Вплив термохімічної підготовки на властивості високозольного антрациту при його факельному спалюванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут газу

Дунаєвська Наталія Іванівна

УДК 662.66

Вплив термохімічної підготовки на властивості високозольного антрациту при його факельному спалюванні

Спеціальність 05.14.04 - промислова теплоенергетика

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Науково-технічному центрі вугільних енерготехнологій

НАН України та Міненерго України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Майстренко Олександр Юрійович, заступник директора Науково-технічного центру вугільних енерготехнологій НАН України та Міненерго України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Сигал Ісак Якович, Інститут газу НАН України, завідувач відділу;

кандидат технічних наук Гречаний Олександр Микитович, Науково-дослідний інститут теплоенергетики Міністерства енергетики України, директор.

Провідна установа:

Інститут проблем машинобудування ім.А.М.Підгорного НАН України, відділ моделювання теплових та механічних процесів (м.Харків)

Захист відбудеться 25 листопада 1999 р о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.255.01 в Інституті газу НАН України за адресою: 252113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39; т.446-44-71)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту газу НАН України (252113, м. Київ, вул. Дегтярівська, 39)

Автореферат розісланий “__22__” жовтня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Б.К. Ільєнко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан проблеми. За останні два десятиріччя в Україні значно погіршився стан твердопаливних теплових електричних станцій (ТЕС), що зумовлено моральним та фізичним спрацюванням збудованих у 1950-60-ті роки пиловугільних блоків; підвищенням середньої зольності енергетичного вугілля, яка досягла 34 %; необхідністю застосування в умовах спалювання непроектного палива імпортованих природного газу та мазуту. Все вищезазначене призвело до зниження к.к.д. цих енергоблоків до 25-28 %, а також збільшення питомих викидів забруднюючих речовин у довкілля.

Кризовий економічний стан галузі, широке залучення до паливно-енергетичного балансу незбагаченого вугілля, штибів та шламів потребують нагального впровадження в енергетику малозатратних високоефективних технологій їх спалювання, які можуть бути застосовані на вже існуючих пиловугільних котлоагрегатах.

Особливі труднощі виникають з використанням в них високозольного антрациту (ВЗА), що за своїми властивостями високометаморфізованого та забаластованого мінеральною складовою вугілля потребує створення найбільш сприятливих умов для займання та подальшого вигорання. Одним з найбільш ефективних методів поліпшення спалювання ВЗА в топках факельних котлоагрегатів є його термохімічна підготовка (ТХП) перед спалюванням, що полягає в швидкісному нагріванні та частковій газифікації твердого палива високотемпературним хімічно реагуючим теплоносієм (найчастіше продуктами згорання органічного палива). В результаті ТХП створюється двофазове паливо, що складається з летких, газоподібних продуктів газифікації та коксового залишку (КЗ) з властивостями, відмінними від властивостей первинного антрацитового пилу. Попередні дослідження ТХП стосувалися, головним чином, оптимізації режимних параметрів процесу, аналізу кількості та складу газової фази, підвищення стабільності та температури горіння двофазового палива, застосування ТХП для вугілля різного ступеню метаморфізму. При цьому не враховувалося, що при процесах піролізу та газифікації вугілля відбуваються зміни у фізико-хімічних характеристиках твердої фази двофазового палива, які суттєвим чином впливають на процеси займання та подальшого вигорання КЗ. Дослідженню цих змін для пиловидного антрациту, їх залежності від режимних параметрів ТХП, вмісту та розподілу мінеральної складової у вугіллі, а також впливу ТХП на характеристики займання КЗ і присвячена дисертаційна робота.

Актуальність роботи. Метод ТХП досліджувався та впроваджувався на енергетичних котлоагрегатах багатьма науково-дослідними організаціями країн СНД. Вважалося, що для розрахунку процесу достатньо знати ступінь газифікації вугілля, зміни реакційної здатності і кінцеву температуру двофазного палива та аеродинаміку потоку. При цьому не враховувалося, що в антрациті саме тверда фаза відіграє головну роль у процесах займання та подальшого вигорання. Для оптимізації цих процесів у топках котлоагрегатів необхідно вивчити вплив ТХП на характеристики КЗ. Це дозволить знайти оптимальні режими ТХП та використовувати характеристики КЗ в розрахунках процесу спалювання високозольного антрациту в топках реконструйованих з застосуванням ТХП пиловугільних котлоагрегатів.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких представлені в дисертації, виконані автором в рамках таких науково-дослідних робіт Науково-технічного центру вугільних енерготехнологій: Науково-технічна програма «Енергокомплекс», шифр завдання РН.01.06.Ц.04.04.01, тема «Розробити та дослідити спосіб попередньої газифікації низькоякісного вугілля стосовно його використання на електростанціях, розробити технічну документацію та створити дослідно-промислову установку повітряної газифікації низькоякісного вугілля» (Розпорядження Ради Міністрів УРСР № 282 від 14.05.81 р.); НДР «Розробка та дослідження пальникового пристрою з попередньою термообробкою вугілля для теплових електростанцій та газифікаційних установок» (відомча тематика НАНУ, протокол засідання Бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики № 7 від 03.12.90 р.); НДР «Дослідження методів газифікації та спалювання енергетичного забалансового вугілля у потоці та киплячому шарі під тиском з метою розробки технічного завдання на створення дослідно-промислових установок на твердому паливі» (відомча тематика НАНУ, протокол засідання Бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики №2 15 від 08.02.94р.).

Мета та задачі дослідження. Мета дослідження - вивчення впливу термохімічної підготовки антрацитового пилу на особливості його спалювання у топках енергетичних котлоагрегатів.

Для її здійснення у дисертаційній роботі були поставлені такі задачі:

1. Розробка методик визначення фізико-хімічних характеристик високозольних антрацитів.

