Вплив зольності на характер вигоряння енергетичного вугілля в топках котлоагрегатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет харчових технологій

УДК 662.61

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Вплив зольності на характер вигоряння енергетичного вугілля в топках котлоагрегатів

Голенко Ірина Львівна

Київ - 2009

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті вугільних енерготехнологій НАН України.

Науковий керівник: академік НАН України, доктор технічних наук, професор Майстренко Олександр Юрійович, Інститут вугільних енерготехнологій НАН України, директор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Хвастухін Юрій Іванович, Інститут газу НАН України, завідуючий відділом термошарових процесів; кандидат технічних наук, доцент Абдулін Михайло Загрединович, Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, заст. зав. кафедрою теплоенергоустаткування теплових та атомних електричних станцій.

Захист відбудеться „ 17 ” червня 2009 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 при Національному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68. Тел. (044) 289-95-55.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розіслано 15.05.2009 р.

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

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Основним органічним енергоресурсом України є вугілля, запасів якого вистачить більше ніж на 450 років. У зв'язку з вичерпанням найбільш доступних вугільних пластів, ускладненням горно-геологічних умов та використанням високопродуктивної техніки зольність вугілля, що видобувається, зростає. Підвищення вимог до якості вугілля для факельного спалювання призвело до того, що практично весь антрацит та більша частина кам'яного вугілля перед постачанням на теплові електростанції (ТЕС) проходить збагачення. Зольність рядового вугілля - близько 40%. Пиловугільні ТЕС спалюють збагачене вугілля з зольністю 20-25%. Котли з киплячим шаром (КШ) та циркулюючим киплячим шаром (ЦКШ) дозволяють використовувати високозольне вугілля та відходи вуглезбагачення.

Вугілля, що видобувається - це механічна суміш мінералів органічного та неорганічного походження. Його зольність обумовлена уламками порід, що вміщують вугільний пласт (зовнішня зола), мінералізацією органічної частини вугілля та складною будовою пласта (внутрішня зола). Внутрішня зола знаходиться в зростках. При збагаченні здебільшого використовують методи, що базуються на відмінності густини мінеральної та органічної частин вугільної речовини. Зменшення зольності відбувається завдяки відокремленню зовнішньої золи, але при цьому частка золи в зростках підвищується. В той же час частина горючої маси переходить зі зростками у відходи. Раніш було досліджено розподіл золи за класами крупності в рядовому вугіллі, але перерозподіл золи при збагаченні не вивчався.

Характер горіння вугільної частинки в основному визначається швидкістю вигоряння її коксового залишку і залежить від ступеню метаморфізму вугілля, його пористої структури, фракційного та гранулометричного складу. Більшість досліджень кінетичних характеристик горіння українського вугілля було проведено до ступеня конверсії вуглецю Х 0,5-0,6 на коксах вугілля, зольність якого пов'язана із зовнішньою золою. При більших ступенях конверсії на швидкість горіння впливає відносне збільшення частки мінеральної компоненти. Вплив зольності на зміну реагуючої поверхні та питомої швидкості горіння, а також на час вигоряння вугілля різного ступеня метаморфізму в умовах киплячого шару досліджено недостатньо.

У зв'язку з цим актуальним є проведення дослідження впливу зольності на характер конверсії вугільних коксів, їх пористу структуру, швидкість вигоряння зростків для покращення технологічних показників спалювання високозольного вугілля в енергетичних котлоагрегатах. Вивчення розподілу золи за класами крупності у вугільній продукції та відходах вуглезбагачення необхідно для вибору і підготовки палив для спалювання в факельних та ЦКШ-котлоагрегатах, а також для утилізації вуглецю, що знаходиться у відходах видобутку та збагачення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та розробки, які є основою дисертації, виконувались в Інституті вугільних енерготехнологій НАН України в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: „Дослідження методів газифікації та спалювання енергетичного та позабалансового вугілля в потоці та киплячому шарі під тиском з метою розробки технічного завдання на створення дослідно-промислових парогазових установок на твердому паливі” (1994-1997 рр. РК № 01964008675), „Розробка наукових основ кінетики та динаміки процесів спалювання та газифікації вугілля під тиском та термодинамічних схем парогазових установок на твердому паливі” (1998-2001 рр. РК № 0100U002994), „Визначення основних закономірностей горіння та газифікації енергетичного вугілля в різних модифікаціях киплячого шару та розробка методів розрахунку промислових апаратів для цього термічної переробки” (2002-2005 рр. РК № 0102U001671), „Розробка методів спалювання відходів вуглезбагачення та рядового вугілля для котлоагрегатів малої потужності” (2002-2005 рр. РК № 0102U001672). Ряд результатів, що ввійшли в дисертаційну роботу, було отримано при виконанні договорів з Мінпаливенерго України та з енергогенеруючими компаніями, а також із закордонними фірмами, в рамках робіт по розширенню паливної бази ТЕС України.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є визначення впливу зольності на пористу структуру та характер конверсії енергетичного вугілля і його коксового залишку для розробки рекомендацій по збільшенню повноти вигоряння твердих палив в топках котлоагрегатів.

Для її реалізації були поставлені наступні задачі:

1. Розробка методики визначення питомих швидкостей горіння коксозольного залишку вугілля при значних ступенях конверсії вуглецю.

2. Визначення пористої структури вугілля різного ступеня метаморфізму і зольності та її зміни під час термічної переробки.

3. Визначення впливу зольності на питому швидкість горіння та її зміну при значних ступенях конверсії коксів різного ступеня метаморфізму в киплячому шарі.

4. Дослідження динаміки вигоряння вугілля різного ступеня метаморфізму та зольності в киплячому шарі.

5. Визначення розподілу золи за класами крупності вугільної продукції для спалювання на ТЕС, та сухих відходів вуглезбагачення антрациту - для видобування з них паливної компоненти.

6. Розробка рекомендацій щодо вибору та підготовки палив для спалювання у факельних котлоагрегатах та котлоагрегатах циркулюючого киплячого шару енергоблоків ТЕС.

