Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Эффективное и экологически приемлемое использование твердых топлив
1.1 Современное состояние проблемы сжигания и переработки энергетических углей и методы повышения эффективности их использования
1.2 Теоретические и экспериментальные методы исследования плазменных процессов воспламенения, термохимической подготовки, сжигания и газификации углей
1.3 Основные принципы функционирования плазменно-топливных систем 93
1.4 Алло-автотермический характер преобразования двухфазных топливных потоков
1.5 Физико-химические характеристики исследованных твердых топлив 115
1.6 Выводы по разделу 119
Глава 2 Термодинамическое моделирование плазменной термохимической переработки топлив
2.1 Метод термодинамических расчетов и программа TERRA 122
2.2 Подготовка исходных данных для расчета плазменной термохимической подготовки топлив к сжиганию
2.3 Расширение базы данных программы TERRA термодинамическими свойствами веществ, характерных для минеральной части углей
2.4 Результаты термодинамических расчетов
2.4.1 Методика определения необходимого количества окислителя для газификации топлива
2.4.2 Метод расчета удельных энергозатрат на процесс газификации топлива 144
2.4.3 Плазменная газификация твердого топлива 146
2.4.4 Электротермохимическая подготовка топлива к сжиганию 156
2.4.5 Энергетическая эффективность процесса электротермохимической подготовки энергетических углей к сжиганию
2.5 Выводы по разделу 166
Глава 3 Кинетическое моделирование процессов движения, высокотемпературного нагрева и термохимических превращений пылеугольного топлива в потоке окислителя в цилиндрических каналах с плазменным источником
3.1 Описание математической модели кинетических исследований плазменной термохимической подготовки углей к сжиганию
3.2 Кинетическая схема процесса газификации угля 176
3.3 Кинетическая схема, учитывающая образование оксидов азота 181
3.4 Исходные данные и методика ступенчатого расчета плазменно- топливной системы для электротермохимической подготовки аэросмеси к сжиганию
3.5 Результаты кинетических расчетов 196
3.5.1 Плазменная паровая газификация твердого топлива с учетом моно- и полидисперсности частиц
3.5.2 Плазменная газификация твердого топлива в среде углекислого газа 203
3.5.3 Плазменная газификация твердого топлива в различных окислительных средах
3.5.4 Электротермохимическая подготовка топлива к сжиганию 213
3.5.5 Влияние избытка окислителя на параметры электротермохимической подготовки топлива к сжиганию, включая образование оксидов азота
3.6 Технологические рекомендации для проектирования и применения 224
плазменно-топливных систем
3.7 Выводы по разделу 226
Глава 4 Трехмерное моделирование горения твердого топлива в топке котла, оснащенного плазменно-топливными системами
4.1 Краткое описание трехмерной математической модели 228
4.2 Трехмерное моделирование двухфазного реагирующего потока 229
4.3 Моделирование дисперсной фазы 241
4.4 Моделирование теплового излучения 248
4.5 Модель горения газовой фазы 250
4.6 Процедура численного решения 258
4.7 Моделирование образования оксидов азота 263
4.8 Результаты численного моделирования процесса предварительной плазменной обработки пылеугольного топлива в плазменно-топливной системе и трехмерного моделирования горения активированного
топлива в топке промышленных котлов
4.8.1 Верификация трехмерной математической модели Cinar ICE на 269
примере расчета горения пылеугольного топлива в экспериментальной цилиндрической топке, оснащенной плазменно-топливной системой
4.8.2 Математическое моделирование горения пылеугольного факела в топке 279 котла БКЗ-75, оснащенного плазменно-топливными системами
4.8.3 Математическое моделирование горения пылеугольного факела в топке 294 котла БКЗ-420, оснащенного плазменно-топливными системами
4.9 Выводы по разделу 303
Глава 5 Стендовые и промышленные испытания плазменно-топливных систем 306
5.1 Испытания прямоточной плазменно-топливной системы 306
5.2 Моделирование прямоточной плазменно-топливной системы с 309 использованием компьютерной программы Плазма-Уголь
5.3 Трехмерное моделирование горения пылеугольного факела на котле 311 паропроизводительностью 640 т/ч, оборудованном плазменно-топливными системами
5.4 Промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме безмазутной растопки котла БКЗ-640-140 Гусиноозерской ГРЭС
5.5 Промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме безмазутной растопки котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ -3
5.6 Экспериментальные исследования и промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме безмазутной стабилизации горения факела на котле ТП-Мироновской ГРЭС
5.7 Промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме безмазутной растопки котла БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2 из холодного состояния
5.8 Стендовые испытания плазменно-топливной системы в режиме переработки то пли в
5.8.1 Описание экспериментальной установки и методики измерений основных показателей плазменной переработки топлив
5.8.2 Результаты численных и экспериментальных исследований
5.8.2.1 Плазменно-паровая газификация Канадского Нефтяного Кокса 361
5.8.2.2 Газификация высокозольного Экибастузского угля 367
5.8.2.3 Плазменная комплексная переработка угля 369
5.8.2.4 Плазмохимическая гидрогенизация низкосортного угля 370
5.8.2.5 Плазмохимический пиролиз углеводородного газа 371
5.9 Рекомендации по применению и проектированию плазменно- топливных систем
Выводы по разделу 381
6 Технико-экономическая оценка эффективности применения плазменно- топливных систем
1 Эффективность применения плазменно-топливных систем для безмазутной растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела
2 Эффективность применения плазменно-топливных систем для производства синтез-газа с целью замещения металлургического кокса, производства водорода и метанола
3 Выводы по разделу 391
Выводы 393
Список использованных источников
- Теоретические и экспериментальные методы исследования плазменных процессов воспламенения, термохимической подготовки, сжигания и газификации углей
- Методика определения необходимого количества окислителя для газификации топлива
- Исходные данные и методика ступенчатого расчета плазменно- топливной системы для электротермохимической подготовки аэросмеси к сжиганию
- Промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме безмазутной растопки котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Для современного развития мировой теплоэнергетики характерно расширение применения твердых топлив и сокращение использования дефицитного жидкого топлива, являющегося ценным сырьем для нефтеперерабатывающей промышленности. Согласно прогнозам потребление твердого топлива в мировом топливном балансе увеличится на 34 %. Этот прирост будет обеспечиваться в основном за счет увеличения доли низкосортных энергетических углей, особенно высокозольных, непосредственное сжигание которых осложняется необходимостью улавливания, хранения и утилизации золы. В последнее десятилетие значительное внимание в мире уделяется повышению эффективности и экологической безопасности процессов сжигания твердых топлив на пылеугольных тепловых электрических станциях (ТЭС), вырабатывающих 40,6 % электрической и 24 % тепловой энергии. При этом наблюдающаяся общемировая тенденция снижения качества энергетических углей приводит к увеличению использования непроектных топлив и соответствующему ухудшению технико-экономических и экологических показателей работы котлоагрегатов. В этой связи создание и применение новых технологий эффективного сжигания твердых топлив, независимо от их качества, приобретает особую актуальность.
