Анализ существующих методов показывает превосходство плазменной технологии как более простой и удобной, чем розжиг с использованием растопочного топлива. Что касается влияния плазмы, то следует отметить, что общей теории протекания реакций пароплазменной газификации в неравновесных условиях, а во многих случаях даже и подхода к ней, не существует. Имеющийся материал разрознен и крайне немногочислен. Здесь можно ожидать самых неожиданных проявлений. Низкотемпературная плазма атмосферного давления содержит большое количество заряженных и нейтральных активных частиц. Эти активные частицы с высокой способностью излучения энергии могут существенно ускорять химические реакции и осуществлять возможность проведения реакций, которые в нормальных условиях затруднительны. Экспериментальные подтверждения существенного влияния радикалов на пароплазменную газификацию угля в условиях дуговой плазмы атмосферного давления получены в работе [16]. Уголь в условиях плазмы подвергается реакциям быстрого разложения и диссоциации с выделением летучих веществ и коксового остатка, которые при дальнейшем разложении образуют большое количество активных частиц, включая СпНт углеводороды, возбужденные С и Н атомы и т. д. Затем образуются различные газы СО, Н2 и СО2 благодаря сложному комплексу параллельно-цепных реакций, а именно такие газы, как СО2 и Н, преобразуются или конвертируются в Н2 с выделением множества активных частиц, таких как ОН, Н радикалы и электроны, которые принимают участие в реакциях окисления по схеме рециклинга.
В ходе проведения данного исследования была разработана, смонтирована и испытана лабораторная установка по сжиганию водоугольного топлива с плазменным зажиганием и сопровождением горения для получения исходных данных при проектировании топливно-плазменной горелки в составе котлоагрегата, работающего на низкореакционной угольной пыли. 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; плазменная аппаратура с топливно-плазменной горелкой. Розжиг горелки и стабилизация пламени производились плазмотроном мощностью до 30 кВт (так называемый плазмотрон малой мощности). Это плазмотрон линейной схемы с двумя соосными цилиндрическими электродами и вихревой стабилизацией дуги (рис. 1). Плазмотрон охлаждается водой. Плазмообразующим газом является воздух. При работе на воздухе среднемассовая температура плазменной струи составляла примерно 4 000 К, тепловой КПД - около 80%.
Была применена такая система плазменного воспламенения при розжиге плазменно-угольной горелки, когда плазмотрон располагался по оси жаровой трубы. Вид экспериментальной плазменно-угольной горелки (плазмотрон, совмещенный с жаровой трубой) в работе приведен на рис.
Плазменная струя, подведенная к корню факела распыляемого топлива, разогревала и зажигала буроугольную ВУС. На рис. 3а приведена плазменная струя в отсутствие подачи ВУС, а 3б - при её подаче.
В плазменно-угольной горелке (рис. 1) решена задача достаточно быстрого смешения поперечно подаваемого сырья и теплоносителя в минимальном объеме реакционной зоны. Смешение происходит в интенсивно соударяющихся между собой встречных струях ВУС. В этом случае столкновение струй приводит к их самодроблению и интенсивной турбулизации потока. Взаимодействие потока горячей дуговой плазмы с распыленной холодной ВУС начинается в зоне прианодной части столба электрической дуги. Оптимизация смесителя сводилась к выбору такой геометрии (диаметр и угол раскрытия канала сопла плазмотрона, диаметр и углы отверстий для подачи ВУС по отношению к оси канала плазмотрона), при которой обеспечивается равномерное распределение распыленной ВУС в канале. Количество поперечных струй - 2 либо 4. Следует отметить, что для обеспечения требуемой дальнобойности необходимо было с высокой точностью поддерживать величину гидродинамических параметров - небольшие изменения расходов или температуры приводят к весьма значительным колебаниям дальнобойности. Все это необходимо учитывать при проектировании плазмохимического смесителя.
Процесс горения ВУС в топливно-плазменной горелке (рис. 1) можно вести в двух режимах - режиме «полного выгорания» и режиме «газификации». Первый обусловлен подачей всего воздуха, необходимого для горения непосредственно на вход жаровой трубы, второй предполагает работу горелки с недостатком окислителя. Во втором случае дополнительный воздух вдувается в переходный газоход или топку котла. Таким образом, режим «газификации» предполагает ступенчатое сжигание топлива.
Геометрическая схема топливно-плазменной горелки, предназначенной для отработки указанных технических решений в лабораторных условиях, имеет две секции: плазменный модуль предгазификации, содержащий плазмотрон с фор- камерой, и модуль газификации/полного выгорания (жаровая труба с Dу = 150 мм) с узлом вдува вторичного воздуха. В экспериментах по газификации жаровую трубу теплоизолировали.
