Багатоступенева термопереробка твердого палива. Енерготехнологічне використання бурого вугілля

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

МІНІСТЕРСТВО ПАЛИВА ТА ЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ВУГІЛЬНИХ ЕНЕРГОТЕХНОЛОГІЙ

УДК 622.61.747

Багатоступенева термопереробка твердого палива. Енерготехнологічне використання бурого вугілля

Спеціальність 05.14.06

„Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Косячков Олексій В'ячеславович

КИЇВ 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті вугільних енерготехнологій НАН та Мінпаливенерго України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 16.05. 2007 р. у __14__ годин на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 при Національному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68, тел. 289-95-55.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий 15.04. 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 кандидат технічних наук, доцент Філоненко В.М.

вугілля піроліз визначення бурий

Аннотация

Косячков А.В. Многоступенчатая термопереработка твердого топлива. Энерготехнологическое использование бурого угля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика - Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2007 г.

Диссертация посвящена установлению основных закономерностей конверсии днепровского бурого угля при термической обработке. В роботе на основе экспериментальных исследований процессов окислительного пиролиза и сжигания днепровского бурого угля в кипящем слое (КС), размолоспособности бурого угля и топливных смесей на его основе, расчетных исследований допустимых границ качества топлив для циркулирующего кипящего слоя (ЦКС), перегрева частичек при сжигании в КС, а также удельной скорости пылевидного сжигания в зависимости от размера частичек угля разных марок найдено удельные выходы продуктов и характерное время окислительного пиролиза, а также время выгорания коксового остатка этого угля, удельные скорости конверсии бурого угля в кипящем слое, его размольные характеристики для сжигания в факеле, что дало возможность дать рекомендации по подготовке и сжиганию днепровского бурого угля на пылеугольных станциях и блоках циркулирующего кипящего слоя.

Во введении обоснована необходимость и актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность работы, приведена информация по использованию полученных результатов, личном вкладе соискателя, апробации результатов и публикациям.

В первом разделе рассмотрена сырьевая база угольных электростанций Украины, состояние их оборудования, направления и существующие технологии для реконструкции их. Выявлены негативные тенденции использования импортного природного газа. Рассмотрено современное состояние исследований особенностей конверсии бурого угля. Сделан вывод о необходимости привлечения в энергетику Днепровского бурого угля.

Во втором разделе описаны: экспериментальные установки для исследования окислительного пиролиза в кипящем слое, сжигания угля в кипящем слое, установки для исследования размольных характеристик угля и топливных смесей. Приведены расчетные оценки диапазона существования КС, порядок проведения экспериментов, учет динамических погрешностей измерения, методику определения удельных выходов продуктов, характерного времени пиролиза и выгорания коксового остатка, удельных скоростей реагирования коксового остатка. Для процесса сжигания угля в ЦКС приведена методика балансовых расчетов. Описана разработанная автором методика сравнительного исследования размольных характеристик углей.

В третьем разделе описаны результаты экспериментальных исследований окислительного пиролиза и сжигания Днепровского бурого угля в КС, размольные характеристики угля и топливных смесей. Установлено, что процесс окислительного пиролиза бурого угля в КС по удельным выходам первичных продуктов принципиально подобен пиролизу в инертной и восстановительной среде. Времена стадий пиролиза совпали с известными временами для инертной и восстановительной среды. На стадии горения коксового остатка времена совпали с известными результатами для газового угля. Найдено, что удельная на поточную массу угля скорость конверсии коксового остатка растет по ходу конверсии быстрее, чем согласно модели “стягивающегося ядра”. Приведена уточненная методика расчета скорости выгорания коксового остатка, при которой исключена внешнедифузионная составляющая. Установлено, что возрастание по ходу конверсии удельной реагирующей поверхности влияет только на внешнедифузионную составляющую. По совокупности показателей влажности, зольности и состава серы получены расчетные диапазоны качества углей для сжигания в ЦКС, подтверждение экспериментальным сжиганием. Определены степени конверсии и связывания серы, температуры в топке и уровни выбросов оксидов азота, характерные для сжигания бурого угля в ЦКС. Рассчитаны температура и скорости реагирования частички угля в кипящем слое в зависимости от размера частицы, приведены предельно допустимые температуры с точки зрения шлакования в КС. С использованием уточненной методики расчета скорости выгорания коксового остатка посчитаны скорости конверсии для условиях факела. Установлены характеристики размолоспособности бурого угля и его смесей.

В четвертом разделе даны рекомендации по сжиганию бурого угля в факельных и ЦКС- котлоагрегатах. Предложена схема слоевого газогенератора с сероочисткой на основе известняка, рециркуляцией продуктов пиролиза и утилизацией тепла уходящих газов, который обладает высоким химическим к.п.д. и способен использовать низкосортный уголь. Приведена информация по использованию результатов исследований соискателя.

Ключевые слова: бурый уголь, газификация, газогенератор, кинетика, кипящий слой, котлоагрегат, пиролиз, сжигание, циркулирующий кипящий слой, энергетика.

Анотація

Косячков О.В. Багатоступенева термопереробка твердого палива. Енерготехнологічне використання бурого вугілля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика - Національний університет харчових технологій, Київ, 2007 р.

Дисертацію присвячено встановленню основних закономірностей конверсії дніпровського бурого вугілля при термічній переробці. Під час виконання роботи були створена або модифіковані установки для дослідження процесів окислювального піролізу та спалювання дніпровського бурого вугілля в киплячому шарі (КШ), дослідження розмелоздатності дніпровського бурого вугілля та паливних сумішей його основі. Розроблено методику експериментального дослідження процесу спалювання та піролізу бурого вугілля в КШ та циркулюючому киплячому шарі (ЦКШ), методику порівняльного дослідження розмелоздатності палив та паливних сумішей. Вдосконалено методику розрахунку швидкості конверсії коксового залишку. Проведено цикл експериментів. На основі їх визначено закономірності процесу конверсії дніпровського бурого вугілля в умовах факелу, КШ та ЦКШ. Розроблено рекомендації по залученню в паливний баланс теплових електричних станцій (ТЕС) цього вугілля. Основні результати роботи використані при створені проектів енерготехнологічних апаратів.

Ключові слова: буре вугілля, газифікація, газогенератор, кінетика, киплячий шар, котлоагрегат, піроліз, спалювання, циркулюючий киплячий шар, енергетика.

Abstract

Kosyachkov A.V. Multistage thermal processing of firm fuel. Energytechnological use of brown coal - Manuscript.

