат и мощности плазмотрона на воспламенение при ТХП углей. 100
3.2. Теплотехнические расчеты плазменной термохимической подготовки углей. ПО
3.2.1. Математическая модель теплотехнических расчетов термохимической переработки углей. 111
3.2.2. Методика теплотехнических расчетов режимных параметров процесса плазменной ТХП угля и геометрических параметров плазменно угольных горелок . 117
3.2.3. Расчет плазменного воспламенения угля при различных начальных условиях. 121
3.2.4. К вопросу о влиянии концентрации угля в аэросмеси на энергозатраты. 132
3.2.5. Расчет плазменной стабилизации горения пылеугольного факела. 136
3.2.6. Расчет двухступенчатой плазменно-угрльной горелки. 142
3.2.7. Расчет зависимости энергозатрат на плазменное воспламенение от перераспределения расхода воздуха в ступени двухступенчатой горелки 152
3.2.8. Плазмення ТХП в иных процессах использования углей. 159
Глава 4. Характеристики оборудования систем плазменного воспламенения угля 170
4.1. Исследования характеристик плазмотронов. 170
4.1.1. Плазмотроны для воспламенения углей и их статические вольтамперные характеристики. 173
4.1.2. Динамические характеристики электрической дуги в плазмотроне. 187
4.1.2.1. Динамические характеристики дуги в гладком канале. 189
4.1.2.2. Динамические характеристики дуги в канале с кольцевой полостью: эксперимент и расчет. 199
4.1.3. Ресурсные характеристики плазмотронов для воспламенения углей. 212
4.1.3.1. Результаты по ресурсу плазмотронов при их эксплуатации наТЭС. 213
4.1.3.2. Пути повышения ресурса электродов плазмотрона. 214
4.2. Камеры термохимической подготовки топлива. 225
4.3. Электропитание плазмотрона. 230
Глава 5. Плазменная безмазутная растопка котлов, подсветка пылеугольного факела и стабилизация выхода жидкого шлака; вопросы безопасной и эффективной эсплуатации СПВ 242
5.1. Результаты испытаний плазменной безмазутной растопки котлов и подсветки факела. 242
5.1.1. Растопка котла с промбункером. 244
5.1.2. Плазменная безмазутная растопка котлоагрегатов Гусиноозерской ГРЭС с прямым вдуванием пыли. 249
5.1.3. Растопка котла блока 200 МВт одной горелкой. 257
5.1.4 Плазменно-угольная растопка котла, имеющего систему подачи пыли высокой концентрации. 261
5.1.5. СПВ с автономными камерами ТХП. 263
5.1.6. Краткий обзор применения систем плазменного воспламенения на других котлах. 271
5.2. Плазменно-угольная стабилизация выхода жидкого шлака . 275
5.3. Влияние плазменной термохимической подготовки на экологические показатели работы котла. 279
5.4. Шлакование при плазменном воспламенении углей и пути его предотвращения. 282
5.5. Автоматизация управления параметрами процессов, основанных на плазменной ТХП. 287
5.6. Вопросы безопасности при плазменно-угольной растопке котлов. 293
5.6.1. Общие технические требования безопасной эксплуатации систем плазменного воспламенения углей на ТЭС. 294
5.6.2. Испытания плазменно-угольной растопки котлов с целью определения степени взрывоопасности процесса. 297
5.7. Плазменное воспламенение мазутного факела. 304
Глава 6. Вопросы внедрения технологий плазменно угольной растопки котла 313
6.1. Сравнительный анализ характеристик плазменно-угольной и мазутной термохимической подготовки угля. 313
6.2. Анализ факторов, сдерживающих распространение плазменно-угольных технологий. 317
6.3. Оценка экономической эффективности применения плазменно-угольной технологии ТХП. 322
Заключение 328
Список Литературы 331
Приложение
- Способы активации топлив и универсальные качества плазмы
- Суть плазменной термохимической подготовки углей к сжиганию и ее особенности
- Методика теплотехнических расчетов режимных параметров процесса плазменной ТХП угля и геометрических параметров плазменно угольных горелок
- Плазменно-угольная стабилизация выхода жидкого шлака
Введение к работе
Роль теплоэнергетики в жизнедеятельности страны общеизвестна: это одна из основных отраслей народного хозяйства, без продукции которой немыслимы функционирование промышленных предприятий и современный уровень бытовых условий населения. Одной из важнейших задач отрасли является повышение эффективности топливоиспользования, решению которой уделяется большое внимание как в нашей стране, так и в мире в целом.
Для решения проблемы высокоэффективного использования низкосортных твердых топлив при минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду в начале 80-х годов по решению Госкомитета по науке и технике СССР в ИТФ СО АН СССР и КазНИИэнергетики начали проводиться научно-исследовательские работы по разработке и созданию принципиально новой, плазменной, технологии сжигания пылевидного топлива с использованием электродуговых плазмотронов. Первые совместные (ИТФ и КазНИИЭ) испытания были проведены на лабораторном стенде КазНИИЭ в 1984 г. Несколько позже такого направления работы начали выполняться в Институте физики Киргизской АН ССР. К этому моменту появились первые публикации зарубежных исследователей по использованию электродуговой плазмы для воспламенения пылеугольного факела.
С 1986 года все исследования стали проводиться в соответствии с научно-техническими программами Госкомитета по науке и технике и Минэнерго СССР.
В 1986-1990 гг. была разработана отраслевая научно-техническая программа Минэнерго СССР ОНТП 00.00.01 "Повышение эффективности использования низкосортных топлив на тепловых электростанциях". (Ответственным исполнителем по этой программе от ИТФ СО АН являлся автор данной работы.) Кроме того, работы ИТФ СО АН и КазНИИэнергетики в
8 этот же период координировались в рамках региональной научно-технической программы "Сибирь", один из разделов которой посвящен сокращению потребления мазута на пылеугольных ТЭС.
В 1986 г. на Новосибирской ТЭЦ-2 ИТФ СО АН совместно с НТЭЦ-2, Сибтехэнерго и СибНИИЭ был создан опытно-промышленный стенд, на котором впервые провели успешные исследования плазменного воспламенения аэросмеси низкосортных углей в промышленном котле. Эти работы позволили принципиально подтвердить возможность плазменного воспламенения пылеугольного факела и показали преимущество плазменной термохимической подготовки (ТХП) углей к сжиганию; использовалась двух- или трехступенчатая схема сжигания (в зависимости от качества углей) с линейными плазмотронами, разработанными в ИТФ СО АН.
В 1988 г. эта работа была отмечена Премией СО АН СССР.
