Плазменно-термическая подготовка твердых топлив к сжиганию на основе модульной двухступенчатой установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Плазменно-термическая подготовка твердых топлив к сжиганию на основе модульной двухступенчатой установки

Специальность 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

Шишулькин Станислав Юрьевич

г. Улан-Удэ - 2009 г.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Особое место в энергетике занимают отопительные котлы малой и средней мощности, работающие в основном на твердом органическом топливе - угле, использующие слоевое или факельно-слоевое сжигание. При этом необходимо отметить, что в силу ряда причин (технических, технологических) коэффициент полезного действия (КПД) данных котлов находится в среднем на уровне 60% при заявленном значении не менее 80%.

Качество добываемого угля с каждым годом становится все хуже, в перспективе основным топливом будут низкосортные забалластированные золой и влагой угли открытой добычи с теплотой сгорания 1900-3800 ккал/кг. Принимая во внимание огромные масштабы потребления таких углей в энергетике, нельзя ожидать их обогащения, учитывая довольно высокую стоимость обогащения угля. Более того, в результате обогащения можно снизить лишь зольность и влажность углей, тогда как увеличить выход летучих в низкореакционных топливах путем обогащения в принципе невозможно. Это означает, что нельзя повысить и реакционную способность таких углей. При низком содержании летучих веществ угольные частицы обладают малой пористостью, что препятствует диффузии кислорода внутрь частиц и приводит к значительным затруднениям при организации их воспламенения и сжигания. Из-за низкого выхода летучих происходит запаздывание воспламенения угля, что требует увеличения объема топочной камеры для завершения процесса горения и проведения самого сжигания при пониженных тепловых нагрузках топочного объема. Последние факторы являются причиной значительного мехнедожога. Все эти факторы значительно снижают эффективность использования топлива и экономичность котлоагрегата.

Существует множество технологий и способов стабилизации горения угля в пылеугольных котлах (подсветка пылеугольного факела, безмазутная растопка котлоагрегата и др.) и не так много создано технологий по повышению качества использования углей в котлах со слоевым сжиганием топлива. Еще одной проблемой являются вопросы повышения экологической эффективности котельного оборудования. При этом сложная экономическая ситуация и отсутствие свободных финансовых ресурсов у генерирующих компаний вызывает необходимость изыскивать малозатратные методы модернизации и повышения эффективности работы теплогенерирующего оборудования.

Изложенное выше определяет актуальность проведения исследований и разработки плазменных технологий подготовки углей к сжиганию в котлах оборудованных топками для слоевого сжигания топлива, которые позволят улучшить технико-экономические и экологические характеристики отопительных котельных. Эта проблема особенно актуальна для регионов с высокими экологическими требованиями, к которым относится, например, зона озера Байкал - Памятника Мирового Наследия.

Цель работы: исследование процессов плазменно-термической обработки углей на модульной двухступенчатой опытно-промышленной установке для получения высокореакционного топлива с последующим его использованием в отопительных котлах.

Для достижения намеченной цели в работе были поставлены следующие задачи:

? произвести анализ состояния отопительных котлов, расположенных на территории города Улан-Удэ и Республики Бурятии, с выбором наиболее распространенных типов котлов для последующей привязки к ним системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию, а также исследовать возможности применения плазменно-энергетических технологий для повышения реакционной способности углей и экологических показателей отопительных котлов, расположенных на территории Республики Бурятия, Читинской области и Монгольской народной республики;

? произвести расчеты процессов плазменно-термической подготовки углей в модульной двухступенчатой плазменной установке;

? выбрать на основании расчетов оптимальные геометрические размеры установки;

? исследовать процессы плазменно-термической подготовки Тугнуйского (Республика Бурятия), Баганурского (Монголия) и Урейского (Читинская обл.) углей, протекающие при работе модульной плазменной двухступенчатой установки в одноступенчатом и двухступенчатом режимах;

? установить влияние соотношения угля, воздуха и водяного пара на состав получаемого синтез-газа при исследовании процессов плазменно-термической подготовки углей в модульной плазменной двухступенчатой установке и определить оптимальные соотношения вводимых реагентов;

? изучить изменение структуры углей после плазменно-термической обработки, и установить как эти изменения влияют на процесс сжигания углей в топке котла.

? разработать технологию и систему плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию на базе модульной плазменной двухступенчатой установки для отопительных котлов малой и средней мощности с технико-экономическим обоснованием ее применения.

Научная новизна:

? на основе исследований теплофизических процессов плазменно-термической подготовки Тугнуйского, Баганурского и Урейского углей к сжиганию, протекающих в двухступенчатом плазменном реакторе совмещенного типа получены критериальные соотношения реагентов, позволяющих наиболее эффективно производить плазменно-термическую подготовку углей;

? получены новые данные по изменению пористой структуры углей после плазменно-термической обработки, и выявлено что наиболее развитую пористую структуру имеют угли Тугнуйского месторождения, Урейские угли имеют менее развитую пористую структуру, угли Баганурского месторождения имеют слабо развитую пористую структуру;

? разработаны научно-технические основы для применения технологии и системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию для повышения технико-экономических и экологических показателей отопительных котлов малой и средней производительности с топками для слоевого и факельно-слоевого сжигания топлива, на основе модульной плазменной двухступенчатой установки.