Thesis for candidate's degree; specialization 05.14.06 - Technical thermophysics and industrial power system. - National university of food technologies, Kyiv, 2007.

The Dissertation is devoted to an establishment of the basic laws of conversion brown coal of Dnepr basin an thermal processing. During conduction of work were created or modified installations for research of processes of oxygen pyrolysis and burning brown coal of Dnepr basin in fluidized bad (FB), researches grinding ability brown coal of Dnepr basin and fuel mixes on its basis. The technique of an experiment research process of burning and pyrolysis brown coal in FB and circulation fluidized bad (CFB), a technique of comparative research grinding ability firm fuel and fuel mixes is developed. The design procedure of conversion speed residual coke is advanced. The cycle of experiments is conducted. On the basis of them patterns of process of brown coal conversion in condition of furnish, FB and CFB are determined. Recommendations for attraction in fuel balance of thermal power plants of this coal are developed. The basis results of work are used at creation of projects energytechnological devices.

Key words: boiler, brown coal, circulation fluidized bad, furnish, fluidized bad, gasification, gas generator, kinetics, pyrolysis, energy.

1. Загальна характеристика роботи

Стан проблеми. В енергетиці України в останні роки спостерігається тенденція до сталого випуску обсягів електроенергії. З них до 88 млрд. квт•год виробляються на теплових електричних станціях (ТЕС). Це супроводжується надходженням на ТЕС органічних енергоресурсів в обсягах 26 млн. т умовного палива (т у.п.). До 2005 року до 6-8 млн. т у.п. з них складав імпортований природний газ. Через значне подорожчання газу на ТЕС вимушені були покривати ці обсяги вітчизняним вугіллям, при чому посилився його дефіцит через неможливість швидкого нарощування виробництва на вугільних шахтах. В той же час зрозуміло, що на вугілля необхідно розраховувати як на основний місцевий ресурс. Запасів вугілля в Україні вистачить, по різним оцінкам, на термін від 200 до 400 років.

Ситуація, що склалася, вимушує шукати додаткові ресурси твердого палива. Увагу привертають такі місцеві види твердого палива, як буре вугілля Дніпровського басейну, а також відходи вуглезбагачення, зокрема накопичений малозольний шлам вугілля газової групи. Проблема виникає в тому, що немає достатньо вивчених способів використання цих палив ані в великій енергетиці, ані в комунально-побутових енергоджерелах.

Актуальність теми. Розвиток Дніпровського буровугільного басейну, в якому більше 500 млн т розвіданих запасів придатні для відкритої розробки, є невідкладною задачею. Доцільними напрямками швидкого збільшення використання дніпровського бурого вугілля є його пиловидне спалювання в суміші з газовим вугіллям на існуючих котлах ТЕС, спалювання на нових та споруджуваних при реконструкції енергоблоків ТЕС котлоагрегатах циркулюючого киплячого шару (ЦКШ), а також виробництво генераторного газу для місцевих споживачів на газифікаційних установках невеликої одиничної потужності. Знаходження оптимальних режимів паливопідготовки та термічної переробки дніпровського бурого вугілля потребує знань особливостей його розмелу, піролізу, конверсії коксового залишку в умовах потоку і киплячого шару (КШ).

На цей час роботи, в яких був би досліджений процес піролізу бурого вугілля в КШ в окислювальному середовищі, відсутні. Для коксів українського енергетичного вугілля визначені кінетичні характеристики і режимні границі областей реагування, проте кінетичні дослідження проводились із заздалегідь підготовленим коксовим залишком, при температурах менших, ніж при спалюванні в КШ та ЦКШ, а час вигоряння коксового залишку дніпровського бурого вугілля не визначався. Показники розмельних властивостей бурого вугілля відомі лише для повітряно-сухого стану та вузької фракції розміру, для буровугільної продукції (брикетів, сушонки) вони невідомі. Дослідженню цих важливих властивостей дніпровського бурого вугілля, а також його конверсії в процесах термічної переробки, і присвячено дисертаційну роботу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких представлені в дисертації, є частиною робіт в рамках держбюджетних науково-дослідних тем „Визначення основних закономірностей горіння та газифікації енергетичного вугілля в різних модифікаціях киплячого шару та розробка методів розрахунку промислових апаратів для його термічної переробки” (номер держреєстрації 0102U001671) та „Розробка методів спалювання відходів вуглезбагачення та рядового вугілля для котлоагрегатів малої потужності” (номер держреєстрації 0102U001672), які виконувались в Інституті вугільних енерготехнологій НАН та Мінпаливенерго України (затверджені протоколом №3 від 14 березня 2002 р., п. 14 на бюро ОФТПЕ НАН України). Ряд досліджень виконаний в рамках господарчих договорів з організаціями Мінпаливенерго України, контрактів з українськими та закордонними фірмами - розробниками енергетичного обладнання.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - визначення основних закономірностей процесів окислювального піролізу та спалювання дніпровського бурого вугілля в КШ і розробка методів його енерготехнологічного використання.

Для її здійснення поставлені такі задачі:

розробка лабораторних установок та методів дослідження процесів окислювального піролізу та спалювання в КШ, розмелоздатності дніпровського бурого вугілля та паливних сумішей його основі;

експериментальне дослідження процесів окислювального піролізу та спалювання дніпровського бурого вугілля в КШ;

розрахункове визначення допустимого діапазону показників якості бурого вугілля та шламів для спалювання в циркулюючому киплячому шарі, відпрацювання паливопідготовки та режимів спалювання дніпровського бурого вугілля в ЦКШ;

експериментальне дослідження розмелоздатності дніпровського бурого вугілля та паливних сумішей на його основі;

розробка рекомендацій щодо підготовки та спалювання дніпровського бурого вугілля і паливних сумішей на його основі в пиловугільних та ЦКШ-котлоагрегатах;

розробка схеми та розрахунок малогабаритного газогенератора з розкладом смол та сіркоочищенням на бурому вугіллі та інших позабалансових твердих паливах.

Об'єкт дослідження - дніпровське буре вугілля як енергетичне паливо.

Предмет дослідження - процеси термічної переробки дніпровського бурого вугілля в енерготехнологіях.

