Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса об использовании угля в энергетике и его переработке 13
1.1. Использование угля в энергетике 13
1.1.1. Слоевое сжигание 15
1.1.2. Факельно-слоевое сжигание 15
1.1.3. Факельное сжигание в пылеугольных котлах 16
1.1.4. Сжигание в кипящем слое 17
1.1.5. Сжигание в ЦКС 18
1.2. Общая характеристика процесса газификации 19
1.2.1. Кинетика процесса 26
1.2.2. Основные свойства твердых горючих ископаемых, влияющие на их газификацию 27
1.2.2.1. Спекаемость топлива 27
1.2..2.2. Шлакообразующая способность топлива 28
1.2.2.3. Гранулометрический состав топлива 29
1.2.2.4. Реакционная способность топлива 30
1.3. Методы газификации 31
1.3.1. Метод «Lurgi» 31
1.3.2. Метод «Winkler» 32
1.3.3. Метод «Koppersotzek» 33
1.3.4. Газификация с применением промежуточных теплоносителей
1.3.4.1. Газификация с внутренним обогревом при помощи циркулирующего газообразного теплоносителя 34
1.3.4.2. Плазменная газификация 35
1.3.4.3. Газификация с применением жидких теплоносителей
1.3.5. Метод «Bi-Gas» 37
1.3.6. Метод «Byntnane» \
1.3.7. Метод «Hygas» 38
1.3.8. Подземная газификация 39
1.4. Актуальность, преимущества и место плазменно-энергетических технологий в энергетике 40
1.4.1. Сущность плазменно-энергетических технологий и характеристики твердых топлив, используемых при их осуществлении 42
1.4.2. Применение плазменно-энергетических технологий на отопительных котельных Байкальского региона 47
1.5. Постановка задач исследований 51
ГЛАВА 2. Расчетно-теоретические исследования процесса плазменно-термическои подготовки углей 54
2.1. Расчет процесса плазменно-термическои подготовки угля с применением программы «ТЕРРА» 54
2.1.1. Определение исходного химического состава термодинамической системы 55
2.1.2. Определение удельных энергозатрат необходимых для воздушной плазменно-термическои подготовки Тугнуйского угля
2.1.2.1. Воздушная плазменно-термическая подготовка угля 61
2.1.2.2. Паровая плазменно-термическои подготовки угля
2.1.3. Расчетное определение оптимальных режимов плазменно-термическои подготовки Тугнуйского угля 70
2.1.4. Расчет процесса плазменно-термическои подготовки Баганурского угля с применением программы «ТЕРРА» 75
2.2. Математическое моделирование процесса движения, нагрева и кинетики термохимических превращений угольных частиц с помощью программы «Плазмауголь-3» 80
Выводы: 89
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процессов плазменно-термическои подготовки углей t ,
/ 3.1. Объект и методы исследования 90
3.2. Плазменно-термическая подготовка угля к сжиганию и установка для ее осуществления 3.2.1. Экспериментальная установка для проведения исследований 93
3.2.2. Измерения основных параметров системы плазменно-термической подготовки углей к сжиганию
3.2.2.1. Измерение расхода угля 98
3.2.2.2. Измерение давления и расхода пара и/или воздуха 99
3.2.2.3. Измерение расхода и давления охлаждающей воды 99
3.2.2.4. Измерение температуры 99
3.3. Методы физико-химического анализа подготавливаемых углей 102
3.3.1. Ситовый анализ 102
3.3.2. Определение содержания влаги в углях 103
3.3.3. Определение зольности углей 104
3.3.4. Определение выхода летучих веществ 105
3.3.5. Исследовании пористой структуры исходных углей 106
3.4. Комплексные исследования по получению синтез-газа 109
3.4.1. Исследование влияния воздуха и перегретого водяного пара на качество получаемого синтез-газа из Тугнуйского угля 109
3.4.2. Исследование влияния воздуха и перегретого водяного пара на качество получаемого синтез-газа из Баганурского угля 123
3.4.3. Исследование влияния воздуха и перегретого водяного пара на качество получаемого синтез-газа из Урейского угля 126
3.4.4. Исследование влияния на конечный продукт мощности электрической дуги в плазменном реакторе 129
3.5. Исследования структуры термически подготовленных углей 131
Выводы 137
Глава 4. Эколого-экономическая эффективность применения плазменных технологий 143
4.1. Особенности воздействия энергетики на окружающую природную среду 143
4.2. Основные факторы воздействия энергетики на территории Республики Бурятия 147
4.3. Варианты использования системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию 154
4.4. Расчет экономической целесообразности сжигания синтез-газа на отопительных котельных 160
Выводы 169
Основные выводы и результаты работы: 170
Список использованных источников
- Основные свойства твердых горючих ископаемых, влияющие на их газификацию
- Определение исходного химического состава термодинамической системы
- Методы физико-химического анализа подготавливаемых углей
- Основные факторы воздействия энергетики на территории Республики Бурятия
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Особое место в энергетике занимают отопительные котлы малой и средней мощности, работающие в основном на твердом органическом топливе – угле, использующие слоевое или факельно-слоевое сжигание. При этом необходимо отметить, что в силу ряда причин (технических, технологических) коэффициент полезного действия (КПД) данных котлов находится в среднем на уровне 60% при заявленном значении не менее 80%.