2. Дослідження змін фізико-хімічних характеристик КЗ ВЗА після ТХП.

3. Дослідження змін складу газової фази двофазного палива після проведення ТХП.

4. Визначення впливу режимів ТХП на характеристики займання КЗ ВЗА.

5. Розробка рекомендацій з підвищення ефективності спалювання ВЗА з використанням ТХП.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Вперше проведено комплексне дослідження впливу ТХП пилу ВЗА на зміни його фізико-хімічних характеристик.

2. Дістало подальший розвиток визначення впливу кількості та розподілу мінеральної складової у антрацитовому пилу на температуру та час затримки займання як вихідного антрациту, так і КЗ у залежності від режимів ТХП.

3. Вперше отримано результати з впливу концентрації кисню в окислювачі на температуру та час затримки займання КЗ після ТХП.

4. Вперше знайдено ефект локального зменшення поверхні мікропор в зоні температур фазового переходу мінеральної складової.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Отримані функції розподілу часточок КЗ антрацитового пилу у залежності від режимів ТХП, котрі використовуються при визначенні дійсного дисперсного складу КЗ після ТХП у розрахунках процесів спалювання ВЗА в топках енергетичних котлоагрегатів.

2. Визначені розміри питомої поверхні мікро- та мезопор як пилу ВЗА, так і його КЗ після ТХП, котрі використовувалися при розрахунках впливу реагуючих поверхонь на процеси спалювання та газифікації часточок антрациту.

3. Розроблено рекомендації щодо застосування методу ТХП у пальниках пиловугільних котлоагрегатів, що спалюють антрацит.

Результати досліджень використані при розробці дослідно-промислової установки для спалювання та газифікації високозольного антрациту котла ТП-230-2 (станційний № 10) на Миронівській ТЕС , пальника для спалювання високозольного антрациту корпуса А котла ТПП-210А (станційний № 9) Зміївської ТЕС, пальника котла ТПП-210А ТЕС № 22 Мосенерго і пальникових пристроїв для модернізації факельних котлоагрегатів, що працюють на антрацитах погіршеної якості, розробкою яких займається Харківське Центральне конструкторське бюро Міненерго України.

Особистий внесок здобувача в опубліковані наукові праці полягає в: участі в проектуванні та модернізації дослідних установок та в проведенні на них експериментів; розробці методик; складанні планів досліджень; аналізі результатів розрахунків при математичному моделюванні процесів; обробці та аналізі отриманих результатів, а також написанні відповідних розділів статей.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень доповідалися на таких конференціях та семінарах: VIII Всесоюзному симпозіумі по горінню та вибуху (Ташкент, 1986), Міжнародній школі-семінарі «Проблеми тепло- та масообміну у сучасних технологіях спалювання та газифікації твердого палива» (Мінськ, 1988); Всесоюзному симпозіумі «Проблеми газифікації вугілля» (Красноярськ, 1991), Міжнародному семінарі «Member state technologies dedicated to help the energy self sufficiency process optimising the local resources such as coal» (Київ, 1997); американо-українській конференції «Ukraine Clean Coal Power Plant Upgrade Opportunities» (Kиїв, 1998); школі-семинарі «Підвищення ефективності спалювання АШ, П та флотоконцентрату з утилізацією золового залишку» (Київ, 1998); Міжнародній конференції «Проблеми промислової теплотехніки» (Київ, 1999); 2-ій Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми економії енергії» (Львів, 1999).

Публикації: Основний зміст дисертації опубліковано у 14 роботах, з них: 6 статей у фахових наукових журналах України, 2 статті - в періодичних наукових журналах країн СНД, 2 статті - у збірках наукових праць, 4 статті - в збірках міжнародних конференций.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел та додатків. Її загальний обсяг складає 180 сторінок, з них на 117 сторінках знаходиться основний текст, на 44 окремих сторінках - 4 таблиці і 37 малюнків, на 12 сторінках - список використаних джерел з 136 найменувань, на 7 сторінках - 7 додатків.

високозольний антрацит двофазний паливо

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першому розділі дисертації на основі аналізу літературних джерел розглянуто шляхи підвищення ефективності спалювання низькоякісного вугілля, у тому числі ВЗА. Розглянуто причини погіршення якості енергетичного вугілля, визначено умови, необхідні для його повного вигорання у топках факельних енергетичних котлоагрегатів, описано сучасні світові технології термічної переробки низькоякісного вугілля, показано місце ТХП серед методів удосконалення процесів спалювання високозольного вугілля, розглянуто переваги цього процесу.

Вугільні теплові електричні станції є на сьогодні базовими для енергетичної галузі, оскільки все інше паливо імпортується і ставить вітчизняну енергетику в залежність від його постачальників. За 1991-1998 рр. частка вугілля у паливно-енергетичному балансі ТЕС збільшилася з 31,3 до 52,5 %. Майже третину всього енергетичного вугілля складає антрацит. Усього на Україні на антрацитах працює 31 блок загальною встановленою потужністю 6,81 млн. кВт, на яких виробляється чверть всієї електричної енергії з органічного палива. Але і його якість постійно погіршується: так, у 1998 р. теплота згорання донецького антрациту, що постачався на ТЕС, досягла межі 19 МДж/кг. Питомі витрати умовного палива на антрацитових котлоагрегатах досягають 420-480 г/кВтгод замість 370 г/кВтгод за проектом. Все вищезгадане потребує нагальних заходів щодо підвищення ефективності спалювання такого антрациту.