Практическая ценность работы:

1. Модульная плазменная двухступенчатая установка, используемая в качестве дополнительной приставки к котлу, и технология плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию позволят производить процесс плазменно-термической подготовки низкосортных углей и расширить диапазон сжигаемых в котлах малой и средней мощности углей.

2. Использование системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию позволит: сократить потребление угля за счет снижения мехнедожега топлива, снизить выбросы вредных веществ, повысить КПД котлоагрегата, использовать на одном и том же котле угли с большим диапазоном влажности и выходом летучих.

3. Модульный принцип компоновки системы плазменно-термической подготовки твердого топлива к сжиганию дает возможность, в случае необходимости, увеличить производительность установки при низкой металлоемкости и энергозатратах.

4. Полученные результаты (таблицы и графики) могут быть использованы в качестве справочного материала при исследованиях, расчете и проектировании установок для плазменно-термической подготовки углей к сжиганию, а также в качестве учебного материала для соответствующих специальностей ВУЗов.

Выносимые на защиту положения:

- результаты экспериментальных исследований процессов плазменно-термической подготовки углей к сжиганию в модульной двухступенчатой установке при работе установки в одно- и двухступенчатом режимах;

- технология плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию в котлах малой мощности и установка для ее осуществления позволяющая повысить КПД котла;

- оптимальные соотношения вводимых реагентов при плазменно-термической подготовке, полученные расчетно-теоретическими и экспериментальными исследованиями и способствующие увеличению пористости угля: для Тугнуйского и Урейского углей соотношение уголь:воздух:пар - 10:4:1, для Баганурского - 15:6:2;

- модульный принцип построения модульной плазменной двухступенчатой установки, позволяющий увеличивать производительность установоки в зависимости от мощности котлов при низких материальных и энергетических затратах.

Достоверность полученных результатов определяется с помощью методов диагностики, обеспечивающих возможность получения результатов измерений с погрешностью не более 10%; статистической обработкой результатов экспериментальных измерений, которая осуществлялась в относительных единицах для повышения достоверности полученных данных; сравнением расчетных и опытных данных. Расчеты состава плазменно-подготовленного угля и получаемого синтез-газа проводились с использованием современной широко апробированной компьютерной программы «ТЕРРА». Геометрические размеры и параметры установки плазменной подготовки твердых топлив к сжиганию, а также кинетика воздушно-угольного потока в установке были определены с помощью компьютерной программы «Плазмауголь-3». Все выполненные в рамках диссертационной работы расчеты и теоретические обоснования подтверждаются экспериментальными исследованиями.

Личный вклад автора заключается в участии при разработке конструкции и создании двухступенчатой установки плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию, непосредственном проведении экспериментов, расчетов и обработке результатов, формулировке выводов по работе.

Апробация работы. Основные методологические положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 15-й Международной научно-практической конференции «Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация отходов» (Щелкино, АР Крым - 4-8 июня 2007 г.); 10-й Международной конференции «Газоразрядная плазма и технологии ее применения» (Томск - 17-20 сентября 2007 г.); Межрегиональной выставке научных достижений (Улан-Удэ - 2006 г.); Выставке «Стройиндустрия. ЖКХ. Энергосбережение» (Улан-Удэ - 10-13 апреля 2007 г.); Всероссийской научно-практической конференции, семинар ВУЗов Сибири и Дальнего Востока «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск - 2008); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Челябинск - 5-7 мая 2008 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию Республики Бурятия «Приоритеты Байкальского региона в азиатской геополитике России» (Улан-Удэ - 2008 г.); 1-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, практика применения» (Улан-Удэ - 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии. Физика конденсированного состояния. Физика и техника низкотемпературной плазмы» (Улан-Удэ - 4-7 сентября 2008 г.); Четвертой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов (Москва - 2008 г.), Ежегодной научно-практической конференции молодых ученых и преподавателей ВСГТУ (Улан-Удэ, 2006-2009 гг.); Ежегодной научной конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов БГУ (Улан-Удэ, 2006-2009 гг.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 2 статьи в реферируемых изданиях. 1 положительное решение на выдачу патента РФ, список основных из них приведен в конце автореферата.

2. Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, отмечена научная новизна полученных результатов и их практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена рассмотрению вопросов использования угля на энергообъектах и типах его сжигания, анализу традиционных и плазменных технологий газификации угля, произведен обзор и анализ состояния отопительных котельных Республики Бурятия.

Анализ позволил сделать следующие выводы:

1. Необходим поиск и внедрение экологически чистых технологий, позволяющих с высокой эффективностью использовать низкосортные энергетические угли, доля которых в топливно-энергетическом балансе страны неизменно растет.

2. Предварительная плазменно-термическая подготовка угля на энергогенерирующих предприятиях позволит получать высокореакционное топливо (ситез-газ и термически подготовленный уголь), использование которого дает возможность увеличить общую эффективность производства.

3. Применение плазменных систем улучшает технико-экономические и экологические показатели энергогенерирующих объектов, позволяет исключить сжигание дополнительного топлива.

4. Учитывая накопленный опыт, возможно развитие и совершенствование плазменных систем топливоиспользования.