Методи дослідження. Дослідження процесів окислювального піролізу та спалювання дніпровського бурого вугілля в КШ проводилось на лабораторній установці “Піроліз - М”; дослідження процесу спалювання бурого вугілля в циркулюючому киплячому шарі - на установці ЦКШ-0.02; дослідження розмелоздатності бурого вугілля і паливних сумішей на його основі - на лабораторній установці "Млин"; хімічний склад газу визначався мас-спектрометричним методом; фізико-хімічні якості вугілля та коксозолового залишку - за стандартними методиками досліджень фізико-хімічних властивостей вугілля.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Для умов киплячого шару інертного матеріалу при 750...920 єС вперше знайдено питомі виходи продуктів та характерний час окислювального піролізу, а також час вигоряння коксового залишку дніпровського бурого вугілля без проміжної зупинки процесу.

2. Вперше показано, що при температурах, характерних для спалювання в киплячому шарі, величина внутрішньодифузійної складової питомої швидкості горіння коксового залишку дніпровського бурого вугілля відповідає розрахованій за відомими кінетичними константами, одержаними при нижчих температурах. При цьому також встановлено, що лімітуюча зовнішньодифузійна складова питомої швидкості зростає по ходу конверсії, що пов'язано із збільшенням питомої реагуючої поверхні частинок при збереженні їх розміру та зменшенні уявної густини.

3. Вперше визначено граничний діапазон показників якості твердих палив, в тому числі дніпровського бурого вугілля та відходів вуглезбагачення, для спалювання в котлоагрегатах циркулюючого киплячого шару.

4. Вперше визначені оптимальні умови підготовки та спалювання дніпровського бурого вугілля в ЦКШ, технологічні та екологічні характеристики спалювання.

5. Встановлено, що розмельна здатність буровугільної сушонки, її суміші із шламом газового вугілля, а також з кузнецьким слабоспікливим вугіллям, є найбільшою серед інших типів українського енергетичного вугілля. Вперше показано, що сушонка здатна поглинати зайву вологу шламу. Встановлено, що при розмелі в суміші з газовим вугіллям сушонка дає дрібніші, газове вугілля - грубіші частинки.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено методику розрахунку перегріву палаючих частинок коксового залишку дніпровського бурого та інших марок вугілля, їх питомої швидкості горіння в киплячому шарі та факелі з урахуванням зовнішньо - та внутрішньодифузійних складових.

2. Встановлено, що при спалюванні в ЦКШ дніпровського бурого вугілля в суміші з буровугільною глиною покращується здатність до накопичення донної золи і підтримки стабільної циркуляції, а інші показники - не погіршуються. Це свідчить про доцільність суцільного видобутку, при якому зменшуються собівартість вугілля і втрати вуглецю з відвальною глиною.

3. Розроблено рекомендації з підготовки та спалювання дніпровського бурого вугілля в пиловугільних та ЦКШ-котлоагрегатах ТЕС.

4. Розроблено технологічну схему малогабаритного газогенератора з розкладом смол та сіркоочищенням. Розраховані технологічні та екологічні показники такого газогенератора для бурого вугілля та кам'яновугільного шламу.

Результати досліджень та розробок використані: ВАТ СПКТБ “Енергомашпроект” при розробці технічного проекту котлоагрегату киплячого шару продуктивністю 10 т пари на годину; Клавдіївським дослідно-експериментальним заводом Мінпромполітики України при оптимізації режимів піролізу - газифікації високореакційних твердих палив у фонтануючому шарі на установці РГВ-2000; Інститутом технологічного і енергетичного машинобудування Національного університету харчових технологій при розробці технічної документації на установку „ССС 2000”.

Особистий внесок здобувача. Автор приймав участь у створенні експериментальних установок, у розробці методик експерименту та обробки даних, виконанні експериментів на лабораторній та дослідних установках, розрахунку допустимих меж показників якості вугілля, перегріву частинок та питомих швидкостей горіння, технологічних та екологічних показників газогенератора, у розробці практичних рекомендацій щодо використання дніпровського бурого вугілля в енергоустановках. Постановка задач, обговорення результатів досліджень та формулювання основних висновків і рекомендацій виконані спільно з науковим керівником і, частково, із співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на:

- третій Міжнародній науковій конференції ”Проблемы и пути совершенствования угольной теплоэнергетики”, Київ, НТУУ "КПІ" ТЕФ, 9-10 грудня 2003 р.;

- першому науково-технічному семінарі „Повышение эффективности использования органических топлив в енергетике”, Київ, НТУУ "КПІ" ТЕФ, 30 жовтня 2004 р.;

- четвертій Міжнародній науковій конференції ”Проблемы и пути совершенствования угольной теплоэнергетики”, Київ, НТУУ "КПІ" ТЕФ, 22-23 грудня 2005 р.;

- другій науково-практичній конференції ”Угольная енергетика. Проблемы реабилитации и развития”, Алушта, ІВЕ НАН та Мінпаливенерго, 15-18 вересня 2005 р.;

- науково технічному семінарі „Повышение эффективности использования органических топлив в энергетике”, Київ, НТУУ "КПІ" ТЕФ, 30 березня 2006 р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 8 роботах, з яких 6 статей у фахових наукових виданнях України, 2 тези доповідей у збірках міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації - 187 сторінки тексту, з них на 140 сторінках знаходиться основний текст, 29 окремих сторінок містять 21 малюнок та 5 таблиць, список використаних джерел із 133 найменувань міститься на 13 сторінках, на 5 сторінках - 4 додатки.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення результатів, наведено інформацію про апробацію, публікації і використання результатів.

В першому розділі на підставі аналізу даних про стан теплової енергетики України та її паливної бази обґрунтовано необхідність реконструкції ТЕС із впровадженням нових технологій термічної переробки вугілля, з одночасним розширенням твердопаливної бази ТЕС із залученням дніпровського бурого вугілля та накопичених відходів вуглезбагачення. Наведено основні властивості дніпровського бурого вугілля і показано, що розробка технологій його термічної переробки повинна ґрунтуватись на даних про особливості виходу летких та реагування коксового залишку з киснем повітря. Розглянуто потенційні напрямки енерготехнологічного використання бурого вугілля і сучасний стан досліджень особливостей його конверсії при термічній переробці. Показано, що роботи, в яких був би досліджений процес піролізу бурого вугілля в КШ в окислювальному середовищі, відсутні. Для розробки технологій термічної переробки цього вугілля необхідні додаткові дослідження динаміки і кінетики горіння коксового залишку без проміжної зупинки після стадії піролізу при температурах спалювання в ЦКШ, а також встановлення часу його вигоряння. Розвиток енергетики вбачається в технічному переозброєні ТЕС, при якому нові технології використання палива дозволять залучити значні обсяги дешевого дніпровського бурого вугілля. Доцільними напрямками швидкого збільшення його використання є пиловидне спалювання в суміші з газовим вугіллям або шламом на існуючих котлах ТЕС, а також спалювання на нових та споруджуваних при реконструкції енергоблоків ТЕС ЦКШ-котлоагрегатах. Ще одним напрямком є виробництво генераторного газу для місцевих споживачів на газифікаційних установках невеликої одиничної потужності. Знаходження оптимальних режимів паливопідготовки та термічної переробки дніпровського бурого вугілля потребує знань особливостей його розмелу, піролізу, а також конверсії коксового залишку.