Используемые для получения металлургического кокса коксующиеся угли имеют предельную зольность 10 %, влажность 9 % и теплоту сгорания около 7000 ккал/кг. Месторождения коксующихся углей повсеместно истощаются. В тоже время мировое производство металлов с использованием кокса постоянно возрастает. Таким образом, дефицит металлургического кокса в мире ощущается все острее. В этой связи замещение дорогостоящего металлургического кокса (стоимостью более $400 за тонну) новыми эффективными восстановителями является весьма актуальной задачей. Как показывает проведенный анализ, перспективным заменителем кокса является высокопотенциальный газ-восстановитель, получаемый плазменно-паровой газификацией дешевых некоксующихся углей (стоимостью $10-20 за тонну) с предельной зольностью около 50%, влажностью до 50% и теплотой сгорания порядка 3000 ккал/кг.
Высококачественный синтез-газ из низкосортных углей - экологически чистое топливо для парогазовых установок, а также перспективное сырье для производства метанола, являющегося одним из наиболее крупнотоннажных нефтехимических продуктов современного органического синтеза, что обусловлено его широким применением как полупродукта для производства формальдегида и моторных топлив.
Одной из перспективных технологий, позволяющей решить указанные проблемы является термохимическая переработка топлива (ТХПТ) с использованием плазменно-топливных систем (ПТС). Эта технология позволяет повысить эффективность топливоиспользования, экологические показатели ТЭС и полностью устранить использование топочного мазута, традиционно применяемого для растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела. Реализация новых плазменных технологий переработки твердых топлив определяется, в конечном счете, уровнем разработки методов расчета исследуемых процессов и плазменных устройств для их осуществления. Разработка методов расчета тесно связана с расчетно-теоретическими и экспериментальными исследованиями теплофизических процессов движения и нагрева угольных частиц и термохимических процессов их последующих превращений в электродуговых устройствах. Крайняя сложность и взаимообусловленность рассматриваемых процессов, характеризующаяся наличием газовой и твердой фаз и многокомпонентностью во всех фазовых состояниях, приводит к необходимости математического моделирования указанного комплекса процессов с определением теплофизических констант расчетно-теоретическими и эмпирическими методами.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с программами и заданиями: Программа О.Ц.008. Задание 003.03.02 «Плазмохимическая переработка углей и шламов гидрогенизации
углей»; Отраслевая научно-техническая программа Минэнерго СССР ОНТП 00.00.01, Задание 01.06.И 1986-1990 гг.; Заказ-наряд Минэнерго СССР Э-5-83 и Минэнерго Украины 27-87; Задание Минэнерго Казахстана 04.02.02.01.И; Задание РАО «ЕЭС России» 03.00 (шифр СИ 8205), «Создание опытно-промышленной системы безмазутной растопки и подсветки пылеугольного факела с помощью электродуговых плазмотронов», 1992-1995 гг.; Программа РАО «ЕЭС России» «Разработка новых технологий использования низкосортного твердого топлива в отрасли «Электроэнергетика»», 1993 г.; в рамках Международных проектов ("Copernicus", INCO : International Scientific Cooperation Projects (1998-2002), Grant № IC-CT-98-0516 "Plasma Gasification of the Power Coals"; "Copernicus", INCO 2: International Scientific Cooperation Projects 2 (2001-2004), Grant № ICA2-CT-2001-10006, "Improvement of Coal Combustion Efficiency and Decrease of Harmful Emission under the Influence of Plasma -ICEDHE"; ISTC Grant K-746, (2002-2006) "Plasma Technologies of Solid Fuels Processing for Power Engineering and Metallurgy"); «Разработка плазменной технологии экологически и экономически эффективного сжигания энергетических углей» по программе "Научно-технологическое обеспечение развития промышленности РК на 2002-2006 гг"; «Исследование процессов плазменной переработки твердых топлив в синтез-газ» по программе фундаментальных исследований МОН РК на 2003-2005 гг.; "Разработка плазменной технологии получения высокореакционного двухкомпонентного топлива из низкосортных углей" и "Создание плазменно-топливных систем с целью повышения эффективности ТЭС и уменьшения вредных пылегазовых выбросов" по программе МОН РК «Международное сотрудничество в области науки на 2007-2009 годы»; «Физическое и математическое моделирование неравновесной гидродинамической системы для термохимических превращений двухфазного потока с объемным тепловым генератором» и «Процессы турбулентного тепло - и массопереноса в пространственных (трехмерных) реагирующих течениях при наличии внешних воздействий» по программе фундаментальных исследований МОН РК «Актуальные проблемы физики, математики, механики и информатики» на 2009-2011 гг.
В выполнении вышеуказанных программ, заданий и проектов автор диссертации принимал непосредственное участие в качестве руководителя или ответственного исполнителя.
Целью работы является численное и экспериментальное исследование закономерностей движения, нагрева и термохимических превращений пылевидных твердых топлив в плазменно-топливных системах с учетом взаимодействия частиц твердого топлива с газовой фазой и двухфазного потока с плазменным источником и стенками ПТС; разработка физических и математических моделей плазменной переработки пылеугольных топлив с учетом кинетики их термохимических превращений в ПТС и их реализация в виде компьютерных программ для одномерных и трехмерных расчетов ПТС и камер сгорания; разработка метода комплексного расчета камер сгорания, оснащенных ПТС с использованием нульмерных, одномерных, двухмерных и трехмерных математических моделей и программ TERRA, Плазма-Уголь, FAFNIR, Cinar ICE, FLOREAN, PFS-CFD, обобщение результатов численного моделирования и экспериментальных исследований, включая лабораторные, стендовые и промышленные испытания ПТС, и разработка на этой основе методов расчета процессов плазменной газификации и термохимической подготовки к сжиганию твердых топлив и ПТС для их осуществления; выполнение технико-экономической оценки применения ПТС и разработка технологических рекомендаций для практической реализации исследуемых процессов в теплоэнергетике, металлургии и химической промышленности.