Общий анализ литературы, касающийся вопросов эксплуатации устройств, использующих энергию низкотемпературной плазмы, показал их техническую и экономическую эффективность, возможность резкого сокращения вредных выбросов по сравнению с традиционными технологиями. Все это позволяет сделать вывод о перспективности и целесообразности развития данного направления.

На основании проведенного анализа отопительных котельных расположенных на территории Республики Бурятия были выявлены наиболее распространенные марки котлов малой мощности. Итого на 780 котельных Республики Бурятия установлено 1702 котла разных марок, из них: котлов марки «Братск» - 514, «Универсал» - 414, «КВ» -278, «Самовар» - 107, «Жарок» - 78, других - 331. Анализ котельных показал, что наиболее распространены котлы марки «Братск» и «Универсал». Данные котлы относятся к котлам универсального типа, то есть в них может сжигаться как твердое, так и газообразное топливо.

Исходя из сделанных выводов, определен круг задач, решение которых и составляет содержание настоящей диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты расчетов процесса плазменно-термической подготовки Тугнуйского и Баганурского углей с применением программы автоматизированных расчетов «ТЕРРА» и «Плазмауголь-3». Данные серии расчетов использовались для предварительного определения режимов плазменно-термической подготовки углей и состава синтез-газа образующегося в ходе такой подготовки, а также для выбора геометрических размеров самой установки и ее последующей привязки к отопительному котлу.

В первой серии расчетов (см. табл. 1) производился расчет плазменно-термической подготовки Тугнуйского угля с расходом угля 50 кг/ч, воздуха - от 5 до 25 кг, без добавления пара.

Во второй серии расчетов (см. табл. 2) принято, что расход угля и пара постоянны и составляют 50 и 5 кг/ч соответственно, а расход воздуха меняется в интервале от 5 до 25 кг/ч. Расчет производился для процессов газификации протекающих при давлении 0,1 МПа при температуре 1200 К. Результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 1 Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха

Содержание компонентов, об. %	Расход воздуха, кг/ч
	5	10	15	20	25
H2	60,719	52,428	46,135	41,194	37,211
CO	26,166	27,216	28,017	28,647	29,157
N2	11,498	18,985	24,654	29,095	32,67
Q, ккал/нм3	2355,633	2173,5	2035,4	1927	1839,6

Таблица 2 Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха и пара (5 кг/ч)

Содержание компонентов, об. %	Расход воздуха, кг/ч
	5	10	15	20	25
H2	57,342	51,596	46,9	42,99	39,683
CO	32,993	33,076	33,146	33,206	33,259
N2	8,098	13,943	18,709	22,67	26,016
Q, ккал/нм3	2474,6	2328,9	2209,9	2110,9	2027,2

Из полученных данных видно, что с увеличением расхода воздуха, в обоих случаях, в синтез-газе увеличивается содержание азота и снижается количество водорода и оксида углерода. При добавлении пара в синтез-газе увеличивается содержание горючих компонентов и его теплотворная способность.

Таблица 3 Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха и пара

Содержание компонентов, об. %	Расход пара, кг/ч
	5	10	15	20	25	30
H2	41,896	42,487	42,99	43,424	43,803	44,136
CO	30,431	31,929	33,206	34,306	35,265	36,108
N2	26,584	24,471	22,67	21,117	19,762	18,571
Q, ккал/нм3	1998,9	2059,4	2110,9	2155,3	2194,0	2228,0

В третьей серии производился расчет плазменно-термической подготовки Тугнуйского угля при расходе угля равному 150 кг/ч, расход воздуха задавался в пределах 30-120 кг/ч, расход пара - 0-30 кг/ч. В таблице 3 представлены результаты расчетов процесса плазменно-термической подготовки Тугнуйского угля, при которой в реакционную зону вводится 150 кг угля, воздуха - 60 кг, пара - от 5 до 30 кг.

Из таблицы 3 видно, что с увеличением количества водяного пара содержание горючих компонентов (СО+Н₂) возрастает. Их максимальная концентрация, равная 81,2 %, достигается при расходе пара 30 кг/ч, что связано с уменьшением концентрации в рабочей смеси вводимого азота воздуха и увеличения содержания водорода за счет протекания реакции разложения водяного пара. Концентрация азота снижается на 8 %. Также наблюдается рост теплотворной способности синтез-газа с 1998,9 до 2228,0 ккал/нм³.

Для выявления влияния водяного пара на процесс плазменно-термической подготовки Тугнуйского угля были проведены расчеты воздушной и паровой газификации.

На основании расчетов выяснено, что концентрация горючих компонентов при воздушной плазменно-термической подготовке Тугнуйского угля (СО+Н₂+СН₄) увеличивается с ростом температуры процесса, при температуре 1200К она составляет 52,28% газовой фазы и затем мало изменяется. Азот представлен молекулярным азотом, концентрация которого при 1200К составляет 47,2%. Процесс плазменно-термической подготовки идет в основном до температуры 1150-1200К. Из чего следует, что плазменно-термическая подготовка Тугнуйского угля при использовании в качестве окислительного агента воздуха дает на выходе синтез-газ с процентным содержанием горючих компонентов более 50%, и очень большим содержанием азота (47%).