Аналіз розгляду сучасних методів та технологій (пристроїв для їх реалізації) інтенсифікації спалювання низькоякісного вугілля в потоці показує, що при реконструкції діючих котлоагрегатів не можна знайти єдиного загального рішення. До застосовуваних нині в енергетиці методів покращення спалювання високозольного антрациту можна віднести: 1) спільне спалювання ВЗА з високореакційним рідким та газоподібним паливом з метою стабілізації процесу займання та покриття теплового навантаження перетину топки; така технологія приводить до першочергового вигорання газу чи мазуту, затягування допалювання вугілля у збіднені киснем зони топки, збільшення через це механічного недопалу, нераціонального використання імпортованих енергоносіїв; 2) зменшення розміру пилових частинок, що викликає перевантаження млинів, підвищення витрат на власні потреби, а також має об'єктивно встановлений мінімум подрібнення з точки зору агломерації; 3) збагачення, що характеризується при сучасному технічному стані та застосовуваних технологіях на збагачувальних фабриках (ЗФ) великими втратами вуглецю (до 20 % у відходах), невеликою кількістю ЗФ для перезбагачення одного з основних за обсягом виробництва сорту антрацитів - АШ (6 з 23), та підвищеними вимогами до густини та реологічних параметрів важких рідин при його гравітаційному збагаченні.

До сучасних технологій спалювання високозольних антрацитів відносяться спалювання у плечовій (U-подібній) топці, у плавильних передтопках та у різних модифікаціях киплячого шару. Застосування цих технологій, кожна з яких має свої переваги та недоліки, потребує значних витрат на реконструкцію або нове будівництво котлоагрегатів (450-1100 дол. США за 1 кВт встановленої електричної потужності).

Одним з маловитратних альтернативних шляхів підвишення ефективності спалюваня ВЗА є термохімічна підготовка (мал. 1). Як правило, процес ТХП проводять у окремому пальниковому пристрої, що встановлюється на місці штатного пальника котлоагрегату. Впровадження цього методу потребує невеликих витрат на реконструкцію (150-200 дол. США на 1 кВт), а його застосування по ефективності горіння можна порівняти із плечовими топками та плавильними передтопками. До основних переваг ТХП слід віднести можливість використання в існуючих пиловугільних котлоагрегатах антрацитів непроектної зольності (до 30 %), можливість коливань зольності антрациту на робочому режимі, збільшення діапазону регулювання навантажень котлоагрегату, що працює на ВЗА.

Провідними науковими організаціями у галузі спалювання вугілля у колишньому СРСР, такими як ВТІ, ВЗПІ, ІВТАН, Сибірське відділення АН, КазНДІЕнергетики, ПівденВТІ та ін., було проведено ряд досліджень режимних параметрів процесу, складу та температури газової фази двофазного палива, запропоновані конструктивні рішення пальникових пристроїв для його реалізації та досліджено їх аеродинамічні характеристики. Але при цих дослідженнях практично ніколи не аналізувалася тверда складова двофазного палива, яка для високометаморфізованого ВЗА відіграє основну роль у процесах займання та подальшого горіння. Метод ТХП у всіх проведених лабораторних та промислових експериментах приводив до стабілізації займання та підвищення повноти вигорання. Очевидно, що ці позитивні результати є сумарним ефектом численних фізичних та хімічних процесів (враховуючи складність вугілля як багатокомпонентного та неоднорідного палива). Встановлено, що в результаті ТХП змінюється дисперсний склад, питома поверхня, реакційна здатність, характеристики займання, літологічний склад та ін. Необхідність вивчення змін цих характеристик високозольного вугілля в результаті ТХП зумовила основні задачі дисертації, що названі у загальній характеристиці роботи.

У другому розділі описано установки, на яких проводилося дослідження процесу ТХП, методики експериментів, аналізів та розрахунків отриманих даних. Експерименти з вивчення змін у газовій фазі двофазного палива та КЗ пилоподібного антрациту після його ТХП в залежності від режимів процесу проводилися на установці ВГП-100В (мал. 2) продуктивністю 100 кг вугілля за годину. Установка ВГП-100В є експериментальним комплексом, до якого входять реактор, система підготовки та подачі вугільного пилу, система відведення та допалювання продуктів газифікації та контрольно-вимірювальна апаратура, що з'єднана з комп'ютерним обчислювальним центром. ВГП-100В має камеру згорання природного газу, циліндричний вертикальний водоохолоджуваний теплоізольований зсередини футеровочною масою реактор довжиною 4,2 м та діаметром 0,2 м. Реактор близький до адіабатичного, забезпечує час перебування вугільних частинок до 1 с. Система приготування та подачі вугільного пилу містить струменевий млин, бункер вугілля, аераційний живитель та зонд для подачі вугільного пилу до реактора. Газоаналізатором у складі установки є мас-спектрометр МХ 1215, який дозволяє безперервно реєструвати склад газоподібних продуктів в реакторі. Дослідження динаміки конверсії вуглецю проводилося таким чином: по газовому аналізу в кінці реактору розраховувалася ступінь конверсії вуглецю: Х = 12W/(Gвуг С r), де Gвуг - витрата вугілля, кг/год; С r -частка вуглецю на робочу масу вугілля.

Швидкість конверсії вуглецю

кмоль/год, де n0i - об'ємна доля компонентів на виході до подачі вугілля; ni - об'ємна доля компонентів на виході при подачі вугілля; G - витрата повітря, нм3/год.

З іншої сторони, за аналізом якості вугілля та КЗ ступінь конверсії вуглецю Х визначалася вирішенням рівнянь балансу по вуглецю та золі:

де А rKЗ, А r, C rKЗ, C r - частка золи та вуглецю на робочу масу коксового залишку та вугілля відповідно.

Час перебування вугільних частинок у реакторі розраховувався за середньою в перерізі швидкістю газового потоку з урахуванням його температури.