За матеріалами, розглянутих в першому розділі, метою дисертаційної роботи встановлено визначення основних закономірностей процесів окислювального піролізу та спалювання дніпровського бурого вугілля в КШ і розробку методів його енерготехнологічного використання. Наприкінці перелічено задачі досліджень.

В другому розділі представлені установки створені або модифіковані автором для експериментальних досліджень. Наведені розроблені автором або за його участю методи експериментального дослідження та обробки результатів.

Лабораторна установка “Піроліз - М” (рис. 1) була створена в ІВЕ для дослідження динаміки газовиділення при термоконтактному піролізі вугілля в КШ при атмосферному тиску. Вона включає реактор з кварцового скла, занурений у нагрівальну піч. Умови швидкісного нагріву вугільних частинок, подібні до умов при спалюванні вугілля в КШ та ЦКШ, забезпечено подачею дискретних наважок вугілля в попередньо нагрітий псевдозріджений шар інертного матеріалу значно більшої ваги. В якості інертного матеріалу використовувався пісок, а газорозподільчого пристрою - шар частинок окису магнію. Газоподібні продукти, що виділились в процесі конверсії, підхоплюються газом-носієм (повітря) та надходять в камеру мас-спектрометру МХ-1215, за допомогою якого здійснювався газовий аналіз за компонентами Н2, СО, СН4, СО2, О2, Ar.

Для виконання задачі дослідження окислювального піролізу і горіння установку було переведено на з інертного на повітряне дуття. Були перераховані діапазони існування псевдозрідженого шару для повітря, визначено оптимальні межі існування КШ по витратам подаваного газу-носія для використаного розміру частинок.

При дослідженні процесу конверсії бурого вугілля в КШ спостережена за газовим аналізом динаміка процесу зазнає впливу газотранспортних спотворень, зокрема газотранспортного запізнювання, що більш характерне для ділянок типу ідеального витіснення. Значним є вплив уявного розтягу процесу в часі за рахунок газотранспортного перемішування продуктів, що більш характерно для ділянок типу ідеального перемішування. В роботі знайдено метод визначення часів розтягу та запізнювання за допомогою подачі коротких імпульсів міткового газу СО2.

Встановлено, що незалежно від об'єму газової мітки час запізнювання фзап та пов'язане з перемішуванням розширення кривих відклику на половині висоти ф0,5 задовольняють наступним виразам (рис. 2):

фзап = (Vр·293/(ТР+273) + Vц·293/(ТЦ+273) + Vл )/ GГН + ф1 , (1)

ф0,5 = (Vр·293/(ТР+273) + Vц·293/(ТЦ+273))/ GГН + ф2 , (2)

де Vр, Vц,Vл - робочі об'єми реактору, циклону (Vц- без урахування вісної трубки), транспортної лінії, включно з фільтром до відводу на мас-спектрометр, м3;

GГН - витрата газу-носія (повітря) при кімнатній температурі;

ф1, ф2 - постійні часу, с.

Величина фзап використовувалась для синхронізації виміряних динамічних кривих виходу продуктів та виміряної температури шару. Характерні часи стадій визначались з поправкою ф0,5 за виразом:

ф0,5(і) = ф0,5(і,вим.) - ф0,5 , с, (3)

де ф0,5(і,вим.) - виміряна напівширина піка виходу i-го продукту піролізу;

ф0,5(і) - напівширина піка виходу i-го продукту піролізу з виключеною похибкою газотранспортного перемішування.

Для визначення характерних часів окислювального піролізу та вигоряння коксового залишку, швидкості виходу продуктів та конверсії вуглецю, поточного значення питомої на поточну масу швидкості конверсії та ступеня конверсії вуглецю розроблено методику визначення питомих виходів продуктів піролізу та згоряння за відомою витратою атмосферного аргону, виміряними об'ємними частками продуктів n і та аргону n Ar. За умови безперервності газового потоку та відсутності локальних місць підвищення тиску справедливе співвідношення:

n і / n Ar = Gi / GAr , (4)

де Gi, GAr, моль/с - величини мольних потоків шуканих газів і міткового Ar.

Обсяг і-го газоподібного продукту Wi, що виділився до моменту :

Wi = Gi ·dф , (5)

а повний вихід продукту Woi:

Woi =Gi ·dф , (6)

де o - час від початку детектування до моменту зниження і-го сигналу до фонового рівня. Інтегрування (5, 6) проводилося методом трапецій.

На експериментальній установці ІВЕ ЦКШ-0.02 продуктивністю по вугіллю до 20 кг/год (рис. 3) виконувалось дослідне спалювання дніпровського бурого вугілля в ЦКШ. Установка складається з вертикального циліндричного реактора КШ в нижній частині якого знаходиться перфорована решітка та розпальна камера згоряння природного газу №1 (РК1). В середній частині установки розміщені вводи інертного матеріалу та вугілля, а також розпальна камера згоряння природного газу №2 (РК2). Продукти згоряння разом з твердим виносом надходять до циклону. Коксозольні частинки, вловлені в циклоні, утворюють в підциклонному стояку квазістаціонарний нерухомий шар, з нижньої частини якого ежектором безперервно вводяться в нижню частину топки. Димови гази разом з леткою золою після циклону відсмоктуються димососом. Донна зола періодично виводиться через вузли виводу. Паливо (вугілля або суміш його з вапняком) до установки надходить через пневможивільник, повітря для спалювання - через 2 розпальні камери, пневможивільник та ежектор. Вміст газоподібних продуктів згоряння вимірюється мас-спектрометром. Для цієї установки запропоновано методику, що дозволяє розрахунково оцінити ступень конверсії вугілля Xcoal і ступень зв'язування сірки Ks.