В отличие от воздушной, при паровой плазменно-термической подготовке угля мы наблюдаем значительный рост в общем объеме горючих компонентов (СО и Н₂), суммарный выход которых уже при температуре 800К составляет 52,52%, достигая 98,46% при 1200К и затем мало изменяется, с низким содержанием балласта - азота (N₂), концентрация которого при Т=800К составляет менее 0,7%, Снижение балластов в первую очередь обуславливается снижением содержания азота воздуха.

Таким образом, из проведенных расчетов видно, что при паровой плазменно-термической подготовке Тугнуйского угля получается наиболее высококалорийный синтез-газ с наименьшим содержанием балластов. Необходимо отметить то, что процесс выхода летучих лишь инициируется в плазменной установке и продолжается уже в топке отопительного котла с непосредственным горением этих компонентов при смешении с вторичным воздухом.

Следующим этапом расчетов процессов плазменно-термической подготовки угля является математическое моделирование процесса движения, нагрева и кинетики термохимических превращений угольных частиц с помощью программы «Плазмауголь-3».

Из рисунка 1 видно, что процесс плазменно-термической подготовки топлива начинается при х>0,09 м, так как в этой области начинается образование СО₂ и уменьшение концентрации кислорода. Концентрация CO₂ возрастает до 7,11% (х=0,3 м). Концентрация метана (CH₄) не превышает 1,7%. При х=0,3 м концентрация всех горючих компонентов достигла максимума (44,94%), что свидетельствует о завершении процесса плазменно-термической подготовки на ступени 1. Из чего длина первой ступени принята 0,3 м.

Образовавшийся на ступени 1 горючий газ (CO+H₂+CH₄+C₆H₆) будет выгорать на второй ступени (см. рис. 2) в первичном воздухе аэросмеси, нагревая угольную пыль вместе с образуемой газовой фазой.

Суммарная концентрация горючих газов (CO+H₂+CH₄+C₆H₆) на ступени 2 составила около 34,9% (х=1,5 м.) и затем изменялась незначительно. Исходя из этого, протяженность ступени 2 выбрана равной 1,2 м. Таким образом, можно констатировать, что в двухступенчатой установке общей высотой L₀=1,5 м (сумма двух ступеней) и внутренним диаметром d₀=0,15 м уголь с расходом G_уг=150 кг/ч успевает пройти плазменно-термическую подготовку к сжиганию, инициируемую на первой ступени плазмотроном мощностью 20 кВт.

Рисунок 1. Состав газовой фазы продуктов плазменно-термической подготовки Тугнуйского угля на 1-й ступени.

Рисунок 2. Состав газовой фазы продуктов плазменно-термической подготовки Тугнуйского угля на 2-й ступени.

Исходя из того, что в данной установке будут производиться исследования по плазменно-термической подготовке других углей более худшего качества, было решено создать установку высотой 2,0 м (ступень 1 - 0,5 м, ступень 2 - 1,5 м). При монтировании данной установки непосредственно в котельной, по своим габаритам она легко умещается в данном помещении и не создает неудобств персоналу при обслуживании, как котла, так и самой установки.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов плазменно-термической подготовки Тугнуйского, Баганурского и Урейского углей.

Для исследований процессов плазменно-термической подготовки углей с применением в качестве генератора низкотемпературной плазмы электродугового реактора совмещенного типа, создана экспериментальная установка - плазменная приставка 3 (см. рис. 3), состоящая из системы энергоснабжения, электродугового реактора совмещенного типа, электромагнитной катушки постоянного тока, камеры ввода второй ступени, парогенератора, систем подачи угля и воздуха, пульта управления, муфеля, камеры разделения, системы вывода газа и шлакосборника. Камера электродугового реактора имеет внутренний диаметр 0,15 м и высоту 0,5 м, на дне установлена графитовая диафрагма с внутренним диаметром 0,05 м. Камера ввода второй ступени, муфеля и камеры разделения также имеют высоту 0,5 м, с внутренним диаметром 0,15 м.

Рисунок 3. Вариант 2А применения системы плазменно-термической подготовки угля к сжиганию.

Для оценки качества плазменно-термической подготовки угля к сжиганию в котле были произведены эксперименты с определением состава получаемого синтез-газа и изменению структуры частиц угля.

Во время эксперимента синтез-газ отбирался в верхней части скруббера и подвергался химическому анализу по ГОСТ 7018-75 на лабораторном газоанализаторе ГХЛ-1, принцип действия которого основан на избирательном поглощении или сжигании определяемого компонента. Твердая часть поступала в шлакосборник, откуда и забиралась для анализа.

В процессе экспериментов фиксировались материальные и тепловые потоки во всех узлах установки. В частности, регистрировались расходы угля, воздуха, пара, электрическая мощность реактора, давление и расходы охлаждающей воды, температурные режимы в реакторе, камерах и муфеле.

На первом этапе экспериментов проводилось исследование исходного угля, а именно: ситовый анализ, определение содержания влаги в углях, определение зольности углей, определение выхода летучих веществ, исследование пористой структуры исходных углей. Результаты данных исследований применялись для сравнения и определения изменений происходящих в углях, прошедших плазменно-термическую подготовку.

На втором этапе производилось исследование влияние воздуха и водяного пара на качество получаемого вследствие плазменно-термической подготовки угля, синтез-газа. Для первой серии экспериментов в качестве сырья был использован уголь Тугнуйского месторождения со следующими характеристиками: влажность W^р=14,0%, зольность А^р=19,4%, выход летучих веществ V^г=45,0%.