Установку для дослідження критичних умов займання вугільного пилу зображено на мал. 3. Вона складається з ізотермічної печі внутрішнім діаметром 25 мм та довжиною 600 мм, що обладнана системою пневматичного вприскування зваженої порції вугільного пилу. Для створення в печі окислювального середовища заданого складу на установці передбачено рампу з газових балонів із змішувачем для створення однорідної суміші, а також піччю для попереднього підігріву цієї суміші. Займання частинок фіксувалося як візуально, так і за допомогою фотодіоду, що був підключений до входу шлейфного осцилографу. Температура газового середовища у печі реєструвалася за допомогою термопар, а температура дисперсної фази - за допомогою швидкодіючого двохпроменевого пірометра. Методика проведення експерименту містить визначення температури самозаймання частинок вугілля та часу затримки їх самозаймання в залежності від складу вугілля, розміру частинок, їх масової концентрації та складу окислювача. Розрахунок масової концентрації антрацитового пилу, що вприскувався у реакційний об'єм, проводився за формулою, що отримана в наближенні П-подібного профілю концентрації пального по перетину реакційної камери

де М0 - маса порції вугільного пилу, що вприснуто; D0 - диаметр реакційної камери; L - відстань, що її пройдено переднім фронтом пилової хмари; t - час формування пилової хмари.

Час затримки займання визначався або за допомогою швидкісної кінозйомки від моменту вприскування порції вугільного пилу до моменту появи перших осередків займання або за допомогою фотодіоду, який реєструє інтенсивність світіння хмари вугільного пилу, сигнал з фотодіоду подавався на шлейфний осцилограф.

При проведенні досліджень на вищевказаних установках з метою аналізу експериментально отриманих зразків КЗ крім стандартних методів аналізу вугільної речовини використовувалися деякі спеціальні методики: визначення гранулометричного складу вугільного пилу оптичними методами; розділення вугільного пилу у важких рідинах; дослідження порової структури вугільних частинок та інші.

У третьому розділі викладено результати експериментальних досліджень впливу ТХП на зміни властивостей двофазового палива та умови його займання та подальшого вигорання. Як об'єкт досліджень використовувався пил донецького антрациту різного дисперсного складу та вмісту золи (678%). За основний параметр, що характеризує процес ТХП, взято коефіцієнт надлишку газифікуючого агенту , що враховує склад та співвідношення витрат високотемпературних продуктів згорання та антрацитового пилу.

Зміни дисперсного складу. Ситовий аналіз вихідного антрацитового пилу стандартного помолу показує, що лише декілька процентів його мають розмір частинок менше за 50 мкм, тоді як КЗ після ТХП в усьому дослідженому диапазоні (0,12,6) має біля 50 % частинок з 50 мкм. Структурні зміни вугільного пилу, відображені кривими розподілу, близькими до функції Розіна-Раммлера, представлені на мал. 4. Чим вище значення , тим більша кількість та розміри агломератів, що утворені шляхом злипання розм'якшеної мінеральної складової із незначними включеннями вуглецю. Їх густина становить 23002500 кг/м3. При визначених режимах у коксовому залишку в значній кількості (до 10 %) міститься надлегка фракція, що складається із порожнистих скляних сфер з А 98 %. Аналіз вихідного вугільного пилу та його КЗ за розмірами у класі 050 мкм (мал. 5), проведений методами оптичного кількісного аналізу, виявив різницю у їх розподілі. У КЗ цей клас містить біля 90 % частинок розміром 525мкм або чисто вуглецевих, або мінеральних, що свідчить про розвал вуглецево-мінеральних зростків з більших за розмірами класів по границі вуглець-мінеральна складова. З вищенаведеного випливає, що тверда фаза, отримана в результаті ТХП, складається: з більшої кількості менших за розмірами вугільних частинок, в яких майже відсутні леткі та волога; з новостворених високозольних агломератів, кількість і розмір яких тим вищий, чим вище . Ефект терморозвалу як результат дії теплового удару при ТХП позитивно впливає на процес спалювання антрациту, збільшуючи його зовнішню поверхню та зменшуючи витрати на подрібнення.

Зміни у поровій структурі. Проведені дослідження дозволили встановити зміни розмірів мікропор ( 1,5 нм) та мезопор (1,520 нм) у КЗ після ТХП. Для визначення питомої поверхні мікропор () застосовувався метод адсорбції водяної пари, а для мезопор () - метод термодесорбції аргону. Результати досліджень показали, що на зміни у поровій структурі пилоподібного антрациту впливають як швидкість нагрівання, так і кінцева температура газовугільної суміші. Характерним для антрацитового пилу є розвинена мікропорова структура (для рядового помолу -100103 м2/кг та вище). Питома поверхня мезопор на порядок нижча та має тенденцію до збільшення з ростом вмісту золи. Враховуючи, що зразки з високою зольністю складаються з вуглецево-мінеральних зростків та з частинок, що практично не вміщують органічних речовин, підвищення питомої поверхні мезопор високозольних зразків пояснюється наявністю розвиненої системи мезопор між мінеральною та вуглецевою складовими. Зміни у поровій структурі вугілля при його повільному нагріванні (10 K/хвил) значною мірою відрізняються від змін при тепловому ударі, оскільки у другому випадку хімічні та фізичні процеси, що протікають у часі, накладаються, що впливає на формування відмінної порової структури. при ТХП з = 0,13,0 в значній мірі залежить від останнього: при 0,4 для коксового залишку на 20-50 % більша, ніж у вихідного антрацитового пилу, що є результатом звільнення поверхні мікропор від адсорбованих летких та їхній розробці за рахунок внутрішньопорового реагування. У діапазоні 0,150,25 в інтервалі температур пластичного стану мінеральної складової (1370-1770 К) зміни у питомій поверхні мікропор мають екстремальний характер, що пояснюється результуючою дією двох конкуруючих процесів - розробки мікропор при частковій газифікації та шлакування їх розплавленою мінеральною складовою. Багаторазові експерименти із зразками антрацитового пилу, що відрізнялися вмістом золи та функцією розподілу за розмірами, показали істотний вплив шлакування на відносне зменшення питомої поверхні мікропор, що характерне для ступеня конверсії вугілля Х 0,2. Із зростанням Х до 0,2 поверхня мікропор знову збільшується у результаті часткової газифікації. При подальшому підвищенні Х (наприклад, у процесах газифікації при =13) відбувається злиття мікропор та зниження . З метою збільшення реагуючої поверхні при проведенні ТХП його режимні параметри повинні відповідати такому ступеню конверсії, при якому процеси розробки порової структури переважають процеси їх злиття та дезактивації

