Введение к работе
Актуальность. Освоение канско-ачинских углей (КАУ) на протяжении нескольких десятилетий остается в ряду наиболее актуальных проблем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. отводит Канско-Ачинскому бассейну (КАБ) наряду с Кузбассом статус федерального значения в обеспечении энергетической безопасности и социально-экономического развития страны и ее регионов При всех сценариях реформирования и модернизации ТЭК роль КАБ будет возрастать. Прежде всего это определяется уникальностью угольного бассейна, заключающейся в сочетании колоссальных запасов, удобного географического положения угленосных площадей, благоприятных горногеологических условий залегания и строения угольных пластов, кондиционных свойств угля, в том числе с учетом потенциальных выбросов в окружающую среду, что создает предпосылки получения одного из самых дешевых натуральных топлив Последнее особенно важно в связи с окончанием «газовой паузы» в теплоэнергетике
Своеобразия состава и свойств минеральной части (МЧ) углей проявились в практике использования традиционных технологий энергетического сжигания прежде всего шлакованием и интенсивно прогрессирующими загрязнениями тепловоспринимающих поверхностей котлов Сформировавшаяся в связи с этим потребность в целенаправленном изучении свойств минеральной части КАУ, несмотря на несомненные успехи, в отдельных направлениях не исчерпана до сих пор
Один из подходов к расширению масштабов энергетического использования КАУ предполагает применение технологий переработки, позволяющих получать из угля продукты с повышенной теплотой сгорания и транспортабельностью (полукокс, термоуголь, сушонка, гранулы и др.) В числе современных природоохранных концепций для КАУ в составе ГНТП «Экологически чистая энергетика» представлены проекты, предполагающие внутрицикловую термическую обработку угля (парогазовые установки с газификацией под давлением, а также с частичной газификацией в результате пиролиза, паротурбинные установки с предварительным подогревом угольной пыли до температуры более 500 С) Разрабатываются технологии топливосжигания с привнесением в состав котельных установок глубокого термохимического воздействия на топливо в стадии подготовки, которое может изменять физико-химическое и даже агрегатное состояние минеральной части. Следует отметить стремление обеспечивать при этом разнообразную утилизацию золошлаковых отходов
Учитывая многообразие влияния МЧ углей на работу топли-восжигающих установок, из изложенного очевидно, что исследования преобразований МЧ КАУ в различных условиях сжигания и термической обработки надо рассматривать как необходимый элемент развития направления экологически чистой теплоэнергетики. В связи с этим обозначены, как минимум, две крупные проблемы освоения КАУ для энергетических целей с учетом свойств МЧ Во-первых, это выделение комплекса теплофизических процессов при физико-химических превращениях минеральной части как физической основы совершенствования технологий энергетического использования КАУ Во-вторых, разработка экспериментально обоснованной прогностической модели теплофизических процессов в минеральной части углей применительно к технологиям теплотехнического сжигания.
Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что основные ее результаты получены при проведении исследований в соответствии с координационными планами ряда комплексных научно-технических программ, ориентированных на проблемы ТЭК («Сибирь», задание 6 2 2.1 1, «Теплофизика и теплоэнергетика», задание 12 3.5 1, «Исследование и освоение сжигания канско-ачинских углей на электростанциях КАТЭКа» и др.), в соответствии с ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» Тема диссертации соответствует основным направлениям научной деятельности Томского политехнического университета (направление «Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов») и находится в сфере приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ («Энергетика и энергосбережение»)
Цель диссертационной работы — разработка физических основ превращений минеральной части КАУ в топливном и газовом трактах установок топливосжигания на основе экспериментального исследования теплофизических процессов и обоснование направлений их применения для совершенствования технологий теплотехнического использования углей.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
исследовать на единой методической основе состав МЧ, в результате чего получить количественные оценки минералогических составляющих в диапазоне зольности углей,
разработать методики и способы исследования процессов плавления золы и свойств шлаковых расплавов, позволяющие существенно расширить информационную базу о данном состоянии МЧ топлива,
определить количественные соотношения и другие параметры фа-зообразования при состояниях плавления и расплава золы, включая образование вспененного шлака,
установить основные процессы и соответствующие им условия физико-химического превращения компонентов МЧ применительно к термической подготовке и сжиганию угля;
исследовать физико-химические превращения МЧ в натурных условиях котельных агрегатов с различными принципами организации процессов сжигания,
установить механизмы преобразования состава и свойств натруб-ных отложений в динамике их изменения на поверхностях нагрева котлов,
обосновать роль факторов топочного процесса и других этапов технологии топливосжигания, определяющих свойства минеральных продуктов,
разработать рекомендации, предложения, технические решения по совершенствованию технологий теплотехнического использования КАУ
Научная новизна работы заключается в следующем.