В первой серии экспериментов была поставлена задача о выяснения влияния атмосферного воздуха на состав и качество получаемого при плазменно-термической подготовке угля в одноступенчатом режиме синтез-газа. Воздух и уголь подавались вместе в плазменный реактор. В каждом последующем опыте изменяли количество поданного воздуха в реактор от 5 до 25 кг/ч при постоянном расходе угля равного 50 кг. Результаты экспериментов показаны в таблице 4.

Таблица 4 Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха

Содержание компонентов, об. %	Расход воздуха, кг/ч
	5	10	15	20	25
H2	50,5	48,5	43,3	40,9	37,1
CO	33,1	33,7	35,5	36,2	37,7
N2	11,8	13	16,8	20,2	21,3
CO2	1,3	1,5	1,8	1,1	1,9
O2	1,6	1,7	1,5	1	1,5
Q, ккал/нм3	2467,26	2425,42	2298,51	2212,74	2149,45

Во второй серии экспериментов в плазменный реактор дополнительно подавался водяной пар в количестве 5 кг/ч, фиксированные расходы угля и пара выбраны в связи с необходимостью обеспечения условий устойчивой работы электродугового реактора и оптимальных технико-экономических показателей. Состав полученного синтез-газа приведен в таблице 5.

Таблица 5 Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха и пара

Содержание компонентов, об. %	Расход воздуха, кг/ч
	5	10	15	20	25
H2	50,6	47,2	44,8	40,8	35,5
CO	36,9	35,4	35,6	33,6	34,8
N2	9	11,7	13,2	19	22,6
CO2	1,1	1,9	2,4	2	2,7
O2	0,8	1,6	1,6	2,3	2
Q, ккал/нм3	2569,47	2490,08	2451,45	2281,49	2187,56

Можно отметить, что при добавлении водяного пара в реактор при расходах воздуха до 15 кг/ч суммарное количество водорода и оксида углерода возрастает в среднем на 3%, а содержание азота снижается. С увеличением расхода подводимого воздуха объемная доля азота воздуха возрастает, что сопровождается соответствующим понижением теплотворной способности синтез-газа, подача водяного пара позвояет увеличить содержание горючих веществ и как следствие поднять энергетическую ценность получаемого синтез-газа, в среднем на 85,3 ккал/нм³ (см. рис. 4).

Рисунок 4. Зависимость калорийности полученного из Тугнуйского угля синтез-газа от расхода воздуха (экспериментальные и расчетные данные).

Из анализа рисунка 4 видно, что расчетные значения теплотворной способности газа (см. табл. 1, 2, 4, 5) имеют меньшие значения, нежели экспериментальные данные. Это можно объяснить тем, что теплотворная способность была рассчитана по теплотворной способности водорода и оксида углерода без учета теплоты сгорания предельных и непредельных углеводородов.

В результате экспериментов подтверждена возможность получения в совмещенном плазменном реакторе энергетического газа, установлено влияние соотношений угля, воздуха и водяного пара на показатели плазменно-термической подготовки угля в одноступенчатом режиме работы установки, при расходе воздуха 10 кг для подготовки 50 кг Тугнуйского угля необходимо 5 кг пара.

В следующей серии экспериментов изучалось влияния на состав синтез-газа количества водяного пара и воздуха подаваемого в плазменную установку, которая работает в двухступенчатом режиме. В данной серии экспериментов изменялось количество подаваемого воздуха в пределах от 30 до 120 кг/ч при постоянном расходе угля 150 кг/ч. Полученные данные позволяют судить о влиянии соотношения воздуха и угля на состав синтез-газа (табл. 6).

Таблица 6 Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха

Содержание компонентов, об. %	Расход воздуха, кг/ч
	30	45	60	75	90	105	120
H2	52,6	42,2	38	35,2	30	34	27,4
CO	26,3	31,3	32,5	31,3	33,2	26,4	30,5
N2	14,2	19	21,9	26,3	29	31,2	34,1
CO2	3,7	4	4,4	4,4	4,3	4,8	4,5
O2	1,7	1,6	1,6	1,3	1,7	2	1,9
Q, ккал/нм3	2290,2	2213,4	2113,6	1994,0	1948,3	1825,1	1779,7

Из таблицы 6 видно, что, как и в первой серии опытов, основное содержание полученного синтез-газа составляют водород и оксид углерода, общее процентное содержание которых колеблется в пределах от 58 до 79 %. С увеличением расхода воздуха также отмечено увеличение процентного содержания азота, и снижение теплотворной способности синтез-газа с 2300 до 1780 ккал/нм³.

На рисунке 5 представлен график зависимости теплотворной способности полученного синтез-газа от расхода воздуха (расчетные и экспериментальные данные), из которого видно, что с увеличением расхода воздуха теплотворная способность синтез-газа снижается как по расчетным, так и по экспериментальным данным.