Качество добываемого угля с каждым годом становится все хуже, в перспективе основным топливом будут низкосортные забалластированные золой и влагой угли открытой добычи с теплотой сгорания 1900-3800 ккал/кг. Принимая во внимание огромные масштабы потребления таких углей в энергетике, нельзя ожидать их обогащения, учитывая довольно высокую стоимость обогащения угля. Более того, в результате обогащения можно снизить лишь зольность и влажность углей, тогда как увеличить выход летучих в низкореакционных топливах путем обогащения в принципе невозможно. Это означает, что нельзя повысить и реакционную способность таких углей. При низком содержании летучих веществ угольные частицы обладают малой пористостью, что препятствует диффузии кислорода внутрь частиц и приводит к значительным затруднениям при организации их воспламенения и сжигания. Из-за низкого выхода летучих происходит запаздывание воспламенения угля, что требует увеличения объема топочной камеры для завершения процесса горения и проведения самого сжигания при пониженных тепловых нагрузках топочного объема. Последние факторы являются причиной значительного мехнедожога. Все эти факторы значительно снижают эффективность использования топлива и экономичность котлоагрегата.
Существует множество технологий и способов стабилизации горения угля в пылеугольных котлах (подсветка пылеугольного факела, безмазутная растопка котлоагрегата и др.) и не так много создано технологий по повышению качества использования углей в котлах со слоевым сжиганием топлива. Еще одной проблемой являются вопросы повышения экологической эффективности котельного оборудования. При этом сложная экономическая ситуация и отсутствие свободных финансовых ресурсов у генерирующих компаний вызывает необходимость изыскивать малозатратные методы модернизации и повышения эффективности работы теплогенерирующего оборудования.
Изложенное выше определяет актуальность проведения исследований и разработки плазменных технологий подготовки углей к сжиганию в котлах оборудованных топками для слоевого сжигания топлива, которые позволят улучшить технико-экономические и экологические характеристики отопительных котельных. Эта проблема особенно актуальна для регионов с высокими экологическими требованиями, к которым относится, например, зона озера Байкал – Памятника Мирового Наследия.
Цель работы: исследование процессов плазменно-термической обработки углей на модульной двухступенчатой опытно-промышленной установке для получения высокореакционного топлива с последующим его использованием в отопительных котлах.
Для достижения намеченной цели в работе были поставлены следующие задачи:
произвести анализ состояния отопительных котлов, расположенных на территории города Улан-Удэ и Республики Бурятии, с выбором наиболее распространенных типов котлов для последующей привязки к ним системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию, а также исследовать возможности применения плазменно-энергетических технологий для повышения реакционной способности углей и экологических показателей отопительных котлов, расположенных на территории Республики Бурятия, Читинской области и Монгольской народной республики;
произвести расчеты процессов плазменно-термической подготовки углей в модульной двухступенчатой плазменной установке;
выбрать на основании расчетов оптимальные геометрические размеры установки;
исследовать процессы плазменно-термической подготовки Тугнуйского (Республика Бурятия), Баганурского (Монголия) и Урейского (Читинская обл.) углей, протекающие при работе модульной плазменной двухступенчатой установки в одноступенчатом и двухступенчатом режимах;
установить влияние соотношения угля, воздуха и водяного пара на состав получаемого синтез-газа при исследовании процессов плазменно-термической подготовки углей в модульной плазменной двухступенчатой установке и определить оптимальные соотношения вводимых реагентов;
изучить изменение структуры углей после плазменно-термической обработки, и установить как эти изменения влияют на процесс сжигания углей в топке котла.
