Сжигание угля с плазменным сопровождением. Теория и эксперимент

Аннотация

Сжиганию угля в промышленных котлах сопутствует две проблемы, первая из которых – это необходимость использования дорогостоящего мазута для пуска котла, и вторая – необходимость сжигать широкий спектр непроектных углей. Каждая из этих проблем отрицательно влияет на окружающую среду. Сжигание мазута для растопки котлоагрегата увеличивает залповые выбросы вредных газов и сажи в атмосферу. Сжигание низкосортных углей имеет два недостатка: снижение устойчивости горения пылеугольного факела, требующее стабилизации его горения топочным мазутом, следствием чего является повышение пылегазовых выбросов и затрат, а также снижение эффективности сжигания угля из-за более высокого механического недожога топлива. В результате наблюдается повышение стоимости установленного кВт вырабатываемой электрической мощности. Плазменная технология сжигания угля представляет собой новый эффективный и экологически приемлемый метод, близкий к «зеленой технологии» использования твердых топлив. Плазменная термохимическая подготовка топлива к сжиганию (ПТПТС) устраняет вышеупомянутые проблемы на пылеугольных тепловых электростанциях (ТЭС). Реализация технологии ПТПТС включает в себя два основных этапа. Первый – численное моделирование, а второй – полномасштабные испытания сжигания угля с использованием плазменно-топливных систем (ПТС), установленных на котлах ТЭС. Для численного моделирования и дальнейших испытаний ПТС был выбран котел мощностью 200 МВт Гусино-озерской ГРЭС (Россия). Четыре ПТС были установлены в топке котла для его безмазутной растопки и стабилизации горения пылеугольного факела. Численное моделирование было выполнено с помощью 3D программы Cinar ICE, которая была разработана для решения прикладных задач горения и газодинамики в топках промышленных котлов. Программа Cinar ICE основана на решении уравнений тепло- массообмена, импульса и энергии, с использованием физических моделей для описания выхода летучих угля, их горения (упрощенная кинетическая схема горючей смеси), выгорания углерода и турбулентности (к--модель). Сравнение расчетов с результатами испытаний ПТС показало хорошее согласие. Максимальное расхождение между измеренными и рассчитанными значениями температуры на выходе из топки не превышало 15%. Заметим, что эта величина не превышает невязки теплового баланса топки котла. Численное моделирование и натурные испытания ПТС позволили разработать технологические рекомендации по совершенствованию существующих ТЭС. Разработанные и испытанные на промышленном пылеугольном котле ПТС повышают эффективность сжигания угля и уменьшают вредные выбросы. Для широкого внедрения ПТС требуются дополнительные данные по плазменному сжиганию различных типов углей и их смесей. Өнеркәсіп қазандарда көмірді жағу екі мәселені тудырады, бірінші – ол қазанды жіберу үшін аса қымбат мазутты пайдалану қажеттілігі және екінші – бірнеше жобалық емес көмірлерді жағу. Осы мәселелердің әр қайсысы қоршаған ортаға кері әсер етеді. Қазандардан тұратын агрегатты жандыруға қажет мазутты жағу атмосфераға зарарлы газ және күйенің шығаруын асырады. Төмен сортты көмірлерді жағудың екі кемшілігі бар: тозаңды көмірлік алауды тұрақтандыру үшін жандыру мазутты қажет ететін жанудың қалыпты күйінің төмендеуі, оның салдары тозаң газды шығарулар мен шығындардың көбеюі және сонымен қатар отынды механикалық түрде жандыру керек болғандықтан көмірдің жану тиімділігі төмендеуі болып табылады. Нәтижесінде электрлік қуаттың белгіленген кВт-ң бағасының өсуі байқалады. Көмірдің плазмалық жағуы жаңа тиімді және экологиялық таза әдіс, бұл әдіс қатты отынды қолдану «жасыл технологиясына» жақын. Отынды жағуға плазмалық термохимиялық дайындау (ОЖПТД) аталған мәселелерді тозаң көмірлік жылу электрстанцияларында (ЖЭС) шешеді. ОЖПТД технологиясы екі этаптан тұрады. Бірінші – сандық модельдеу, ал екініші   – ЖЭС қазандарында орнатылған плазма-отындық жүйелерді (ПОЖ) қолдану арқылы көмірді жағудың толық түрде сынауы. Сандық модельдеу және ПОЖ әрі қарай сынаудан өткізу үшінқуаты 200 МВт-тық Ресей еліндегі Гусинозерск ГРЭС қазаны алынды. Қазанға төрт ПОЖ орнатылды, олар қазанды мазутсыз жағуға және тозаң көмірлік алауды тұрақтырандыруға арналған. Сандық модельдеу өнеркәсіп қазандардың жандыру құралдарында жану және газодинамиканың қолданбалы есептерінің шешуге арналған Cinar ICE 3D программасы арқылы орындалды. Cinar ICE программасы көмірдің шығу және жану үдерісін (жану қоспаның қысқартылған кинетикалық моделі), оттегінің жану мен турбуленттіліктің (к--модель) сипаттайтын физикалық модельдері арқылы көмір жылу масса алмасу, импульс және энергияның теңдіктерін шешуге негізделген. Есептеулердің ПОЖ сынақтарының нәтижесімен салыстыруы жақсы келісімде екенін көрінді. Оттықтың шығысындағы температураның өлшенген мен есептелген мәннің максималды айырмашылығы 15%-дан аспа- ды. Сандық модельдеу және ПОЖ-ң заттық сынақтары ЖЭС-ды жақсарту үшін технологиялық сынақнамаларды құрастыруға мүмкіндік берді. Құрылған және өнеркәсіптік тозаң көмірлік қазанда сынаудан өткізілген ПОЖ көмірді жағу тиімділігін асырады және зарарлы шығындарды азайтады. ПОЖ-ді енгізу үшін әртүрлі типті көмірлердің және олардың қоспаларының плазмалық жандыруының қосымша деректері қажет етіледі.