В 1989 г. КазНИИ энергетики проведены промышленные испытания безмазутной растопки котла с промбункером ЦКТИ-75 (Усть-Каменогорская ТЭЦ) и подсветки пылеугольного факела на котле ТП-230 (Мироновская ГРЭС).
В конце 1991 г. к работам по плазменному воспламенению топлив присоединилась Гусиноозерская ГРЭС, где при участии ИТФ СО РАН и Каз-НИИэнергетики была образована совместная лаборатория плазменно-энергетических процессов (в состав которой входил автор), и в мае 1993 г. впервые осуществлена безмазутная плазменно-угольная растопка из холодного состояния котла ТПЕ-215 производительностью 670 т пара в час, имеющего систему пылепрготовления с прямым вдуванием пыли.
Ведомственной комиссией Департамента науки и техники РАО "ЕЭС России" в 1994 г. была принята в эксплуатацию опытно-промышленная система безмазутной растопки пылеугольных котлов и рекомендована для использования на других ТЭС, работающих на высокореакционных углях.
Для дальнейшего совершенствования плазменных технологий, лаборатория плазменно-энергетических процессов ГО ГРЭС Приказом РАО "ЕЭС
России" № 573 от 14.12.1995г. была преобразована в Отраслевой Центр плазменно-энергетических технологий (ОЦ ПЭТ) РАО "ЕЭС России" на правах обособленного подразделения АО "Гусиноозерская ГРЭС". Было налажено сотрудничество между ОЦ ПЭТ и ведущими научными и отраслевыми организациями и предприятиями, включая котельные заводы (Институт теплофизики СО РАН, КазНИИЭ, ВТИ, МГТУ им. Баумана, СибНИИЭ, Сибтехэнеро, Барнаульский, Таганрогский и Подольский котельные заводы, Саранский завод электрооборудования и др.).
Основные направления деятельности Центра координировались программой, утвержденной Правлением фонда НИОКР РАО "ЕЭС России" и корпорацией Единый электроэнергетический комплекс ("ЕЭЭК"). Результаты работ ОЦ ПЭТ регулярно обсуждались на НТС РАО "ЕЭС России". По распоряжению РАО "ЕЭС России" к деятельности Центра подключались специализированные организации (ВТИ им. Ф.Э. Дзержинского и др.).
В процессе промышленных испытаний плазменной технологии воспламенения пылеугольного факела в условиях ТЭС были опробованы все типы энергетических углей (бурые, каменные, антрациты) с теплотой сгорания 3000-6000 ккал/кг и выходом летучих 4-50 %.
Из сказанного выше следует, что проблеме снижения потребления мазута на пылеугольных ТЭС уделялось большое внимание на государственном уровне, и решение этой проблемы является важной народно-хозяйственной задачей.
Существует большое количество производственных процессов и устройств, например разного рода нагревательные и обжиговые печи, в которых горящий мазутный факел служит единственной цели - созданию определенного теплового режима в камере нагрева. Как показано в данной работе, плазменная термохимическая подготовка углей обеспечивает получение устойчиво горящего вытекающего из горелки пылеугольного факела, для воспламенения которого и поддержания горения не требуется второй вид топлива - мазут или природный газ. Нет принципиальной разницы, где раз-
мещается плазменно-угольная горелка, в которой получают этот факел - на пылеугольном котле или в нагревательной печи. Поэтому полученные в работе результаты могут найти приложение в таких производствах, как обжиг глинозема (например, на Ачинском глиноземном комбинате), нагреве рельсов на стрелочном заводе, получение углеродных сорбентов из угля и т.д. В данной работе плазменная термохимическая подготовка рассматривается в качестве примера применительно к пылеугольным котлам, и не ставится задача ее использования в других устройствах и процессах. Однако, учитывая многократное превышение стоимости мазута в сравнении с углем, плазменная термохимическая подготовка несомненно может найти иные приложения.
Все это подтверждает актуальность темы.
Научная актуальность подтверждается названными ниже задачами исследований данной диссертации, выполненных в рамках НИР ИТ СО РАН и директивных материалов Минтопэнерго и РАО «ЕЭС России»:
изучение методов плазменного воспламенения углей;
экспериментальные и теоретические исследования плазменной термохимической подготовки углей;
разработка методик расчета основных характеристик плазменного воспламенения угля;
разработка специального плазменного оборудования для воспламенения углей и исследование его характеристик;
исследования характеристик плазмотронов в целях повышения надежности их функционирования и ресурса работы электродов;
6. разработка и исследования процессов плазменно-угольной растопки
котла и стабилизации горения факела;
Работа выполнялась в соответствии с программами и заданиями: темы НИР ИТ СО РАН: «Тепловые и электрофизические процессы в газоразрядной плазме» (Гос. per. № 81030080), «Исследования динамики низкотемпературной плазмы» (Гос. per. 01.9.50 001682), «Научно-технологические ос-
новы создания новых систем промышленной теплоэнергетики и энергосберегающих технологий» (Гос. рег.01.9.50 001683); Региональная научно техническая программа «Сибирь», раздел «Новые материалы и технологии»; Отраслевая научно-техническая программа Минэнерго СССР ОНТП 00.00.01, 1986-1990 г.г.; Задание РАО «ЕЭС России» 03.00 (шифр СИ 8205), тема - Создание опытно-промышленной системы безмазутного розжига и подсветки пылеугольного факела с помощью электродуговых плазмотронов, 1992-1995 г.г.; Программа РАО «ЕЭС России» «Разработка новых технологий использования низкосортного твердого топлива в отрасли «Электроэнергетика»», 1993 г.; Протокол Научно-технического совета РАО «ЕЭС России» от 19.05.97 г. по теме: «Система безопасной растопки и подсветки пылеугольных котлов с использованием плазмотронов»; Приказ РАО «ЕЭС России» «О мерах по повышению надежности работы и технического уровня производства», 2002 г.
Целью диссертационной работы является исследование и создание процесса и оборудования термохимической подготовки угля путем сжигания части этого угля, воспламеняемого электродуговой плазмой, на основе экспериментального и теоретического изучения процессов переноса тепла и массы и термохимических превращений в потоке угольной аэросмеси. Научная значимость и новизна. Научная значимость диссертационной работы состоит в том, что решен комплекс научных и прикладных задач по созданию процесса и оборудования плазменно-угольной термохимической подготовки углей и построению теплофизических основ методологии растопки котла на ее базе.