разработать технологию и систему плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию на базе модульной плазменной двухступенчатой установки для отопительных котлов малой и средней мощности с технико-экономическим обоснованием ее применения.
Научная новизна:
на основе исследований теплофизических процессов плазменно-термической подготовки Тугнуйского, Баганурского и Урейского углей к сжиганию, протекающих в двухступенчатом плазменном реакторе совмещенного типа получены критериальные соотношения реагентов, позволяющих наиболее эффективно производить плазменно-термическую подготовку углей;
получены новые данные по изменению пористой структуры углей после плазменно-термической обработки, и выявлено что наиболее развитую пористую структуру имеют угли Тугнуйского месторождения, Урейские угли имеют менее развитую пористую структуру, угли Баганурского месторождения имеют слабо развитую пористую структуру;
разработаны научно-технические основы для применения технологии и системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию для повышения технико-экономических и экологических показателей отопительных котлов малой и средней производительности с топками для слоевого и факельно-слоевого сжигания топлива, на основе модульной плазменной двухступенчатой установки.
Практическая ценность работы:
-
Модульная плазменная двухступенчатая установка, используемая в качестве дополнительной приставки к котлу, и технология плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию позволят производить процесс плазменно-термической подготовки низкосортных углей и расширить диапазон сжигаемых в котлах малой и средней мощности углей.
-
Использование системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию позволит: сократить потребление угля за счет снижения мехнедожега топлива, снизить выбросы вредных веществ, повысить КПД котлоагрегата, использовать на одном и том же котле угли с большим диапазоном влажности и выходом летучих.
-
Модульный принцип компоновки системы плазменно-термической подготовки твердого топлива к сжиганию дает возможность, в случае необходимости, увеличить производительность установки при низкой металлоемкости и энергозатратах.
-
Полученные результаты (таблицы и графики) могут быть использованы в качестве справочного материала при исследованиях, расчете и проектировании установок для плазменно-термической подготовки углей к сжиганию, а также в качестве учебного материала для соответствующих специальностей ВУЗов.
Выносимые на защиту положения:
результаты экспериментальных исследований процессов плазменно-термической подготовки углей к сжиганию в модульной двухступенчатой установке при работе установки в одно- и двухступенчатом режимах;
технология плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию в котлах малой мощности и установка для ее осуществления позволяющая повысить КПД котла;
оптимальные соотношения вводимых реагентов при плазменно-термической подготовке, полученные расчетно-теоретическими и экспериментальными исследованиями и способствующие увеличению пористости угля: для Тугнуйского и Урейского углей соотношение уголь:воздух:пар – 10:4:1, для Баганурского – 15:6:2;
модульный принцип построения модульной плазменной двухступенчатой установки, позволяющий увеличивать производительность установоки в зависимости от мощности котлов при низких материальных и энергетических затратах.
Достоверность полученных результатов определяется с помощью методов диагностики, обеспечивающих возможность получения результатов измерений с погрешностью не более 10%; статистической обработкой результатов экспериментальных измерений, которая осуществлялась в относительных единицах для повышения достоверности полученных данных; сравнением расчетных и опытных данных. Расчеты состава плазменно-подготовленного угля и получаемого синтез-газа проводились с использованием современной широко апробированной компьютерной программы «ТЕРРА». Геометрические размеры и параметры установки плазменной подготовки твердых топлив к сжиганию, а также кинетика воздушно-угольного потока в установке были определены с помощью компьютерной программы «Плазмауголь-3». Все выполненные в рамках диссертационной работы расчеты и теоретические обоснования подтверждаются экспериментальными исследованиями.
Личный вклад автора заключается в участии при разработке конструкции и создании двухступенчатой установки плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию, непосредственном проведении экспериментов, расчетов и обработке результатов, формулировке выводов по работе.