Ці задачі вирішувались з використанням експериментальних методів дослідження на лабораторних та пілотних установках, а також чисельних методів обробки результатів експериментів.

Об'єкт дослідження - розподіл мінеральної частини в твердих паливах, її вплив на пористу структуру та характер конверсії їх коксів та коксозольних залишків.

Предмет дослідження - енергетичне вугілля України та сухі відходи антрациту.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уточнені характеристики пористої структури українського вугілля різного ступеня метаморфізму та зольності. Вперше визначено значення поверхні мікропор органічної та мінеральної частини та показано, що питома поверхня та об'єм мікропор зменшуються із збільшенням температури піролізу.

2. Вперше визначено, що питома швидкість горіння антрациту із зростанням температури піролізу знижується. З ростом ступеня конверсії цей ефект послаблюється.

3. Вперше доведено, що під час горіння та після часткової газифікації вугільних коксів площа поверхні мікропор набуває максимального значення при ступені конверсії Х = 0,2-0,25 для антрацита і при Х = 0,25-0,3 для газового вугілля. При більших ступенях конверсії вона зменшується в результаті випереджаючої конверсії вугільної речовини з більш розвинутою мікропористою структурою.

4. Вперше одержано, що швидкість горіння вуглемінеральних зростків значно менша, ніж вихідного вугілля, що найбільш відчутно при ступені конверсії Х>0,5.

5. Вперше доведено, що з підвищенням ступеня метаморфізму та зольності вугілля рівень та тривалість квазістаціонарних ділянок при максимальній швидкості горіння зменшуються.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено методику визначення швидкості горіння коксового залишку при значних ступенях конверсії вуглецю, що дозволяє встановити характер реагування коксів з киснем повітря при ступені конверсії Х 0,6.

2. Експериментально встановлено розподіл внутрішньої та зовнішньої золи за класами крупності АШ відсіву та концентрату. Показано, що в сухих відходах видобутку та збагачення антрациту до 70% вуглецю зосереджено в дрібних класах. Це дозволяє використовувати їх відсівання для видобування паливної компоненти.

3. Встановлено технологічні та екологічні показники спалювання в ЦКШ АШ відсіву, а також сухих відходів збагачення антрациту, оптимальний розмір подрібненого палива в залежності від його зольності.

4. Розроблені рекомендації щодо вибору та підготовки палива для спалювання на пиловугільних та ЦКШ-котлоагрегатах ТЕС, спрямовані на збільшення вигоряння вугілля в топках котлоагрегатів.

Результати досліджень та розробок використані: Харківським ЦКБ „Енергопрогрес” при розробці технічних проектів ЦКШ-котлоагрегатів продуктивністю 160-670 тонн пари на годину; Старобешівською ТЕС для оптимізації роботи факельних котлоагрегатів та при налагодженні режимів роботи енергоблоку №4 потужністю 200 МВт з ЦКШ-котлоагрегатом; СПКТБ „Енергомашпроект” при створенні робочих проектів котлоагрегатів продуктивністю 10-50 тонн пари на годину, що призначені для спалювання відходів вуглезбагачення та високозольного вугілля.

Особистий внесок здобувача. Автор особисто розробила методику визначення швидкості горіння коксового залишку при значних ступенях конверсії вуглецю на установці РСК-1. Прийняла участь у проведенні експериментів по визначенню швидкості горіння і часу вигоряння коксів енергетичного вугілля різної зольності, визначенню поверхні вугілля та коксозольних залишків, виконала обробку та аналіз отриманих експериментальних даних. Виконала фракційний аналіз зразків вугільної продукції, прийняла участь у розробці методів приготування палив з відходів вуглезбагачення, у спалюванні високозольного вугілля та відходів вуглезбагачення на дослідно-експериментальній установці ЦКШ-0,02, виконала аналіз та обробку результатів експериментів, розробила рекомендації з вибору і підготовки палив.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи доповідались на таких міжнародних і вітчизняних науково-технічних конференціях та семінарах: ІІ конференція „Нові знання в галузі використання вугілля з урахуванням екологічних проблем” (Прага, 1989 р.); ІІ Всесоюзна конференція „Теплообмен в парогенераторах” (Новосибірськ, 1990 р.); Науково-технічний семінар “Разработка новых угольных технологий для нужд энергетики” (Київ, 1994 р.); ІІІ Міжнародна науково-практична конференція „Проблеми економії енергії” (Львів, 2001 р.); 11^th Symposium of Thermal Engineers from Serbia and Montenegro (Белград, 2003 р.); 1-а наукова школа-конференція „Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (Алушта, 2003 р.); 1-а (2004 р.), 3-я (2006 р.), 4-а (2008 р.) Міжнародні науково-практичні конференції „Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и развития” (Алушта).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 22 роботи, у тому числі: 7 статей у спеціалізованих наукових журналах України, 2 статті в закордонних наукових журналах, 1 препринт, 10 тез доповідей у збірниках семінарів та конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації становить 166 сторінок, з них 124 сторінки основного тексту, 24 окремі сторінки містять 23 рисунка та 5 таблиць, список використаних джерел із 142 найменувань міститься на 15 сторінках, 3 додатки - на 3 сторінках.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено зв'язок з науковими програмами, планами та темами, сформульовані мета та задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, надано інформацію про їх реалізацію, наведено відомості про особистий внесок автора, апробацію результатів, публікації по темі дисертації.

В першому розділі розглянуто стан забезпечення вугільної енергетики паливом, вимоги до твердого палива при спалюванні за різними технологіями. Наведено дані про основні вугільні басейни України та причини зростання зольності вугілля, що видобувається. Розглянуто стан досліджень процесів горіння вугілля. Обґрунтовано необхідність вивчення розподілу зовнішньої та внутрішньої золи в паливі, їх розділення при подрібненні та збагаченні, вплив зольності на пористу структуру, реагуючу поверхню, характер горіння та повноту вигоряння вугільних коксів.

