Плазменные технологии термохимической подготовки низкосортных углей в решении проблем по повышению экономической эффективности сжигания топлива и снижению выбросов вредных газов.

 

В теплоэнергетике в целях улучшения показателей воспламенения и стабилизации горения низкосортного пылеугольного топлива, имеющего низкий уровень выхода летучих веществ, а также обладающего высокой зольностью применяются следующие основные методы:

1) повышение тонины помола (до R90=6-8%);

2) высокий подогрев аэросмеси (угольная пыль + первичный воздух) до 410К и вторичного воздуха до 673К;

3) подача угольной пыли высокой концентрации (до 50 кг/кг) с последующим ее подогревом;

4) совместное сжигание пылеугольного топлива и мазута.

Однако во время эксплуатации топочных устройств эти методы сопровождаются значительными недостатками, которые связаны с определенными трудностями при их рациональном использовании. К примеру, уменьшение размера угольных частиц, т.е. увеличение тонины помола, вызывает дополнительные затраты энергии на пылеприготовление, и, как результат, снижает КПД котла. Перевод аэросмеси на температуру свыше 410К, а также вторичного воздуха до 673К вызывает пожароопасную ситуацию при работе энергетической установки.

На сегодняшний день, существует такая технология сжигания пылеугольного топлива, которая в значительной мере позволяет ликвидировать, описанные выше, недостатки высокотемпературного сжигания угольной пыли. Эта технология основана на методе термохимической обработки топлива, который позволяет широко воздействовать на реакционную способность топлива и тем самым стабилизировать процесс тепломассопереноса при горении, а также повысить его интенсивность.

Плазменные технологии терохимической подготовки топлива применяются с целью повышения экономической эффективности использования твердого топлива, а также снижения выбросов вредных веществ в атмосферу.

Использование высокоэффективной экологически чистой плазмохимической технологии получения высокореакционного топлива из низкосортных твердых топлив позволяет исключить из баланса ТЭС дорогостоящий и дефицитный мазут и природный газ, которые традиционно используются для растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела.

 

5.1 Технология термохимической подготовки пылеугольного топлива к сжиганию

 

Термохимическая подготовка пылеугольного топлива к сжиганию осуществляется следующим образом. Аэросмесь подается через пылепровод к горелке. Обычно аэросмесь подается в горячую топочную камеру с температурой T~350К, в которой она нагревается и воспламеняется. При оснащении горелочного устройства плазмотроном, аэросмесь нагревается плазменным факелом в объеме горелки еще до выхода в топочную камеру (рисунок 19).

При прохождении угольной пыли с воздухом через плазмотрон, из него выделяются летучие вещества и газифицируется коксовый остаток, после чего они начинают окисляться кислородом первичного воздуха аэросмеси, что приводит к дополнительному нагреву реагирующего потока аэросмеси. При этом углерод газифицируется до СО, а не до СО₂, благодаря заданному коэффициенту избытка воздуха в аэросмеси (0,3-0,5 от стехиометрического соотношения).

 

Рисунок 19 - Плазмотрон и схема его установки на прямоточной горелке

 

В результате на выходе из горелочного устройства, оборудованном плазменно-топливной системой образуется высокотемпературный реагирующий поток углеродсодержащих частиц и газообразных продуктов плазменной термохимической подготовки аэросмеси с температурой ~1300К. При этом, независимо от того, что в качестве топлива используется высокозольный уголь, получается высокореакционное двухкомпонентное топливо. Перемешиваясь с вторичным воздухом в топочной камере, это топливо интенсивно воспламеняется и устойчиво горит без мазута или газа, часто используемых для воспламенения и стабилизации горения низкосортных пылеугольных потоков при обычном горении.

 

5.2 Метод 3D- компьютерного моделирования процесса тепломассопереноса при горении термохимически активированного пылеугольного потока в объеме топочной камеры промышленного котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ.

 

В рамках определения эффективности применения плазменных технологий термохимической подготовки топлива предлагаются результаты 3D- компьютерного моделирования процесса тепломассопереноса при горении термохимически активированного пылеугольного потока в объеме топочной камеры промышленного котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ с определением режимных параметров и оптимальных характеристик реализации плазменной технологии термохимической подготовки низкосортных углей. Математическая модель исследования процесса включает в себя уравнения движения, нагрева и термохимических превращений пылеугольного топлива в потоке воздуха, нагреваемого электродуговым плазматроном. Кроме того, между электрической дугой и воздухом учитывается тепломассообмен, также как газа и стенки с угольными частицами. Кинетическая схема модели включает стадии выделения летучих из угля, их дальнейшие термохимические превращения в газовой фазе и реакции газификации коксового остатка кислородом, водяным паром и диоксидом углерода [19].

Вычислительные эксперименты по определению влияния технологии термохимической подготовки пылеугольного топлива на аэродинамику внутри топочного пространства представлены на рисунке 20, температурные характеристики на рисунках 21,22. Исследования проведены для случая, когда две пары встречных горелок оборудованы плазмотронами, а две – обычными горелочными устройствами.