Питома поверхня мезопор при всіх досліджених режимах ТХП ( 0,8) у 5-10 разів більше від вихідної; при цьому кінцевий температурний рівень двофазного палива майже не впливає на значення , коливання яких знаходиться в межах похибки методу.

Розподіл мінеральної та органічної складових у вихідному антрацитовому пилу та КЗ після ТХП. Не тільки хімічний склад ВЗА, але й характер з'єднання мінеральної та органічної частин впливає на процес горіння ВЗА, оскільки гетерогенний процес взаємодії кисню повітря з вугіллям залежить від доступності вуглецевої поверхні. Експерименти з впливу ТХП на розділення мінеральної та органічної складових в антрацитовому пилу проводилися у вузьких розмірних фракціях по густині важких рідин. Враховуючи підвищену густину органічної частини антрациту (до 1600 кг/м3) та присутність в ній «материнської» золи за характерну (для розподілу на мінеральну та органічну частини) густину важкої рідини обрано 1800 кг/м3. При визначенні впливу ТХП на процес розділення було виявлено (мал. 7) тенденцію до збільшення вмісту «чистого» вуглецю у КЗ. При розділенні вихідного антрацитового пилу та КЗ у важких рідинах різної густини (1500 2200 кг/м3) було визначено наявність у суміші часточок трьох класів: «чистого» вуглецю (В) - з А 10%, «вуглецево-мінеральних» (ВМЗ) - з 30%А60% та «мінерально-вуглецевих» (М) - з А 80 %, перші з яких являють собою вуглець із включеннями «материнської» золи; другі - суміш вуглецю та мінеральної частини у вказаному діапазоні зольності, а треті - рідкі вуглецеві включення у мінеральному масиві. Масова частка класу М в усьому діапазоні розмірів вихідного антрацитового пилу (0160 мкм) у КЗ при 0,1 0,3 зменшується. При цьому значно підвищується зольність класу М, що пов'язано як з відділенням частини вуглецю чи зростків при тепловому ударі та переходом їх до класів В чи ВМЗ, так і з агломерацією мінеральної складової при 0,2. У таблиці наведено зміни у складі мінерально-вуглецевих зростків антрацитового пилу в залежності від режимів ТХП.

Таблиця

Аналіз отриманих результатів показав, що у всьому інтервалі розмірів антрацитового пилу найбільший вихід вуглецевих часточок може бути досягнутий при 0,15. При менших значеннях процеси термоподрібнення виражені менше і фракційний розподіл ближче до вихідного. При 0,15 процеси термодеструкції інтенсифікуються, але, як видно з аналізу ступеню конверсії вуглецю при Т 1573 К, значну роль починає відігравати хімічне реагування КЗ, в результаті чого зменшуються розміри частинок та підвищується вміст золи. Експериментальні дослідження впливу часу перебування частинок вихідного антрацитового пилу у реакторі на розділення мінеральної та органічної складових показав, що у всьому дослідженому інтервалі часу (до 0,3 с) цей процес не закінчувався.

Вплив ТХП на займання вугілля в потоці. Експерименти проводилися на установці, що зображена на мал. 3. Як об'єкт досліджень використовувався антрацитовий пил, окремі його фракції, які були отримані розділенням по густині, а також КЗ після ТХП. Для виявлення впливу характеристик з'єднання золи з органічною складовою на температуру його займання (Тз) дані по концентрації палива в реакційному об'ємі Сп були перераховані на концентрацію його вуглецевої складової Ссп = (1- Ari/100)Сп (мал. 8). Для всіх зразків з зольністю до 40% в межах похибки методу виявлена єдина залежність Тз від Ссп . Подальше зростання зольності (зразок з Ari=77,6%) ускладнює займання пилу ВЗА, що було також підтверджено експериментами по займанню частинок ВЗА більшого розміру (1,01,6 мм) при суттєво іншій організації процесу - в киплячому та фонтануючому шарах. Цей результат можна пояснити розподілом мінеральної складової у високозольних частинках та її розплавленням з утворенням захисної плівки і додатковим скороченням в результаті цього реагуючої поверхні. Експериментальне дослідження часу затримки займання з.з антрацитового пилу показало, що при Сп = 0,05-0,25 кг/м3 з.з обернено пропорційне концентрації палива та практично лінійно зростає при збільшенні розмірів частинок (мал. 9). При заданій початковій температурі газу підвищення зольності зразка значно змінює з.з: так, при Тг= 1380 К та Сп = 0,36 кг/м3 зміна Ari з 6,9% до 77,6% привела до зростання з.з з 30 до 130 мс. Підвищення питомої поверхні КЗ після ТХП не впливає на температуру його займання, але зменшує з.з. Про це ж свідчать результати тестів по високотемпературному окисленню (Т = 679-860 К) рівномасових зразків вихідного антрацитового пилу та КЗ. Встановлено, що у всьому інтервалі температур відносна швидкість окислення зразків КЗ у перші 10-15 мс значно вище, після чого ці швидкості вирівнюються. Експериментально встановлено, що час затримки займання КЗ на 20-30% нижчий, ніж для вихідного антрацитового пилу. Зміна мольної долі кисню у окислювачі від 21 % до 11 % підвищила Тз як КЗ, так і вихідного антрациту на 120-170 К в залежності від масової концентрації вугільного пилу (Сп = 0,15-0,35 кг/м3).