Полученные данные позволяют выбрать приемлемое соотношение угля и воздуха. Наиболее предпочтительным является соотношение 10:3 и 10:4, так как при данных условиях получен синтез-газ с относительно низким содержанием балласта и высокой теплотворной способностью. Получение синтез-газа с калорийностью менее 2000 ккал/нм³ является экономически менее целесообразным, а в случаях выбора соотношения меньше чем 10:4 наблюдается снижение степени газификации угля и как следствие уменьшение объема получаемого синтез-газа. Таким образом, для дальнейших экспериментов выбрано соотношение 10:4, что соответствует соотношению уголь:воздух - 150 кг:60 кг.

Рисунок 5. Зависимость калорийности полученного из Тугнуйского угля синтез-газа от расхода воздуха (экспериментальные и расчетные данные).

При проведении второй серии экспериментов было изучено влияние водяного пара на состав получаемого синтез-газа. Количество угля и воздуха и их распределение по ступеням принято по результатам ранее проведенных исследований. Таким образом, в плазменный реактор (первую ступень), где горит электродуговая плазма, подавался уголь и воздух в количестве 50 и 15 кг/ч соответственно, во вторую ступень уголь и воздух - в количестве 100 и 45 кг/ч. Доля пара варьировалась в пределах от 5 до 30 кг/ч. Необходимо отметить, что в плазменный реактор подавалось всего лишь 5 кг/ч пара, а остальная часть поступала во вторую ступень.

Таблица 7 Состав синтез-газа при использовании в качестве окислительного агента воздуха и пара

Содержание компонентов, об. %	Расход пара, кг/ч
	5	10	15	20	25	30
H2	39,6	41,5	43,7	41,6	35,8	32,1
CO	29,5	29,8	29,1	30,2	29,4	27,9
N2	22	19,6	18,5	20	24,8	28,7
CO2	4,9	5	4,8	4,2	4,2	4
O2	1,2	1,4	1,2	1,5	3,1	5,1
Q, ккал/нм3	2168,73	2220,67	2251,18	2215,85	2056,8	1873,1

Рисунок 6. Зависимость калорийности полученного из Тугнуйского угля синтез-газа от расхода пара (экспериментальные и расчетные данные).

Из анализа рисунка 6 можно увидеть, что расчетные и экспериментальные значения теплотворной способности синтез-газа заметно отличаются друг от друга. Особенно заметно падение теплотворной способности синтез-газа после подачи пара более 15 кг/ч, при этом расчетная кривая неизменно растет. Как выяснилось в ходе эксперимента дальнейшее увеличение расхода пара приводит к снижению теплотворной способности синтез-газа, что связано с общим падением температуры в зоне реакции до температур порядка 700 К. Таким образом, можно заключить, что оптимальным соотношением реагентов уголь:воздух:пар, позволяющим получить синтез-газ с наибольшим содержанием горючих элементов является соотношение 10:4:1.

Если же говорить об отличии экспериментальных и расчетных данных, представленных на рисунках 5 и 6, между собой, то можно отметить, что разница этих величин объясняется отсутствием в составе расчетных параметров газа предельных и непредельных углеводородов. В целом при сопоставлении экспериментальных и расчетных данных установлено их соответствие.

Следующим этапом работы является исследование плазменно-термической подготовки Баганурского угля со следующими характеристиками: влажность W^р=36,4%, зольность А^р=9,3%, выход летучих веществ V^г=41,0%..

Для этого было проведена серия экспериментов по выяснению влияния атмосферного воздуха и водяного пара на состав и качество получаемого при плазменно-термической подготовке угля синтез-газа. В каждом последующем опыте изменяли количество поданного пара от 5 до 30 кг/ч, при постоянном расходе угля и воздуха 150 кг/ч и 60 кг/ч соответственно. Результаты экспериментов представлены в таблице 8.

Из анализа таблицы 8 можно заключить следующее, что концентрация водорода находиться в пределах 32,86-44,62%, оксида углерода - 18,14-21,7%. Если рассматривать данный уголь не со стороны газификации на 100% с получением высококалорийного синтез-газа, а в рамках плазменно-термической подготовки, можно сказать, что объем образовавшихся горючих компонентов достаточен для стабильного горения Баганурского угля в топке котла.

Таблица 8 Условия проведения и результаты экспериментов

№ п/п	Исходные данные	Результаты экспериментов
	Gугля, кг/ч	Gвоз., кг/ч	Gпара, кг/ч	СО2, %	O2, %	CO, %	H2, %	Q, ккал/нм3
1	150	60	-	10,48	1,9	18,14	32,86	1394,9
2	150	60	5	9,53	1,95	19,59	39,24	1603,2
3	150	60	10	6,3	5,9	19,8	42,46	1692,6
4	150	60	15	8,2	6,1	20,75	44,25	1767,4
5	150	60	20	7,64	15,92	21,7	44,62	1805,7
6	150	60	25	6,72	10,31	19,34	44,15	1722,3
7	150	60	30	11,31	5,85	18,52	39,29	1572,2

При расходе пара 20 кг/ч наблюдается снижение теплотворной способности синтез-газа, на основании чего можно говорить, что дальнейшее увеличение расхода пара приведет к уменьшению теплотворной способности синтез-газа. Исходя из анализа результатов экспериментов можно задать соотношение расходов реагентов уголь:воздух:пар - 15:6:2.

Следующим этапом работы является исследование плазменно-термической подготовки Урейского угля (табл. 9), со следующими характеристиками: влажность W^р=10,0%, зольность А^р=13,0%, выход летучих веществ V^г=43,0%.

