Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих технологий эффективного сжигания низкореакционного угля в котлах ТЭС и постановка задачи исследования 11
2 Теоретические исследования процесса горения (газификации) низкореакционного угля с углеродной нанодобавкой 30
2.1 Анализ формально-кинетических закономерностей реакций как полного, так и неполного горения низкореаккционного угля в потоке окислителя 30
2.2 Анализ опытных данных по выгоранию частиц угольной пыли 36
2.3 Исследования возможности изменения энергии активации реакции горения углерода твердого топлива 39
2.4 Исследования возможности активации молекулярного кислорода в топке котла ТЭС 43
2.4.1 Синглетный кислород, как активированный окислитель процесса горения угля 43
2.4.2 Фотоиндуцированная генерация синглетного кислорода углеродными наноматериалами 44
2.5 Исследование влияния углеродного наноматериала на время выгорания твердого топлива 50
2.5.1 Выгорание твердого топлива в среде с молекулярным кислородом 51
2.5.2 Наработка синглетного кислорода в процессе выгорания 57
2.5.3 Прогрев частиц УНМ «Таунит» до температуры плавления 59
2.5.4 Выгорание частицы твердого топлива с синглетным кислородом 61
2.6 Выводы по второй главе 64
3 Математическое моделирование горения твердого натурального топлива с нанодобавкой «таунит» 67
3.1 Цель математического моделирования 67
3.2 Разработка модели горения твердого натурального топлива с нанодобавкой «Таунит» 67
3.2.1 Описание механизма горения углерода твердого топлива с нанодобавкой «Таунит» и схематизация химических реакций процесса 67
3.2.2 Допущения, принятые при разработке модели горения твердого топлива с нанодобавкой «Таунит» 69
3.2.3 Описание модели горения твердого натурального топлива с нанодобавкой «Таунит» 70
3.3 Программирование модели воспламенения и горения твердого натурального топлива с нанодобавкой «Таунит» 79
3.4 Математическое моделирование процесса горения твердого натурального топлива с нанодобавкой «Таунит» 80
3.4.1 Исходные данные для моделирования 80
3.4.2 Численное моделирование процесса воспламенения и горания твердого натурального топлива с нанодобавкой «Таунит» 84
3.5 Выводы третьей главе 90
4 Экспериментальные исследования процесса воспламенения и горения низкореакционного угля с углеродной нанодобавкой «таунит» 92
4.1 Постановка задачи экспериментальных исследований 92
4.2 Методы экспериментальных исследований 93
4.3 Экспериментальная установка 94
4.4 Проведение экспериментальных исследований
4.4.1 Методика проведения экспериментальных исследований 99
4.4.2 Экспериментальные исследования 100
4.5 Обобщение и оценка результатов теоретических и экспериментальных исследований 102
4.6 Выводы по четвертой главе 108
5 Внедрение результатов исследований в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках 110
5.1 Рекомендации по внедрению метода интенсификации сжигания угля на ТЭС 110
5.2 Внедрение результатов исследований в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы 118
5.3 Технико-экономическая оценка внедрения метода интенсификации процесса сжигания твердого топлива в котлах ТЭС 122
5.4 Выводы по пятой главе 133
Заключение 136
Список сокращений и условных обозначений 139
Список литературы 141
- Анализ опытных данных по выгоранию частиц угольной пыли
- Описание механизма горения углерода твердого топлива с нанодобавкой «Таунит» и схематизация химических реакций процесса
- Проведение экспериментальных исследований
- Технико-экономическая оценка внедрения метода интенсификации процесса сжигания твердого топлива в котлах ТЭС
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Тепловые электрические станции (ТЭС) России, работающие на твёрдом топливе, занимают значительную долю в энергетическом балансе страны. Существенное снижение качества углей (повышение зольности, снижение калорийности), особенно низкореакционных углей создало совершенно новые условия эксплуатации электростанций. Затянутое воспламенение и выгорание угольной пыли, низкая эффективность сжигания топлива приводят к потерям тепла с механическим недожогом до 6-10 %. При этом снижается располагаемая мощность и эффективность работы оборудования, что, в свою очередь, приводит к необходимости использования дефицитного мазута и природного газа для подсветки факела в рабочем диапазоне нагрузок. Доля подсветочного топлива может достигать 25 %. В сложившихся обстоятельствах, вопросы по поиску и внедрению новых решений, способов и технологий, направленных на повышение эффективности сжигания твердых низкореакционных топлив на существующих объектах теплоэнергетики, становятся более чем актуальными.