Апробация работы. Основные методологические положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 15-й Международной научно-практической конференции «Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация отходов» (Щелкино, АР Крым – 4-8 июня 2007 г.); 10-й Международной конференции «Газоразрядная плазма и технологии ее применения» (Томск – 17-20 сентября 2007 г.); Межрегиональной выставке научных достижений (Улан-Удэ – 2006 г.); Выставке «Стройиндустрия. ЖКХ. Энергосбережение» (Улан-Удэ – 10-13 апреля 2007 г.); Всероссийской научно-практической конференции, семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск – 2008); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Челябинск – 5-7 мая 2008 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию Республики Бурятия «Приоритеты Байкальского региона в азиатской геополитике России» (Улан-Удэ – 2008 г.); 1-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, практика применения» (Улан-Удэ – 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии. Физика конденсированного состояния. Физика и техника низкотемпературной плазмы» (Улан-Удэ – 4-7 сентября 2008 г.); Четвертой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов (Москва – 2008 г.), Ежегодной научно-практической конференции молодых ученых и преподавателей ВСГТУ (Улан-Удэ, 2006-2009 гг.); Ежегодной научной конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов БГУ (Улан-Удэ, 2006-2009 гг.).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 2 статьи в реферируемых изданиях. 1 положительное решение на выдачу патента РФ, список основных из них приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 185 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, а также содержит 30 таблиц, 46 рисунков и библиографию из 138 наименований.
Исследования производились в рамках комплексной программы по созданию плазменных технологий переработки угля с целью получения синтез-газа, активированного угля и синтетического жидкого топлива и включены в инновационные программу «Разработки и проекты Республики Бурятия на 2006, 2007, 2008 гг. Плазменно-термическая подготовка угля для сжигания в котлах системы ЖКХ».
Основные свойства твердых горючих ископаемых, влияющие на их газификацию
Необходимость форсирования топочных устройств привела в 50-х годах XX века к развитию факельного сжигания угольной пыли в камерных топках, что позволило поднять паропроизводительность котлов до 1000 т/ч уже к 1960 г. [8, 57, 62]. Второй причиной перехода от слоевого к факельному сжиганию явилось снижение качества энергетических углей в мире, что потребовало интенсификации процессов воспламенения, и выгорания за счет резкого увеличения поверхности реагирования угольной пыли (при времени ее пребывания в топке от 1 до 3 сек).
Преимущества факельного сжигания следующие: - возможность сжигания с достаточно высоким КПД любого топлива, включая антрациты, за счет тонкого помола частиц (средний размер 50-100 мкм); - достижение высокой единичной мощности котлоагрегата (до 3000 т пара в час); - возможность регулирования нагрузки в широких пределах; - возможность полной автоматизации процесса сжигания; - отсутствие подвижных деталей в топке, что повышает ее эксплуатационную надежность; - снижение мехнедожога топлива до 0,5-1,5 %; К недостаткам можно отнести: - дополнительные затраты на пылеприготовление; — более низкую объемную теплонапряженность топочного объема: qv = B-Q„P/QT = 170-200 кВт/м3 [76, 89]. Однако, в циклонных топках при сжигании угольной пыли объемные теплонапряжения весьма высоки и достигают 1750 кВт/м3 - для вертикальных и 4650 кВт/м - для горизонтальных циклонов [57]. Отметим, что при сжигании мазута допустимое тепловое напряжение топочного объема составляет 230-250 кВт/м3, а природного газа- 300-350 кВт/м3 [76]. 1.1.4. Сжигание в кипящем слое.
Топки с кипящим слоем занимают промежуточное положение между топками слоевого сжигания и факельными топками. В конце 60-х годов XX века начинается бурное развитие топок с кипящим слоем, обусловленное снижением качества энергетических углей и повышением экологических требований [8, 62].
Сущность сжигания в кипящем слое хорошо известна: при повышении скорости воздуха, продуваемого через слой, наступает момент, когда аэродинамические силы, действующие на каждую топливную частицу, становятся равными силам трения частиц топлива друг о друга. Дальнейшее увеличение расхода воздуха приводит к псевдосжижению частиц топлива, при котором высота и порозность слоя увеличиваются. С дальнейшим повышением скорости, аэродинамическая сила становится равной силе тяжести частиц топлива и начинается их интенсивный вынос из слоя. В этом режиме создаются условия для реализации циркулирующего кипящего слоя (ЦКС).