разработана методика экспериментального исследования физико-химических превращений минеральной части углей в условиях сжигания,
получены и обобщены на единой методической основе экспериментальные данные о количественной оценке компонентных групп минеральной части, их свойствах на стадиях преобразования применительно к технологиям энергетического использования углей,
впервые получены экспериментальные данные о выходе и составе фаз при плавлении золы для широкого диапазона зольности кан-ско-ачинских углей, а также характеристики термофизических свойств расплавов золы и шлака, особенностей шлакообразования,
впервые установлены в натурных условиях эксплуатации паровых котлов закономерности динамики преобразования золовых отложений на конвективных поверхностях нагрева,
впервые получены численные значения теплопроводности и теплоемкости натрубных отложений в зависимости от их разновидности и определяющих процессов упрочнения,
предложена физическая модель формирования минеральных продуктов при различных технологических вариантах сжигания углей,
показана эффективность использования полученных результатов исследования для численного моделирования процессов первичного взаимодействия компонентов минеральной части угля в условиях факельного сжигания,
8) предложены на уровне изобретений технические решения по совершенствованию технологий использования канско-ачинских углей в теплоэнергетике, реализующие научные результаты исследований
Практическая значимость работы:
полученные результаты создают объективные предпосылки для проектирования котлов и котельного оборудования в части выработки принципиальных технических и технологических решений по режимам и компоновочным схемам,
разработанные и широко апробированные методики исследований расширяют арсенал средств для прогнозирования свойств минеральных продуктов применительно к различным технологиям топ-ливосжигания;
в эксплуатационных условиях результаты, соотнесенные с зольностью угля, позволяют обосновывать ограничения по качественным характеристикам топлива и улучшить их упреждающий контроль в зависимости от состава оборудования, регламентировать эксплуатационные режимы вплоть до использования средств очистки поверхностей нагрева и целенаправленного воздействия на состав шлака,
технические решения по предгорелочной подготовке углей с учетом свойств минеральной части позволяют совершенствовать технологии сжигания с уменьшенными вредными выбросами
Результаты исследований и выработанные на их основе рекомендации, методики, технические решения использованы.
ОАО «Томскэнерго» для планирования развития топливно-энергетического баланса, в том числе для обоснования вариантов замещения природного газа твердым топливом, в частности, для теплотехнической оценки ранее неизученного угля Таловского месторождения Томской области, освоение которого позволяет повысить региональную энергетическую безопасность и содействовать развитию новых для региона отраслей промышленности,
ОАО «Омская электрогенерирующая компания» для выбора вариантов реконструкции котлов применительно к переводу с экиба-стузского угля на ирша-бородинский,
ОАО «Иркутскэнерго» (в том числе Иркутской ТЭЦ-6, Ново-Иркутской ТЭЦ, Усть-Илимской ТЭЦ) для организации контроля качества поставляемого на сжигание угля, регулирования шлакоулавли-вания, присадки сорбентов в дымовые газы, реконструкции системы транспортирования пыли высокой концентрации, выработки регламента очистки конвективных поверхностей нагрева,
ТЭЦ ПО «Юрмаш» для определения зон шлакования топочных экранов, степени шлакоулавливания в топке и оценки эффективности оборудования газоочистки при проектировании реконструкции котлов;
конструкторскими подразделениями (ОАО «Бийский котельный завод», Барнаульский филиал ЗАО «СибКОТЭС») в качестве исходных данных для проектных разработок котельного оборудования на бурых углях;
в учебных дисциплинах «Паровые котлы», «Основы физико-химических процессов производства тепловой энергии», «Технология сжигания органических топлив», «Моделирование физических процессов и объектов проектирования», «Методы защиты окружающей среды» для специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете
Основные положения, выносимые на защиту.