Зміни у складі газової фази двофазного палива в залежності від режимів ТХП. Аналіз отриманих експериментальних результатів показує, що при ТХП пилоподібного антрациту у продуктах згорання органічного палива можна отримати 3-9 % (об.сух.) горючих газів (СО+Н2+СН4), що в 1,5-2 рази вище, ніж при нагріванні пилоподібного антрациту в повітряному середовищі. В той же час цієї кількості горючих газів недостатньо для суттєвого покращення умов займання, тому найбільший внесок в інтенсифікацію займання та горіння КЗ ВЗА після ТХП робить збільшення реакційної здатності твердої фази. Із зростанням частки газифікуючого агенту в інтервалі 0,10,3 зростає і ступінь конверсії антрациту в процесі ТХП, що вимірювалася по газовій фазі, досягаючи значень Х = 0,2, що відповідає максимальній розробці порової структури для антрацитів.

У четвертому розділі подано результати експериментальних досліджень, проведених на промислових установках та пальникових пристроях енергетичних котлоагрегатів, а також наведено рекомендації по застосуванню метода ТХП при розробці пальників для спалювання антрацитового пилу підвищеної зольності. Промислові дослідження відрізнялися від лабораторних не тільки масштабами установок, але й паливом для виробництва газифікуючого агенту, діапазоном зміни вмісту золи в антрацитовому пилу, можливістю дослідити: згорання двофазного палива безпосередньо в топці енергетичного котла; вплив конструкції пальникового пристроя на реалізацію оптимальних умов ТХП; результати застосування методу ТХП для спалювання висозольного антрациту в зміні загальних характеристик котлоагрегату. Промислові дослідження проводилися на установках котла ТП-230-2 Миронівської ДРЕС та ТПП-210А Зміївської ДРЕС. На Миронівській ДРЕС*^* Дослідження термохімічної підготовки пилоподібного антрациту на дослідно-промисловій установці Миронівської ТЕС проводились під науковим керівництвом д.т.н.Носача В.Г. та к.т.н.Чмеля В.М. дослідження процесу ТХП проводилися із застосуванням для виробництва газифікуючого агенту мазуту марки М-100. Об'єктом досліджень був антрацитовий пил зольністю Ari = 24-40%. Співвідношення мас мазуту та вугілля становило 0,01-0,05 кг/кг ( 0,25). Витрати вугілля на установку становили до 5 т/год. В проведених експериментах спостерігалося зростання температури горіння, збільшення концентрації СО2 та зменшення концентрації О2 за перерізом пальника після ТХП, що характеризує підвищення швидкості горіння КЗ ВЗА. Балансові випробування котлоагрегату, що їх було проведено ДонОРГЕС, показали (при роботі на котлі лише однієї установки) зменшення вмісту вуглецю в уносі з 36 до 24 %, витрат мазута на пальник - у 3 рази. Промислові випробування вихорового стабілізатора горіння (ВСГ), що був складовою частиною штатного пальника котла № 9 корп.А Зміївської ТЕС, показали можливість застосування такої конструкції пристроя ТХП, коли основний пальник та котел реконструкції не підлягають. Конструкція та режимні параметри ВСГ дозволили: здійснити попередню газифікацію такої частки вугільного пилу, яка відповідала звичайному підсвічуванню факела природним газом аба мазутом (по теплу); забезпечити час реагування в процесі ТХП до 0,2 с; забезпечити пальнику температурний режим, що дозволив застосовувати звичайні матеріали. В ході випробувань зафіксовано такі параметри роботи ВСГ: витрати вугільного пилу на пальник 2,0-2,5 т/год; температура двофазного палива 1070К; витрати газу 130-150 нм3/год, при цьому сепарація пилу та його горіння в «завитці» або трубі відсутні; шлакування тракту ВСГ відсутнє; займання пилу на вході в котел стабільне, сепарації пилу на под топки та зашлаковки льоток немає.

Проведені в лабораторних та промислових умовах експериментальні дослідження ТХП показали, що необхідно в результаті проведення процесу одержати таку температуру двофазного палива, яка б, як мінімум, дорівнювала температурі самозаймання пилоподібного антрациту даної зольності та концентрації пилу у топці, а, як максимум, не перевищувала температуру рідкоплавкого стану мінеральної складової антрациту. При цьому не повинні перевищуватись: 0,15-0,2 та Х=0,2. Метод ТХП може бути застосований і для антрацитів зольністю 30 %, але це вимагає збільшення потужності системи пилопідготовки та перехід ії на схему з промбункером та пилоконцентратором. З урахуванням зниження швидкості реакції горіння високозольного антрациту, треба також підвищити час перебування вугілля в топці.

ВИСНОВКИ

На основі результатів проведених на лабораторних, напівпромислових та промислових установках комплексних досліджень встановлено вплив термохімічної підготовки ВЗА на режими його спалювання в топках енергетичних котлоагрегатів, визначено основні закономірності та виявлено особливості зміни фізико-хімічних характеристик пилоподібного антрациту різної зольності в процесі ТХП, а також встановлено вплив цих змін на характеристики займання пилоподібного ВЗА. Це дозволило розробити технологічні схеми процесу ТХП та реалізувати їх в енергетичних котлоагрегатах, що сприяє вирішенню важливої прикладної проблеми - створенню малозатратних високоефективних технологій енергетичного використання високозольного антрациту.

Встановлено функції розподілу за розміром пилоподібних частинок високозольного антрациту та його коксового залишку після ТХП, вивчено вплив кінцевої температури двофазного палива (режимних параметрів процесу) на цей розподіл, виявлено кількісні та якісні зміни складу фракцій менших 50 та більших 100 мкм.