Время пребывания в кипящем слое дробленки с размерами 1-6 мм достигает 60. сек, а допустимое теплонапряжение топочного объема достигает 250 кВт/м3 [8, 57, 62]. При этом мехнедожог топлива составляет 3-6%. Кипящий слой состоит из топлива, золы и присадки, чаще всего известняка. Растопка котла осуществляется нагревом слоя горячим воздухом или сжиганием мазута, либо газа. Расход электроэнергии на поддержание кипящего слоя около 1,5 % (14 кВт/МВт).
К недостаткам эксплуатации таких крупных котлов с кипящим слоем относится трудность в регулировании нагрузки, так как повышенный коэффициент теплоотдачи обеспечивается в них погружением в слой поверхностей теплообмена. Разработанные способы понижения нагрузки путем снижения температуры слоя, его высоты или последовательное отключение секций (в секционированных котлах с кипящим слоем) сложны для постоянной эксплуатации. Поэтому, как правило, их энергетическая мощность не превышает 25 МВт, что делает их использование в «большой энергетике» проблематичным [57].
В 1990-х годах за рубежом начали отдавать предпочтение котлам с ЦКС. Эти котлы отличаются более высокой степенью выгорания топлива: 99 % вместо 90-95 % у котлов со стационарным кипящим слоем [57]. Они могут работать с меньшим коэффициентом избытка воздуха (1,1-1,15 вместо 1,2-1,25 у котлов со стационарным кипящим слоем), что обеспечивает ступенчатое сжигание, необходимое для снижения выбросов NOx. Топки с ЦКС позволяют связывать более 90 % серы при мольном отношении Ca/S = 2, тогда как топки со стационарным слоем требуют больше известняка (Ca/S = 3) для связывания 80-90 % серы. Электрическая мощность котлов с ЦКС достигает 200 МВт. Расход электроэнергии на собственные нужды составляет 26 кВт/МВт (2,6 %). Высокая скорость окисляющей среды (6-8 м/с) вместо 2-3 м/с в котлах со стационарным кипящим слоем обеспечивают вынос топливных частиц размером менее 6 мм из слоя. В циклоне они отделяются от газа и возвращаются в слой. Кратность циркуляции для полного выгорания топлива может достигать 50, что требует высокотемпературных износостойких покрытий поверхностей, контактирующих с горячими и твердыми частицами. Время пребывания частиц топлива в ИКС достигает 100 сек при мехнедожоге топлива 1-1,5 % и объемном теплонапряжении топки около 290 кВт/м3.
Определение исходного химического состава термодинамической системы
Таким образом, расчет удельных энергозатрат, необходимой для термохимической подготовки угля и получения двухкомпонентного топлива, сводится к следующей последовательности: Mdaf Gyr G0K ТСр - Qyfl 2.8 Необходимо отметить, что в последовательности (2.8) наибольшее затруднение вызывает определение удельных энергозатрат на процесс, поскольку для этого требуется знание стандартной теплоты образования углей. Состав углей сильно изменяется в зависимости не только от месторождения, но и в пределах самого месторождения. Теплота образования угля варьируется вместе с изменением содержания химических элементов и структуры твердых топлив. Поэтому значения стандартной теплоты образования для них в справочных изданиях не приводятся.
В этой связи определения удельных энергозатрат при высокотемпературной обработке твердых топлив применяется метод, учитывающий термохимические и фазовые превращения не только ОМУ, но и ММУ, что имеет решающее значение при рассмотрении процессов плазменной газификации, плазменно-термической подготовки и комплексной переработки низкосортных углей.
Удельные энергозатраты на процесс термообработки будут состоять из затрат энергии на нагрев угля и окислителя до заданной температуры и осуществление химических превращений, приводящих к установлению термодинамического равновесия в системе. Выражение для Qyfl имеет вид [95]: Qya = Іравн - Іисх, КВТ-Ч/КГ 2.9 где 1исх и 1равн - полная энтальпия, отнесенная к 1 кг рабочего тела (уголь + окислитель), находящегося в исходном и равновесном (после всех превращений) состояниях. Экспериментальное измерение полной энтальпии рабочего тела, как в исходном, так и в равновесном состояниях, невозможно. Поэтому для нахождения 1равн предлагается использовать метод термодинамического анализа, основанный на расчете фазового и химического состава продуктов термического превращения угля и окислителя.