Диссертационная работа направлена на разработку метода интенсификации горения и газификации низкореакционного угля в котлах тепловых электростанций. Работа соответствует приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а так же научному направлению ЮРГПУ(НПИ) «Комплексное использование топ-ливно-энергетических ресурсов и повышение надежности, экономичности и безопасности энергетических систем».
Степень разработанности темы исследований. Основа современных представлений о развитии сложных топливных процессов, в том числе при факельном сжигании топлива достаточно хорошо отражена в работах В.В. Чуркина, В.В. Канторовича, А.Б. Резьняковой, В.И. Бабия, Ю.Ф. Куваева, Д.М Хзмаляна, Я.А. Кагана, В.В. Померанцева и др. авторов. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования указанных авторов дают обширные сведения о динамике выгорания пылеугольного факела и взаимосвязи между процессами горения, массо- и теплообмена, что было учтено и использовано в данной диссертационной работе.
Цель работы. Целью данной работы является разработка метода интенсификации горения и газификации низкореакционных углей, направленного на снижение расхода более реакционного «подсветочного» топлива (газа, мазута), повышение маневренности энергетических объектов, снижение механического недожога топлива.
Задачи исследования, направленные на достижение цели работы:
-
Проведение системного анализа существующих методов повышения эффективности сжигания и газификации низкореакционного угля.
-
Исследование целесообразности использования фуллереноподобных нано-материалов, как топливных добавок, для интенсификации процесса воспламенения и горения пылеугольного топлива.
-
Математическое моделирование воспламенения и горения низкореакционного угля с нанодобавкой «Таунит».
-
Экспериментальные исследования процесса воспламенения и горения низкореакционного угля с нанодобавкой «Таунит».
5. Разработка предложений по внедрению и экономическое обоснование практической реализации нового метода интенсификации сжигания и газификации твердого низкореакционного угля на энергетических объектах.
Научная новизна работы
-
Предложен метод интенсификации сжигания и газификации низкореакционного угля, отличающийся от известных внедрением в процесс горения топлива углеродной нанодобавки «Таунит», с возбужденной поверхности которой, световым и терморадиационным излучением факела, за счет фотодессорбции, контактирующий молекулярный кислород генерируется в более активный окислитель углерода топлива - синглетный кислород;
-
Впервые выполнена оценка степени интенсификации воспламенения и горения пылеугольного топлива с нанодобавкой «Таунит», основанная на сравнительном анализе скоростей расходования углерода топлива в процессе горения пылеугольного топлива с молекулярным и синглетным кислородом, показывающая целесообразность использования нанодобавки.
-
Разработана математическая модель воспламенения и горения твердого низкореакционного топлива, отличающаяся от известных тем, что позволяет осуществить комплексную оценку и анализ влияния синглетного кислорода, сгенерированного нанодобавкой «Таунит», на кинетику горения летучих веществ и коксового остатка пылеугольного топлива, особенности тепло- и массообмена горящих частиц.
-
Разработана новая технологическая схема системы топливоподготовки и топливоподачи для котла ТПП – 210, способствующая повышению эффективности сжигания низкореакционных углей, отличающаяся от известной включением технологической линии по производству углеродного наноматериала и организацией его совместной подачи с основным, низкореакционным пылеугольным топливом в горелки.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Выявлено влияние углеродного наноматериала «Таунит» на процессы воспламенения и горения низкореакционного угля.
-
Разработанный метод интенсификации процесса горения и газификации низкореакционного твердого натурального топлива может быть использован для частичного или полного замещения «подсветочного» топлива (газ) на ТЭС, повышения располагаемой мощности и эффективность работы котлов.
-
Предложенная математическая модель горения твердого натурального топлива и соответствующая компьютерная программа могут быть использованы для оценки влияния синглетного кислорода, сгенерированного нанодобавкой «Тау-нит», на кинетику воспламенения и горения пылеугольного топлива, особенности тепло- и массообмена горящих частиц.
-
Предложены научно-технические решения по практическому применению метода интенсификации горения и газификации низкореакционного угля нанома-териалом в котлах ТЭС и газифификационных установках.
Методология и методы исследования. Методология исследований в диссертационной работе основана на физическом и математическом моделировании процессов воспламенения и горения твердого натурального топлива с нанодобав-ками. При этом использованы методы теплотехнических измерений, методы статистической обработки результатов экспериментов, математические методы дифференциального и интегрального исчислений, численные методы решения нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, термодинамические методы и теория тепломассообмена.