Впервые теплофизическими экспериментами на промышленных котлах показано воспламенение на основе плазменной ТХП широкого класса энергетических углей в котлах с промбункером и с прямым вдуванием пыли и установлена ее высокая энергетическая эффективность в сравнении с другими методами плазменного воспламенения; установлено снижение энергозатрат на плазмотрон с увеличением концентрации угля в аэросмеси, выхода
летучих угля, а также снижение его механического недожога. Обосновано снижение вредных выбросов при подсветке с использованием плазменной ТХП.
Создана методика теплотехнических и термодинамических исследований энергозатрат на плазмотрон при плазменной ТХП углей: разработана методика определения энергозатрат в зависимости от теплотехнических характеристик угля; обобщением результатов экспериментальных и теоретических исследований впервые получено уравнение энергозатрат на воспламенение с учетом технологических параметров процесса; предложен метод расчета мощности плазмотрона для воспламенения потока угольной аэросмеси.
Разработана методология теплофизических и теплотехнических исследований процесса плазменной ТХП углей: экспериментальными и теоретическими исследованиями процессов тепломассообмена и физико-химических превращений при взаимодействии потока угольной аэросмеси с плазмой впервые получены конструктивные и технологические параметров камер ТХП и найдены механизмы, ответственные за возникновение шлакования их поверхностей; создана методика, позволяющая использовать плазменную ТХП угля в системе защиты факела в топке котла от погасания; разработан метод снижения энергозатрат на плазмотрон и предотвращения шлакования камеры ТХП путем изменения условий ввода в нее первичного воздуха.
Разработаны и сформулированы требованиях к теплотехническому оборудованию плазменной ТХП угля, системе ее функционирования и получены характеристики этого оборудования: разработаны новые схемы плазмотронов с частично вынесенной в поток аэросмеси дугой, более эффективные в этих процессах; впервые показано снижение удельной эрозии электродов плазмотрона в результате ввода в зону привязки дуги угольной пыли, продуктов из камеры ТХП, применения с этой целью специальной настройки источника электропитания; экспериментальными и теоретическими исследованиями впервые получены динамические характеристики дуги в канале с осесимметричной полостью и более общее уравнение для описания динами-
ческой характеристики дуги в цилиндрическом канале плазмотрона.
Созданы теплофизические основы методологии растопки котла, основанные на плазменно-угольной ТХП угля.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Исследована и оптимизирована новая высокоэффективная технология -плазменно-угольная ТХП угля, не уступающая по уровню научно-технических решений аналогам, в том числе - зарубежным; плазменное оборудование и процесс плазменно-угольной растопки котла приняты комиссией РАО «ЕЭС России» и рекомендованы к использованию в отрасли.
Созданы методические подходы к проектированию и выбору основного и вспомогательного оборудования систем плазменной ТХП энергетических углей различных марок для режимов растопки котлов и подсветки факела.
Выработаны рекомендации по исключению шлакования поверхностей плазменно-угольной горелки. Создана схема автоматического управления процессом плазменной ТХП угля. Разработана нормативная документация для реализации плазменно-угольной растопки котла и подсветки факела, используемая в ОЦ ПЭТ РАО «ЕЭС России».
Разработаны плазмотроны новой схемы с более высоким КПД для воспламенения углей.
Разработаны методы повышения ресурса электродов плазмотрона путем ввода угольной пыли или продуктов ТХП в зону привязки дуги к электроду.
Разработана схема электропитания плазмотронов для плазменной ТХП угля без использования трансформатора с изолированной нейтралью.
На базе плазменно-угольной ТХП углей осуществлена безмазутная растопка котлов разного типа и паропроизводительности (75 - 670 т/ч), подсветка факела и стабилизация выхода жидкого шлака.
Практическая ценность работы подтверждается документами Министерства энергетики и РАО «ЕЭС России», перечисленными выше. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Комплекс экспериментальных и теоретических теплофизических, тепло-
технических и термодинамических исследований, положенных в основу процесса плазменно-угольной ТХП углей, и ее системы.
2. Результаты экспериментальных исследований процессов тепломассооб
мена и физико-химических превращений при взаимодействии потока уголь
ной аэросмеси с плазмой.
Методика теплотехнических и термодинамических исследований энергозатрат на воспламенение в зависимости от характеристик угля и технологических параметров ТХП.
Результаты теплофизических и теплотехнических исследований параметров процесса ТХП, конструктивных и технологических характеристик камер ТХП для реализации растопки котла и подсветки факела.
5. Сформулированные требования к теплотехническому оборудованию
плазменной ТХП угля и системе ее функционирования: плазмотронам, их
электропитанию, автоматическому управлению; результаты исследования
характеристик этого оборудования.
6. Теплофизические основы методологии растопки котла, подсветки факела
и стабилизации выхода жидкого шлака, основанных на плазменно-угольной
ТХП угля и результаты их реализации на ТЭС.
Методика исследований и достоверность результатов. Методика исследований базируется на комплексе экспериментальных теплофизических и теоретических теплотехнических и термодинамических методов. С целью повышения достоверности и полноты информации основные экспериментальные результаты по воспламенению углей получены на натурных объектах - опытно-промышленных стендах и энергетических котлах. Результаты расчетов получены на базе фундаментальных законов теплофизики, теплотехники, термодинамики, механики сплошных сред и кинетики, положенных в основу широко используемой программы термодинамических расчетов «Астра-4» и известной, хорошо зарекомендовавшей себя программы теплотехнических расчетов «Плазма-Уголь-3». В исследованиях характеристик плазмотронов применялись классические уравнения плазмодинамики,
полученные на основе фундаментальных уравнений динамики сплошной среды; экспериментальные исследования базировались на широко используемых в области плазмодинамики методах.
Достоверность расчетов подтверждается их непротиворечивостью, сходимостью уравнений материального и энергетического балансов, применением других способов решения, сопоставлением с экспериментальными результатами, а также сравнением с результатами других авторов.
Структура и объем диссертационной работы.
По структуре диссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения, Списка литературы и Приложений. Она изложена на 356 страницах основного текста, содержит 106 рисунков и 13 таблиц; в списке литературы 242 наименования.
В первой главе дан анализ состояния и перспектив потребления ископаемых топлив на ТЭС, на основе которого констатируется, что потребление угля будет расти опережающими темпами в сравнении с нефтью и газом, цены на мазут многократно выше цен на уголь, и это превышение будет нарастать. Названы причины такой тенденции и обоснована актуальность проблемы снижения потребления мазута (природного газа) на пыле-угольных ТЭС. Рассмотрены технические разработки, способствующие решению названной проблемы, и преимущества плазменных технологий в сравнении с иными. Обзор расчетно-теоретических работ показывает имеющиеся наработки в этой области. На основе анализа материала Главы 1 сформулированы задачи исследований.