Для оцінки розмелоздатності бурого вугілля та паливних сумішей на його основі автором розроблена методика порівняльного дослідження, що дозволяє визначати розмелоздатні характеристики палива з фактичними вмістом вологи та гранулометричним складом. Досліди здійснювались на установці „Млин” (рис. 4) в умовах, близьких до реального кульобарабанного млина (КБМ). Для розмелу використовують лабораторний сталевий КБМ із швидкістю обертання 40 об/хв., завантажений сталевими кулями діаметром 40 мм (2 кг) і 15-20 мм (6 кг), пробу масою 1 кг завантажують із вихідними вологістю і гранулометричним складом палива. Розроблена методика дає гранулометричний склад палив і сумішей після 15-, 30- і 45-хвилинного розмелу, а також залежність залишку на ситі 200 мкм (R200) від часу, що є динамічною характеристикою розмелу.

В кінці розділу представлені використані в роботі стандартні методи досліджень, а також оцінка похибок вимірювань та методи статистичної обробки результатів.

В третьому розділі представлені результати досліджень особливостей підготовки та конверсії дніпровського бурого вугілля в енерготехнологічних процесах, включаючи окислювальний піроліз і горіння коксового залишку в КШ, спалювання в ЦКШ та розмел для пиловидного спалювання. Спочатку наведені результати експериментального дослідження процесів окислювального піролізу та горіння в КШ. Для бою брикетів та сушонки дніпровського бурого вугілля (табл. 1) знайдено питомі виходи газоподібних продуктів (табл. 2). Загальна кількість вуглецевміщуючих газів СО2, СО, СН4 дозволяла оцінити загальну кількість вуглецю, що перейшла в газ при піролізі та прореагувала з киснем повітря, за формулою:

МС = (12/22,4)·(273/293)·(WСО2+ WСО + WСН4) , кг, (7)

Таблиця 1

Паливо / Характеристика	Wta,%	Vd,%	Ad,%
Бій брикету	7,9	53,26	18,8
Сушонка	8,95	54,91	18,2

Таблиця 2

Піроліз-ний газ	Темпера- тура, 0С	Інертне середовище	Відновлювальне середовище	Окислювальне се-редовище
Н2	750	90	-	20-21
	800	125	-	33-39
	850	185	25-60	46-58
	900	195	70-120	59-77
	920	197	60-160	64-84
СН4	750	25	-	30-31
	800	35	-	34-37
	850	45	22-35	37-44
	900	65	35-52	40-50
	920	67	35-55	41-53

Помітне горіння наважки вугілля в КШ закінчується при ступеню конверсії вуглецю коксового залишку 0,86-0,92, що для бурого вугілля складає ХС0 = 0,94-0,97.

Повну, тобто зареєстровану по газовому аналізу з додаванням недопалу, кількість вуглецю визначено відношенням МС/ ХС0.

Початкову масу вуглецю в наважці визначали за даними технічного та елементного аналізу:

МС = Мнав· ((1- Wtr)·(1- Ad)·Cdaf + 0,1·Ad·(12/56)), кг, (8)

де Wtr - вологість вугілля на робочу масу, в частках;

Ad - зольність вугілля на робочу масу, в частках;

Cdaf - вміст вуглецю на суху беззольну масу, в частках;

Мнав - маса наважки, кг.

З урахуванням того, що повний вихід вуглецю у вигляді СО, СО2, СН4 відповідає вмісту вуглецю в наважках за результатами технічного та елементного аналізу (рис. 5), зроблено висновок про те, що виходи первинних продуктів подібні до інертного і відновлювального середовищ. Питомий вихід основних піролізних газів СН4 та Н2 зростає із збільшенням стартової температури шару. В області високих температур зниження витрати повітря підвищує питомий вихід Н2 і зменшує питомий вихід СН4. Це можна пояснити тим, що на реєстрований вихід цих газів впливають вторинні гомогенні реакції, такі як реакції конверсії та розкладу вуглеводнів, водяного зсуву та ін. В умовах швидкісного нагріву частинок, і так само швидкісного виходу летких, окислювач не має змоги дійти до поверхні частинок, оскільки кисень проходить крізь шар переважно в пузирях, тому виходи кінцевих продуктів залежать від протікання вторинних гомогенних реакцій неповного горіння летких, конверсії метану та вуглеводнів в середовищі продуктів згоряння. Для допалювання продуктів необхідна подача окислювача в надшаровий простір, підтримка в ньому достатньої температури і часу перебування газу.

За динамічними кривими виходу продуктів піролізу і горіння визначено характерні часи стадій піролізу ф0,5 та вигоряння коксового залишку фгор (рис. 6). Характерні часи стадії піролізу визначено за значеннями напівширини піків виходу Н2 і СН4 з врахуванням похибки газотранспортного перемішування. Встановлено, що характерні часи обох стадій знижуються при зменшенні маси наважки, збільшенні стартової температури шару і збільшенні витрати повітря-носія. Останнє пояснюється інтенсифікацією процесів тепломасопереносу в КШ. Для стадії піролізу час співпав з відомим по роботах піролізу в інертному та відновлювальному середовищах (М. Чернявський, Г. Тальнова, Л. Гапонич, 1998), для стадії горіння коксового залишку - з відомими результатами для газового вугілля (О. Топал, 2000) що свідчить про істотний вплив зовнішньодифузійних обмежень для бурого вугілля.

За динамічними кривими швидкості конверсії вуглецю (рис. 7) розрахована питома на поточну масу швидкість горіння та побудовано криві конверсії (рис. 8), тобто залежності GСпит від поточного ступеня конверсії вуглецю ХС=(М°С - МС)/М°С. Встановлені залежності можна ідентифікувати за наступними ділянками: ступінь конверсії ХС менше 0,2 - ділянка виходу здебільшого піролізних газів СО2, СН4, СО і продуктів їх згоряння; ступінь конверсії більше 0,2, але менше 0,4 - ділянка виходу здебільшого продуктів згоряння вуглеводнів і смол, разом з початком виходу продуктів згоряння коксового залишку; ступінь конверсії більше 0,4 - ділянка виходу продуктів згоряння коксового залишку. Питома на поточну масу вуглецю питома швидкість горіння коксового залишку дніпровського бурого вугілля в КШ зростає по ходу конверсії швидше, ніж згідно з припущенням “ядра, що стягується”. Це пояснюється збільшенням питомої реагуючої поверхні частинок при збереженні їх розміру та зменшенні уявної густини сч за формулою (9), що добре співпадає з уявленням про зміцнення зольного каркасу при спалюванні в КШ вугілля з розподіленою мінеральною частиною, яка включає глинозем і карбонати:

сч= соч·(Аd +(1-Аd)·(1-ХС)) = соч·(1-ХС·(1-Аd)) , (9)

де соч - початкова щільність вугілля, соч =1200 кг/м3;

ХС - поточний ступінь конверсії вугілля, в частках.

