Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование водоугольного топлива из бурых углей

К.т.н. М.П. Баранова

Введение

Дальнейшее развитие теплоэнергетики в значительной мере связано с необходимостью разработки и внедрения новых, эффективных с экономической и экологической точек зрения технологий использования низкокачественных углей. Два основных фактора ограничивают область применения таких углей: большое содержание золы, влияющее на процесс горения, и потребность в высокоэффективных системах очистки дымовых газов. Одним из вариантов решения данных проблем является внедрение технологий водоугольного топлива.

Особенностью получения водоугольной суспензии (ВУС) из бурых углей является их низкая степень метаморфизма (т.е. начальная стадия в процессе превращения угля в антрацит. - Прим. ред.). В то же время высокая реакционная способность позволяет использовать бурые угли в качестве твердой фазы ВУС совместно с более низкореакционными углями или шламами. водоугольное топливо бурый горелка

Для исследования процессов сжигания ВУС, полученных из углей низкой стадии метаморфизма, а также способов розжига и стабилизации процесса горения были получены ВУС на основе бурых углей Березовского и Бородинского месторождений Канско-Ачинского угольного бассейна (табл. 1).

Получение водоугольной суспензии

Процесс получения ВУС включал следующие операции: дробление исходного угля до размера частиц 3 мм; тонкий помол угля в мельнице совместно с водной фазой; перемешивание.

В качестве размалывающего устройства использовалась лабораторная шаровая барабанная двухкамерная мельница МБЛ-100. Общая масса шаровой загрузки (диаметр шаров - 3040 мм) в каждой камере составляла 90 кг. Масса порции угля, загружаемого в мельницу - 9 кг

Количество угля и воды, подаваемых в мельничный аппарат, определяли расчетным путем по массе сухого угля таким образом, чтобы концентрация суспензии соответствовала заданному значению.

В мельничной установке уголь измельчали преимущественно до класса 0-0,4 мм. Максимальный размер частиц не превышал 1 мм. Содержание классов менее 0,05 мм составляло 50-70%. Время измельчения в мельнице в среднем составляло 40-60 мин.

Концентрацию твердой фазы полученной ВУС определяли высушиванием при температуре 105 ОС, гранулометрический состав - методом влажного фракционирования на ситах по стандартной методике. Реологические характеристики изучали на ротационном вискозиметре «Реотест-2».

Суспензии готовились с использованием питьевой воды и добавлением пластификатора (NaOH). Добавка вводилась на первой стадии помола совместно с водной фазой. Коэффициент характеристики потока для всех ВУС меньший единицы показывает, что применяемые химические добавки не изменяли псевдопласти- ческий характер течения суспензий.

Таким образом было получено достаточное для проведения испытаний количество ВУС со следующими характеристиками:

¦ содержание твердой фазы в ВУС - 44,2%;

¦ концентрация добавки - 0,1% в расчете на сухую массу угля;

¦ структурная вязкость - 0,45 Па.с;

¦ начальное напряжение сдвига - 12,З Па;

¦ стабильность - до 30 сут.;

¦ высшая теплота сгорания суспензии - 28880 кДж/кг.

Экспериментальные исследования

Перед подачей на сжигание были проведены гидравлические испытания суспензии на установке.

Испытательный контур состоял из участков труб с различными диаметрами (36, 52 и 81 мм), с установленной на них измерительной аппаратурой. Пробы отбирались через каждый час в течение шести часов на каждой трубе. Определялись структурная вязкость и содержание твердой фазы в ВУС. Анализ полученных данных показал, что изменений в значениях содержания твердой фазы в ВУС в процессе проведения испытаний не произошло (44,6% в начале и в конце эксперимента). Значения структурной вязкости снизились с 0,67 до 0,48 Па.с.

На трубе диаметром 81 мм были проведены испытания на стабильность. Суспензию оставили в трубе в статических условиях. Через 10 сут. был осуществлен повторный запуск установки. Результаты показали, что необходимое для пуска давление увеличилось в 1,6 раза по сравнению с начальным.

В результате проведенных испытаний установлено, что при транспортировании ВУС потери давления на 1 км при скорости течения 1 м/с составят от 0,21 до 0,13 МПа при диаметре труб от 81 до 1000 мм соответственно.

После проведенных гидравлических испытаний ВУС была сожжена в топочной камере, специально смонтированной для этого. Сначала было организовано горение мазута. Через 15 мин после начала горения мазута температура стенки верхней части топочной камеры достигла 920 ОС. Затем на сжигание была подана суспензия. Воспламенение ВУС произошло сразу же, и совместное горение суспензии и мазута продолжалось еще 15 мин. Затем подача мазута была отключена. Устойчивое горение суспензии продолжалось в течение 30 мин. Измерения показали, что температура газов на расстоянии от сопла 0,5 и 0,9 м составила соответственно 940 и 990 ОС. Несовершенство топочной камеры не позволило получить более детальные характеристики процесса сжигания ВУС.