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 плазменной переработке
топлив получены в лабораторных условиях, на опытно-промышленных стендах и энергетических котлах. Результаты расчетов получены с использованием верифицированных компьютерных программ и программных комплексов, созданных на основе фундаментальных законов теплофизики, теплотехники, термодинамики, плазмохимии и кинетики термохимических превращений топлив.
Достоверность расчетов подтверждается их внутренним единством, сходимостью уравнений материального и теплового балансов, применением других способов решения, сопоставлением с экспериментальными результатами и результатами промышленных испытаний ПТС.
Основная часть диссертационной работы выполнена в рамках государственных и международных программ и заданий при жестком контроле качества НИР государственным заказчиком и международными экспертами Евросоюза.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработанном методе комплексного расчета камер сгорания, оснащенных ПТС с использованием нульмерных, одномерных, двухмерных и трехмерных математических моделей и компьютерных программ и проведении с применением этого метода исследований плазменно-топливных систем для термохимической подготовки к сжиганию и газификации твердых топлив, сочетающих детальный термодинамический анализ многокомпонентных гетерогенных систем (твердое топливо + окислитель), с математическим моделированием физико-химических процессов в ПТС и топках пылеугольных котлов и экспериментальными исследованиями в лабораторных, стендовых и промышленных условиях. Впервые проведенное комплексное исследование ПТС с перегородкой и вихревых ПТС с тангенциальным и улиточным подводом аэросмеси позволило разработать научно-обоснованную методику их расчетов, а найденные ранее неизвестные теплофизические и физико-химические закономерности плазменной активации горения топлив обладают самостоятельной научной ценностью. Впервые при атмосферном давлении осуществлены процессы плазмохимического пиролиза углеводородного газа с образованием водорода и технического углерода, включающего наноуглеродные структуры, и плазменной гидрогенизации твердого топлива в среде углеводородного газа с образованием ацетилена и других непредельных углеводородов.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Разработаны основные типы ПТС для плазменной термохимической подготовки угля к сжиганию и комплексной переработки топлив, представляющие собой прямоточные и вихревые устройства с плазменным источником. Эти ПТС испытаны в лабораторных, стендовых и промышленных условиях.
Разработанный метод комплексной переработки топлив в совмещенном плазменном реакторе опробован для основных типов твердых топлив и характеризуется высокими эколого-экономическими показателями.
Разработанный метод комплексного расчета камер сгорания, оснащенных ПТС, широко используется при проектировании ПТС на ТЭС России, Казахстана, Китая, Сербии, Словакии, Турции и Германии.
Результаты диссертационной работы использовались при проектировании и испытании ПТС на Мироновской и Алматинской ГРЭС, Алматинской ТЭЦ-2 и Шахтинской ТЭЦ и разработке технических решений для оснащения ПТС котлоагрегатов RFK-210 ТЭС Ятаган (Турция) и ПК-39-П Рефтинской ГРЭС (Россия).
Метод плазменного пиролиза углеводородного газа использован для повышения ресурса электродов плазмотронов.
Результаты исследований плазменной газификации низкосортных углей использованы НПО «Тулачермет» при проектировании опытной плазменной установки с реактором мощностью 1 МВт для получения восстановительного газа газификацией бурых углей и прямого восстановления железорудных окатышей.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты термодинамического моделирования плазменной термохимической переработки топлив, включая плазменную газификацию и электротермохимическую подготовку топлива к сжиганию (ЭТХПТ).
Математическая модель и компьютерная программа кинетического моделирования процессов движения, высокотемпературного нагрева и термохимических превращений пылеугольного топлива в потоке окислителя в цилиндрических каналах с плазменным источником. Результаты кинетических расчетов плазменной газификации твердого топлива в различных окислительных средах, включая ЭТХПТ. Методика ступенчатого расчета ПТС для ЭТХПТ.
Метод определения энергетической эффективности процесса ЭТХПТ и плазменной газификации угля.
Метод комплексного расчета топок котлоагрегатов, оснащенных ПТС.
Верификация трехмерной математической модели Cinar ICE на примере расчета горения пылеугольного топлива в экспериментальной цилиндрической топке, оснащенной ПТС. Результаты трехмерного моделирования горения твердого топлива в топках энергетических котлов, оснащенных ПТС.
Разработанные прямоточные ПТС с перегородкой для разделения потока аэросмеси и вихревые ПТС с тангециальным и улиточным подводом аэросмеси.
Результаты стендовых и промышленных испытаний ПТС на огневом стенде КазНИИ Энергетики, Мироновской ГРЭС (Украина), Алматинской ГРЭС и ТЭЦ-2 (Казахстан) в режимах безмазутной растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела.
Результаты стендовых испытаний ПТС в режиме переработки топлив, включая плазменно-паровую газификацию высокозольных Экибастузского и Куучекинского углей и Канадского Нефтяного Кокса, плазменную комплексную переработку бурого Тургайского угля, плазмохимическую гидрогенизацию низкосортного каменного угля и плазмохимический пиролиз углеводородного газа.
Технологические рекомендации по проектированию и применению ПТС.