Температурна залежність питомої швидкості (рис. 9, а) значно відрізняється від розрахованої за відомими кінетичними даними (О. Майстренко, 1999).

RС=сО2 · ((nсерO2/nO2) · (Т0/ТЧ))0,85 · k0·exp (-Ea/(R·Tч)) , (10)

де сО2 = 0,3 кг/м3 - концентрація кисню в дутті при нормальних умовах;

nсерО2 - середня об'ємна частка О2 в реакторі;

nО2 =21 % - об'ємна частка О2 в дутті;

Тч - температура реагуючих частинок, К;

k0 = 15,4·104 м3/(кг·с) - константа швидкості для частинок розміром 0,4-0,6 мм, що включає співмножником в=0,45 - стехіометричний коефіцієнт;

Ea=111000 Дж/моль - енергія активації;

R=8,314 Дж/(моль·К) - універсальна газова стала.

Тому було розроблено спосіб обробки експериментальних даних з урахуванням перегріву частинок та зовнішньодифузійних обмежень в шарі, який дав змогу виділити з даних зовнішньодифузійну складову. Цей спосіб полягав в тому, що з експериментально одержаної GСпит відокремлювали зовнішньодифузійну складову (формула 11), знаходили експериментальну RСекс (точки 6 на рис.9,б) і порівнювали її з розрахунковою RС (пряма 1 на рис.9).

(GСпит)-1=(RС)-1 + (в·бд·сО2·(nсерO2/ nO2)·(Т0/Тч)·Sпит)-1 , (11)

де бд=Nuд·D/dч - коефіцієнт дифузійного газообміну, м/с;

Nuд - дифузійний критерій Нуссельта (критерій Шервуда);

D - коефіцієнт дифузії, м2/с

При розрахунку зовнішньо-дифузійної складової (правий член формули 11) Sпит приймалось по поточним значенням сч за формулою (9), середня концентрація кисню nсерO2 вважалась середньологарифмічною між концентрацією на вході та на виході реактору, температура частинки Тч та дифузійний коефіцієнт бд тепловіддачі розраховувались за відомими методиками, стехіометричний коефіцієнт в приймався постійним. Експериментальні значення RС, розраховані за даною методикою, корелюють з розрахованою за відомими кінетичними даними. Питома на поточну масу швидкість горіння коксового залишку дніпровського бурого вугілля, для якої виключили зовнішньодифузійну складову та уточнили температуру частинки, а також врахували концентрацію кисню в реакторі, зберігається приблизно постійною в діапазоні конверсії 0,45-0,9. Це вказує на те, що зростання питомої реагуючої поверхні впливає здебільшого на зовнішньодифузійну складову реагування. Внутрішньодифузійна складова для насичених порожнинами частинок залишається майже незмінною.

Далі представлені результати розрахункового дослідження граничних показників якості антрациту, кам'яного та бурого вугілля і відходів для спалювання в ЦКШ, виконані на підставі матеріально-теплового балансу котла з урахуванням частки теплоти, що має бути утилізована в топці та контурі циркуляції для випару (47%) та з огляду на потреби регулювання навантаження (55-65%). Встановлено, що для забезпечення діапазону регулювання навантаження ЦКШ-котлоагрегату від 100 до 70%, що виконується при утилізованої у топковому контурі частці корисної теплоти, не меншій ніж 55%, мають місце обмеження допустимого діапазону показників якості. При вологості Wtr = 30%, (водовугільна суспензія та підсушене буре вугілля), гранична зольність для бурого вугілля Аd =45-47%. Для рядового дніпровського бурого вугілля з вологістю 50%, з урахуванням його високої сірчистості, а тому і високої витрати вапняку, забезпечення зазначеного діапазону регулювання навантаження можливо тільки при Аd 15%. Ці розрахунки проведені також для інших низькоякісних палив. Результати щодо дніпровського бурого вугілля підтверджені його дослідним спалюванням, в тому числі в суміші з вуглистими глинами на установці ЦКШ-0,02 ІВЕ. Загалом було проведено 12 балансових дослідів. Визначено, що найкращі характеристики спалювання мають буре вугілля та його суміш з глиною до 30-55% глини по масі. Ступінь конверсії палива складала за таких умов до 99%, емісія NOx - до 140-175 мг/нм3, ступінь зв'язування сірки більше ніж 97%, емісія SO2 менше ніж 400 мг/нм3 при Ca/S = 2.4-2.5. Середньотопкові температури сягали 820 °С, витраті вторинного повітря - не менше 40% від загальної. Позитивний результат дає погрублення розміру частинок до 0-5 - 0-6 мм. Видобуток вугілля разом з прошарками вуглецьвміщуючих глин знижує собівартість продукції. Глинисті грудки фракції 0-5 мм після обпікання в шарі зміцнювались, тому суміші показали задовільну здатність до накопичення матеріалу в шарі і до стабілізації циркулюючого потоку, типову для високозольного вугілля. З урахуванням внутрішньо - та зовнішньодифузійних складових та умов теплообміну розраховано перегрів частинок та питомі швидкості горіння коксового залишку різного вугілля в КШ (табл. 3,4) і показано, що навіть за температур нижчих, ніж прийняті для спалювання в ЦКШ для вугілля інших марок, буре вугілля має значний запас по швидкості горіння навіть найгрубіших частинок.

Таблиця 3

Діаметр частинки, м	Температура частинки антрациту, єС, при температурі КШ 920 єС	Температура частинки газового вугілля, єС, при температурі КШ 850 єС	Температура частинки бурого вугілля, єС, при температурі КШ 820 єС
0,003	971,1	962,9	948,2
0,002	964,1	975,5	966,5
0,001	955,3	976,4	984,2
0,0005	950,1	942,6	968,5
0,0002	945,3	888,8	889,0

Потім наведено результати досліджень розмельних характеристик бурого вугілля та його сумішей з вугіллям інших марок (рис. 10). Встановлено, що розмельна здатність буровугільних брикетів є значно гіршою, а проміжного продукту їх виробництва - сушонки - значно кращою, ніж газового вугілля фракції 0-100 мм. Розмельні властивості, порівняні з сушонкою, показали її суміші із шламом газового вугілля, а також з кузнецьким слабоспікливим вугіллям, причому встановлено, що сушонка здатна поглинати зайву вологу шламу. Суміші газового вугілля та буровугільної сушонки мають кращу розмельну здатність, ніж саме газове вугілля. Це підтверджено додатковими дослідами і пояснюється покращеним розмелом сушонки, розмел же газового вугілля при цьому не покращується.