Проведенные исследования показали, что ВУС на основе бурых углей Березовского разреза может быть получена, транпортирована и сожжена при соответствующем техническом обеспечении, подбор и опробование которого является дальнейшей задачей.

Промышленные испытания

В ходе исследовательской работы были проведены промышленные испытания по сжиганию ВУС из угля Бородинского месторождения. Сжигание проводилось в печи обжига цементного завода, которая была оборудована дополнительной суспензионной форсункой. Форсунка была защищена воздушной рубашкой, подаваемой по трубе диаметром 320 мм. Подвод воздуха на форсунку производился из существующей на комбинате воздушной магистрали. В период испытаний давление в системе подачи воздуха поддерживалось на уровне 3 кгс/см2 (0,29 МПа). Расход воздуха составил 2400 нм3/ч, а расход ВУС - 4850 кг/ч.

Подготовленная к сжиганию суспензия имела следующие характеристики:

¦ содержание твердой фазы - 39,8% (по абсолютно сухой массе угля);

¦ структурная вязкость - 0,5 Па.с;

¦ низшая теплота сгорания ВУС - 8296 кДж/кг;

¦ гранулометрический состав: 0-200 мкм - 97%, из них меньше 50 мкм - 70%.

Сжигание ВУС осуществлялось совместно с пылеугольным сжиганием кузнецкого угля. При температуре вторичного воздуха от 450 до 600 ОС воспламенение и горение ВУС происходило в виде «бенгальских огней». Горение осуществлялось на расстоянии 3-х м от среза форсунки. При температуре вторичного воздуха выше 600 ОС горение ВУС происходило в виде мазутоподобного факела, при этом факел «подтягивался» и располагался на расстоянии 0,5 м от среза форсунки.

Было установлено, что нормальное сжигание ВУС совместно с кузнецким пылевидным углем в значительной степени зависит не только от температуры вторичного воздуха, но и от равномерности подачи шихты в печь.

Аналогично было проведено сжигание ВУС, полученных из смеси углей разной степени метаморфизма, в частности, антрацита Листвянского месторождения и бурого березовского угля. Следует отметить, что сжигание композиционных ВУС имеет особенности, которые необходимо исследовать более детально.

Плазменное воспламенение

Разработка и применение систем плазменного воспламенения (СПВ) пылеугольного топлива для котельных установок продолжается в России и за рубежом более 20 лет. Существуют промышленные системы для энергетических котлов большой мощности, для котлов малой и средней мощности, применяемых, в частности, в системах теплоснабжения. Известен ряд работ, в которых исследовалась возможность применения СПВ при сжигании пылеугольного топлива, ВУС из каменных углей и шламов гидродобычи этих углей. Воспламенение и горение буроугольных ВУС с помощью СП В в литературе почти не встречается.

В ходе проведения исследовательской работы была разработана, смонтирована и испытана лабораторная установка по сжиганию ВУС с применением СПВ. Установка включала в себя основные элементы, необходимые для обеспечения процесса розжига и поддержки стабильного процесса горения ВУС: система хранения и регулируемой подачи ВУС; система водо- и газоснабжения; горелочные устройства с форсункой; система плазменного воспламенения.

Розжиг водоугольных горелок и стабилизация пламени производились плазмотроном мощностью 30 кВт (так называемый плазмотрон малой мощности). Это однодуговой плазмотрон с двумя соосными цилиндрическими электродами и вихревой стабилизацией дуги. Плазмотрон охлаждается водой. Рабочим телом является аргон. Рабочее давление в камере не превышает 0,2 МПа. При работе на воздухе средняя температура выходящего из плазмотрона газа составляла примерно 6000 К, тепловой КПД - около 80%.

Была применена такая система плазменного воспламенения при розжиге водоугольной горелки, когда плазмотрон располагался в центральном отверстии форсунки. Плазменная струя, подведенная к корню факела распыляемого топлива во внутренней рециркуляционной зоне разогревала и зажигала буроугольную ВУС.

В ходе эксперимента было использовано (сожжено) около 50 кг ВУС из Березовского угля со следующими характеристиками:

¦ содержание твердой фазы в ВУС - 52%;

¦ гранулометрический состав - 0-200 мкм - 85-95%, из них размером 0-100 мкм - 70-80%; более 1 мм - до 1%;

¦ структурная вязкость - 0,7-0,9 Па.с;

¦ предел текучести - 1,2-1,4 Па.

Плазмотрон работал устойчиво на всех этапах технологического цикла. Средние значения полученных характеристик процесса сжигания представлены в табл. 2.

Как показали выполненные исследования, применение системы плазменного воспламенения позволяет в минимально короткое время обеспечить розжиг и стабилизацию горения ВУС.

Размещено на Allbest.ru