результаты экспериментальных исследований физико-химических превращений компонентов МЧ при термической подготовке и сжигании угля, в том числе полученные в натурных условиях котельных агрегатов с различными технологическими принципами организации топочного процесса;
результаты экспериментальных исследований преобразования и теплофизических свойств натрубных отложений на поверхностях нагрева паровых котлов,
экспериментальное обоснование роли факторов технологии сжигания, определяющих термофизические свойства минеральных продуктов сжигания углей;
физическая модель физико-химических превращений МЧ в технологиях сжигания угля;
обобщение полученных на единой методической основе данных о количественной оценке компонентов МЧ,
методика и результаты экспериментального исследования плавления золы и ее расплавов, в том числе основные закономерности образования вспененного шлака;
принципы технических решений, воздействующих на процессы с участием МЧ в технологиях сжигания угля
Апробация работы Основные результаты исследований и положения, включенные в диссертационную работу, докладывались на. Всесоюзной научно-технической конференции «Расширение добычи и использование канско-ачинских углей» (Красноярск, 1972 г); Всесоюзном и краевых научно-технических совещаниях по вопросам сжигания канско-ачинских углей в мощных парогенераторах (Красноярск,
1973, 1978, 1985 гг.), II, III, IV Всесоюзных научно-технических конференциях «Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы парогенераторов» (Таллин, 1974, 1980, 1986 г г), городской и региональной научно-технических конференциях по оптимизации процессов работы теплоэнергетических установок и систем (Томск, 1975, 1977 гг.), заседаниях котельно-топочной секции НТС НПО ЦКТИ (Ленинград, 1975-1978, 1982 г г); конференциях по проблемам развития Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (Красноярск, 1976, 1981 г г), II Всесоюзном научно-техническом совещании по вопросам проектирования и эксплуатации мощных парогенераторов на экибастузских углях (Алма-Ата, 1976 г); научном семинаре комиссии по парогенераторостроению Минвуза СССР (Томск, 1977 г.); заседаниях секций научного совета ГКНТ СССР, в том числе совместных с секциями научных советов АН СССР, СО АН СССР (Москва, 1977 г., Барнаул, 1983 г, Красноярск, 1983 г; Томск, 1984 г, Подольск, 1984 г.), республиканском семинаре по надежности и экономичности работы котлов СКД мощных энергоблоков (Киев, 1981 г); Всесоюзном совещании по комплексному изучению ресурсов твердых горючих ископаемых Южно-Сибирского региона и их использованию в народном хозяйстве (Новокузнецк, 1983 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Комплексное использование природных ресурсов» (Томск, 1984 г ), V Всесоюзной и VI Всероссийской конференциях «Горение органического топлива» (Новосибирск, 1985, 2006 гг.), Всесоюзной конференции «Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса» (Кемерово, 1985 г), VIII, IX Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Смоленск, 1986 г, Ташкент, 1989 г), VIII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988 г); V Всесоюзном совещании по химии и технологии твердого топлива (Москва, 1988 г.); Республиканских конференциях по влиянию минеральной части энергетических топлив на условия работы паровых котлов (Батуми, 1988, 1989 г г), Всесоюзной конференции по переработке и использованию твердых топлив (Донецк, 1989 г ), Всесоюзном совещании «Комплексное использование зол углей СССР в народном хозяйстве» (Иркутск, 1989г), I и II Всесоюзных конференциях «Теплообмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1988, 1990 г г.), I, II и IV научно-практических конференциях «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, 1992, 1996, 2007 г г ), I, II, III международных конференциях «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 1994, 1996, 1998 г.г.); I, II, III, IV семинарах вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и тепло-
энергетике (Новосибирск, 1999 г., Томск, 2001г, Барнаул, 2003 г, Владивосток, 2005 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы использования канско-ачинских углей на электростанциях» (Красноярск, 2000 г.).
Личный вклад автора состоит* в непосредственном участии во всех исследованиях, в разработке методик экспериментов; в анализе и обобщении результатов; в соруководстве частью и научном руководстве большинством исследований, требовавших в силу своей трудоемкости привлечения соисполнителей; в единоличном определении построения и концепции диссертационной работы, в обосновании и формулировании основных положений и выводов, определяющих научную новизну и практическую значимость, в инициировании и определяющей роли при обосновании и формулировании сущности изобретений.
С целью расширения экспериментальной базы для обобщений диссертантом в соответствующих разделах работы привлечены с необходимыми ссылками данные, полученные С.К. Карякиным (химический фазовый анализ), Б В. Лебедевым (натурные исследования на котле БКЗ-420-140-9), И И. Федецким (натурные исследования на котле БКЗ-220-100 ЖШ), вклад диссертанта в которые состоял из участия в постановке задач, обсуждении методик и результатов.
В публикациях, включенных в список основных по теме диссертации, вклад диссертанта оценивается как определяющий
Публикации По направлению диссертационной работы автором опубликовано 140 работ, из них в списке основных в автореферате - 56, в том числе 3 монографии, 14 изобретений, 27 статей в рецензируемых журналах.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 345 наименований и приложений, изложена на 323 страницах основного текста, который содержит рисунков - 121, таблиц - 24, в приложениях на 37 страницах содержится 16 рисунков и 11 таблиц.