Во второй главе дано описание методики исследований и приведены результаты экспериментальных исследований на лабораторных и опытно-промышленных стендах плазменного воспламенения углей, которые показали: возможность воспламенения плазмой отечественных энергетических углей, качество которых ниже зарубежных и задача их воспламенения -сложнее; преимущества.плазменной ТХП с позиций энергозатрат и надежности воспламенения в сравнении с другими способами плазменного вое-
пламенения; повышение полноты сгорания угля и экологических показателей работы котла; перспективность дальнейших работ по плазменно-угольной растопке котла и подсветке факела в силу приемлемых в промышленной эксплуатации мощности и массогабаритных показателей плазмотрона.
В третьей главе на основе термодинамических и кинетических исследований разработаны методики решения задач, возникающих при проектировании и эксплуатации системы плазменного воспламенения угля. К их числу относятся такие характеритики, как: удельные энергозатраты на плазменное воспламенение угля в зависимости от его качества; зависимость мощности плазмотрона от технологических параметров процесса; количество угля, которое должно пройти термохимическую подготовку (ТХП) при подсветке; характеристики плазменно-угольной горелки и оптимальные режимы ее работы т.д.
В четвертой главе приведены результаты исследований характеристик элементов системы плазменного воспламенения (СПВ) угля. Рассмотрен ряд созданных плазмотронов, использовавшихся при исследованиях воспламенения углей, и разработанные на их основе плазмотроны для промышленной эксплуатации: их статические вольтамперные характеристики; динамические характеристики дуги в плазмотронах с разной геометрией разрядной камеры; вопросы ресурса электродов и пути его повышения, в том числе - путем ввода защитной среды в приэлектродную зону дуги и настройки источника электропитания. Приведен анализ различных схем камер ТХП, предназначенных для эксплуатации на котлах в СПВ. Предложена новая, менее затратная схема электропитания плазмотронов для безмазутной растопки котлов, в которой отсутствует разделительный трансформатор.
В пятой главе представлены результаты плазменно-угольной безмазутной растопки ряда котлов с промбункером и прямым вдуванием пыли, результаты по подсветке факела и стабилизации выхода жидкого шлака. Решены важные в практических приложениях задачи: соблюдения норм тех-
17 нической эксплуатации котла; взрывобезопасности процесса ТХП; предотвращения шлакования поверхностей плазменно-угольной горелки; экологии; автоматизации управления параметрами плазменной ТХП.
В шестой главе проведен анализ технико-экономических показателей и организационных мероприятий применения плазменной ТХП: выполнено сравнение с мазутной ТХП; отмечены положительные примеры эксплуатации СПВ на Гусиноозерской ГРЭС и Улан-Баторской ТЭЦ-4; выполнено технико-экономическое обоснование эффективности плазменной растопки котлов на примере Нерюнгринской ГРЭС.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 93 работы (в списке основных публикаций в автореферате - 43), в том числе: монографий - 6; в журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК, - 12; патентов - 14; в иностранных изданиях и трудах иностранных конференций - 4; в рецензируемых изданиях, не входящих в Перечень ВАК, - 6; в сборниках научных трудов - 15; публикации международных и Российских конференций и семинаров - 36.
Основные научные результаты, включенные в диссертацию, получены автором самостоятельно. Общая постановка задачи принадлежит академику М.Ф. Жукову.
В исследованиях плазменного воспламенения углей на опытно-промышленных стендах автор осуществлял: постановку задачи исследований; разработку плазменного оборудования и камер ТХП; планирование, руководство и личное участие в экспериментах; анализ полученных данных. В испытаниях безмазутной плазменно-угольной растопки котлов и подсветки факела автор осуществлял: разработку плазменного оборудования и камер ТХП; разработку программы испытаний; осуществлял руководство испытаниями в части, касающейся плазменно-угольных систем; обеспечивал выбор и задание режимов работы плазмотронов и горелок; проводил измерения в
соответствии с программой. (В диссертацию вошли результаты лишь тех испытаний, в которых автор был руководителем со стороны организации-разработчика и (или) разработчиком системы плазменной растопки. Акты испытаний - в Приложении к диссертации.) Разработка плазмотронов для исследований и для промышленной эксплуатации на котлах, исследования динамических характеристик дуги в канале с осесимметричнои полостью, а также основные термодинамические и теплотехнические исследования выполнены без соавторов. Многоплановый характер исследований обусловил участие в них соответствующих специалистов: в части работы котельного оборудования - Е.И. Карпенко, В.Г. Томилов, Л.И. Пугач, Н.Л. Новиков; выбор варианта оснащения котла плазменным оборудованием автор осуществлял как лично, так и с соавторами Е.И. Карпенко, В.Е. Мессерле, С.Л. Буян-туевым. В части исследований ресурсных характеристик плазмотрона принимал участие Э.К. Урбах. В постановке задачи о динамической характеристике дуги в гладком канале принимал участие Б.А. Урюков. В формулировании сущности изобретения и решении задач, связанных с получением патентов на изобретение, автору принадлежит определяющая роль.
Автор выражает глубокую благодарность соавторам за сотрудничество, а также академику РАН В.Е. Накорякову и член-корреспонденту РАН СВ. Алексеенко - за постоянную организационную поддержку работ.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертации докладывались на: VII - XI Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы (г. Алма-Ата - 1977, г. Новосибирск -1980, г. Фрунзе -1983, г. Каунас -1986, г. Новосибирск -1989), конференции «Электрофизика горения» (г. Караганда, 1987), Международном рабочем совещании «Высокотемпературные запыленные струи» (г. Новосибирск, 1988), Всесоюзной конференции «Теплообмен в парогенераторах» (г. Новосибирск, 1990), Международной конференции по физике и технике плазмы (г. Минск, 1994), II Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (г. Иваново, 1995), Научной конференции «Энергети-
ка, информатика и плазменные технологии» (г. Улан-Удэ, 1997), III Международной научно-технической конференции "Плазменно-энергетические технологии" (г. Улан-Удэ, 2000), 1 Международном симпозиуме «Горение и плазмохимия» (г. Алматы, 2001), Постоянно действующем международном семинаре «Энерго-ресурсосбережение в сибирском регионе» (г. Новосибирск, 1998 и 2000), II Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии» (г. Улан-Удэ, 2003), XXVII и XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (г. Новосибирск, 2004 и 2005), 1-й конференции по инновационной деятельности (г. Москва, 2005), семинаре «Получение и применение низкотемпературной плазмы» им. профессора Л.С. Полака № 358 (Институт нефтехимического синтеза (ИНХС) РАН, г. Москва, 2005).