Положения, выносимые на защиту:
-
Новый метод интенсификации процесса воспламенения и горения (газификации) низкореакционного угля с использованием нанодобавок.
-
Результаты оценки степени интенсификации воспламенения и горения натурального твердого топлива в топочных условиях при добавке в процесс углеродного наноматериала «Таунит».
-
Математическая модель воспламенения и горения твердого натурального топлива с нанодобавкой «Таунит».
-
Результаты физического моделирования воспламенения и горения твердого натурального топлива с нанодобавкой.
Степень достоверности научных положений и выводов подтверждается хорошим совпадением результатов физического и математического моделирования, тщательной отработкой методики проведения эксперимента с использованием высокоточного оборудования и вычислительных средств.
Реализация результатов исследований. Результаты диссертационного ис
следования использованы в прикладной научно-исследовательской работе ЮР-
ГПУ(НПИ) по соглашению о предоставлении субсидии № 14.574.21.0018 от 09
июня 2014г. по теме: «Разработка метода интенсификации процесса газификации
низкореакционного угля в восходящем струйно-вихревом потоке окислителя».
При финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках вы
полнения ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям раз
вития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы». Уни
кальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта)
RFMEFI57414X0018.
Результаты диссертационной работы приняты для реализации в филиале ПАО «ОГК-2» Новочеркасской ГРЭС.
Апробация результатов. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались на мероприятиях: Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2007», ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, 19-25 ноября 2007 г.; Научно-практическая конференция «Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики», ЮРГТУ(НПИ), НП "Центр энергосбережения и инновационных технологий", ВЦ "ВертолЭкспо", г. Ростов-на-Дону, 14 февр. 2008 г.; межрегиональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна 2009», ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2009 г.; Второй международный форум по нано-технологиям «Rusnanotech 09», г. Москва, 6-8 октября 2009 г.; VII Международная научно-техническая конференция «Повышение эффективности производства элек-
троэнергии», ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, 30 сентября -2 октября 2009 г.; Меж
дународная научно-практическая конференция «Состояние и перспективы разви
тия электротехнологии (XV Бенардосовские чтения)», г. Иваново, 27-29 мая 2009
г.; конкурс аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в про
мышленности «Эврика 2010», ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, 2010 г.; VIII Меж
дународная научно-техническая конференция «Повышение эффективности произ
водства электроэнергии», ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, 30 октября - 2 ноября
2011 г.; 61-ая научная конференция профессорско - преподавательского состава,
научных работников, аспирантов и студентов «Результаты исследований 2012»,
ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, 2012 г.; Всероссийская молодежная научно-
техническая конференция «Энергосбережение в секторе исследований и разрабо
ток. Существующий потенциал и перспективы развития», АНО» ЦЭРТ», 2012 г.; II
Международная научно-техническая конференция «Использование твердых топлив
для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла»,
ОАО ВТИ, 28-29 октября 2014 г.; Научно-техническая конференция и выставка
инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями
ЮФО в рамках участия в реализации федеральных целевых программ и внепро
граммных мероприятий, заказчиком которых является Минобрнауки
России, ЮРГПУ(НПИ), г. Новочеркасск, 14-16 декабря 2014 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 печатных работы, в том числе: одна в научном журнале, индексируемом в базе данных Scopus; 10 - в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 17 - в материалах международных и российских конференций. Получено 2 патента на изобретение и 2 патента на полезную модель.
Личный вклад автора состоит в:
– разработке метода интенсификации процесса горения углерода твердого топлива синглетным кислородом;
– разработке математической модели горения твердого натурального топлива с углеродной нанодобавкой;
– численном решении задачи воспламенения и выгорания низкореакционного твердого топлива с нанодобавкой;
– модернизации высокотемпературной печи для проведения экспериментальных исследований по сжиганию образцов топлива;
– подготовке образцов топлива и проведении экспериментальных исследований по их сжиганию в печи экспериментальной установки;
– анализе и обобщении результатов теоретических, численных и экспериментальных исследований;
– разработке рекомендаций по внедрению полученных результатов на теплоэнергетических объектах;
– технико-экономической оценке внедрения метода интенсификации процесса сжигания твердого топлива в котлах ТЭС.
Объем работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 99 наименований и трех приложений. Объем диссертации составляет 176 страниц, в том числе 37 иллюстраций, 5 таблиц, 24 страницы приложений.