Внаслідок вичерпання якісних вугільних пластів, ускладнення горно-геоло-гічних умов та використання високопродуктивної техніки зольність рядового вугілля зростає. Засмічення вугілля уламками порід збільшує вміст найбільш важких мінеральних складових. В результаті мінералізації органічної частини вугілля збільшується зольність органічних складових з невеликою густиною. Ускладнення будови пластів призводить до підвищення вмісту зростків, що мають проміжну густину.

За характером зв'язку мінеральних та органічних компонентів золу можна розділити на зовнішню (неорганічні компоненти, які легко відокремлюються фізичними методами) та внутрішню золу (неорганічні компоненти, хімічно зв'язані, адсорбовані органічною речовиною або такі, що присутні у вигляді високодисперсних частинок і не відокремлюються фізичними методами). Саме критерій розділення мінеральної та органічної компоненти фізичними методами є основою процесів збагачення, перерозподілу золи за класами крупності при розмелі, дробленні та ін.

Вугілля українських родовищ класифікується як важкозбагачуване: мінеральна та органічна компоненти не піддаються повному розділенню. Форми локалізації та розміри мінеральних домішок обумовлені різними способами та часом утворення. В табл. 1 узагальнено основні властивості різних видів мінеральних включень.

Таблиця 1

Вид включення	Природа включення	Характерний розмір	Звязок з вугільною речовиною	Можливість відокремлення при збагаченні	Вміст у вугіллі
Конкреції	Хемо-, террігенна, епігене-тична	Від кількох мм до десятків см	Слабкий	Легко відокрем-люються від ву-гільної речовини, не містять орга-нічних домішок	Зовнішня зола (порода)
Шари та лінзи	Террігенна	Від десятих часток мм до десятків мм	Просичені дисперсною органічною масою	Легко відокрем-люються від ву-гільної речовини, містять органічні домішки	Мінерало-вугільні зростки
Зерна	Хемогенна	Від одиниць до сотен мкм	Часто знаходяться в зростках	Низька	Вуглемі-неральні зростки
Нелокалі-зовані включення	Консти-туційна, хемогенна	Субмікронні	Сильний	Відсутня	Вугільна речовина

Серед включень лише конкреції можна віднести до зовнішньої, інші - до внутрішньої золи. При дробленні частково розділяються з чистою вугільною речовиною мінераловугільні зростки, а частина вуглемінеральних зростків та нелокалізовані включення не відокремлюються навіть при розмелі до пиловидного стану.

В Україні ТЕС забезпечують вироблення 44-47% електроенергії. Більшість блоків використовують технологію пиловугільного спалювання з рідким шлаковидаленням. На їх стійку роботу з високими економічними та екологічними показниками впливає якість палива. В період з 1980 до 2001 рр. на ТЕС надходило вугілля із зольністю 35-38%. Його спалювання було можливе лише з додаванням природного газу чи мазуту. Зростання цін на імпортований газ та мазут, необхідність спалювання вугілля без підсвічування та введення цінової шкали з урахуванням його якості вугілля призвели до того, що в 2006 р. 72,5% вугілля пройшло збагачення. В 2007 р. зольність вугілля для ТЕС становила 22-24%. В той же час при якості палива, близькій до проектної, механічний недопал на ТЕС значно перевищує нормативні значення, а частка вуглецю у виносі досягає 18-29%. Причиною може бути присутність в частинках вуглемінеральних зростків, але це питання раніше не досліджувалось.

Котлоагрегати з КШ та ЦКШ менш вибагливі до палива і дозволяють використання дробленого вугілля та сухих відходів вуглезбагачення із зольністю до 60%. Ці палива відносяться до високозольних, але розподіл в них золи за класами крупності, а значить, її вплив на процес горіння досліджені недостатньо.

Характер горіння вугільної частинки здебільшого визначається питомою швидкістю горіння коксового залишку і залежить від ступеня метаморфізму, внутрішньопористої структури, фракційного та гранулометричного складу вугілля. Для українського енергетичного вугілля досліджено характер конверсії (залежність питомої швидкості горіння від ступеня конверсії вуглецю) в КШ при ступені конверсії Х < 0,6. При більших ступенях конверсії питома швидкість горіння знижується. Однак особливості конверсії коксів високозольного вугілля при Х > 0,6 та вплив зольності на швидкість горіння вивчені недостатньо.

В умовах ЦКШ горіння відбувається у внутрішньодифузійній та перехідній області реагування, де на процес суттєво впливає внутрішньопориста структура коксозольних частинок, яка формується в процесі піролізу та залежить від ступеня метаморфізму, зольності та умов піролізу. Відомі дослідження пористої структури малозольного вугілля, але даних про пористу структуру високозольного вугілля, а також про її зміну при піролізі та в ході конверсії недостатньо.

В кінці розділу з урахуванням вищезазначеного виділені питання, що потребують вирішення при розробці рекомендацій по збільшенню повноти вигоряння палива в топках котлоагрегатів, сформульовані мета та задачі дослідження.

В другому розділі представлено установки та методи дослідження вугільної речовини і процесів її термічного перетворення.

Для вивчення пористої структури вугілля та коксів були застосовані адсорбційні методи, які дозволяють по кількості адсорбованої речовини розрахувати питому поверхню, а по кількості капілярно-конденсованої рідини - об'єм пор. Як адсорбат використовували водяну пару, яка проникає в мікропори розміром менше 2 нм, та аргон, що проникає в мезопори розміром 2-50 нм. Мікропористу систему досліджували на установці „Поверхня” (рис.1) ексикаторним методом. При Т = 293 К та відношенні тиску пари до тиску насичення Р/Р_S = 0,6 забезпечується мономолекулярне заповнення досяжної поверхні мікропор. Капілярна конденсація пари в мікропорах досягається при Т = 293 К та Р/Р_S = 0,98-1,0. Рівноважну адсорбцію забезпечують за допомогою насиченого розчину NH₄NO₃ (Р/Р_S = 0,6) та CuSO₄ (Р/Р_S = 0,98-1,0). Питому поверхню S_H2O, м²/кг, розраховують за формулою:

S_H2O = (m/(m _H2O)) _H2O N_A, (1)

де: m, m - маса наважки та приріст маси, кг; _H2O = 1,810^-2 кг/моль - молекулярна маса води; _H2 = 1,0510^-1 м² - площа, що займає молекула води при Т = 293 К; N_A = 6,02 10²³ 1/моль - число Авогадро.