Технико-экономическая оценка эффективности применения ПТС для безмазутной растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела, производства синтез-газа с целью замещения металлургического кокса, получения водорода и синтеза метанола.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертации докладывались на 71 Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференциях и симпозиумах: научно-практической конференции «Эффективность сжигания низкосортных донецких углей в энергетических котлах» (Горловка, Украина - 1987); V Всесоюзном совещании «Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов» (Москва - 1988); XI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Новосибирск - 1989); Всесоюзной научно-технической конференции «Математическое моделирование в энергетике» (Киев, Украина - 1990); 1,2-6 Международных симпозиумах по теоретической и прикладной плазмохимии (Рига, Литва - 1991, Иваново - 1995, 2005, 2008, 2011); International Symposium on Electrical Contacts, Theory and Applications (Almaty, Kazakhstan - 1993); Научно-практической и методической конференции, посвященной 30-летию АТИ (Алма-Ата, Казахстан - 1996); Международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск, Беларусь - 1997); VI International Conference on Plasma Physics and Plasma Technology (Minsk, Belarus - 2009); I - VI Международных Симпозиумах «Горение и плазмохимия» (Алма-Ата, Казахстан - 2001, 2003, 2005, 2007, 2009, 2011); II - VI Международных симпозиумах «Физика и химия углеродных материалов» (Алма-Ата, Казахстан - 2002, 2004, 2006, 2008, 2010); III Международной научно-технической конференции (Улан-Удэ - 2000); I Всероссийской конференции «Прикладные аспекты химии высоких энергий» (Москва - 2001); Международной конференции «Современные проблемы механики» (Алма-Ата, Казахстан - 2001); 3-7 Международных научных конференциях
«Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование» (Алма-Ата
- 2003, 2005, 2007, 2009, 2011); VI-VIII International Conference on Technologies and
Combustion for a Clean Environment "Clean Air" (Portugal: Porto - 2001, Lisbon - 2003, 2005);
International Conference on Physics of Low Temperature Plasma (Kiev, Ukrain - 2003); Joint
International Plasma Symposium of 6th APCPST, 15th SPSM, OS 2002 & 11th KAPRA (Jeju
Island, Korea - 2002); 28, 31 International Technical Conference on Coal Utilization & Fuel
Systems (Florida, USA - 2003, 2006); 2 научной школе-конференции «Актуальные вопросы
теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, Украина - 2004); 1 научно-
практической конференции «Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и
развития» (Алушта, Украина - 2004); 30, 31 International Symposium on Combustion (Chicago,
USA - 2004, Heidelberg, Germany - 2006); 7, 10 International Symposium on Combustion and
Energy Utilization (Hong Kong - 2004, Mugla, Turkey - 2010, Coimbra, Portugal, 2012); 24th
Symposium on Plasma Physics and Technology (Prague, Czech Republic - 2010); 17, 18, 20
International Symposium on Plasma Chemistry (Toronto, Canada - 2005, Kyoto, Japan - 2007,
Philadelphia, USA - 2011); 2-4 International Workshop and Exhibition on Plasma Assisted
Combustion (IWEPAC) (USA: Falls Church - 2006, 2007, 2008); 31, 35 European Physical
Society Conference on Plasma Physics (London, UK - 2004, Hersonissos, Crete, Greece - 2008);
2007 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics (Xi'an, Shaanxi,
China - 2007); Symposium "Power Plants 2008" (Vmjacka Banja, Serbia - 2008); 2 International
Conference on Environmental Management, Engineering, Planing and Economics (CEMEPE) and
SECOTOX Conference (Serbia - 2009); ENERGETIKA 2009, sa medunarodnim ucescem (Serbia
- 2009); Международной научно-технической конференции Энергоэффективность 2009, 2012
(Краков, Польша - 2009, Санкт-Петербург, Россия - 2012); VI и VII Всероссийских
конференциях с Международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск -
2006, 2009); International Conference on Energy Systems and Technologies: ICEST 2011 (Cairo,
Egypt - 2011); International Conference on Coal Science and Technology (ICCS&T 2011)
(Oviedo, Spain - 2011); ASME Turbo Expo 2012 (Copenhagen, Denmark - 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 249 работ, в том числе: монографий
- 1; в журналах и изданиях с импакт-фактором - 19; в журналах и изданиях, входящих в
Перечень ВАК РФ - 41; патентов - 14; в иностранных журналах и изданиях - 13; в других
рецензируемых изданиях, не вошедших в Перечень ВАК - 29; в сборниках научных трудов -
5; в материалах международных симпозиумов и конференций - 147. Индекс цитирования по
данным агентства Thomson Reuters на май 2011 г. составил 58 (индекс Хирша - 5).
Личный вклад автора заключается в выборе основного научного направления и разработке методов исследования ПТС, включая метод комплексного расчета топок котлоагрегатов, оснащенных ПТС, методику ступенчатого расчета ПТС для ЭТХПТ, метод определения энергетической эффективности процесса ЭТХПТ и плазменной газификации угля. Автором выполнены верификация трехмерной математической модели Cinar ICE на примере расчета горения пылеугольного топлива в экспериментальной цилиндрической топке, оснащенной ПТС и трехмерное моделирование горения твердого топлива в топках энергетических котлов, оснащенных ПТС. Автор принимал непосредственное участие в проектировании ПТС, проведении их стендовых и промышленных испытаний и в выполнении международных проектов, государственных программ и заданий по плазменной переработке топлив в качестве руководителя или ответственного исполнителя, а также в распространении и продвижении результатов исследований по теме диссертации на основных Международных научных форумах по горению, эффективности топливоиспользования и плазменным технологиям.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников и двух приложений; изложена на 449 страницах машинописного текста, содержит 192 рисунка, 57 таблиц, 605 наименований библиографических ссылок.
Теоретические и экспериментальные методы исследования плазменных процессов воспламенения, термохимической подготовки, сжигания и газификации углей
Во второй главе описан метод термодинамических расчетов и реализующая его программа TERRA, предназначенная для численного исследования многокомпонентных гетерогенных реагирующих систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Представлена методика подготовки исходных данных для расчета плазменной термохимической подготовки топлив к сжиганию, расширена база данных программы TERRA термодинамическими свойствами веществ, характерных для минеральной части углей и разработана методика определения необходимого количества окислителя для ТХПТ и газификации твердого топлива.
Проведены расчеты плазменной газификации и ЭТХПТ твердых топлив. В результате расчетов газификации угля показано, что энергетически более выгодный процесс -это газификация угля в паровой плазме без учета кислорода минеральной массы угля. В этом случае максимальное содержание синтез-газа достигается при температуре 1500-1600 К, при этом в газовой фазе содержится минимальное количество всевозможных примесей, а энергозатраты на процесс не превышают 2 кВт ч/кг. Однако в этом случае нельзя говорить о комплексном использовании угля. В результате газификации в газовой фазе получается только синтез-газ, а все основная масса полезных элементов, содержащихся в минеральной массе (золе) угля, выходит в газовую фазу при температурах выше 3000 К, причем в случае расчета с учетом кислорода минеральной массы угля концентрация полезных элементов в газовой фазе несколько выше, чем в случае расчета без учета кислорода ММУ. В результате расчетов ЭТХПТ найдено, что высокореакционное двухкомпонентное топливо может быть получено при любом избытке окислителя из интервала 0-1. Однако лишь при аох = 0,1—0,2 обеспечиваются приемлемые удельные энергозатраты (0,1—0,4 кВтч/кг) и теплоты сгорания газа и коксового остатка при достаточно высоком значении энергетического КПД процесса на уровне 78 - 85 %. Показано, что энергетическая эффективность традиционных огневых методов воспламенения, термохимической подготовки и газификации углей существенно ниже, чем в плазменных процессах.