Для конкретных термодинамических систем значение 1равн вычисляют методами химической термодинамики многокомпонентных гетерогенных смесей, в нашем примере это вычисление производится с помощью программы «ТЕРРА».
Энтальпия исходной смеси может быть записана как [94]: I„cx=AH?(T0)HCX + ]cp(T)dT, 2.10 т„ет где АН(Т) - стандартная теплота образования рабочего тела; Т = 298,15 К-стандартная температура; Тисх - исходная температура процесса, при которой реагенты поступают в зону реакции. При Тисх = То, т.е. если реагенты нагревать от 298,15 К выражение (2.10) будет иметь вид 1„сх=ЛН?(298)исх 2.11 При термохимической обработке угля в окислителе формула (2.11) раскрывается следующим образом: ДН?(298)И0Х =ZTrAH?(298)Tr +ZOkAH?(298)0K 2.12 где ZT-Г, ZOK - массовые доли твердого топлива и окислителя в термодинамической системе; АН(298)ТТ и АН(298)0К - стандартные теплоты образования твердого топлива и окислителя.
Если окислитель воздух, то, пренебрегая примесями (Аг, СОг, Нг), можно принять с достаточной для инженерных расчетов точностью, что Д#;(298)цсх = Д#;(298)Я2 + (298) + Д#;(298)с02 + А#;(298),г = 0. Если в качестве окислителя берут водяной пар, то ДН?(298)НСХ =-13422,7 кДж/кг пара [51].
Стандартная теплота образования твердых топлив может быть найдена по закону Гесса, если воспользоваться калориметрическими методами определения теплоты сгорания углей в воздухе [70, 71]: AH?(298)Tr = Q + ІП0, кВт-ч/кг 2.13 где Qg - высшая теплота сгорания угля на сухую массу, измеренная при Т0=298,15 К; 1пс - стандартная энтальпия продуктов сгорания твердых топлив.
Энтальпию продуктов сгорания твердых топлив можно определить, если известен состав «холодных» (Т=298,15 К) продуктов сгорания. Предполагая, что газообразные «холодные» продукты сгорания находятся в термодинамическом равновесии, а твердый остаток представляет собой смесь простых индивидуальных веществ, 1пс также можно рассчитать с помощью программы «ТЕРРА». Тогда из уравнений (2.9), (2.12), (2.13) удельные энергозатраты можно выразить соотношением Qya =1равн -Z„(QCB +Inc)-ZOKAH?(298)OK 2.14 При этом, если Qya 0, то процесс термообработки осуществляется с поглощением тепла (эндотермический), а если Qya 0, то с выделением тепла (экзотермический).
Следовательно, определение удельных энергозатрат или тепловыделения сводится к расчету равновесной энтальпии продуктов термохимической обработки угля в окислителе (при заданной температуре) и стандартной энтальпии продуктов сгорания угля в стехиометрическом количестве воздуха при Т0 = 298,15 К.
Методы физико-химического анализа подготавливаемых углей
В программе «Плазмауголь-3» описано взаимодействие полидисперсных угольных частиц не только непосредственно в зоне теплового источника - дуги, но и рассматриваются процессы дальнейшего реагирования активированного плазмой потока аэросмеси со свежей аэросмесью, не прошедшей через эту зону, или с «холодной» пароугольной смесью, подаваемой ниже электродуговой зоны, что характерно для комбинированных алло-автотермических методов газификации углей. Кроме учета взаимодействия активированного плазмой пылеугольного потока, воспламеняющего остальную часть «холодной» аэросмеси или газифицирующего паро-угольную смесь, в кинетическую схему введена новая реакция прямой газификации углерода кислородом (2С+02=2СО); также модель дополнена 27 реакциями превращения серосодержащих соединений, включая оксиды серы.
Модель процесса описывает двухфазный (угольные частицы + газ-окислитель) химически реагирующий поток, распространяющийся в канале с внутренним источником тепла (электрическая дуга, плазменная струя или протекающие химические реакции) или без него.