Об'єм мікропор V_S, м³/кг визначають з урахуванням густини води _Н2О:

V_S = m / (m _Н2О). (2)

Для визначення питомої поверхні мезопор використано прибор „Газометр ГХ-1”, дія якого базується на методі термодесорбції аргону з поверхні твердих тіл. Через зразок палива при температурі рідкого азоту пропускають суміш аргону з гелієм до встановлення адсорбційної рівноваги. Підвищуючи температуру, десорбують аргон в потік газової суміші, його вихід реєструють детектором теплопровідності. Поверхню S_Ar, м²/кг, розраховують за величиною піку десорбції:

S_Ar = S₀ V_m / m, (3)

де: S₀ = 4,73 м²/м³ - поверхня, яку покриває мономолекулярним шаром 1 м³ аргону; m - маса наважки, кг; V_m - об'єм аргону, що вкриває поверхню адсорбенту мономолекулярним шаром, м³/кг.

Величину V_m знаходять за рівнянням ізотерми полімолекулярної адсорбції з урахуванням парціального тиску аргону в суміші, тиску насичення пари рідкого аргону, об'єму десорбованого аргону та константи, що залежить від теплоти десорбції і температури.

Вважають, що поверхня, розрахована по адсорбції водяної пари, найбільш близька до реагуючої поверхні у кінетичній області реагування. Мезо- та макропори забезпечують підведення окислювача до системи мікропор.

Вивчення характеру реагування коксозольного залишку вугілля різного ступеня метаморфізму та зольності з киснем повітря було проведено на лабораторній установці РСК-1 (рис. 2) імпульсним безградієнтним методом.

Реактор заввишки 0,7 м та діаметром 0,03 м встановлено у вертикальну трубчасту піч. В нижній частині реактора знаходиться шар оксиду магнію для прогріву газового потоку. На решітці киплячого шару розміщують дослідний зразок масою (0,1-1,0) 10^-3 кг.

Температура всередині реактора контролюється ХА-термопарами, перепад тиску - за допомогою U-образних манометрів. Імпульсна подача повітря в потік інертного газу-носія здійснюється за допомогою шестиходового крану та дозувальної петлі об'ємом (0,1-1,2) 10^-3 м³. Концентрація газоподібних продуктів (СО, СО₂) вимірюється хроматографом.

В реакторі забезпечується режим, близький до режиму „ідеального витіснення” по газовій фазі та „ідеального змішування” по твердій фазі. Ізотермічність реакційної зони, інтенсивне перемішування вугільних частинок, невеликі маса наважки та тривалість імпульсу забезпечують безградієнтність процесу конверсії за температурою шару (перепад під час імпульсу 5 К), тиску (перепад в шарі менше 20 Па) та концентрації окислювача (зниження концентрації в зоні реагування менше 3%). Зменшення маси вуглецю протягом імпульсу складає 0,1-1,2%.

Для вивчення залежності швидкості вигоряння на початкову та поточну масу (W_0,m) від ступеня конверсії X при постійній температурі зразок коксового залишку вугілля розміщують в реакторі та нагрівають в потоці інертного газу.

Після досягнення необхідної температури в реактор подають дозований об'єм повітря. Під час імпульсу окислювач взаємодіє з вуглецем з незначним підвищенням температури.

Після стабілізації температури в реактор вводять наступну дозу повітря. Експеримент зводиться до послідовного вводу імпульсів та вимірювання концентрацій продуктів реакції. Дослід завершують, коли концентрація СО та СО₂ стає нижчою порога чутливості хроматографа.

Обробка експериментальних даних дозволяє в кожному окремому імпульсі розрахувати швидкість виходу СО та СО₂ (G_CO, G_CO2, кг/с), кількість вуглецю, що перейшов у газоподібні продукти (G_{C CO}, G_{C CO2}, кг/с), швидкість вигоряння (G_C, кг/с) та зменшення маси вуглецю (m, кг) за формулами:

G_CO = (м_CO V_СО)/22,4, G_CO2 = (м_CO2 V_СО2)/22,4, кг/с, (4)

де м_CO = 28 кг/кмоль, м_CO2 = 44 кг/кмоль; 22,4 м³/кмоль - об'єм 1 кіломолю газу при нормальних умовах;

G_{C CO} = G_CO(м_C/м_CO), G_{C CO2} = G_CO2(м_C/м_CO2), (5)

де м_С = 12 кг/кмоль, м_C/м_CO, м_C/м_CO2 - масова частка вуглецю в СО та СО₂;

G_C = м_C( V_СО + V_СО2)/22,4 , (6)

m = t G_C. (7)

Тривалість імпульсу t протягом експерименту залишається сталою, оскільки залежить від об'єму петлі та витрати газу-реагенту. Величину t визначають секундоміром за показаннями реометру. Масу вуглецю m_i, кг, що залишився після і-того імпульсу, розраховують за формулою:

, (8)

де: m₀ = m_н (100 - A^d) / 100 - початкова маса вуглецю в наважці, кг; m_н, A^d - початкова маса, кг, та зольність, %, коксового залишку; N - кількість імпульсів.

Після цього розраховують питому швидкість реакції W_m, 1/с (швидкість вигоряння вуглецю, віднесену до поточної маси m_і вуглецю в наважці) або W₀, 1/с (швидкість вигоряння вуглецю, віднесену до початкової маси m₀ вуглецю в наважці):

W_m = G_C /m_i , W₀ = G_C /m₀ . (9)

Ступінь конверсії вуглецю розраховують за формулою:

Х_і = 1 - (m_і / m₀). (10)

Залежність швидкості реакції від ступеня конверсії отримують у вигляді графіків

W_mі = f (Х_і) або W_0і = f (Х_і).