В третьей главе описаны математическая модель плазменных термохимических превращений твердого топлива с учетом кинетики химических реакций, разработаны кинетические схемы процессов ЭТХПТ и газификации угля, в том числе, учитывающая образование оксидов азота, и методика подготовки исходных данных. Разработана методика расчета ПТС для осуществления ЭТХПТ. С помощью программы Плазма-Уголь выполнены численные исследования плазменной паровой газификации твердого топлива с учетом моно- и иолидисиерсности частиц, плазменной газификации твердого топлива в среде углекислого газа и плазменной газификации твердого топлива в различных окислительных средах. Выполнены расчеты ЭТХПТ, выявлено влияние избытка окислителя на параметры ЭТХПТ, включая образование оксидов азота. Разработан метод определения энергетической эффективности процесса ЭТХПТ и плазменной газификации угля. Показано, что математическая модель и разработанная на ее основе программа Плазма-Уголь адекватно отражают закономерности термохимических превращений ОМУ и образования топливных и термических оксидов азота при варьировании температуры и коэффициента избытка воздуха в широких диапазонах: Т = 1000 - 2870 К и аох = 0,15 -1,2. При этом выход NOx при ЭТХПТ даже при достаточно высоких температурах ( 1800 К) хох 0,5 не превышает 20 мг/нм3, что на порядок ниже, чем в традиционных технологиях топливоиспользования.
В четвертой главе выполнены численные исследования плазменной технологии эффективного и экологически приемлемого сжигания твердых топлив на ТЭС с использованием двух верифицированных компьютерных программ Плазма-Уголь и Cinar ICE (Cinar Integrated CFD Environment). Программа Cinar ГСЕ была выбрана для представления в работе по результатам предварительных численных исследований процесса сжигания твердого топлива в топках промышленных котлов, оснащенных ПТС, выполненных с использованием компьютерных программ FAFNIR, Cinar ICE, FLOREAN, PFS-CFD, поскольку была верифицирована для экспериментальной топки, оснащенной ПТС. Верификация использования комплекса компьютерных программ Плазма-Уголь и Cinar ICE осуществлена с использованием результатов натурных исследований процессов сжигания Экибастузского угля на огневом стенде в экспериментальной топке тепловой мощностью 3 МВт. Верификация подтвердила качественное соответствие расчетных и опытных данных, проявляющееся в наличии инверсии температурных кривых на начальном участке топки и характерных температурных максимумов. Температура продуктов сгорания на выходе экспериментальной топки в традиционном режиме сгорания выше таковой при использовании ПТС как в опыте, так и в расчетах. Расхождение опытных и расчетных значений температуры продуктов сгорания не превышает 20 % по всей высоте топки. Концентрация несгоревшего углерода в коксовом остатке измерялась на выходе экспериментальной топки. Расхождение опытных и расчетных значений также не превышает 20%. Результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных подтвердили правомерность использования комплекса программ Плазма-Уголь и Cinar ICE для численных исследований процессов горения твердых топлив в топках промышленных котлов с использованием ПТС. Выполнено трехмерное моделирование горения подвергнутого ЭТХПТ твердого топлива в топках промышленных котлов БКЗ-75 Шахтинской ТЭС и БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2 с использованием программы Cinar ICE. Представлены результаты численного моделирования процесса предварительной плазменной подготовки пылеугольного топлива в ПТС и трехмерного моделирования горения активированного топлива в топках промышленных котлов.
Показано, что использование ПТС для активации горения твердых топлив повышает эколого-экономическую эффективность их сжигания за счет снижения остаточного углерода в золе и выбросов оксидов азота на фоне общего снижения температуры продуктов сгорания угля на выходе топки из-за более раннего воспламенения и выгорания топлива.
В пятой главе описаны испытания в лабораторных и промышленных условиях ПТС, повышающих эффективность сжигания угля при одновременном снижении вредных выбросов от пылеугольных ТЭС. Показано, что ПТС устраняют необходимость использования дорогостоящих газа и мазута для растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела. Выполненное с помощью двух компьютерных программ Плазма-Уголь и Cinar ICE моделирование промышленного котла, работающего в режиме плазменной стабилизации горения пылеугольного факела показало, что ПТС обеспечивают стабильное воспламенение, снижение мехнедожога топлива и температурного уровня в верхней части топки котла. Благодаря двустадийному режиму сжигания топлива (ПТС и топка котла) снижаются выбросы NOx.
На основе экспериментальных и теоретических исследований плазменной безмазутной растопки пылеугольных котлов найдены обобщенные зависимости от выхода летучих угля относительных затрат электроэнергии на плазмотрон и относительной тепловой мощности ПТС. С помощью этих зависимостей можно определить априори необходимые мощность плазмотрона и количество ПТС для растопки пылеугольного котла.
Проведенный комплекс исследований подтвердил, что процессы ЭТХПТ и плазменной переработки топлива могут рассматриваться как суперпозиция отдельных стадий, представляющих собой взаимодействие окислителя с электрической дугой и плазменным факелом, инертный нагрев частиц топлива, выход летучих, их окисление в газовой фазе, газификация коксового остатка, а также превращения минеральной массы твердого топлива. Выполненные исследования выявили новые теплофизические и физико-химические закономерности рассмотренных процессов и позволили прогнозировать оптимальные технологические параметры плазменных процессов переработки топлив. Анализ результатов расчетов и экспериментальных исследований ЭТХПТ, плазменной газификации, комплексной плазменной переработки, плазменной гидрогенизации твердых топлив и плазменного пиролиза углеводородного газа позволил определить оптимальные диапазоны температур, массовых отношений уголь : окислитель, степени конверсии топлива, концентраций оксидов серы и азота, и удельных энергозатрат на рассматриваемые процессы.
В шестой главе выполнена технико-экономическая оценка эффективности применения плазменно-топливных систем для замещения мазута при растопке котлов, подхвате и стабилизации пылеугольного факела и для производства синтез-газа с целью замещения им металлургического кокса при восстановлении железорудных окатышей, производства водорода и метанола.