Анализ опытных данных по выгоранию частиц угольной пыли
В литературе в последнее время встречаются сведения о разработках, проводимых Новосибирским ЗАО «СибКОТЭС», по усовершенствованию горелочного аппарата, использующего плазменный розжиг. Итогом этих разработок является получение сверхвысокочастотного плазмотрона (СВЧ -плазмотрона). Усовершенствование позволяет отказаться от использования угольных или медных электродов, имеющих низкий лимит работоспособности вследствие высоких температур [10, 11].
СВЧ - технология заключается в использовании генератора волн СВЧ -диапазона для получения плазменного пучка, «плазмоида», во взвешенном состоянии внутри объемного резонатора путем фокусировки СВЧ - энергии на уровне напряженности поля, близкого к пробойному.
Говорить о преимуществах и недостатках этого типа плазмотрона еще рано, но из исследованного материала можно судить об усложнении конструкции за счет использования в них СВЧ - генератора. Также разработчики не исключают необходимости использования запального устройства, инициирующего образование плазмы. Еще авторы указывают на зависимость размеров плазмоида и его стабильности от расхода подаваемого воздуха (на примере лабораторной установки). При низких скоростях воздушной смеси плазмоид под действием архимедовых сил поднимается вверх, чем вызывает сильный нагрев стенки резонатора, а при высоких - наблюдается прекращение образования плазмы. Это говорит о необходимости постоянного контроля расхода воздушной смеси. Вследствие нестабильной работы системы воздухоподачи, связанной со многими факторами, использование СВЧ -плазмотрона на современных котлах пока не представляется возможным. 3) Технология сжигания топлива в кипящем слое.
Топки для сжигания в кипящем слое привлекли внимание специалистов в начале 60-х годов как эффективное средство для использования с высокой рентабельностью дешевых местных видов низкокачественного твердого топлива. Позднее были обнаружены другие преимущества сжигания угля в кипящем слое (КС), связанные с возможностями сокращения выброса в атмосферу оксидов серы и азота. По этим причинам в последние годы во всем мире стала расти популярность топок, камер сгорания и котлоагрегатов с кипящим слоем. В типовой топке с КС (ТКС) топливо вместе с инертным материалом поддерживается во взвешенном состоянии подачей воздуха в нижнюю часть камеры сгорания со скоростью 1,5 - 2 м/с. Ввиду высокой скорости смешивания, тепловыделение происходит равномернее по объему камеры и при существенно более низких температурах, чем в топках с механической загрузкой или с пульверизацией. При невысоких температурах (850 - 930 С) не возникает проблем, связанных со спеканием и ошлакованием. ТКС не требуют предварительной сушки и размола угля, предварительного подогрева дутья или использования поддерживающего топлива для возбуждения и стабилизации пламени.
Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным (800 - 900 C), в настоящее время по ряду причин почти всегда используется второй. В частности, в нём весьма эффективно подавляется выделение оксидов азота.
Основное преимущество КС связано с возможностью непосредственной очистки продуктов сгорания в самой камере, чем обеспечиваются высокие экологические стандарты. Это в первую очередь касается оксидов серы. Для этого в кипящий слой вводятся добавки известняка, извести, доломита, которые связывают серу, содержащуюся в угле. Известняк (СаСОз) в топке сначала превращается в известь (СаО), которая затем, вступая в реакцию с оксидами серы, образует сульфат кальция (CaS04). Степень связывания серы очень велика (достигает 90 %) и остаточное содержание оксидов серы в дымовых газах не превышает 200 - 400 мг/м3 [12 - 16].
Из - за низких температур в ТКС образуется очень мало термических оксидов азота. Для уменьшения образования топливных оксидов азота применяется многоступенчатое сжигание. Однако, помимо экологических, сжигание углей в КС имеет и другие преимущества. Как отмечалось, в КС скорость потока газа относительно твердых частиц очень высока, что способствует интенсификации процесса сгорания. В результате тепловая эффективность ТКС достигает высоких значений - до 3 МВт на единицу площади сечения топки. Во многих ТКС в камеру помещаются три слоя теплообменных труб, теплообмен с которыми происходит очень интенсивно. Единичная электрическая мощность современных промышленных ТКС составляет уже 250 МВт, в процессе освоения находятся и более крупные агрегаты. Наконец, следует указать на преимущество ТКС, заключающееся в возможности использования углей низкого качества - низкореакционных, высокозольных и высоковлажных, а также практически любых горючих отходов. К недостаткам ТКС относится необходимость значительной очистки уносимого потока от частиц (установкой циклона на пути выноса газа). Другой недостаток - трудность создания и поддержания равномерного КС в больших топках. Поэтому имеются ограничения в размерах единичных агрегатов. Кроме того, абразивные свойства частиц в КС приводят к эрозии поверхности теплообменных труб.