Експеримент вважається коректним, якщо ступінь конверсії вуглецю Х_р

(11)

та ступінь конверсії вуглецю Х_е, отримана за порівнянням початкової зольності коксу А^d₁, %, і зольності коксозольного залишку після експерименту А^d₂, %,

Х_е = (100 - 100 · А^d₁ / А^d₂) / (100 - А^d₁), (12)

близькі, а саме:

¦Х_р- Х_е¦/ Х_р ? 0,05. (13)

Наведена методика використовується при Х ? 0,6. Вивчення завершальної стадії конверсії має особливості, пов'язані з великою кількістю імпульсів. Похибка визначення конверсії в кожному імпульсі накопичується, що може призвести до суттєвої помилки. В роботі показано, що основним чинником похибки є неточність визначення тривалості імпульсу. Тому доцільно прийняти, що більш достовірною є ступінь конверсії Х_е, а час реагування в імпульсі ?t_ут уточнити за формулами:

, (14)

?t_ут = ?t · Х_е / Х_р . (15)

Такий спосіб уточнення тривалості імпульсу, залежностей W_mі = f (Х_і) та W_0і = f (Х_і) ефективний для коксів, крива конверсії яких відрізняється короткою квазістаціонарною ділянкою та швидким темпом зниження W_m. При дослідженні коксів, залежність W_m = f(Х) яких має квазістаціонарний характер в діапазоні Х = 0,2-0,8, концентрація СО та СО₂ спадає нижче порога чутливості хроматографа при Х, близькому до 1. В такому разі після завершення досліду температуру печі підіймають на 50 К і вводять контрольний імпульс повітря. Відсутність продуктів реакції дозволяє прийняти ступінь конверсії Х_е = 1 та відповідно нормувати тривалість імпульсу.

Дослідження динаміки вигоряння вугілля в КШ виконували на установці РСК-2-Д, подібній до РСК-1, яка дозволяє одержувати динамічну криву вигоряння дискретної засипки та визначати час вигоряння вугільних частинок. золь вигоряння коксовий залишок

Дослідне спалювання високозольних палив проводили на установці ЦКШ-0,02. Її основу складає циліндричний реактор діаметром 0,1 м та висотою 2,6 м, розпальна газова камера, система подавання вугілля, циклон, тракт повернення коксозольного залишку, пристрій виводу золи. Установка має автоматизовану систему оперативного контролю на базі ПК, системи відбору проб золи виносу. Спалювання виконують в умовах, наближених до енергетичних котлоагрегатів. Обробку результатів здійснюють за балансовими розрахунками з використанням аналізів газової і твердої фаз.

В кінці розділу наведено використані у роботі стандартні методи технічного, гранулометричного, фракційного аналізу. Для кожного методу дано оцінку похибок.

В третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень пористої структури та питомої швидкості горіння вугілля та його коксів, а також встановлені основні особливості характеру їх конверсії в залежності від ступеня метаморфізму, зольності та умов попередньої термічної обробки енергетичного вугілля.

Для проведення досліджень були відібрані зразки енергетичного вугілля різного ступеня метаморфізму: донецького марок А, П, Г, Д, львівсько-волинського Г, олександрійського Б, екібастузького СС. В дослідах використовували клас крупності 0,4-0,63 мм, як найбільш характерний для циркулюючого потоку в ЦКШ.

Для вивчення розподілу зольності частину зразків піддали розшаруванню у важких рідинах (CCl₄ та його сумішах з гасом). Відносно висока зольність легкої фракції при _р<1600 кг/м³ свідчить, що А та СС є важкозбагачуваними. Результати показують, що вугілля з більш високою вихідною зольністю має і більшу зольність легкої фракції, тобто внутрішню. Отримані фракції були використані при дослідженні впливу зольності на пористу структуру та швидкість горіння вугілля.

Пориста структура вугілля залежить від його ступеня метаморфізму (марки) та зольності.

Були досліджені поверхня і об'єм мікро- та поверхня мезопор вихідного вугілля та продуктів розшарування. В межах кожної марки з ростом зольності площа поверхні мікропор зменшується, а мезопор - збільшується (рис. 3).

Цю залежність в загальному вигляді можна представити як:

S_H2O = S_H2O(орг) (1 - A^d/100) + S_H2O(мін) A^d/100, (16)

де A^d - зольність на суху масу вугілля, %; S_H2O(орг), S_H2O(мін) - питома поверхня мікропор органічної та мінеральної частин, м²/кг. Результати, приведені в табл. 2, показують, що для органічної частини характерна більш висока S_H2O. Мінеральна частина практично не містить мікропор, але частка транспортних мезо- та макропор в ній більша, ніж в органічній.

Таблиця 2

Питома поверхня, м2/кг	А	Г	Б	СС
SH2O(орг)	190103	185103	305103,	130103
SH2O(мін)	2103	25103	30103	1103

Ступінь метаморфізму характеризується часткою вуглецю в органічній частині C^daf, %. На рис. 4 видно, що найбільшу S_H2O має низько- та високометаморфізоване вугілля. Мінімальні значення характерні для вугілля марки Г. Питома площа поверхні мезопор S_Ar значно нижча, ніж S_H2O, і зменшується з ростом ступеня метаморфізму. Розкид значень пов'язаний з різною зольністю вугілля. Система мікропор найбільш розвинута у вугілля Б та А, а мезопор - у Б та кам'яного низькометаморфізованого вугілля.

Для процесів горіння більш важливими є властивості коксового залишку, пориста структура якого формується під час піролізу - першій стадії термічної переробки вугілля. Відрізняють повільний (при спалюванні в шарі, темп нагріву 8-10 К/с) та швидкий піроліз (в КШ та у факелі, темп нагріву > 10³ К/с). Піроліз, що відбувається при недостачі окислювача, може супроводжуватись частковою газифікацією. На прикладі вугілля марки СС в роботі доведено (рис. 5), що при кінцевій температурі 1023-1173 К S_H2O при швидкому і повільному піролізі досягають максимальних значень і відрізняються між собою менше, ніж на 10%. При більш високих температурах S_H2O зменшується внаслідок упорядковування структури вугільної речовини.