Встановлено розподіл частинок первинного вугільного пилу та його КЗ після ТХП на «вуглецеві», «вуглецево-мінеральні» та «мінерально-вуглецеві» зростки та встановлено інтервали вмісту золи в цих групах.

Показано, що при термодеструкції подрібнення відбувається в основному по границі вуглець-мінеральна складова, що збільшує як міру доступності реагуючої поверхні, так і кількість вуглецевих частинок, що сприяє покращенню умов займання та повного вигорання високозольного антрациту у факелі. Встановлено, що зміни умов займання та вигорання ВЗА пов`язані, в основному, із зміною структури вуглецево-мінеральних зростків, оскільки їх термодеструкція робить найвагоміший внесок у збільшення кількості частинок чистого вуглецю у коксовому залишку.

Встановлено, що одночасно із збільшенням зовнішньої поверхні частинок ВЗА відбувається також збільшення питомої внутрішньої поверхні, доступної на стадії займання молекулам СО2 та О2; з`ясовано, що цей процес є підсумковим чотирьох конкуруючих процесів: збільшення питомої поверхні за рахунок термодеструкції; розробки внутрішньої питомої поверхні за рахунок часткової газифікації; дезактивації реагуючої поверхні за рахунок зменшення активних центрів при зростанні температури; локального зменшення питомої поверхні мікропор в інтервалі температур фазового переходу мінеральної складової.

Визначено, що в результаті проведення процесу ТХП ВЗА зменшується час затримки займання за рахунок збільшення швидкості хімічного реагування КЗ.

Встановлено суттєве погіршення умов займання пилоподібних антрацитів та їх коксового залишку після ТХП в факелі при рівні зольності, що перевищує 40%, за рахунок збільшення у вугіллі вмісту вуглецево-мінеральних та мінерально-вуглецевих зростків.

Встановлено вплив ТХП на склад газоподібної фази двофазного палива, що утворюється в результаті ТХП, визначено залежність цього складу від режимних параметрів ТХП.

Експериментально визначено оптимальні значення температури ТХП, коефіцієнту надлишку газифікуючого агенту та ступеню конверсії ВЗА, що забезпечують найкращі умови запалення та подальшого вигорання ВЗА

Метод ТХП реалізований на: демонстраційній установці Миронівської ТЕС, в результаті проведених досліджень показано можливість поліпшення експлуатаційних характеристик котлоагрегата та економії газу та мазуту при спалюванні ВЗА з ТХП; на пальниковому стабілізаторі горіння котла Зміївської ТЕС, робота якого підтвердила ефективність процесу при даному конструктивному вирішенні пристрою з використанням ТХП ВЗА.

Розроблено рекомендації по підвищенню ефективності спалювання ВЗА з використанням методу ТХП.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Дунаевская Н.И. Влияние термохимической подготовки пыли антрацита на изменение ее характеристик //Экотехнологии и ресурсосбережение.- 1999.- №2.- С.10-15.

Дунаевская Н.И., Корчевой Ю.П., Майстренко А.Ю. Термохимическая подготовка как способ повышения эффективности сжигания антрацита // Вісник Держ. університету “Львівська політехніка”: Спец. випуск “Проблеми економії енергії”. - №2. - Львів. - 1999. - С. 28-34.

Дунаевская Н.И., Майстренко А.Ю., Вовчук Я.И. Воспламенение пыли высокозольного антрацита и влияние его термохимической подготовки на характеристики процесса //Экотехнологии и ресурсосбережение.- 1999.- №2.- С.76-79.

Дунаевская Н.И., Песочин В.Р. Изменения концентрации диоксида углерода в процессе термохимической обработки твердого топлива // Промышленная теплотехника. - 1989. -Т.11, №5. - С.102-107.

Корчевой Ю,П., Дунаевская Н.И., Майстренко А.Ю., Вовчук Я.И. Изменение характеристик коксозольного остатка антрацита в процессе термохимической подготовки // Промышленная теплотехника.- 1999. - Т.21, № 6. - С. 21-26.

Чернявский Н.В., Дунаевская Н.И. Вольчин И.А. Повышение эффективности газификации в потоке за счет высокоскоростного нагрева угольных частиц // Энергетика и электрификация. - 1991.- №4.- С. 42-44.

Чмель В.Н., Дунаевская Н.И., Огий В.Н., Барбышев Б.Н. Повышение эффективности сжигания низкосортных топлив методом термохимической обработки // Изв. вузов. Сер. Энергетика.- 1985.- №3.- С. 96-98.

Дунаевская Н.И., Песочин В.Р., Толмачев И.Я. Расчет газификации углеродных частиц диоксидом углерода. // Химия твердого топлива - 1986.- №6.- С. 118-122.

Чмель В.Н., Дунаевская Н.И., Огий В.Н., Сиваченко А.А. Использование метода термохимической обработки для сжигания низкокачественных углей Труды УІІІ Всесоюз. симпоз. по горению и взрыву. Проблемы теплоэнергетики. - Ташкент - Черноголовка, 1986.- С. 97-99.

Дунаевская Н.И. Исследование изменения состава пыли антрацитового штыба при ее термообработке // Высокотемпературное преобразование энергии: Сб. научн. трудов. - К.: ИПЭ АН УССР. - 1989. - С. 109-110.

Dunayevskaya N., Roskolupa A, Chernyavsky N. Coal waste. Review of resources and possibilities of utilisation //Proc. of Seminar Commission of the European Committies Directorate General for Energy "Member State Technologies Dedicated to Help the Energy Self Sufficiency Process Optimising the Local Resources Such as Coal" (DGXVII). - Kiev (Ukraine). - 1997. - Р.190-204.