Таблица 9 Условия проведения и результаты экспериментов

№ п/п	Исходные данные	Результаты экспериментов
	Gугля, кг/ч	Gвоз., кг/ч	Gпара, кг/ч	СО2, %	O2, %	CO, %	H2, %	Q, ккал/нм3
1	150	60	5	4,8	1,25	30,55	38,2	1916,0
2	150	60	10	0,65	0,55	32,5	40,5	2056,0
3	150	60	15	0,4	9,0	22,0	21,45	2103,0
4	150	60	20	1,0	3,0	32,0	23,5	2137,0
5	150	60	25	2,1	1,4	32,7	42,3	2212,0
6	150	60	30	4,2	0,3	33,3	44,5	2254,5

Так как, характеристики Урейского угля схожи с характеристиками Тугнуйского угля, было решено произвести эксперименты с расходами вводимых реагентов, ранее установленных расчетным и экспериментальным методами для Тугнуйского угля.

Из данных о теплотворной способности полученного синтез-газа можно сказать о том, что по качеству получаемого синтез-газа Урейский уголь схож с Тугнуйским углем. Как и в случае с Тугнуйским углем большинство результатов по теплотворной способности полученного синтез-газа лежит в пределах от 2100 до 2300 ккал/нм³. Таким образом, проведенные эксперименты показали высокую способность Урейских углей к газифицированию. Полученный газ имеет значительное содержание горючих компонентов (до 78,85 %), и как следствие высокую калорийность. В результатов экспериментов получено, что оптимальные соотношения вводимых реагентов для плазменно-термической подготовки Урейского угля схожи с соотношением принятым для Тугнуйского угля и составят 10:4:1 (уголь:воздух:пар).

Следующим этапом исследований стало исследование структуры углей до и после плазменно-термической подготовки. Микроструктурный анализ проводился на металлографическом микроскопе NEOPHOT-21 (Германия) с применением программного комплекса «PhotoZoom Professional v2.1.10». Все приведенные снимки сделаны при увеличении изображения в 1000 раз, цена одного деления соответствует 1,25 мкм.

На рисунках 7 и 8 представлены изображения структуры частиц Тугнуйского угля до и после плазменно-термической подготовки. При сравнении рисунков 7 и 8 видно наличие микропор, однако на рисунке 7 в большей в своей части они закрыты. На рисунке 8 показан микрошлиф угольной частицы вблизи поверхности, из которого видно, что вблизи поверхности уголь имеет очень хорошо развитую пористую структуру со средним размером пор коло 2,5 мкм. Поры направлены как вдоль поверхности, так и внутрь частицы. Таким образом, Тугнуйский уголь имеет хорошо развитую пористую структуру, с микропорами, которые сообщаются между собой и соединяются в поры большого размера, проходящие через всю угольную частицу, что способствует наиболее полному и быстрому выходу летучих.

На рисунках 9-10 представлены микрошлифы частиц Баганурского угля до и после прохождения через низкотемпературный плазменный реактор при увеличении в 1000 раз. На рисунке 10 видно множество микропор. Однако при достаточно большом количестве таких микропор большинство из них ориентированы параллельно поверхности частицы, и почти нет микропор, проходящих через весь объем частицы, что в свою очередь затрудняет выход горючих компонентов и диффузии кислорода и как следствие полноту выгорания угля при его сжигании в топке отопительного котла.

Рисунок 7. Строение частицы Тугнуйского угля до обработки низкотемпературной плазмой.

Рисунок 8. Строение частицы Тугнуйского угля после обработки низкотемпературной плазмой.



Рисунок 9. Строение частицы Баганурского угля до обработки низкотемпературной плазмой.

Рисунок 10. Строение частицы Баганурского угля после обработки низкотемпературной плазмой.

Рисунок 11. Строение частицы Урейского угля до обработки низкотемпературной плазмой.



Рисунок 12. Строение частицы Урейского угля после обработки низкотемпературной плазмой.

На рисунках 11-12 представлены микрошлифы исходных и обработанных низкотемпературной плазмой частиц угля Урейского месторождения при увеличении в 1000 раз.

Анализируя рисунки 11 и 12 можно сделать вывод о том, что структура Урейского угля схожа со структурой Тугнуйского угля, с тем лишь отличием, что у Урейского угля данная структура менее развита. В Урейском угле поры в среднем имеют размер более 5 мкм. В основном поры ориентированы параллельно друг другу и направлены к поверхности частицы, что способствует более полному и быстрому процессу плазменно-термической подготовки угля к сжиганию.

Таким образом, наиболее развитую пористую структуру имеют угли Тугнуйского месторождения, за ними с чуть менее развитой пористой структурой идут Урейские угли, а угли Баганурского месторождения имеют не эффективно ориентированную, с точки зрения их сжигания в отопительных котлах, пористую структуру. Однако для котельных работающих на последнем типе угля установка системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию позволит повысить реакционную способность сжигаемого угля, путем его нагрева и изменения его структуры.