Способы активации топлив и универсальные качества плазмы
Эффективность и надежность воспламенения, устойчивость горения и полнота сгорания топлива зависят от выбранного способа его подготовки к сжиганию. Известен ряд способов воздействия, так или иначе обеспечивающих улучшение условий его воспламенения и горения. В основном усилия исследователей направлены на повышение химической активности реагентов при подготовке топлива к сжиганию. Достаточно простое в своей основе решение предложено в работе [36], где в зону воспламенения и горения вводятся продукты неполного сгорания небольшой доли обогащенного топлива. Возникающие в процессе горения богатой смеси химически активные радикалы могут обеспечить снижение периода индукции и повышение скорости горения в 3-5 раз при одновременном росте экономичности процесса. Это объяснение убедительно подтверждено в исследованиях [37], где показано, что определяющим фактором наблюдае мых эффектов является не температура вводимых продуктов горения, а именно неполное их реагирование в предварительной стадии процесса. Наглядные результаты получены при изучении скорости сгорания углеводородного топлива в условиях, когда снаружи камеры размещался источник радиационного излучения [38]. В отсутствии иных воздействий (теплового, газодинамического, химического) увеличение скорости сгорания топливной смеси объясняется снижением энергии активации. Разными авторами было показано, что увеличение концентрации химически активных частиц в гомогенной топливной смеси позволяет снизить энергию активации почти в четыре раза. Влияние активных центров на кинетику процесса горения проявляется при сжигании и гетерогенных смесей в различных условиях, отличающихся по составу топливной смеси, ее температуре, давлению, газодинамике [39 - 41]. Вполне объяснимо влияние атомарного кислорода на процесс воспламенения [40]: небольшие его добавки в окислитель (около 0,6 %) понижают температуру воспламенения частиц угля в 1,6 раза и время прогрева до воспламенения - в 3 раза.
Эффективно электромагнитное и плазменное промотирование углеводородных топлив. Наложение электрического поля напряжением 1,5 кВ способствует увеличению скорости сгорания топлива в 1,4 раза. Аналогичный эффект дает воздействие на топливо-воздушную смесь коронного разряда. Ввод некоторой доли частично сгоревшего топлива (чаще - жидкого или газообразного) в основной поток пылеугольной аэросмеси изучается исследователями и применяется на практике. Однако использование большей части из названных способов активации топлив в приложении к энергетическим пылеугольным котлам сопряжено со значительными техническими трудностями, которые обусловлены большими расходами топлива. В исследованиях по активации топлив и интенсификации их горения особое место занимает низкотемпературная плазма. Объясняется это тем, что плазма обладает рядом важных в этих процессах свойств [42]. Высокая температура и концентрация энергии, наличие в плазме большого количест ва возбужденных частиц - атомов, радикалов, ионов (в том числе в воздушной плазме - ионов кислорода), достаточно хорошо разработанные конструкции плазменных генераторов (плазмотронов), их малые массогаба-ритные показатели на единицу полезной мощности, возможность использования широкой гаммы как гомогенных, так и гетерогенных рабочих сред, простота управления процессом благодаря невысокой инерционности дуги - все эти, играющие положительную роль при воспламенении и горении то-плив характеристики, делают плазму весьма перспективной в решении рассматриваемой проблемы. Влияние большей части факторов, характеризующих плазму, на изменение характеристик горения топлив рассмотрено выше.
К этому можно добавить следующее. Частицы твердого (а также жидкого) топлива, попадая в высокотемпературную область с Т = 3000 К и выше, испытывают тепловой удар: высокая скорость нагрева частиц сопровождается активным, за время порядка 10 3 с, выделением летучих и их взрывом под действием давления газов [43]. Происходит их дробление числом до 5 - 8 фрагментов, в результате чего резко возрастает поверхность взаимодействия топлива с окислителем и интенсифицируются химические реакции. С увеличением температуры существенно возрастает выход летучих компонентов из угля в сравнении со стандартными условиями [44]. В результате возрастает пористость коксового остатка, что улучшает диффузию окислителя к углероду в твердой фазе и повышает интенсивность гетерогенных реакций. В дополнение к этому, при высоких температурах происходит сублимация углерода в газовую фазу и возрастает удельный вес гомогенных реакций [45]. Высокая температура, мелкодисперсный состав частиц угля, высокая скорость нагрева- все это способствует снижению энергии активации угля [46]. Из сказанного выше следует, что газоразрядная плазма [42] обеспечивает реализацию большинства эффектов, известных из практики активации топлив, и обладает дополнительными, полезными с рассматриваемых позиций свойствами. Поэтому наиболее эффективной при воспламенении углей, в особенности низкореакционных, может оказаться низкотемпературная плазма. На первом этапе данной работы нами были изучены условия плазменного воспламенения жидких и газообразных топлив.
Суть плазменной термохимической подготовки углей к сжиганию и ее особенности
Из обзора литературных данных (глава 1) следует, что известные варианты применения плазмы для воспламенения углей сводятся к одному способу: воспламенение аэросмеси осуществляется в топке у выхода из горелки. Можно предположить, что с понижением качества угля полнота его воспламенения таким способом будет снижаться ввиду рассеяния тепловой энергии в большом объеме топочного пространства. Поэтому представляется перспективным реализовать воспламенение в камере (муфеле, пред-топке) до выхода аэросмеси в топку, аналогичной камере термохимической подготовки (ТХП), используемой при мазутном способе ТХП угля. В этом случае можно рассматривать разные режимы нагрева в камере угольной аэросмеси, воспламеняемой плазмой: от полного горения угля до пиролиза, включая промежуточные режимы термохимической подготовки разного качества. Какой из названных режимов реализуется - будет зависеть от концентрации угля в аэросмеси. Требовалось исследование их эффективности. Отличительной особенностью плазмы в сравнении с факелом газовой или мазутной горелки является высокая температура и концентрация энергии, а также высокое содержание в ней химически активных частиц - электронов, ионов, радикалов. Поэтому для надежного воспламенения пыле-угольной аэросмеси достаточен плазменный поток относительно небольшого расхода и, соответственно, небольшие габариты камеры ТХП. Вынужденной мерой при ТХП с использованием мазута является увеличение габаритов камеры ТХП [144], что связано с дополнительными затратами.