Термохимическая активация пылеугольного потока влияет на распространение реагирующего потока в объеме топочной камеры. В зоне, где установлены плазменные горелки, наблюдаются области с увеличенными скоростями, что сказывается на лучшее перемешивание компонента топлива и окислителя, вносимых в топочную камеру обычными горелками. В области установки горелочных устройств (рисунок 20, а) видны области подачи аэросмеси через плазменные горелки и обычные горелочные устройства. В местах, где установлены плазменно-топливные системы, наблюдается более вытянутый к центру топочной камеры векторный профиль скорости. В первую очередь это связано с тем, что высокореакционное топливо и вторичный воздух подается в топочную камеру с большей скоростью, чем «холодная» аэросмесь через обычные горелочные устройства. Это способствует значительному перераспределению пылеугольных потоков в области горелок первого и второго ярусов, а также, несомненно, влияет на общую аэродинамическую картину топочной камеры.

Рисунок 21, б показывает, что на выходе из топочной камеры наблюдается характерный для данного типа котлов профиль вектора полной скорости, характеризующийся вихревым течением в центре сечения. Однако, характерное для тангенциальной подачи потока пылеугольного топлива в топочную камеру, вихревое течение стеснено от ее центра, благодаря установке в качестве горелочных устройств плазменно-топливных систем.

 

 

 

Рисунок 20 – Распределение вектора полной скорости в продольных сечениях

 центральной области топочной камеры котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ

 

На рисунках 22,23 представлены результаты вычислительных экспериментов по установлению влияния плазменно-топливных систем на температурные характеристики топочной камеры БКЗ-160.

 

а)                                                               б)

а) сечение горелок нижнего яруса; б) на выходе из топочной камеры

 

Рисунок 21 – Распределение вектора полной скорости в области пояса горелок

 нижнего яруса (а) и на выходе из топочной камеры (б) котла БКЗ-160

 

На рисунке 22, а видно, что температурный профиль смещен в направлении противоположно установленных плазменных горелок. Это связано, в первую очередь с аэродинамикой топочной камеры, которая для исследуемого случая описана выше. Кроме того, высокореакционное топливо, поступающее в топочную камеру из плазменно-топливных систем, проходя по тракту горелочного устройства, подвергается термохимической обработке и нагревается до температуры ~1300K, т.е. по сравнению с обычным режимом горения угольной пыли, в топку оно поступает уже «подогретым».

Исходя из рисунка 22,б можно заключить, что высокая температура, наблюдающаяся в области установки горелочных устройств, монотонно ослабевает по мере прохождения пылеугольного факела к выходу из топочной камеры. На выходе температура принимает значения, не превышающее норму по условиям шлакования выходного сечения, которое для топочных камер, использующих в качестве энергетического топлива, каменный или бурый уголь определено в промежутке от 1000 ÷1100ºС.

 

Рисунок 22 – Распределение температуры в продольных сечениях центральной области топочной камеры котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ

 

а)                                                               б)

а) сечение горелок нижнего яруса; б) на выходе из топочной камеры

 

Рисунок 23 – Распределение температуры в поперечных сечениях топочной камеры

котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ

 

Полученная аэродинамическая картина топочной камеры и ее температурные характеристики, адекватно отражают реальный физический процесс.

Таким образом, проведенные теоретические исследования систем термохимической плазменной активации пылеугольных потоков показали возможность на эффективность применения таких систем на реальных теплоэнергетических объектах. При этом решаются как экономические проблемы: снижение потребления мазута, экономия топлива за счет уменьшения мехнедожога, так и экологические: уменьшение вредных пылегазовых выбросов (СО, СО₂, NО_x, зола и др.), характерных для сжигания твердых низкосортных угольных топлив [20,21]

 

Вопросы к лекции 7:

1. Какие меры в теплоэнергетике применяются в целях улучшения показателей воспламенения и стабилизации горения низкосортного пылеугольного топлива, имеющего низкий уровень выхода летучих веществ?

2. С какой целью применяются плазменные технологии термохимической подготовки топлива?

3. С какой температурой подаётся аэросмесь в топочную камеру через обычные горелочные устройства?

4. Где и до какой температуры происходит прогрев аэросмеси при установке плазменного устройства термохимической подготовки топлива?

5. Основные режимные параметры и характеристики реализации плазменной технологии термохимической подготовки низкосортных углей.

6. На что влияет термохимическая активация пылеугольного потока?

7. Где наблюдается пик температуры по мере прохождения пылеугольного факела к выходу из топочной камеры при установке плазменно-топливных устройств?

8.  Влияет ли термохимическая плазменная активация на расход высококалорийного топлива при растопке котла?

9. Какие экологические показатели улучшаются при применении плазменной активации топлива?

10. За счёт чего происходит высокотемпературный прогрев аэросмеси при плазменной активации топлива?