Збільшення температури попереднього піролізу антрациту зменшує швидкість подальшого горіння його коксів (рис. 6). Цей ефект сильніше проявляється на початковій стадії конверсії (W₀), на квазістаціонарній ділянці в максимумі швидкості (W_max) він зменшується.

Пориста структура коксових залишків при однакових умовах термічної обробки залежить від структури та властивостей вихідного вугілля. На рис. 6 наведені значе-ння S_H2O для вугілля марок А та Г після повільного піролізу та піролізу з частковою газифікацією, яку проводили до досягнення максимальної швидкості реагування при даній температурі. Знайдено, що піроліз в КШ при Т_п = 1073 К зменшує S_H2O антрацита в 1,4-2,5 рази. Причиною може бути упорядковування структури вугільної речовини, що супроводжується зменшенням площі мікропор, досяжної для окислювача. При частковій газифікації А до Х = 0,06-0,14 мікропори розроблюються, що нівелює негативний вплив піролізу і повертає S_H2O до початкових значень. Структура мікропор газового вугілля з високим виходом летких розроблюється як при піролізі (S_H2O зростає в 1,4-1,6 рази), так і при газифікації до Х = 0,17-0,34 (S_H2O зростає в 3,2 рази). Але після термічної обробки частина вуглецю для обох марок стає недосяжною для водяної пари (і окислювача), що свідчить про її графітизацію.

Абсолютну та відносну зміни S_H2O і поточної швидкості горіння W_m протягом конверсії коксів А та Г наведено на рис. 8, 9. На початку конверсії S_H2O відповідає коксам після піролізу, при Х = 0,2-0,3 досягає максимуму. Ймовірно, горіння в тонкому шарі біля поверхні супроводжується процесом газифікації продуктами згоряння всередині частинки, в результаті чого мікропориста структура розроблюється. Із збільшенням реагуючої поверхні пов'язане і зростання швидкості горіння на початковій ділянці конверсії. S_H2O коксу А набуває максимального значення при Х = 0,2, коксу Г - при Х = 0,25, і починає зменшуватись раніше, ніж W_m. Причиною цього видається витрачання більш реакційної і мікропористої частини вугільної речовини.

Вплив зольності на швидкість горіння і характер конверсії коксів (рис. 10) досліджувався на вихідному та розшарованому вугіллі марок А та Г. Встановлено, що питома швидкість горіння зменшується із зростанням зольності. Нормовані координати наочніше ілюструють скорочення квазістаціонарних ділянок і те, що по ходу конверсії вплив зольності підсилюється і найсильніше проявляється ділянці кривої, що спадає. При Х = 0,8 відносний рівень швидкості горіння високозольної фракції А складає лише 40% від максимального, а малозольної - 80%. Швидкість горіння коксів вугілля марки Г та його малозольної фракції відрізняються незначно, але відносний рівень швидкості горіння високозольної фракції при Х = 0,8 зменшується вдвічі. Враховуючи, що до високозольної фракції при розшаруванні перейшло біля половини вугільної речовини антрациту та 40% газового вугілля, зрозуміло, що при розрахунку часу вигоряння високозольного вугілля треба враховувати присутність вуглемінеральних зростків. В табл. 3 наведено розрахований за різними методами та отриманий в експерименті час вигоряння частинок різної зольності.

Таблиця 3

Аd, %	Варіанти розрахунку ф0,9, с	Оскільки горіння А відбувається з зовнішньої поверхні, а горіння Г за умов КШ витісняється також на зовнішню поверхню, для розрахунку було використано модель ядра, що стягується. В І варіанті час вигоряння ф0,9 до Х = 0,9 розраховано за швидкістю на початку конверсії при зольності вихідного вугілля : ф0,9 = 1/[W0 · (1- 0,5)2/3].
	І	ІІ	ІІІ
Антрацит (Тг = 933 К)
4,3	4130	3225	3265
32,8		6250	6230
44,2		11760	13850
Газове вугілля (Тг = 873 К)
12,9	1256	990	980
38,6		1063	1030
76,1		1923	2250

У ІІ варіанті - визначався за експериментально отриманим значенням при Х = 0,5 для вугілля та розшарованих зразків: ф_0,9 = 1/ W_0(0,5). В ІІІ варіанті ф_0,9 отримано в експерименті. Видно, що за допомогою швидкості при половинній конверсії можна більш коректно визначити час вигоряння частинки, оскільки W_0(0,5) вже враховує вплив зольності на час вигоряння і по ходу конверсії цей вплив зростає.

Спалювання розшарованих зразків А та Г в неізотермічних умовах КШ показало, що час вигоряння з ростом зольності підвищується (рис. 11). Ця залежність більше виражена для А, ніж для Г вугілля, на швидкість горіння якого більше впливають зовнішньодифузійні обмеження. Додавання зовнішньої золи не змінює часу вигоряння, що підтверджує вплив на швидкість горіння лише внутрішньої зольності.

Зниження швидкості горіння та площі мікропор із зростанням зольності можна пояснити тим, що в коксозольному залишку вуглець одночасно присутній в вигляді практично чистої вугільної речовини, вуглемінеральних, мінераловугільних зростків та низькореакційних графітизованих включень, фізичні властивості, а отже доступність поверхні та реакційна здатність яких зменшуються в наведеному ряду. На початковій стадії конверсії швидкість реагування обумовлена горінням найбільш реакційної частини вугільної речовини. Зі зростанням зольності та по ходу конверсії швидкість горіння знижується, бо віднесена до всього вуглецю, в тому числі, до менш реакційноздатного в зростках. Уявлення про різні види золи та вуглецю у вугіллі дозволило кількісно оцінити питому швидкість горіння (рис.12), максимальну ступінь конверсії в експерименті та частку вуглецю в зростках та графітизованих включеннях в залежності від параметра А^d/(1-А^d) та отримати спадні частини кривих конверсії, близькі до експериментальних.