В котлах с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) используются высокие скорости подачи воздуха, что вызывает разрыхление кипящего слоя (КС). В котлах с ЦКС поддерживается высокая степень непрерывной рециркуляции большой массы топлива за счет разделения крупной и мелкой фракций топлива, сгорания последней в конвекционном потоке надслойного пространства, повторного использования несгоревшей крупной фракции.
ЦКС по сравнению с КС характеризуется более высокой тепловой интенсивностью на единицу площади (до 8 МВт/м2) и большей производительностью единичного парогенератора (до 1000 т пара в час). Кроме того, ЦКС допускает сжигание твердого топлива с более широким фракционным составом.
Описание механизма горения углерода твердого топлива с нанодобавкой «Таунит» и схематизация химических реакций процесса
В этом случае процесс горения, газификации ограничивается скоростью самой химической реакции и не зависит от условий подвода кислорода. Этот режим имеет название кинетической области горения. Поэтому, на этапе воспламенении топлива необходимо обеспечить максимально благоприятные условия для прогрева смеси и достижения максимальной скорости химической реакции окисления.
При прогреве необходимо учитывать, что образующийся при газификации угарный газ при одинаковом давлении с окружающим его воздухом имеет большую плотность и поэтому он препятствует подходу окислителя к частице топлива. Чтобы улучшить подвод воздуха к поверхности топливной частицы, температура в оболочке, окружающей поверхность частицы, должна быть выше окружающего воздуха на 200 0С и более. Только в этом случае плотность газа в оболочке становится меньше, чем в окружающей среде и окислитель сможет беспрепятственно подходить к поверхности топливной частицы.
При более высоких температурах скорость химической реакции возрастает настолько, что доставляемый диффузией кислород мгновенно вступает в реакцию, в результате чего его концентрация на поверхности стремится к нулю.
В этом случае аД к, величиной - можно пренебречь, тогда соР =аД -Соо, т.е. скорость реакции определяется скоростью диффузии кислорода к поверхности частицы. Это диффузионная область горения (газификации). В диффузионном режиме скорость реакции горения (газификации) определяется скоростью диффузии кислорода к реакционной поверхности. Поэтому необходимо обеспечить скорость доставки кислорода. Как показали аналитические исследования первого раздела, рассмотренные технологические решения, направленные на повышение эффективности горения угля, сегодня эффективно применяются на энергетических объектах.
Горение одиночной частицы пылеугольного топлива, как элементарное составляющее процессов сжигания твердых топлив, подвергалось и подвергается экспериментальному и аналитическому исследованию. Однако следует отметить, что в экспериментальных исследованиях трудно воспроизвести горение частицы в условиях, соответствующим топочным. Поэтому полученные разными исследователями результаты по влиянию различных факторов на выгорание частицы различаются, что вносит искажение в результаты и выводы.
Дальнейший обзор работ по исследованию процесса горения частицы проводится с точки зрения использования имеющихся в них рациональных моментов для развития теории горения.
В результате анализа опытных данных [38] по сжиганию частиц угольной пыли размером = 0,5 мм, при температуре газовой среды ГГ=1400 К и концентрации кислорода О2 = 21 % установлено, что в интервале значений выхода летучих на горючую массу VГ =12-60 % полное время воспламенения коксового остатка, для различных марок углей, практически не зависит от содержания летучих и колеблется в небольших пределах. Для антрацита полное время воспламенения более высокое, чем у других углей при тех же внешних условиях. Концентрация кислорода в газовой среде может оказать существенное влияние лишь на длительность стадии разогрева коксового остатка после выгорания летучих, но поскольку данная стадия в суммарном времени воспламенения угольной частицы занимает лишь 8-12 %, влияние концентрации кислорода на полное время воспламенения коксового остатка оказалось незначительным.
Обработка опытных данных [38] показала, что зависимость воспламенения от размера частиц при неизменных внешних условиях описана степенной функцией тВ К = А8, сек, причем п = 1,2. Полученные графики иллюстрируют слабую зависимость времени воспламенения коксового остатка от концентрации кислорода в газе и весьма сильную от температуры среды в камере. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что время выгорания крупных фракций антрацитовой пыли пропорционально квадрату размера угольных частиц и довольно слабо зависит от температуры газовой среды [38. стр. 81].