Суть плазменно-угольной термохимической подготовки можно охарактеризовать так (рис. 2.1). В камеру ТХП 2 поступает поток аэросмесии 5. Он взаимодействует с вводимой в эту камеру низкотемпературной плазмой (плазменной струей, открытой электрической дугой или сочетанием этих субстанций), которую получают в плазмотроне 4. Температура в струе плазмы, часто, 3000 - 3500 К и выше, а в дуге выше - 11000 К. При таком уровне температур происходит интенсивный нагрев угля, выход летучих угля значительно интенсифицируется. Возможен высокоскоростной пиролиз, который характеризуется в 2 - 3 раза более высоким выходом газовой фазы. Оставшийся кокс обладает достаточно высоким содержанием горючих, высокой пористостью и хорошо воспламеняется. Так как плазма занимает небольшой объем в камере ТХП, с ней взаимодействует лишь небольшая доля потока аэросмеси, которая и воспламеняется. В результате горения части угля весь поток аэросмеси нагревается внутри камеры ТХП до получения на выходе из нее топливной смеси с заданными параметрами, удовлетворяющими требованиям данного технологического процесса. Одной из задач исследований является определение оптимального соотношения расходов уголь : воздух в камеру ТХП. Важно определить приемлемость для практики энергозатрат на воспламенение, массогабаритные показатели плазмотрона, технологичность процесса, так как от этого зави-сила целесообразность дальнейших исследований. Все эти вопросы, а также особенности работы плазменно-угольных горелок требовали экспериментальной проверки. Первые опыты плазменного воспламенения углей в нашей стране были осуществлены на лабораторном стенде КазНИИЭ с участием автора [92].
В процессе испытаний на стенде использовались отечественные энергетические угли: канско-ачинские (К-У), экибастузские (Э) и борлинские (Б), характеристики которых приведены в таблице 2.1. Борлинские Б1 и Б2 заметно различаются по зольности. Оснащение факельного стенда предусматривало измерение всех материальных и тепловых потоков, необходимых для сведения материального и теплового баланса процесса сжигания угля. Схема стенда представлена на рис. 2.2. Тепловой режим топки и процесса горения контролировались с помощью термопар, установленных в стенке топки и камеры ТХП, а также с помощью подвижных водоохлаждаемых зондов. Система пылеприготов-ления обеспечивала промышленную тонину помола угля. Максимальный расход пыли через горелку в экспериментах был 500 кг/ч. Горелочное устройство представляло собой модель двухулиточной вихревой горелки котла П-57. В качестве генератора плазмы использовался плазмотрон с торцевым термохимическим катодом и медным анодом со ступенчато расширяющимся каналом (разработка автора настоящей работы [92 - 94]) или открытая дуга, горящая между двумя стержневыми графитовыми электродами. В отличие от традиционных схем, охлаждение деталей в этом плазмотроне осуществлялось потоком сжатого воздуха через развитые поверхности обойм анода и катода. Из плазмотрона этот подогретый воздух поступал в зону горения (что повышало КПД процесса) и был эквивалентен вторичному воздуху в промышленной горелке. Отсутствие водяного охлаждения делало плазмотрон более удобным при проведении экспериментов. Его мощность 25 кВт, ток дуги до 150 А. Схема прямого воспламенения пылеугольной аэросмеси плазмой [65 -69] (непосредственно в топке у выхода из горелки) привлекательна своей простотой. Поэтому, на первом этапе наших работ была испытана именно эта схема. Плазмотрон размещался вблизи устья вихревой горелки так, что плазма пересекала конус распыла аэросмеси.
Глубина ввода плазмотрона в топку варьировалась. Расход угля задавали в пределах 300 - 500 кг/ч. Его концентрация в аэросмеси была при этом ц. = 1,2 - 2,1 кг/кг. В испытаниях моделировался режим растопки котла из холодного состояния -температура стенки топочной камеры Tw = 310 К, и из горячего состояния при различной повышенной температуре стенки вплоть до Tw =730 К. Высокореакционный К-А уголь воспламенялся в холодной топке при мощности плазменного запальника 16-22 кВт. Удельные энергозатраты на плазменное воспламенение угля, определяемые как отношение мощности плазмотрона к расходу угля, составили Q = 0,04 - 0,055 кВт ч/кг. В опытах с борлинским Б1 углем в качестве запальника использовалась открытая электрическая дуга. При концентрации угля в аэросмеси jx = 2,1 кг/кг удельные энергозатраты на воспламенение составили Q = 0,032- 0,04 кВт ч/кг. Обеспечить устойчивое воспламенение экибастузского угля и высокозольного борлинского Б2 при мощности запальника равной 48 кВт в условиях прямого воспламенения в топке оказалось невозможным. Испытания в режиме подсветки проводились по следующей схеме. В предварительных экспериментах топку нагревали и определяли температуру ее стенки Tw, при которой происходило самовоспламенение поступающей в топочную камеру аэросмеси. Затем температуру стенки снижали и находили минимальное ее значение, при котором наблюдалось воспламенение аэросмеси струей плазмы заданной мощности. Расход угля изменяли в пределах 300 - 400 кг/ч, его концентрацию в аэросмеси ц. = 1,2 - 1,6 кг/кг. При Tw = 500 - 650 К воспламенение К-У было реализовано при подводимой к плазмотрону мощности 9-12 кВт, а угля Б1 - 20 -25 кВт. Удельные энергозатраты составили в первом случае Q = 0,023 - 0,03 кВт ч/кг, во втором - Q = 0,066 - 0,074 кВт ч/кг.
После образования независимого государства Казахстан в России не стало стенда плазменного воспламенения угля. С учетом перспективности плазменных технологий топливоиспользования и острой потребности в испытательных установках такого рода в 1991 г. в Российской Федерации подобный стенд был создан на Гусиноозерской (ГО) ГРЭС [103]. В отличие от стенда КазНИИЭ, в этом стенде камера горения размещалась горизонтально, и поток из нее направлялся в серийно выпускаемый котел «Мега-морв - 120», который служил утилизатором тепла. Изнутри камера горения ошипована и футерована карборундовой обмазкой. По длине камеры имеются отверстия для ввода термопар и окна для визуального наблюдения. На входе камеры горения устанавливается камера термохимической подготовки с плазмотроном. Угольная пыль поступает из бункера, а ее расход регулируется дозатором. Имеется оборудование, обеспечивающее функционирование плазмотрона, управление и контроль его рабочих параметров. Стенд обеспечивает расход угольной пыли через горелку и котел в
Методика теплотехнических расчетов режимных параметров процесса плазменной ТХП угля и геометрических параметров плазменно угольных горелок
Надежность реализации процесса плазменной ТХП и характеристики его режима зависят от целого ряда факторов, в число которых входят: качество исходного угля, мощность плазмотрона, расход аэросмеси, тонина по мола угля, концентрация угля в аэросмеси, ее скорость в зоне смешения с плазмой, и т.д. Требуемый режим, например температура газа и твердой фазы в определенной области плазменно-угольной горелки (последняя представляет собой камеру ТХП, дополненную каналом вторичного воздуха), может быть достигнут множеством сочетаний варьируемых параметров. При определении степени влияния какого-либо параметра, например -скорости аэросмеси, на изменение другого, например - длины пути реагирования, на которой достигается тепловое или химическое равновесие компонентов топливной смеси, важным является выбор контролируемого параметра, например - концентрации кислорода в топливной смеси, который наиболее однозначно будет характеризовать состояние рассматриваемой системы. Иными словами, погрешность в определении длины пути реагирования, на которой достигается тепловое равновесие компонентов топливной смеси (завершается переходной процесс), будет ниже в том случае, когда в качестве контрольного параметра, характеризующего состояние топливной смеси, принята концентрация окислителя в ней, в сравнении с вариантом, например, когда это состояние определяется по разности температур газовой и твердой фаз продуктов реагирования в камере ТХП. Объясняется это тем, что изменение концентрации окислителя по длине камеры ТХП имеет больший градиент в сравнении с таковым разности температур газовой и твердой фаз топливной смеси.