Частицы и газ поступают в канал реактора с равными температурами, между частицами, газом и тепловым источником имеет место тепломассообмен, а также учитывается радиационный обмен, обмен теплом и импульсом между потоком и стенкой канала. Кроме того, учитываются следующие химические превращения топлива: выделение летучих продуктов из угольных частиц, превращения летучих в газовой фазе и реакции газификации коксового остатка, а также образование оксидов серы и азота.
Методика ступенчатого расчета предполагает разбиение плазменного устройства на условные ступени. Первая ступень должна включать зону теплового источника (дугу, плазменную струю), в которой плазмой с определенной тепловой мощностью нагревают часть аэросмеси до температуры воспламенения, при которой начинается процесс интенсивного окисления угольных частиц. Количество аэросмеси подбирается таким образом, чтобы мощности теплового источника было достаточно для инициирования этого процесса.
После выполнения расчета 1-й ступени со своими начальными условиями переходят к составлению начальных условий для расчета 2-й ступени, то есть конечные значения параметров на 1-й ступени являются начальными значениями для 2-й ступени вместе с собственными значениями материальных и тепловых потоков для 2-й ступени и т.д. Процедура определения начальной тепловой мощности, состава газовой фазы и твердого топлива для последующих ступеней расчета, начиная со 2-й, такова. Сначала определяют тепловую мощность, которая выделится в результате химических реакций окисления горючих компонентов при смешении газообразных продуктов термохимической подготовки угля, полученных на 1-й ступени, с первичным воздухом свежей аэросмеси 2-й ступени. Зная мощность теплового источника, подбирают такой расход аэросмеси на 2-й ступени, чтобы тепловой мощности данного источника хватило на ее воспламенение, исходя из величины удельных энергозатрат на процесс.
Следующая процедура заключается в определении состава топлива, поскольку он уже будет отличен от состава исходного угля, который частично был газифицирован на 1-й ступени. Таким образом, на ступени 2 увеличится средняя зольность твердого топлива, может возрасти абсолютное содержание углерода и количество других горючих компонентов, входящих в состав угля, если они не успели полностью газифицироваться на 1-й ступени. Необходимо учитывать, что твердая фаза пылеугольного потока расслоена по температуре на две части: Первая — это частицы, прошедшие термоподготовку на ступени 1, а вторая - это угольные частицы с начальной температурой холодной аэросмеси, поступающей на ступень 2 и т.д.
Для нахождения начального на 2-й ступени состава газовой фазы определяем убыль кислорода по реакциям образования Н20 и СОг и количество газообразных продуктов, получаемых после ступени 1. Затем, суммируя все компоненты (02, Н20, С02, СО, Н2, CHj, СбН6, и N2) с начальными для расчета ступени 2 значениями концентраций компонентов газовой фазы, находим фактический начальный состав газовой фазы для расчета 2-й ступени:
Произведем расчет на примере воздушной плазменно-термической подготовки Тугнуйского угля в 2Lx ступенчатой системе плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию.
Система плазменно-термической подготовки твердых топлив» к сжиганию состоит из реактора, второй ступени, муфеля и камеры разделения.
Физическая модель системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию предполагает сочетание плазменной активации горения части подготавливаемого топлива с использованием теплового источника (плазмотрона, плазменного реактора) и последующего воспламенения этой активированной частью угля остальной аэросмеси, предназначенной для компенсации эндотермического эффекта газификации угля. В реактор подается лишь часть топлива, где он подвергается плазменной термохимической подготовке (ступень 1). На ступени 1 осуществляется аллотермический процесс, так как необходимое тепло вносится от другого источника (электродуговой плазмы) извне.
Исходные данные для 1-й ступени: начальная температура аэросмеси 303 К, диаметр муфеля 0,15 метра, расход угля - 50 кг/ч, расход воздуха - 20 кг/ч, расход пара - 5 кг/ч, мощность плазмотрона 20 кВт. На рисунках 2.13, 2.14 представлен состав газовой фазы на ступенях 1 и 2. Из рисунка 2.13 видно, что процесс плазменно-термической подготовки топлива начинается при х 0,09 м, так как в этой области начинается образование С02 и уменьшение концентрации кислорода. Концентрация С02 возрастает до 7,11% (х=0,3 м). Концентрация метана (СН4) не превышает 1,7%.