Иная картина наблюдается при горении мелких частиц антрацита. При снижении концентрации кислорода в газе с 21 до 10 % горение частиц размером 8 100 мкм уже при ТГ 1600 К переходит в кинетический режим, причем время выгорания их возрастает в несколько раз по сравнению с временем горения в диффузионном режиме. При температуре газа ниже 1500 К горение частиц антрацита размером менее 100 мкм протекает в кинетическом режиме даже при концентрации кислорода 21 %. Температура угольных частиц при этом мало отличается от температуры газовой среды. Зола на поверхности частиц не сплавляется, а длительность выгорания частиц размером 70 - 80 мкм оказывается такой же, как для частиц размером 200 мкм, которые в этих же условиях выгорают до конца в диффузионном режиме.
При низких концентрациях кислорода (О2 = 5 %) частицы размером 50 мкм горят в кинетическом режиме даже при температуре газа 1700 К и только при повышении температуры до 1750 К их горение переходит в диффузионный режим горения (Рисунок 2.1).
На рисунке 2.1 показано, что при малых концентрациях кислорода частицы антрацитовой пыли 8 25 мкм будут выгорать в диффузионном режиме, если температура газовой среды в начале их горения превышает 1750 К.
Проведение экспериментальных исследований
Согласно анализу информационных источников (раздел 2.4) установлено, что частицы УНМ «Таунит» прогреваясь до температуры 71 =973 К, начинают покрываться оксидной пленкой, что предотвращает процесс фотоиндуцированной генерации СК. Поэтому, с практической точки зрения, для определения возможной наработки СК, время прогрева частиц УНМ очень важно.
Прогрев частиц твердого топлива и наноматериала в топке происходит за счет конвективного и радиационного теплообмена между частицами и потоком горячих газов. Согласно уравнению теплового баланса для частиц, двигающихся в потоке газов, в предположении, что отсутствует градиент температуры по сечению частицы и эндо- и экзотермические реакции разложения органической массы частицы топлива или наноматериала, дифференциальное уравнение прогрева частиц имеет вид [74, с 164]: (Тг-Тч)+ {Тг-Т4), (2.26) f- 6Nia Атг-тч)+6 (4-4 d счшмРчшм8 счшмРчшм8 где Тг - температура газов, Тг = 1400 К; Тч, Тч- текущая температура частицы УНМ; Яг - теплопроводность газов, при температуре газовой среды [76, табл. 141], Лг =8,26-105 Вт/(мК); рчшм - плотность частицы «Таунит», рчунм =1900 кг/м3; сг0 и ач - коэффициент излучения абсолютно черного тела и степень черноты частицы; счшм -текущее значение теплоемкости частицы УНМ:
Счжм = Счжм.0 + А {Тч 273) кДж/(кг К), (2.27) где счшм -теплоемкость частицы «Таунит» при ее начальной температуре, равной температуре горячего воздуха, подаваемого в горелки (Тчо = 623 К), Графическое решение уравнения 2.26 с учетом только конвективной составляющей представлено на рисунке 2.10. Согласно решению частица УНМ прогреется до 973 К за тчшм = 0,25 с. В результате анализа процесса прогрева относительно мелких частиц [72, с. 164] (8 10 3 м), попавших в высокотемпературную зону камеры сгорания (Тг « 1200 К) доля лучистой составляющей теплообмена меньше 30%, а ошибка времени прогрева частицы составляет не более 10%, которая с уменьшением размера тоже уменьшается.
За время прогрева частицы УНМ сгенерируется следующее количество молекул синглетного кислорода: синг.о2 синг.о2 тч.жм Отношение количества молекул СК, сгенерированных за время прогрева частиц УНМ до их оплавления, к общему количеству молекул углерода, содержащихся в топливной частице АШ, способных вступить в реакцию окисления составит: AСИНГ . О2 7,066 -1014 І// = = «12 %. (2.29) 7VС 5,999-10 15 По мере прогрева частиц УНМ «Таунит», на их поверхностях активно начнут образовываться оксидные комплексы. Спустя 0,25 секунд, с момента ее попадания в камеру сгорания, частица УНМ прогреется до критической температуры, и соответственно, наработка СК сведется к нулю.
Присутствие в окислительной среде некоторой доли молекул СК позволяет перевести реакцию горения углерода на более новый, качественный уровень. Снижение потенциального барьера химических реакций окисления, за счет повышения энергетического состояния исходных веществ, способно изменить ход химического акта в целом. В этом случае, наряду с реакциями углерода топлива с молекулярным кислородом на поверхности частицы и в объеме, будут протекать аналогичные реакции с синглетным кислородом.