Таблиця 4

Діаметр частинки, м	Питома швидкість горіння вуглецю, с-1
	Антрацит (920 єС)	Газове вугілля (850 єС)	Буре вугілля (820 єС)
	загальна	внутрішньо-дифузійна	зовнішньо-дифузійна	загальна	внутрішньо-дифузійна	зовнішньо-дифузійна	загальна	внутрішньо-дифузійна	зовнішньо-дифузійна
0,003	0,0038	0,0047	0,0193	0,0093	0,0519	0,0113	0,0123	0,116	0,0138
0,002	0,0055	0,0064	0,0379	0,0182	0,0677	0,0249	0,0253	0,1581	0,0301
0,001	0,0100	0,0110	0,1078	0,0428	0,0898	0,0816	0,0683	0,2288	0,0973
0,0005	0,0183	0,0196	0,2710	0,0629	0,0873	0,2245	0,1294	0,2519	0,2662
0,0002	0,0402	0,0427	0,6754	0,0619	0,0695	0,5715	0,1322	0,1638	0,6846

Суміші газового вугілля та буровугільної сушонки мають кращу розмельну здатність, ніж саме газове вугілля. Це підтверджено додатковими дослідами і пояснюється покращеним розмелом сушонки, розмел же газового вугілля при цьому не покращується.

Як наслідок, буре вугілля представлене в розмеленій суміші дрібнішими, газове - грубішими частинками. Розрахунково показано, що питома швидкість горіння бурого вугілля в факелі, еквівалентна газовому вугіллю, забезпечується при грубішому розмелі пилу (рис.11). Тому при спалюванні сумішей дніпровського бурого вугілля з газовим на вугільних котлах з РШВ технологію їх розмелу доцільно відокремити.

Наприкінці розділу на основі отриманих результатів узагальнені основні особливості підготовки та конверсії бурого вугілля в енерготехнологічних процесах.

В четвертому розділі представлені практичні результати, що випливають з матеріалів досліджень, наведених в попередніх розділах. Наведені рекомендації щодо підготовки та спалювання дніпровського бурого вугілля і паливних сумішей на його основі на пиловугільних та ЦКШ-котлоагрегатах. Зокрема для пиловугільних ТЕС його транспортування доцільне лише на невеликі відстані. З Морозівського та Костянтинівського розрізів буре вугілля можливо транспортувати тільки на Ладижинську та Запорізьку ТЕС. Через труднощі з розмелом буровугільного брикету, він не є прийнятним паливом для ТЕС. Найбільш доцільні поставки на ТЕС буровугільної сушонки або бою брикетів з Wtr = 10-23%, що наближається до рівня рівноважної гігроскопічної вологи та необхідної вологи пилу Wпл. Великий вміст загальної вологи рядового бурого вугілля значно перевищує сушильну здатність кульобарабанних млинів на ТЕС. Тому у випадку постачання рядового бурого вугілля перед подачею в систему пилопідготовки його доцільно пропускати крізь сушарку, наприклад трубчасту парову. Після підсушування до Wtr 23% властивості бурого вугілля стають подібними до властивостей сушонки. Нижча теплота згоряння буровугільної сушонки при Wtr = 20%, Ad=20% становить Qir = 16,75 МДж/кг. Основним обмеженням для живлення котла таким паливом є недостатня витрата палива в перерахунку на умовне. Проте розмельні властивості сушонки значно кращі, ніж у газового вугілля. Тому при її розмелі очікується збільшення витрати пилу до рівня, який повністю компенсує нестачу витрати за умовним паливом при такій самій проектній продуктивності млинів по газовому вугіллю. Схильність сушонки до пиління при транспортуванні може бути знешкоджена підмішуванням малозольного кам'яновугільного шламу, при чому сушонка поглине зайву вологу шламу. Розмел буровугільної сушонки залежно від умов постачання палива на ТЕС виконується або разом з газовим вугіллям (шламом), або окремо. При розгляді кожного з варіантів слід враховувати умови вибухобезпеки. Газове вугілля доцільно подавати на вхід, а сушонку - на вихід КБМ, тобто на вхід сепаратору вугільного пилу. Лише грубі фракції сушонки та газового вугілля повертатимуться на домел в КБМ. При розмелі сушонки разом з кам'яновугільним шламом обидва типи палив подають на вхід КБМ. Суміш залишається вибухобезпечною, якщо частка сушонки в ній не перевищує 20-30%. При розмелі власне буровугільної сушонки умови вибухобезпеки досягаються при вмісті кисню в системі паливоживлення 16-18%. Такий розмел можна організувати в окремому млині-вентиляторі або в одному з КБМ, розмельна продуктивність якого підвищується приблизно в півтора рази. Одержаний пил сушонки потребує додаткових заходів вибухобезпеки. У випадку схеми з промбункером, його можна змішувати з пилом штатного вугілля тільки безпосередньо на вході в пальники. Оскільки це істотно ускладнить схему пилоподачі, більш доцільно подавати пил сушонки в топку крізь окремі пальники спрощеного конструктивного типу, наприклад щілинного, або реконструювати під топки для сухого шлаковидалення.

В свою чергу, для ЦКШ - котлоагрегатів треба використовувати повітряно-підсушене паливо, подрібнене в м'якому режимі до характерного розміру не менше ніж 0-5 мм. Для зв'язування сірки відношення Са/S може складати до 2,5, а для покращення формування шару і стабілізації циркулюючого потоку доцільно використовувати більш міцний доломітовий вапняк погрубленої фракції розмелу 0-1 мм. З огляду на умови шлакування, перевищення спостережної температури шару до 880 °С і більше неприпустимо. Для забезпечення формування КШ і стабілізації циркулюючого потоку доцільно при видобутку бурого вугілля не відкидати прошарки, що вміщують буровугільні глини. Допустимий вміст глин в паливі становить до 30-50% за масою. Видобуток бурого вугілля в суміші з вміщуючими прошарками знижує собівартість видобутку і втрати вуглецю з відвальною глиною.