Maystrenko A.Yu., Dunaevskaya N.I., Freeman M.C. Report on Pulvirised Combustion of Ukrainian Anthracite // Proc. of Ukraine-US joint conf. on Ukraine Clean Coal Power Plant Upgrade Opportunities. - Kiev (Ukraine): USAID. - 1997. P. 89-96.

Гринь И.Г., Дунаевская Н.И., Жолудов Я.С. Повышение реакционной способности высокозольного антрацитового штыба путем предварительной термической обработки. // Проблемы тепло- и массобмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива. - Ч.1. Материалы Междунар. школы-семинара. - Минск: Ин-т тепло- и массобмена АН БССР. - 1988.- С.126-133.

Чернявский Н.В., Дунаевская Н.И. Динамика конверсии малометаморфизированных углей при газификации в потоке // Труды Всесоюзного симпозиума «Проблемы газификации углей», Красноярск: Ин-т КАТЕКНИИУГОЛЬ.-1991.-С.76-83.

АНОТАЦІЯ

Дунаєвська Н.І. Вплив термохімічної підготовки на властивості високозольного антрациту при його факельному спалюванні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.04 - промислова теплоенергетика.- Інститут газу НАН України, Київ, 1999.

Дисертацію присвячено дослідженню процесу термохімічної підготовки (ТХП) високозольного антрациту (ВЗА), що дозволяє поліпшити умови займання та горіння ВЗА при його факельному спалюванні з суттєвою економією допоміжних природного газу та мазуту. ТХП дозволяє зменшити середній розмір частинок ВЗА, додатково розділити його мінеральну та органічну складові, збільшити внутрішню питому поверхню частинок, частково газифікувати ВЗА. В роботі досліджено вплив режимних характеристик ТХП на кожний з перелічених показників. Встановлено та апробовано в промисловому масштабі оптимальні режимні характеристики ТХП для одержання двофазового палива з найкращими властивостями займання та горіння в топках котлоагрегатів ТЕС. Показано, що зменшення часу затримки займання ВЗА після ТХП зумовлене головним чином збільшенням реагуючої поверхні частинок. Розроблено рекомендації з використання ТХП при факельному спалюванні ВЗА.

Ключові слова: високозольний антрацит, факельне спалювання, термоподрібнення, питома поверхня, часткова газифікація, температура займання, час затримки займання.

ABSTRACT

Dunaevskaya N.I. Impact of pulverised anthracite thermo-chemical preparation upon the changes of its properties. Manuscript.

Thesis for candidat's degree by speciality 05.14.04 - Heat Power Industry.- The Gas Institute of National academy of sciences of Ukraine, Kiev, 1999.

The dissertation is devoted to the investigation of the thermochemical preparation (TCP) process, which enables to improve ignition and burning conditions of high-ash anthracite (HAA) when pulverised combustion, having appreciable economy of supplementary natural gas and oil feeding. TCP lets to decrease average HAA particle size, to break down additionaly its organic and mineral parts, to increase specific intrinsic surface of particles, to perform partial HAA gasification. The influence of TCP regime conditions on every characteristic noted above has been studied. The optimal TCP regime conditions for two-phases fuel producing with the best ignition and combustion properties have been established and approved at industrial-scale plants. It was demonstrated that HAA delay time of ignition decreasing after TCP was mainly due to the particles' reactive surface increasing. The recommendations were worked out for TCP application when HAA pulverized combustion at thermal power plant.

Key words: high-ash anthracite, pulverized combustion, thermochemical preparation, partial gasification, thermocrushing, specific surface, ignition temperature, delay time of ignition.

АННОТАЦИЯ

Дунаевская Н.И. Влияние термохимической подготовки на свойства высокозольного антрацита при его факельном сжигании.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.04.- промышленная теплоэнергетика. - Институт газа Национальной академии наук Украины, Киев, 1999.

В диссертации рассмотрено влияние на изменение свойств высокозольного антрацита Донецкого месторождения одного из наиболее эффективных методов стабилизации процессов воспламенения и повышения полноты выгорания украинских высокозольных антрацитов (ВЗА) в топках котлоагрегатов ТЭС -термохимической подготовки (ТХП) угля перед его сжиганием. Применение этого процесса позволяет подавать в топку двухфазное топливо с физико-химическими характеристиками, значительно отличающимися от характеристик исходной угольной пыли. Термохимическая подготовка позволяет уменьшить средний диаметр частиц, увеличить внутреннюю удельную поверхность пор, разделить дополнительно органическую и неорганическую компоненты в угле, частично его газифицировать. В работе исследованы закономерности протекания каждой составляющей этого процесса: установлены функции распределения частиц ВЗА и его коксового остатка (КО) после ТХП; определена зависимость удельной поверхности микро- и мезопор антрацита и его КО от режимов ТХП; рассмотрены изменения в составе и количестве минеральной, органической составляющих, а также углеминеральных сростков.

Исследованы характеристики воспламенения высокозольных пылевидных антрацитов: температура и время задержки воспламенения- в зависимости от его зольности, концентрации угольной пыли и содержания кислорода в окислителе, а также влияние на этот процесс предварительной термохимической подготовки антрацита. Установлено повышение температуры воспламенения пыли антрацита с ростом содержания золы. Термохимическая подготовка уменьшает время задержки воспламенения на 20-30% по сравнению с исходным антрацитом.

Испытания, проведенные в промышленных условиях, показали снижение концентрации кислорода и повышение температуры факела за срезом горелки, уменьшение количества горючих в уносе и повышение в результате к.п.д. котлоагрегата.

Ключевые слова: высокозольный антрацит, пылевидное сжигание, термохимическая подготовка, термодробление, удельная поверхность, температура воспламенения, время задержки воспламенения.

Размещено на Allbest.ur