Согласно [74, табл. 7.4] и [43, с. 408] энергия активации реакций при горении топлива с СК будет снижена на величину, характеризующую разницу энергий между молекулярным и синглетным состоянием кислорода А = 94,2-103 кДж/кмоль (эВ на молекулу). Соответственно энергия активации для первой реакции с углеродом топлива будет равна Е[ = 45,8-103 кДж/кмоль.
Тогда предэкспоненциальный множитель в зависимости Аррениуса по формуле (2.10) будет равен к 01 = 824,1 м/c. Используя зависимость Аррениуса (2.9), при ТГ = 1400 К константа скорости реакции неполного горения углерода будет равна к[ = 16,16 м/с. Е 2 = Е[ 1,1 = 50,38 103 кДж/кмоль; Е 3 = Е[ 2,2 = 10,08 104 кДж/кмоль. Тогда предэкспоненциальный множитель и константа скорости реакции (2), в соответствии с формулами (2.10) и (2.9), будут равны: к 02 = 1,018 -103 м/с; к 2 = 13,47 м/с.
Сгенерированный синглетный кислород мгновенно расходуется на реакции окисления углерода на поверхности топлива с образованием СО и СО2 (1 ), (2 ), поэтому реакция догорания СО (4 ) в объеме газов проходит в основном с молекулярным кислородом, тогда: Е4 =96,3-103 кДж/кмоль; к04 = 7,05 106 м/с; к4 = 19 102 с"1 [75].
Пренебрегая изменением объема реагирующих веществ и заменяя действительные реакции гипотетическими с равным объемом исходных и конечных веществ скорость выгорания углерода топлива в реакциях с синглетным кислородом (G c) будет лимитироваться скоростью фотодессорбции синглетного кислорода с поверхности наноматериала {GСИНГ . О2): G c = GСИНГ . О 2 = 3,2-1023 молекул О2/м2с. Согласно анализу процесса выгорания частицы твердого топлива (АШ) установлено, что частица АШ малых размеров = 5-10"5м при температуре газов в топке ТГ=1400 К и парциальном давлении газовых компонентов (кислорода и углекислоты) и р1А = р2А = 10 кПа выгорает в кинетической области по схеме с негорящим пограничным слоем за время г = 5,97 с.
При выгорании образца твердого топлива АШ размером = 5-10"5м с добавкой УНМ «Таунит», доля которой по массе АШ равна = 0,006 %, за малый промежуток времени тЧ . УНМ =0,25 с, равный времени прогрева частиц УНМ до температуры их плавления ТУп Нл аМв =973 К, произойдет наработка синглетного кислорода в количестве NСИНГ . О2 = 7,066-1014 молекул («12 % от общего числа молекул углерода содержащихся в топливе). Далее добавка УНМ оплавляется и выгорает, прекращая соответственно наработку СК. В таких условиях влияние добавки на динамику процесса выгорания уже будет существенным. В области относительно низких температур газа (1400 К) лишь незначительное количество молекул кислорода из числа, достигающих поверхности частицы вступают с ней в реакцию, так как для этого они не обладают энергией, большей или равной энергии активации. В таком случае скорость химической реакции намного меньше скорости, с которой кислород доставляется к поверхности (k«aD, то есть 1/ k»1/ aD). Процесс горения ограничивается скоростью химического реагирования. Добавление в процесс горения УНМ ведет к генерации некоторого количества молекул СК с более высокой энергией, чем у кислорода в основном, триплетном состоянии. Сгенерированный СК, диффундируя к поверхности коксового остатка, будет вступать в реакцию с углеродом топлива наряду с молекулярным кислородом. Кратковременно, на доли секунд (0,25 сек), поток диффундирующего углерода с поверхности выгорающего коксового остатка, будет увеличен на величину сгенерированного потока СК (G c =GCHHro = 3,2 1023 молекул 02 /м2с), смещая процесс выгорания к диффузионной области. Зная количество молекул углерода (Nc = 5,999 -1015 молекул С) содержащихся в частице АШ размером = 5-10 5 м, время его выгорания в кинетической области с молекулярным кислородом (5,97 с), а так же дополнительное количество молекул углерода топлива, вступающих в реакцию с СК (NcyHM = NCHHr 02 = 7,066 1014 молекул С) можно оценить время выгорания топлива с УНМ:
Технико-экономическая оценка внедрения метода интенсификации процесса сжигания твердого топлива в котлах ТЭС
Для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих сложную зависимость процесса воспламенения и горения, использована программа PTC Mathcad Prime 3.0 (Полнофункциональная 30-ти дневная демо - версия http://ru.ptc.com/product/mathcad/freerial).