Далі представлені результати схемної та розрахункової проробки малогабаритного шарового газогенератора двозонного типу (рис. 12) з розкладом смол та сіркоочищенням на бурому вугіллі та інших позабалансових твердих паливах з хімічним ККД більше ніж 80%, нижчою теплотою згоряння генераторного газу 5,4-6,3 МДж/нм3 на сухий об'єм. При конверсії 100 кг бурого вугілля з Wrt = 30%, Аd =25% виходить 208,7 нм3 сухого газу з Qri(сух) = 5,595 МДж/нм3. Результати розрахунку матеріального та теплового балансу газогенератора в цілому та по елементах свідчать, що це досягається за рахунок часткової утилізації тепла генераторного газу, коксозольного залишку, тепловиділення при відпалі твердого сорбенту, низького рівня теплових втрат через стінки, високого ступеню конверсії вугілля, використання надлишкової вологи палива як реагенту, циркуляції генераторного газу з кратністю 1,4-1,5, що дає можливість розкладу основної частини смол у реакторі газифікації із запобіганням розкладу метану. Працездатність системи сіркоочищення досягається за рахунок нагріву пристрою сіркоочищення, заповненого вапняковим сорбентом, теплом генераторного газу до оптимальних температур розкладу вапняку і зв'язування сірководню, з наступним відпалом сульфіду кальцію до гіпсу і нагріванням 90-95% дуттєвого повітря до 390-560 оС. При цьому концентрація H2S в генераторному газі знижується до рівня, що забезпечує вміст SO2 у сухих продуктах його згоряння не більше ніж 200 мг/нм3. З огляду на аеродинамічні властивості апарату, оптимальним є формування для газогенератора паливних частинок з бурого вугілля, шламу чи їхньої суміші у вигляді брикетів або гранул з характерним розміром 10-50 мм, що дозволяє знизити внутрішній діаметр реактору газогенератора продуктивністю 100 кг вугілля на годину до менше ніж 0,4 м.

Наприкінці розділу дано відомості про використання результатів досліджень і розробок, виконаних в рамках дисертаційної роботи.

Висновки

1. В дисертаційній роботі на основі результатів експериментальних та розрахункових досліджень вирішено важливу науково-прикладну задачу, актуальну для розвитку енергетики та інших галузей народного господарства України, - визначено основні закономірності процесів окислювального піролізу та спалювання дніпровського бурого вугілля в киплячому шарі і розроблена методика його енерготехнологічного використання.

2. Створено нові або частково модифіковано існуючі лабораторні установки та розроблено методи дослідження процесів окислювального піролізу і спалювання в КШ, розмелоздатності бурого вугілля та паливних сумішей його основі.

3. Визначено, що характерний час окислювального піролізу бурого вугілля в КШ та виходи первинних продуктів піролізу подібні до характерних для інертного і відновлювального середовищ, а склад і виходи кінцевих продуктів залежать від протікання вторинних гомогенних реакцій неповного горіння летких, конверсії метану та вуглеводнів в середовищі продуктів згоряння. Виходом вуглеводнів і смол в умовах КШ можна зневажити внаслідок їх горіння та термічного розкладу. Помітна частина газоподібних продуктів піролізу не згоряє в шарі, тому для їх допалювання необхідна подача окислювача в надшаровий простір, підтримка в ньому достатньої температури і часу перебування газу.

4. Встановлено, що час вигоряння коксового залишку бурого вугілля зменшується із збільшенням температури КШ. Починаючи з 850 °С (час вигоряння частинок розміром 1,0-2,5 мм - 55-70 с) він корелює з відомими даними для газового вугілля, що свідчить про суттєву роль зовнішньодифузійних обмежень. Питома на поточну масу вуглецю швидкість горіння коксового залишку зростає по ходу конверсії. Це пов'язано із збільшенням питомої реагуючої поверхні частинок при збереженні їх розміру та зменшенні уявної густини, характерному для вугілля з розподіленою мінеральною частиною, яка включає глинозем і карбонати.

5. Розроблено методику обробки експериментальних даних з урахуванням перегріву палаючих частинок, середньої концентрації кисню і з виключенням зовнішньодифузійної складової питомої швидкості горіння коксового залишку. Встановлено, що зростання питомої реагуючої поверхні частинок впливає тільки на зовнішньодифузійну складову реагування. Внутрішньодифузійна складова майже не залежить від ступеня конверсії вуглецю. Вперше показано, що при температурах, характерних для спалювання в КШ, величина внутрішньодифузійної складової відповідає розрахованій за відомими кінетичними константами, одержаними при більш низьких температурах.

6. Розраховано, що для забезпечення діапазону регулювання навантаження ЦКШ-котлоагрегату від 100 до 70% допустимий діапазон показників якості становить: для антрациту при Wtr =10% гранична зольність Аd =65%, для газового вугілля Аd =60%. При Wtr =30% (водовугільні суспензії, підсушене буре вугілля) для антрациту гранична зольність Аd =50%, для газового і бурого вугілля Аd =45-47%. Для рядового дніпровського бурого вугілля з Wtr =50% гранична зольність Аd =15%. Результати розрахунку для бурого вугілля підтверджені результатами дослідного спалювання в ЦКШ.

7. Визначено, що оптимальні характеристики спалювання дніпровського бурого вугілля в ЦКШ, а саме ступінь конверсії палива до 99%, емісію NOx 140-175 мг/нм3, ступінь зв'язування сірки більше ніж 97%, емісію SO2 менше ніж 400 мг/нм3 при Ca/S = 2,4-2,5 досягаються при середньотопковій температурі близько 820 °С, витраті вторинного повітря не менше 40% від загальної і при виконанні спеціальних заходів з паливопідготовки. Позитивний результат дає змішування вугілля з вміщуючою буровугільною глиною і погрублення розміру частинок до 0-5 (0-6) мм. Розрахунок перегріву частинок і питомої швидкості горіння вуглецю коксового залишку свідчить, що, незважаючи на меншу температуру шару, при однаковому розмірі частинок питома швидкість горіння вуглецю бурого вугілля в 1,3-2 рази вища, ніж газового, і в 3-7 вища, ніж антрациту.

8. Встановлено, що розмельна здатність буровугільних брикетів є значно гіршою, а проміжного продукту їх виробництва - сушонки - значно кращою, ніж газового вугілля фракції 0-100 мм. Близькі показники розмельних властивостей, порівняні з сушонкою, показали її суміші із шламом газового вугілля, а також з кузнецьким слабоспікливим вугіллям. Сушонка показала здатність поглинати зайву вологу шламу. При розмелі в суміші з газовим вугіллям сушонка дає дрібніші, газове - грубіші частинки. З іншого боку, розрахунково показано, що питома швидкість горіння бурого вугілля в факелі така ж, як газового вугілля, забезпечується при грубішому розмелі пилу бурого вугілля.

...