На основании требований ГОСТов во многих типах углей содержание мелочи не должно превышать 50%. При сжигании в котле угля с повышенным содержанием мелочи увеличиваются потери с мехнедожегом. На практике мелочь стараются отделить от основного потока топлива и в дальнейшем в выработке тепла данный уголь не участвует. С помощью плазменно-термической подготовки мелочь частично газифицируется и нагревается до температуры самовоспламенения, при подаче мелочи в топку котла она моментально воспламеняется и успевает выгореть в топке котла полностью. Кроме того, в результате ситового анализа углей до и после плазменно-термической обработки было выявлен эффект сплавления мелких частиц с образованием более крупных. В итоге доля крупных частиц в общем потоке топлива увеличивается, что в свою очередь снижает потери с уносом и провалом несгоревших частиц в золоотвал.

В четвертой главе рассмотрены эколого-экономические аспекты плазменно-термических технологий и приведено экономическое обоснование внедрения системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию на отопительной котельной, оборудованной котлом «Братск-1».

Проведенный экономический анализ позволяет утверждать, что установка и эксплуатация системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию является экономически целесообразной и обоснованной, со сроком окупаемости не более трех лет.

Основные выводы и результаты работы

1. Произведен анализ состояния отопительных котлов, расположенных на территории города Улан-Удэ и Республики Бурятии, в результате которого выбраны котлы малой мощности марки «Братск» и «Универсал», и произведена оценка возможности их оборудования системой плазменно-термической подготовки угля к сжиганию, установлена возможность применения плазменно-энергетических технологий для повышения реакционной способности сжигаемых в них углей и экологических показателей данных котлов.

2. На основании теоретических исследований определены геометрические размеры модульной двухступенчатой установки по плазменно-термической подготовке угля к сжиганию. Высота плазменного реактора 0,5 м, высота второй ступени с муфельной зоной - 1,5 м, и внутренним диаметром 1-й и 2-й ступени - 0,15 м. Расчетные параметры проверены натурными экспериментами и определены оптимальные режимы работы при обработке до 150 кг/ч угля с энергозатратами 0,4-0,5 кВт*ч/кг подготавливаемого угля

3. Исследованы процессы плазменно-термической подготовки Тугнуйского, Баганурского и Урейского углей, протекающие при работе установки в двухступенчатом режиме. В результате плазменно-термической обработки получен синтез-газ с калорийностью 2000-2300 ккал/нм³ для Тугнуйского и Урейского углей, и 1400-1800 ккал/нм³ для Баганурского угля.

4. Установлено влияние соотношения реагентов и определены оптимальные соотношения расходов угля, воздуха и водяного пара на состав получаемого синтез-газа. Для работы модульной плазменной двухступенчатой установки подготовки углей к сжиганию: оптимальные соотношения вводимых реагентов составляют для Тугнуйского и Урейского углей - 10:4:1 (уголь:воздух:пар), для Баганурского - 15:6:2.

5. Выявлено качественное изменение структуры углей после обработки плазмой. Хорошей пористой структурой отличаются Тугнуйский и Урейский угли, Баганурский уголь имеет слабо развитую по сравнению с Тугнуйским, пористую структуру. Изменения, произошедшие в структуре углей по сравнению с необработанными углями, создают условия для наилучшей диффузии кислорода внутрь частиц, более полному и быстрому выходу на поверхность частицы горючих компонентов и как следствие более быстрому воспламенению и стабильному горению плазменно-подготовленного угля.

6. Разработаны технология и система плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию на основе модульной плазменной двухступенчатой установки в виде приставки к отопительным котлам малой и средней мощности, что дает возможность повысить КПД и экологические показатели котлов.

термический плазменный уголь газ

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях

1. Буянтуев С.Л., Шишулькин С.Ю. Система плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию в котлах малой и средней производительности как один из способов сохранения экологии Байкальского региона. // Изв. вузов. Физика, 2007. - № 9. Приложение. - с.292-297.

2. Буянтуев С.Л., Шишулькин С.Ю. Улучшение технических и экологических показателей отопительных котельных с помощью системы плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию. // Вестник Международной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ), т. 13, № 3 - 2008 (приложение).

3. Положительное решение на выдачу патента РФ от 18.02.2009 г. (заявка № 2008 129 633/06 от 17.07.2008 г.).

4. Буянтуев С.Л., Шишулькин С.Ю. Разработка системы плазменно-термической подготовки топлив к сжиганию для улучшения технико-экономических и экологических показателей котлов малой и средней мощности. // Сб. научных трудов 15-й международной научно-практической конференции «Экология и здоровье человека. Охрана воздушного и водного бассейнов. Утилизация отходов». 4-8 июня 2007 г., г. Щелкино, АР Крым. - Харьков, 2007. т.1. - с. 236-241.

5. Буянтуев С.Л., Шишулькин С.Ю. Система плазменно-термической подготовки твердых топлив к сжиганию в котлах средней производительности. // Наноматериалы и технологии. Физика конденсированного состояния. Физика и техника низкотемпературной плазмы: сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции. 4-7 сентября 2008. - Улан-Удэ: Издательство Бурятского госуниверситета, 2008. - с. 189-190.

6. Буянтуев С.Л., Шишулькин С.Ю. Плазменно-термический метод подготовки твердых топлив к сжиганию в котлах системы ЖКХ как один из способов сохранения экологии Байкальского региона. // Энергосбережение - теория и практика: труды Четвертой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - с. 102-105.

Размещено на Allbest.ru

...