В четвертому розділі представлено результати визначення розподілу зольності за класами крупності вугільної продукції та відходів. Зразки відсіву антрацитового штибу (АШ), концентрату АШ та антрациту фракції С (АС) були відібрані на Старобешівській ТЕС, розсіяні та піддані фракційному аналізу в розчині хлористого цинку (рис. 13). Концентратом антрациту вважають фракцію густиною с < 1800 кг/м³. Промпродукт з с = 1800-2000 кг/м³ містить вуглемінеральні зростки. Густина с > 2000 кг/м³ визначає породу та мінераловугільні зростки. АШ відсів має достатню частку високозольних частинок для формування шару та циркулюючого потоку при спалюванні в ЦКШ: 31,3% в класах > 0,6 мм та 28,2% в класах > 1 мм. Підвищена частка зростків вимагає збільшення часу перебування в факелі для забезпечення вигоряння пилу і робить АШ відсів малопридатним для пиловугільного спалювання.

Основним результатом збагачення АШ є видалення породи та мінераловугільних зростків з класів крупності 1 мм. В результаті придатність такого палива для спалювання в факельних котлоагрегатах підвищується. Низька доля крупної інертної компоненти (близько 10%), що стабілізує накопичення матеріалу в шарі, робить концентрат, а тим більше АС, непридатним для спалювання в ЦКШ.

На установці ЦКШ-0,02 було проведено дослідне спалювання високозольного антрациту (A^d = 29,0%) з метою вивчення впливу крупності дроблення на гранулометричний склад донної золи та технологічні показники спалювання. Паливо розміром 0-3 та 0-5 мм готували за допомогою молоткової дробарки, яка запобігає надлишковому подрібненню. Результати розрахунку матеріального балансу свідчать про те, що зниження крупності палива до розміру 0-3 мм забезпечує більш розвинутий циркулюючий потік, а отже інтенсифікацію теплообміну між шаром і верхньою частиною топки, вирівнювання температур в топці, покращення вигоряння донної золи, кращі екологічні показники. Ці результати, а також наведений на рис. 14 гранулометричний склад донної золи, необхідні для розрахунків процесів тепло- і масообміну в топках киплячого шару.

АШ відсів для спалювання в ЦКШ можуть постачати шахти та збагачувальні фабрики (ЗФ), які не мають обладнання для його збагачення. Другим значним джерелом високозольного антрациту можуть бути відвали шахт та ЗФ, де накопичено більше 640 млн т сухих відходів. Вони містять більше 60 млн т у. п. паливної компоненти. Для оцінки її розподілу за класами крупності були проаналізовані зразки сухих відходів, відібрані на крупних шахтах та ЗФ. Аналізи зольності засвідчили, що основна частина вуглецю міститься в дрібних класах 0-13 та 0-25 мм, які характеризуються зольністю до 50%, придатною для спалювання в ЦКШ. Дослідне спалювання сухих відходів Постниковської ЦЗФ (вихідна зольність 72,4%, зольність класу 0-13 мм 52,9%, після збагачення у важкій рідині A^d = 37%) показала, що технологічні та екологічні показники спалювання паливної компоненти сухих відходів збагачення антрациту практично не відрізняються від характерних для відсіву АШ: Т_с = 1153-1173 К, Х = 90-92%, NO_x 300 мг/нм³, SO₂ 350 мг/нм³ при Ca/S = 2,2-2,5. Це дозволяє очікувати для ЦКШ-котлоагрегату Х = 92-96% та екологічні показники, що задовольняють європейським нормам: NO_x 200 мг/нм³, SO₂ 200 мг/нм³.

На підставі досліджень на дослідно-експериментальних установках запропоновано такі рекомендації з підготовки антрациту для спалюванню на пиловугільних та ЦКШ-котлоагрегатах.

1. Для пиловидного спалювання слід використовувати АШ концентрат з A^d ? 25% при забезпеченні проектної тонини розмелу R₉₀ = 4-6%. Можливе спалювання суміші АШ відсіву та АС при забезпеченні A^d ? 25% і рівномірного змішування.

2. Для спалювання в ЦКШ доцільно використовувати АШ відсів або рядовий антрацит з A^d = 25-40%. З ростом зольності максимальний розмір дробленого антрациту має зменшуватися з 3,0 до 2,0-2,5 мм. При дробленні треба уникати надлишкового подрібнювання для зменшення виносу, механічний недопал в якому визначає рівень недопалу в цілому.

3. Паливна компонента сухих відходів видобутку та збагачення антрациту може використовуватись як основне або додаткове (в суміші з антрацитом) паливо для ЦКШ. Найбільш дешевим способом її видобутку з відвалів є грохочення з виділенням дрібних класів 0-13 та 0-25 мм. При зольності відвалів <75% така переробка дозволяє видобути 50-70% вуглецю у вигляді палива з A^d = 45-55%. Режимні умови, технічні та екологічні показники спалювання в ЦКШ дрібних класів сухих відходів антрациту близькі до відсіву АШ. Для використання палива з такою зольністю в існуючих ЦКШ-котлоагрегатах необхідно зменшити максимальних розмір дроблених частинок до 2 мм та підвищити пропускну здатність систем видалення золи.

4. Для спалювання дрібних класів сухих відходів без внесення змін в схеми котлоагрегатів зольність палива має бути знижена до A^d = 25-40%. Перед збагаченням паливо необхідно подрібнити до 2-3 мм для розділення мінеральної та органічної компоненти в мінераловугільних зростках.

У кінці розділу наведено розрахунок економічної ефективності робіт по заміні факельного котлоагрегату парогенератором ЦКШ, що спалює сухі відсіви антрациту або продукти перезбагачення його сухих відходів. Показано, що для блоків 200 МВт сума капітальних витрат в цінах на 1.01.2009 р. складає 1170 млн грн., термін окупності робіт з модернізацією турбіни, котельного, електротехнічного обладнання та створенням нової системи паливопідготовки не перевищує 5-6 років, що є задовільним і дозволяє в найближчі роки реалізувати проекти введення таких ЦКШ-котлоагрегатів при реконструкції енергоблоків ТЕС.