Использование ПТС в процессах переработки углей дает значительный экономический эффект. При существующей разнице в стоимостях мазута и угля ПТС на пылеугольных ТЭС дает экономический эффект до 200 долларов США на одну тонну замещаемого мазута и окупается в течение одного года.
Показано, что экономическая эффективность получения синтез-газа плазменно-паровой газификацией низкосортных углей выше, чем в традиционных методах его производства. Показано, что экономическая эффективность получения синтез-газа плазменно-паровой газификацией низкосортных углей выше, чем в традиционных методах его производства. Использование ПТС для производства высококалорийного синтез-газа из низкосортных углей позволит получать метанол на 47,3 % дешевле, а водород - на 42,5%, по сравнению с традиционными технологиями их производства. Применение ПТС позволит также снизить затраты на восстановление железорудных окатышей на 40 % при замещении металлургического кокса синтез-газом, получаемым плазменной паровой газификацией некоксующихся углей.
Методика определения необходимого количества окислителя для газификации топлива
Предложенная установка изучалась на компьютерной модели. В результате работы топливного элемента помимо электроэнергии выделяется тепло, необходимое для проведения эндотермических реакций газификации угля в атмосфере водяного пара и диоксида углерода, которые также являются продуктами окисления в топливном элементе. Синтез-газ из газификатора подается в топливный элемент, где происходит его окисление и выделение тепла. Компьютерное моделирование подтвердило эффективность описанного процесса.
Существуют также технологии подземной газификации угля и магнитогидрогенераторные [19, 36, 58]. Хотя в целом эти технологии значительно сокращают выбросы загрязняющих веществ, при одновременном увеличении эффективности топливоиспользования, их широкое применение ограничено главным образом высокими капитальными затратами, операционными рисками и ненадежностью [59].
Однако даже применение всех описанных выше технологий не дает решения основной проблемы сокращения выбросов диоксида углерода в долгосрочной перспективе.
Последнее время, наряду с технологией рециркуляции дымовых газов, привлекает внимание технология улавливания диоксида углерода и захоронения его в подземных выработках [60]. Тем не менее, широкое применение технологий улавливания и захоронении СОт ограничено большими затратами на восстановление диоксида углерода и опасностью непредсказуемых экологических последствий хранения диоксида углерода под землей [6, 60, 61].
Итак, использование угля в энергетике встречает различные трудности, оставляя большой потенциал для совершенствования и оптимизации эффективности технологий его сжигания. Среди этих трудностей могут быть определены две характерные проблемы. Первая - это высокая чувствительность процесса горения к свойствам используемых углей. Вторая - это необходимость сжигания огромного количества дополнительного вспомогательного топлива (50 млн. тонн мазута в год) для стабилизации горения пылеугольного факела и растопки котлов [27]. Существующие методы повышения эффективности топливоиспользования в основном себя исчерпали. В настоящее время осваиваются новые, прогрессивные, экологически более чистые технологии. При этом, значительное распространение получили процессы термохимической подготовки углей к сжиганию, в том числе плазменные технологии, характеризующиеся высокой производительностью, экологической чистотой и относительно низкой стоимостью оборудования [62 - 64], а главное, позволяющие решить обе упомянутые выше проблемы.
При термохимической подготовке угля, его молекулярная структура подвергается разрушению или перестраивается в той или иной степени. Это деструктивные реакции со свободным или связанным кислородом, а также с водяным паром. Этим реакциям могут способствовать определенные органические и неорганические соединения, присутствующие в угле и добавляемые извне. Иначе, под термохимической подготовкой углей к сжиганию понимается комбинированное воздействие на подвергающееся деструкции топливо тепловой энергии и химических реагентов. В этом случае термохимические превращения затрагивают лишь органическую массу углей, практически не влияя на их минеральную часть.
Методы термохимической подготовки низкосортных тошшв основаны на их частичной газификации и использовании в качестве более высокореакционного, чем исходный уголь топлива горючего газа, коксового остатка и не прореагировавших угольных частиц. При полной газификации углей в воздухе получают горючий газ (СО +Н2 +СН4 +С02 +N2) и инертный зольный остаток с незначительным содержанием углерода С. После отделения твердого остатка горючий газ можно сжигать в топках или использовать для подсветки пылеугольного факела.
Методы термической подготовки углей к сжиганию, в основу которых положены поточные пылеугольные технологии можно разделить на две группы.
К первой относится прогрев всей аэросмеси до смешения с вторичным воздухом, а к второй - термообработка меньшей части пылеугольного потока с последующим ее смешением с остальной пылью и вторичным воздухом. Исследования первой группы методов рассматривались только как средство повышения реакционной способности низкосортного топлива путем обогащения факела летучими угля, т.е. способности к воспламенению и окислению, в значительной мере определяемой содержанием летучих веществ в топливе [65]. Метод термохимической обработки топлива, разработанный в [31, 33, 66], позволяет воздействовать на реакционную способность углей и тем самым повысить стабильность горения и его интенсивность. При этом все низкореакционное топливо взаимодействует с высокотемпературными продуктами сгорания высокореакционного топлива (мазута или газа) [67, 68]. В результате образуется двухфазное (пылегазовое) топливо, состоящее из оксида углерода (СО), водорода (Н2), непрореагировавшей пыли, коксового остатка и инертных компонентов (Н20, С02, N2).
Ко второй группе процессов, основанных на разделении пылеугольного потока на две неравные части и термоподготовке меньшей из них относятся работы [31, 32]. В них изучены способы стабилизации пылеугольного факела, в основе которых лежит его обогащение легко-воспламеняемым газообразным топливом, получаемым за счет полной и частичной газификации исходного низкосортного угля. Целью проведенных работ было снижение расхода мазута при факельном сжигании низкосортных углей и устранение негативных последствий совместного сжигания угля и мазута в одном топочном объеме.
Дальнейшее совершенствование методов термохимической подготовки привело авторов [31] к схеме полного исключения мазута за счет прогрева и стабилизации горения вспомогательного потока с помощью плазмотрона.
Использование электродуговой плазмы во многих случаях энергетически более эффективно, чем применение традиционных огневых методов, поскольку плазма с высокой концентрацией энергии, характеризующаяся присутствием в ней большого количества химически активных атомов, радикалов, ионов и электронов, способствует многократному ускорению термохимических превращений угля и окислителя, а, следовательно, и более полному быстрому выгоранию факела.