При х=0,3 м концентрация всех горючих компонентов достигла максимума (44,94%), что свидетельствует о завершении процесса плазменно-термической подготовки Тугнуйского угля на ступени 1. Из чего длина первой ступени принята 0,3 м.
Основные факторы воздействия энергетики на территории Республики Бурятия
Кроме того, вследствие термической подготовки угля из топлива улетучивается естественная влага, и происходит подсушка топлива, которая также участвует в реакции окисления. Это особенно актуально, если топливо хранится на открытых складах, когда топливо впитывает естественно выпадающие осадки, а изменение влажности топлива достаточно ощутимо влияет на КПД котла.
Из анализа графиков и таблиц видно, что на процесс газификации и состав синтез-газа значительное влияние оказывает газифицирующий агент. Так при добавлении водяного пара теплотворная способность полученного синтез-газа в среднем увеличилась на 85,3 ккал/нм , что согласуется с данными других авторов [22, 34, 75, 60, 61].
Химический анализ полученного синтез-газа проводился на стационарном газоанализаторе ГХЛ-1 (см. рис. 3.14). Принцип работы анализатора основан на избирательном поглощении соответствующими растворами С02, 02, СО и фракционном сжигании Н2, СпН2п+2 и CnHm при различных температурах. При этом процентное содержание компонентов определяется путем замера сокращения объема анализируемой пробы газовой смеси при последовательно проводимых операциях поглощения и сжигания.
Методика определения процентного содержания составляющих газовой смеси заключается в следующем: в измерительную бюретку набирается 50 мл исследуемой пробы полученного синтез-газа. Прокачку смеси начинают с сосуда, заполненного раствором едкого калия, в котором поглощается С02. Прокачивание продолжается до получения постоянного объема оставшейся газовой смеси. Разница между первоначальным и полученным объемом анализируемой смеси дает содержание С02. Полученную после удаления С02 газовую смесь прокачивают через сосуд со щелочным раствором пирогаллола до получения постоянного объема. Поглощенный газ принимают за 02. объема. Количество поглощенной аммиачным раствором смеси принимают за СО.
Оставшаяся исследуемая смесь пропускается через стальную трубку, нагретую до 260-270 С. Перекачивание анализируемой пробы из бюретки в стальную трубку производится до получения постоянного объема остаточного газа. Разница в объеме дает содержание в исследуемой- смеси водорода.
Для определения содержания углеводородов остаточный газ пропускается через стальную трубку, нагретую до 850-900 С. При этом газ также перекачивается несколько раз до получения постоянного объема.
Теплотворная способность анализируемого синтез-газа складывается из теплотворных способностей отдельных горючих компонентов (СО Н2, СНд), которые задаются в специальных таблицах. Нужно отметить, что в полученной теплотворной способности не учитывается химическая энергия непредельных углеводородов, которая имеет несколько большее значение чем энергия предельных. Таким образом, полученная теплотворная способность газа является несколько ниже реальной.
Полученный в экспериментах синтез-газ имеет высокое процентное содержание горючих веществ, и его калорийность, в зависимости от соотношения угля и воздуха колеблется в пределах от 2150 до 2450 ккал/нм3 и от 2200 до 2600 ккал/нм3, для первой и второй серии экспериментов соответственно. Таким образом, данные эксперименты позволили определить кривые зависимостей состава синтез-газа и зависимость теплотворной способности от соотношения угля и воздуха, а также наглядно оценить влияние водяного пара на улучшение качества получаемого синтез-газа.
Вторым этапом исследования стало изучение влияния на состав синтез-газа количества водяного пара и воздуха подаваемого в плазменную установку в двухступенчатом режиме.
Для этого вначале экспериментов необходимо было определить оптимальное соотношение уголь + воздух, и последующее использование этого оптимального режима в экспериментах по определению влияния водяного пара на улучшение состава получаемого синтез-газа. Исходя из выше сказанного, были проведены эксперименты по получению синтез-газа без использования водяного пара при номинальной нагрузке плазменной установки. В данной серии экспериментов изменялось количество подаваемого воздуха в пределах от 30 до 120 кг/ч при постоянном расходе угля 150 кг/ч. Полученные данные позволяют судить о влиянии соотношения воздуха и угля на состав синтез-газа (табл. 3.9, рис. 3.15).