Висновки

1. В дисертаційній роботі на основі результатів дослідження впливу зольності на пористу структуру та характер конверсії енергетичного вугілля і його коксового залишку, розподілу зольності в вугільній речовині, спалювання високозольного АШ в ЦКШ знайдено основні закономірності характеру вигоряння вугілля різного ступеню метаморфізму та зольності і розроблено рекомендації з вибору та підготовки палив для спалювання в факельних та ЦКШ-котлоагрегатах, що забезпечує вирішення важливої та актуальної для енергетики України науково-прикладної задачі - збільшення ефективності вигоряння енергетичного вугілля в топках котлоагрегатів.

2. Розроблено методику визначення швидкості горіння коксового залишку при великих ступенях конверсії, що дозволяє встановити характер реагування коксів з киснем повітря при ступені конверсії вуглецю Х 0,6.

3. Знайдено характеристики пористої структури українського вугілля різного ступеня метаморфізму та зольності. Показано, що органічна частина вміщує здебільшого мікропори, структура яких найбільш розвинута у низько- та високометаморфізованого вугілля. Мінеральна компонента практично не вміщує мікропор, але частка транспортних мезо- та макропор в ній більше, ніж в органічній частині. Вперше визначені значення питомої площі поверхні мікро- та макропор органічної та мінеральної частини вугілля.

4. Визначено, що при температурі піролізу 1023-1173 К питома площа поверхні мікропор при повільному та швидкому темпі нагріву відрізняється менше, ніж на 10%. При більших температурах вона зменшується. Питома швидкість горіння антрациту із зростанням температури піролізу знижується. З підвищенням ступеня конверсії коксозольного залишку цей ефект послаблюється.

5. Показано, що піроліз призводить до зменшення площі поверхні мікропор антрациту. При частковій газифікації відбувається її зростання. Структура мікропор газового вугілля розробляється і при піролізі, і при частковій газифікації.

6. Знайдено, що процес горіння вугільної частинки супроводжується розробкою мікропористої структури. Максимального значення поверхня мікропор набуває при ступені конверсії Х = 0,2-0,25 для А і при Х = 0,25-0,3 для Г. При більших ступенях конверсії вона зменшується в результаті конверсії вугільної речовини з більш розвинутою мікропористою структурою.

7. Показано, що швидкість горіння вугілля знижується із зростанням внутрішньої зольності. Вплив зольності сильніший при ступені конверсії > 50%. Це пов'язано з зростанням відносної частки вуглецю в зростках. В А їх більше, ніж в Г.

8. Визначено, що основним результатом збагачення АШ є виділення породи та мінерало-вугільних зростків з класів 1 мм, що робить його більш придатним для пиловидного спалювання, ніж для спалювання в ЦКШ. Паливна компонента сухих відходів видобутку та збагачення антрациту може використовуватись як основне або додаткове (в суміші з АШ) паливо для ЦКШ.

9. Розроблено рекомендації щодо вибору та підготовки палива для спалювання в факелі і в циркулюючому киплячому шарі, які спрямовані на збільшення повноти вигоряння вугілля в топках котлоагрегатів.

10. Виконано розрахунок економічної ефективності робіт по заміні факельного на ЦКШ-котлоагрегат і показано, що термін їх окупності не перевищує 5-6 років.

Основні публікації по темі дисертації

Исследование кинетики горения высокозольных энергетических углей в импульсном безградиентном реакторе кипящего слоя / А. А. Анищенко, А.Ю. Майстренко, В.С. Соболев, И. Л. Голенко / Нові знання в галузі використання вугілля з урахуванням екологічних проблем: матеріали ІІ конф. - Прага, Ін-т палив. - 1989.

Майстренко А.Ю. Влияние условий пиролиза угля на скорость последующей конверсии кокса в среде СО2 и О2 / А.Ю. Майстренко, И. Л. Голенко, В. С. Соболев // Проблемы энергосбережения: сб. научн. тр.- Киев: Наук. думка - 1990.- вып. 5. - С. 51-53.

Изменение пористой структуры экибастузского слабоспекающегося и подмосковного бурого углей в процессе их термической обработки / А.А. Анищенко, И.Л. Голенко, А.Ю. Майстренко [и др.] // Химия твердого топлива. - 1991, №4. - С.57-61.

Особенности завершающей стадии конверсии высокозольных углей / Майстренко А.Ю., Голенко И.Л., Соболев В.С., Хандрос Т.Н. // Экотехнологии и ресурсосбережение - 1998. - №1. - С. 3-7.

Голенко И.Л. Изменение пористой структуры высокозольних углей в процессе термообработки / И.Л. Голенко, Т. Н. Хандрос // Енергетика: економіка, технології, екологія. - 2000. - №4. - С. 46-52.

Технологічні, екологічні та економічні аспекти використання відходів вуглезбагачення для спалювання на ТЕС / Чернявський М.В., Дунаєвська Н.І., Голенко І.Л., Провалов О.Ю. // Энергетика и электрификация. - 2002. - №7. - С. 19-26.

Гапонич Л.С. Исследование влияния условий предварительной термической обработки на структуру коксов углей различной степени метаморфизма / Л.С. Гапонич, И.Л. Голенко, Т.Н. Хандрос // Экотехнологии и ресурсосбережение - 2007. - №1. - С. 10-16.

Аннотация

Голенко И.Л. Влияние зольности на характер выгорания энергетических углей в топках котлоагрегатов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика - Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2009 г.

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния зольности и предварительной термической обработки на пористую структуру, скорость горения углей и отходов углеобогащения, их изменению по ходу конверсии, а также определению характеристик горения данных топлив в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) и разработке рекомендаций по их использованию в факельных и ЦКС-котлах.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность работы, приведена информация об использовании полученных результатов, личном вкладе соискателя, апробации результатов и публикациях.

...