Условия воспламенения аэросмеси плазменной струей дополнительно зависят от схемы плазменно-угольной горелки (схемы камеры ТХП) и ее конструктивных параметров, особенностей течения аэросмеси в зоне взаимодействия с плазмой, места установки плазмотрона и т.д. Например, вследствие часто встречающегося в действительности изгиба пылепровода вблизи входа в камеру ТХП концентрация угля в аэросмеси в зоне взаимодействия с плазмой будет неравномерной по его сечению. Требуемая для воспламенения мощность плазмотрона будет существенно зависеть от его расположения относительно центра кривизны пылепровода. Используемая в программе «Плазма - уголь - 3» математическая модель не учитывает всего этого разнообразия параметров и поэтому не может претендовать на определение абсолютного значения требуемой для воспламенения аэросмеси тепловой мощности плазменного источника. Тем более недоступной в аналогичной задаче для данной математической модели является величина мощности электродуговой плазменной струи, в которой, помимо тепловой энергии, определенную роль могут играть электрофизические процессы, как это было показано в главе 1. С целью обойти эти трудности авторами [102, 116] предложен ступенчатый метод теплотехнического расчета ТХП. Суть этого метода заключается в следующем. Задается тепловая мощность плазменного источника (струи), которая подводится в первую условно выделенную ступень. (В данном случае ступень, это шаг расчета процессов в камере ТХП с постоянными по ее длине на этом шаге геометрическими параметрами. В отличие от этого в данной работе рассматриваются двух- и трех ступенчатая камеры ТХП, в которых с переходом в следующую ступень геометрические праметры изменяются). В плазменную струю вводится смесь угля с воздухом с расходом, для нагрева и воспламенения которого достаточно заданной мощности источника тепла.
При этом остальная аэросмесь не отделена от первой части стенкой, но не взаимодействует с ней. На выходе первой ступени получают поток с тепловой мощностью, возросшей в результате частичного горения угля. Этот высокотемпературный поток смешивается в начале второй условно выделенной ступени с холодной аэросмесью, расход которой подбирается из условия обеспечения нагрева и воспламенения теплом потока первой ступени. Количество ступеней, следующих за первой, зависит от заданной мощности плазмотрона и результирующего расхода аэросмеси через камеру ТХП. На рис. 3.12. приведены результаты теплотехнического расчета, выполненного с использованием методики ступенчатого расчета. Видно, что на длине камеры ТХП (муфеля) х = 0,3 м все функции терпят разрыв и изменяются ступенчато: начинается вторая часть расчета, в которой рассматриваются результаты смешения топливной смеси в конце первого этапа расчета с холодной аэросмесью. Поскольку в действительности процесс непрерывный и плавный (без ступенчатого изменения функций), то информативного результата можно ожидать только в конце последней ступени - на выходе из камеры ТХП.
В тоже время, при безступенчатом расчете модель с достаточной точностью описывает широкий спектр тепловых, газодинамических и химических процессов, дает большой объем информации, нередко недоступной для получения иными способами и демонстрирует удовлетворительное согласие с экспериментом [116]. Поэтому в целом ряде случаев целесообразно отойти от использования ступенчатого метода расчета и в анализе результатов оперировать не абсолютными значениями требуемой для воспламенения удельной мощности (или мощности плазмотрона), а относительной, безразмерной ее величиной. При этом в качестве масштаба мощности плазмотрона может быть принято ее значение для некоторых характерных для рассматриваемой задачи условий. Сказанное выше о выборе критерия для сравнения степени завершенности переходного процесса в равной мере относится и к задаче определения зависимости удельной мощности от какого либо варьируемого параметра. С учетом изложенного выше становится очевидной предпочтительность безступенчатого (непрерывного) по оси горелки, расчета процесса ТХП: несколько упрощается процедура расчета, повышается наглядность и информативность получаемых результатов. Скорость аэросмеси, концентрация угля в ней и другие ее параметры на входе в камеру ТХП (муфель) могут изменяться в широких пределах. Рассмотрим, как эти изменения будут влиять на удельные энергозатраты на воспламенение. Расчеты выполнены с использованием программы "Плаз-ма-Уголь-3" [175]. При этом использованы характеристики тугнуйского угля [164], однако, полученные зависимости удельных энергозатрат от изменяемых параметров справедливы и для других сортов углей. Объясняется это тем, что как показывают расчеты, в том числе других авторов [102], характер зависимости выхода горючих компонентов от температуры аэросмеси, а в определенных температурных интервалах - и их количество, для разных углей отличается мало. Для многих углей близки и теплоты сгорания выделившихся из них горючих газов. Именно эти характеристики оказывают определяющее влияние на рассматриваемые процессы.
В качестве критерия для сопоставления различных вариантов расчета был принят момент достижения аэросмесью, проходящей термохимподго-товку, равновесного состояния, когда химические превращения в основном завершены и содержание кислорода в топливной смеси не более 1%. Ниже по потоку наиболее заметными остаются процессы теплоотдачи к стенке муфеля и завершения выравнивания температур газа и твёрдых частиц. Мощность плазмотрона выбиралась такой, что термохимическая подготовка угля завершалась на одной и той же длине камеры ТХП для разных
Плазменно-угольная стабилизация выхода жидкого шлака
На тепловых электростанциях в нашей стране эксплуатируется большое количество (около 60) котлов с жидким шлакоудалением. Известно, что нередко возникают проблемы в поддержании устойчивого выхода шлака из топки котла: выход шлака прерывается, топка зашлаковывается. Необходим останов котла и расшлаковка топки, которую выполняют ручным способом. Такая ситуация может возникнуть по ряду причин и прежде всего из-за использования угля с характеристиками, отличающимися от проектных (угли иного месторождения или изменились характеристики угля в процессе эксплуатации данного месторождения), снижения нагрузки котла и т.п. На ГО ГРЭС в проектном варианте было четыре котла БКЗ-640 с жидким шлакоудалением. Из статотчетных документов следует, что работа котла значительно осложняется при ухудшении даже одного из показателей качества угля: теплоты сгорания, зольности, плавкостных характеристик золы. Из-за ухудшенного качества углей в отдельные годы количество зашлаковок котлов превышало 100, а общее время простоя по этой причине достигало 2000 часов. К числу иных недостатков можно отнести более высокий уровень эмиссии оксидов азота.