Mathcad имеет ряд встроенных функций, предназначенных для решения ОДУ. Каждая из этих функций предназначена для численного решения дифференциального уравнения. В результате решения получается матрица, содержащая значения функции, вычисленные на некотором множестве точек (на некоторой сетке значений). В конкретном случае, для решения поставленной задачи использовался вычислительный блок «Given/Odesolve», реализующий численный метод Рунге-Кутты.
В ходе решения системы уравнений определяются динамические характеристики процессов воспламенения и горения в воздухе с молекулярным и сингл етным кислородом. Для снижения погрешности расчета и учета зависимостей кинетических характеристик от текущей температуры газов и характеристики горючей смеси предусмотрен повторный цикл вычислений. Листинг программы представлен в приложении А.
Горение угольной частицы моделируется на базе огневой экспериментальной установки по воспламенению и сжиганию твердого топлива в условиях близких к топочным. Для соблюдения характерного соотношения «топливо-воздух», горение рассматривается в объеме газов с коэффициентом избытка воздуха, а = 1,2.
Сжигаемая навеска топлива из частиц АШ Я90 =10 % и массой насыпи тН=2-103 кг, принимается в виде условной частицы сферической формы и размером S0 =12,5-103 м, соответственно пересчитанным с насыпной на истинную плотность АШ. Доля нанодобавки «Таунит» в образце топлива у = 0,006 %.
При горении топлива с нанодобавкой, имеет место снижение энергии активации первичных реакций окисления углерода до СО и СОг, на величину, характеризующую разницу энергий между основным и синглетным состоянием кислорода АЕ = 94,2-103 кДж/кмоль. В математической модели данная особенность учитывается введением коэффициентов интенсфикации реакций (1.3, 1.4 и 3.2): kс1к=AE/E1, kс .2к=AE/E2 (Для АШ . к=0,33, kс2к =0,3). Принимаем, что весь сгенерированный кислород расходуется на первичные реакции, поэтому его участие во вторичной реакции догорания окиси углерода минимально, что учитывается коэффициентом близким единице, кс 1.к2= 1,1. Доля синглетного кислорода, участвующего в процессе окисления углерода твердого топлива учитывается коэффициентом /л. Данный коэффициент имеет сложную зависимость от количества нанодобавки в топливе и температуры процесса горения. Для моделирования процесса горения топлива в среде только синглетного кислорода принимаем ju = 1.
Моделирование процесса воспламенения и горения твердого натурального топлива с нанодобавкой «Таунит» представлено в приложении А.
В результате моделирования воспламенения и горения низкореакционного топлива (АШ), как с нанодобавкой «Таунит», так и без нее, получены динамические характеристики процесса воспламенения и горения и выполнен их анализ.
Динамика воспламенения и выгорания летучих в воздухе с синглетным кислородом увеличилась на столько (Рисунок 3.2), что, по сути, стала близка динамике возгонки летучих (Рисунок 3.1). Динамика сгорания летучих в газовой среде, по сути, достигла своего максимума, лимитирующим критерием которого стала динамика возгонки летучих.
Динамика горения летучих: КСЛ(г), У (т) - количество сгоревших летучих с течением времени (г), в среде с молекулярным и синглетным кислородом соответственно. Анализ отношений полученных констант скоростей первичных реакций для обоих случаев а1, а2, аск, ас 2к и коэффициента массоотдачи (диффузии) аД и асД (приложение А) показал, что диффузионно-химические критерии подобия N1+N2 1, N[+N 2 1, что указывают на смещение горения в диффузионную область. При значениях критерия Семенова Se = 0,22 0,4 схема с негорящим пограничным слоем остается неизменной. Согласно теории приведенной пленки [74] при малых значениях критерия Семенова горением СО в приведенной пленке можно пренебречь. Оксид углерода в этом случае выносится из приведенной пленки и сгорает в газовом потоке. Частично кислород достигает поверхности окисляя углерод до СО2. Полученное в ходе решения задачи выгорания распределение молярных концентраций газовых компонентов на поверхности частицы (рисунок 3.3) и в объеме (рисунок 3.4) тому свидетельство. Согласно расчетам установлено, что весь подводимый кислород, даже при начальной температуре газов 973 К, расходуется на образование СО и СО2.