Исходные данные и методика ступенчатого расчета плазменно- топливной системы для электротермохимической подготовки аэросмеси к сжиганию
Из вышеприведенного обзора современного состояния проблемы использования твердых топлив видно, что в настоящее время интенсивно разрабатываются различные методы газификации, термохимической подготовки и комплексной переработки топлив, позволяющие повысить эффективность их сжигания и снизить при этом вредное воздействие на окружающую среду.
Многие исследователи весьма перспективными, по сравнению с огневыми традиционными методами, считают плазменные методы газификации низкосортных топлив для нужд энергетики, металлургии и химической промышленности, использующие электроэнергию в форме низкотемпературной плазмы [219-222]. Известные преимущества плазменных процессов (высокая селективность, возможность переработки различных видов топлива, резкое ускорение химических реакций, малые габариты основного оборудования, возможность полной автоматизации, небольшая инерционность, высокая концентрация энергии, экологическая чистота) предопределили использование низкотемпературной плазмы для повышения эффективности использования топлива. Практическое осуществление плазменных процессов переработки угля возможно, как это следует из работ [72 - 76, 222 - 224], с помощью плазмоструйных реакторов [225], либо совмещенных электродуговых реакторов [226, 227, 377]. В плазмоструйных реакторах зоны генерации плазмы и термохимических превращений топлива разделены и расположены в разных камерах, что снижает тепловой КПД реактора. Плазменная струя в этом случае не содержит химически активных центров и представляет собой обычный высокотемпературный теплоноситель, нагревающий сырье.
В плазменных реакторах совмещенного типа электродуговая зона и зона термохимических превращений угля совмещены в одном рабочем объеме, что повышает энергетическую эффективность процесса, а нагрев сырья осуществляется непосредственно дугой, содержащей активные центры.
Использование электродуговой плазмы с высокой концентрацией энергии (200 300 МВт/м3) химически активных атомов (О, Н, С), радикалов (ОН, СН, НСЬ), ионов (0J, Н , ОІТ, С+, ІҐ) и электронного газа способствует многократному ускорению термохимических превращений топлива и окислителя, а, следовательно, более полному и быстрому протеканию процесса газификации. В этой связи, применение плазменного метода газификации, во многих случаях энергетически более эффективно, чем использование традиционного огневого метода (автотермическая газификация и комплексная переработка).
Однако использование электродуговой плазмы для плазменной активации горения топлив вместо плазменной струи, например в работе [225], автоматически не обеспечивает энергетической и термохимической эффективности процесса из-за введения высококонцентрированной энергии плазмы непосредственно в пылеугольный поток, что приводило к быстрой диссипации в обширном топочном пространстве. Такой подход не обеспечивал эффективности электродугового воздействия при активации низкореакционных углей типа ЭУ и АШ, хотя и показал удовлетворительные результаты при воспламенении высокореакционных углей (КУ и КАУ) [228]. На положительные аспекты разделения всего пылеугольного потока на две части и сосредоточения воздействия на меньшей из них указывалось в работах [31, 32]. Однако, воздействие предполагалось, в основном, традиционное (за счет сжигания мазута или газа и нагрева угольной пыли продуктами их сгорания), не способное радикальным образом повысить эффективность топливоиспользования и снизить вредные выбросы, т.к. не устранялась первопричина проблемы - совместное сжигание топлив с разной реакционной способностью. Кроме того, активное воздействие на часть аэросмеси не удавалось локализовать до выхода в топочное пространство и начала смешения с вторичным воздухом, что снижало эффективность такого приема. Даже использование электроэнергии при воспламенении топлив омическим нагревателем в объеме горелочного устройства казалось пригодным лишь для высокореакционных углей ( 40 %) из-за сравнительно низкотемпературного (Т=923 К) инертного нагрева аэросмеси без образования химически активных центров, способствующих повышению реакционной способности низкосортных топлив.
Таким образом, можно резюмировать, что используемый в ряде работ несомненно прогрессивный метод разделения потока аэросмеси на различные части и термохимической подготовки меньшей из них в значительной мере проигрывают из-за применения для осуществления последней малоэффективных приемов (нагрев аэросмеси продуктами сгорания или поверхностью омического нагревателя). При использовании же плазменной струи или электродугового разряда, являющихся высокоэффективным и экологически чистым средством воздействия на пылеугольный поток, наблюдается определенное снижение их эффективности из-за размещения этих высококонцентрированных источников энергии непосредственно в неразделяемом потоке аэросмеси или в корне факела в открытом топочном пространстве. При этом происходит достаточно быстрая диссипация энергии низкотемпературной плазмы, приводящая к уменьшению энергетической эффективности и концентрации активных центров при плазменной активации горения угля, и особенно в случае низкореакционных топлив.
Для устранения перечисленных недостатков и повышения экологической эффективности процесса были разработаны плазменно-топливные системы [29, 35, 63, 64, 229, 286, 344, 366, 367]. Как следует из самого определения системы, в общем случае ПТС представляет собой топливное устройство (устройство в которое подается топливо) с плазменным источником. В плазменно-топливных системах осуществляются процессы плазменной подготовки и/или переработки твердых топлив. Основной принцип функционирования ПТС заключается в организации электротермохимической подготовки и/или переработки угольной пыли в электродуговой плазме [229]. Сущность его заключается в нагреве пыли плазмой, являющейся окислителем, до температуры полной газификации, при которой осуществляется конверсия органической массы угля в свободный от оксидов серы и азота синтез-газ, с одновременным восстановлением минеральной массы угля и получением ценных компонентов (технического кремния, ферросилиция, глинозема и карбосилиция). Тем самым из низкосортного угля можно получить, в отличие от известных технических решений, в едином технологическом процессе экологически чистое топливо - синтез-газ, являющийся одновременно потенциальным газом-восстановителем и сырьем для синтеза жидких топлив, а также извлечь из ММУ ценные компоненты, включая и микроэлементы (уран, молибден, ванадий и др.).
Промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме безмазутной растопки котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ
Видно, что азот топлива при горении факела распределяется на две части: одна выходит с летучими, а вторая - остается в коксовом остатке. По данным работ [65, 339, 341] после выгорания летучих угля в газовую фазу может перейти 60-70% топливного азота, а 30-40% (при глубоком выгорании до 13% [341]) может оставаться в коксовом остатке и входить в весьма прочные соединения. Превращения азотсодержащих веществ в газовой фазе приводят к образованию в основном HCN, CN, NHj (NH2, NH3) и атомарного азота. Указанные соединения в дальнейшем образуют, в зависимости от типа угля, температуры и количества окислителя, либо оксиды азота, либо молекулярный азот. По данным [341], после выгорания летучих в топочной камере 70-78% топливного азота переходит в газовую фазу в виде N2, а 16-20% в виде NOx. Если процесс выделения летучих вместе с азотистыми радикалами (N, HCN, CN, NHj) будет происходить в восстановительной среде, то неустойчивые соединения типа HCN и NHi перейдут [339], как видно из схемы, не в NOx, а в N2. На этом эффекте основано большинство существующих схем подавления оксидов азота на стадии выделения летучих угля за счет уменьшения концентрации воздуха и создания восстановительной среды [65].
Образование промежуточных (на пути к образованию NOx или N2) соединений (HCN, CN, NH3, NH2, NH и N) возможно как в результате первичных процессов распада угля (реакции 56 - 59), так и во вторичных процессах, описываемых реакциями 60 и 61. При окислении азотсодержащих соединений, образующихся по реакциям 58 и 59, получаются быстрые оксиды азота. Основными элементарными реакциями окисления CN, NHi и N являются реакции 61, 62, 64-67,71, 73, 75-78. Помимо топливных и быстрых NOx, образующихся преимущественно в интервале 960-1200К [341], при Т 1800К начинается образование термических NOx из воздуха (реакции 78-80). Эти реакции взяты в соответствии с кинетической схемой Я.Б. Зельдовича [336].
Превращение N04 в азот происходит в результате газофазных реакций оксида азота (79-82 и 84) другими- азотсодержащими веществами и гетерогенной реакции 10 с углеродом СС. Последняя реакция протекает с заметной скоростью при Т 1073К. При составлении кинетической схемы образования оксидов азота было принято, что например в случае каменных углей до 70% азота топлива выделяется с летучими, а около 30% остается в СС, а для антрацитовых углей - 50% азота выделяется в газовую фазу, а 50% остается в СС. Для высокореакционных бурых углей - 80% азота выделяется с летучими, а 20% остается в СС. Отметим, что азот входит только в состав органического вещества угля, причем большая часть азота содержится в смоле, а меньшая в других газообразных продуктах. В модели предполагается, что азот содержится в угле в виде пиридина (C5H5N), пиррола (C.4H5N) и атомарного азота N. Пиридин составляет 80-83%, пиррол - 9-10% и атомарный азот 7-8% от всего количества азота топлива.
Взаимодействие углерода С с Н20, СО2, NOx, О2 описывается реакциями (10-13). Каждая из вышеуказанных гетерогенных реакций является сложным процессом, включающим несколько элементарных стадий - адсорбции реагентов на поверхности частиц, реакции с газами, десорбции продуктов этих реакций и т.д. В модели детальный механизм этих реакций не учитывали, рассматривая лишь суммарные превращения но брутто-реакциям (10-13).
Исходные данные и методика ступенчатого расчета плазменно-топливной системы для электротермохимической подготовки аэросмеси к сжиганию Исходные данные для кинетических расчетов процесса ЭТХПТ но компьютерной программе Плазма-Уголь включают следующие позиции. 1) Характеристики твердого топлива, включая химический состав органической массы, зольность, выход летучих, влажность, степень черноты и плотность угольных частиц; 2) Дисперсный состав пылеугольного топлива; 187 3) Расход твердого топлива; 4) Расход плазмообразующего газа (например, первичного воздуха) и его состав; 5) Начальные температуры твердых частиц и газа; 6) Концентрация угольной пыли в аэросмеси; 7) Конфигурация и геометрические параметры ПТС; 8) Электрическая мощность плазмотрона и закон ее распределения по длине ПТС; 9) Тепловой КПД и гидродинамическое сопротивление ПТС; 10)Закон изменения температуры стенки по длине ПТС; 11) Температурные зависимости теплофизических констант для многокомпонентного реагирующего рабочего тела (теплоемкость, теплопроводность, вязкость, число Прандтля); 12) Кинетическая схема процесса плазмохимической переработки твердых топлив; 13) Температурная зависимость теплоемкости золы твердого топлива; 14) Тепловые эффекты реакций, протекающих при плазмохимической переработке твердых топлив; 15) Координаты вывода на печать результатов кинетических расчетов.
Характеристики твердого топлива, вкчючая химический состав органической массы, зольность, выход летучих, степень черноты угольных частиц: для работы с моделью очень важно корректно задать состав угля. Как отмечалось выше, угли разной степени метаморфизма различаются концентрациями функциональных групп, а константы скорости деструкции этих групп для всех углей с достаточной степенью точности одинаковы. Данное положение позволяет производить расчеты не одного, какого либо определенного угля со свойственной только ему константой реакции, а ряда углей как бурых и каменных, так и антрацитов, с различной зольностью, составом и количеством летучих.
Состав углей задается в модели органической и минеральной их частью. При этом минеральная часть угля задается в виде золы с соответствующими теплофизическими свойствами, а органическая масса угля - углеродом и летучими, которые в свою очередь представляют собой набор функциональных групп (СО, ССЬ, СН4, Н2, Н?0, СЛН6) [63, 318]. Для многих углей данные о концентрациях в них различных функциональных групп отсутствуют, поэтому в случаях, когда состав летучих угля неизвестен из эксперимента можно рекомендовать следующие пределы изменения концентраций функциональных групп: для бурых углей: СО - 14-21%, С02 - 4-10%, СН4 - 5-10%, Н2 - 0,2-3%, Н20 - 20-30%, С6Н6- 35-40%; для каменных углей и антрацитов: СО - 25-30%, С02 - 5-15%, СН4 -3-6%, Н2 - 18-23%, Н20 - 11-14%, С6Н6 - 20-26%. При подборе концентраций функциональных групп необходимо иметь ввиду, что суммарная концентрация водорода и кислорода должна соответствовать таковым, взятым из элементного состава летучих угля.
Для примера состав Экибастузского угля зольностью 40 % для кинетических расчетов, найденный по вышеприведенным рекомендациям определения пределов изменения концентраций функциональных групп для каменных углей, приведен в таблице 3.3.