Однако, реконструкция котла с переводом на сухое шлакоудаление требует значительных материальных ресурсов и не гарантирует сохранение иных его характеристик. Так, подобная реконструкция котла № 2 ГО ГРЭС завершилась снижением его паропроизводительности на 25 %. Для повышения температуры шлаковой пленки над подом топки сжигают мазут. В тоже время, котлы с жидким шлакоудалением обладают рядом достоинств по сравнению с котлами с твердым шлакоудалением. У них высокая устойчивость горения факела и, как следствие, снижение потребности в его подсветке, высокий КПД, пониженный мехнедожог. В них может сжигаться более широкая гамма углей. Поэтому актуальной являет ся задача снижения потребления на ТЭС мазута для поддержания устойчивого выхода жидкого шлака, решение которой осуществимо посредством плазменной ТХП [225]. На ГО ГРЭС проведены испытания плазменно-угольной стабилизации выхода жидкого шлака [178]. Испытания осуществляли на котле БКЗ-640-140 (ст. № 4). Котел работал преимущественно на ирша-бородинском и холбольджинском углях. Топка котла с двумя восьмигранными полутопками. Система пылеприготовления - с промбункером. В горелки подается пыль высокой концентрации. В каждой полутопке имеется по одной подовой горелке, которые установлены на их боковых стенках на 0,3 м выше уровня пода котла и на 1 м ниже осей основных горелок - рис. 5.13. При создании системы плазменно-угольной стабилизации выхода жидкого шлака взамен мазутной форсунки левой полутопки была встроена камера ТХП, и на ее входе установлен плазмотрон ЭДП-212, рис. 5.13. Перед камерой размещался смеситель, в котором пыль высокой концентра ции разбавляли воздухом до ц. = 0,4 - 1 кг/кг. Полученная в результате термохимической подготовки топливная смесь вытекает в топку вблизи пода, где продолжается ее горение при смешении с вторичным воздухом подовой горелки. Высокотемпературное ядро факела смещается в нижнюю часть полутопки, в результате чего возрастает плотность теплового потока к шлаковой пленке.
В процессе испытаний использовалась смесь названных выше углей с характеристиками: Ар = 13,8 %, Vdaf = 43,5 %, Wp = 19,3 %» QHP = 21 МДж/кг. Фракционный состав пыли по данным ситового анализа: R.90 = 80 %, R.2oo = 50 % и R5oo= 4,8 %. Основные компоненты минеральной части угля, %: Si02 - 48,5, А1203 - 18,2, Fe203 - 1,2, СаО - 14,3, MgO - 2,9. Температура первичного воздуха 338 К, вторичного - 628 К. В течение испытаний нагрузку котла поддерживали на уровне 450 т/ч пара, что составляет 70 % от номинальной. В работе находилось три из четырех систем пылеприготовления. Перед началом испытаний для обеспечения устойчивого выхода жидкого шлака при указанном выше режиме работы котла было задействовано четыре основных мазутных форсунки - по две на каждую полутопку. Производительность форсунки -1,8 т/ч мазута. Через 5-7 мин после отключения мазутных форсунок левой полутопки выход шлака в ней заметно ухудшился, а через 25-30 мин шлак начал зависать и его выход практически прекратился. В правой полутопке, где в работе остались две мазутные форсунки,-режим стекания шлака не изменился. Спустя 1 ч 5 мин после прекращения подачи мазута в левую полутопку, был включен плазмотрон и подана пылевоздушная смесь в подовую горелку. Электрическая мощность плазмотрона 70 кВт, расход угля в камеру ТХП 3,7 т/ч. Через 5 - 7 мин началось постепенное размягчение и сползание шлака с краев летки, а через 15 мин восстановился нормальный режим выхода жидкого шлака (Приложение 1, св. 395 - 400). После 40 мин работы плазмотрон был отключен, а пылевоздушная смесь продолжала поступать в подовую горелку.
Вязкость шлака стала возрастать. Кроме того, в летке визуально просматривалась сепарация угольной пыли, что свидетельствовало о мехнедожоге. Через 20 мин после отключения плазмотрон был включен снова. Сепарация пыли прекратилась, выход жидкого шлака стал увеличиваться. В процессе испытаний отбирали пробы для анализа содержания горючих в шлаке. Унос горючих в шлаке в левой полутопке при различных режимах следующий: при работающих мазутных форсунках и отключенной подовой плазменно-угольной горелке Сшл= 0; при подаче пыли в камеру ТХП и включенном плазмотроне Сшл= 0; при подаче пыли в камеру ТХП подовой горели и выключенном плазмотроне Сщл= 3,8 %. Были также проведены замеры оптическим пирометром температуры факела в левой полутопке в пяти точках: через смотровые лючки четырех основных горелок и через летку. Данные семи замеров в режиме при отключенном плазмотроне и без подачи пыли в камеру ТХП (режим 1), также семи замеров при работающем плазмотроне и подаче пыли в камеру ТХП (режим 2) и трех замеров при подаче аэросмеси в подовую горелку и выключенном плазмотроне (режим 3) были усреднены по замерам и точкам измерения. Температура в режиме 2 оказалась выше на 50 С, чем в режиме 1, а в режиме 3 на 15 С выше, чем в режиме 1. Измерить температуру шлаковой пленки не представлялось возможным из-за отсутствия соответствующих лючков. Учитывая, что факел подовой горелки располагался ближе к шлаковой пленке, чем к плоскости измерений температуры общего факела в полутопке, прирост ее температуры в результате включения в работу камеры ТХП и плазмотрона должен быть выше измеренного для факела. Таким образом, испытания подтвердили возможность применения плазменно-угольной ТХП в процессе стабилизации выхода жидкого шлака. При отключенном плазмотроне подача угольной пыли в подовую горелку малоэффективна с точки зрения стабилизации выхода жидкого шлака.