Процесс розжига ВУС осуществлялся в следующем порядке. Включался плазмотрон (рис. 3а) и осуществлялся прогрев форкамеры до появления светимости внутренней поверхности участка. После прогрева форкамеры потоком плазмы в течение 1,5-2 мин до температуры 700-750°С открывался кран на трубопроводе, осуществлялась подача ВУС с расходом 100-400 кг/час (рис. 3б) и происходило устойчивое зажигание и стабильное горение ВУС. При работе плазмотрона были зафиксированы следующие параметры: диаметр сопла анода - 10 мм, длина форкамеры - 20 мм, внутренняя поверхность форкамеры и жаровой трубы обмурована теплоизоляционным материалом. Расход плазмообразующего воздуха G=20 нм3/ час , ток дуги 1=50 А, напряжение на дуге и=350 В, мощность N=17,5 кВт, длина начального участка плазменной струи - 15 см. Плазмотрон работал устойчиво как в режиме прогрева плазмы, так и при подаче суспензии через форсунки.
В процессе исследований подтвердились эрозионные характеристики электродов плазмотрона (рис. 1). Эрозия медного полого катода в воздушной атмосфере составляет порядка ~ 2-10-9 кг/Кл, средний уровень эрозии анода ниже и составляет ~ 4^10-11 кг/Кл. Эрозия медных электродов определяется плотностью теплового потока, температурой поверхности и скоростью перемещения приэлектродных участков дуги. При обеспечении хорошей стабильности работы электродов сегодня можно говорить о гарантированном ресурсе в воздушной среде катода плазмотрона (рис. 1) более
плазменный подсветка теплоагрегат уголь
Рис. 4. Зависимости распределения по длине жаровой трубы: а - степени выгорания углерода, б - температуры стенки. 1 - расход ВУС - 100 кг/час, вторичного воздуха -150 нм3/ч; 2 - расход ВУС - 200 кг/час, вторичного воздуха - 300 н\гУч; расход ВУС - 300 кг/час, вторичного воздуха - 450 н\гУч 1 000 часов, анода - 2 000 часов при токе 50 А и глубине срабатывания материала 1,5 -10-3 м.
Наибольший интерес с научной и практической точек зрения при переработке ВУС в топливноплазменной горелке представляет режим газификации. Возможность проведения процесса газификации в данной конструкции при недостатке окислителя гарантирует режим «полного выгорания». Исследованиями, выполненными в работе [17], установлено, что при температурах процесса 1 500-2 500 К практически единственными компонентами синтез-газа, получаемого при газификации ВУС, являются Н2 и СО. Содержание их в газовой фазе достигает 93-97%. Энергетические затраты при этом составляют 3,0--3,5 кВт-ч/кг, теплота сгорания получаемого синтез-газа при плазменной газификации составляет 11,5-12,5 МДж/м3 и на 10-30% превышает теплоту сгорания газа при парокислородной газификации. Это обусловлено повышенным содержанием водорода (Н2=50-55%) в синтез-газе, который получают при плазменной газификации угля, по сравнению с содержанием водорода (Н2=35-45%) при парокислородной газификации. Для снижения энергетических затрат процесса плазменной газификации ВУС целесообразно использовать комбинированную алло-авто- термическую газификацию, сочетающую плазменную ступень с традиционной автотермической ступенью газификации.
Лимитирующая стадия - это процесс газификации твердого углерода ВУС, происходит за счет протекания двух основных реакций:
2С+02-^>2С0+218,8... кДж/молъ
С+Н20-->СО+131,4... кДж/моль
Исследования кинетической характеристики ВУС с помощью дериватографа [18] показывают, что горение происходит с высокой скоростью даже при низких температурах 300.. ,400°С, когда заканчивается горение летучих и начинается переход к выгоранию коксового остатка. Таким образом, подтверждается тезис о том, что усилия по решению проблемы стабильного и надежного сжигания ВУС должны быть направлены на интенсификацию воспламенения топлива на начальном участке горения. Эта задача решается с помощью плазмотрона малой мощности. Дальнейший процесс автотермического окисления будет определяться разницей между количеством тепла, которое выделяется в результате первой реакции, и теплом, которое поглощается в результате второй реакции.
В результате исследований [19] подтверждено, что при распылении ВУС образуется полидисперсный поток, содержащий как чисто угольные частицы, так и водоугольные капли, имеющие в своем составе тонкие угольные частицы, окруженные жидкой фазой. Очевидно, что механизмы воспламенения и сжигания полидисперсного потока капель ВУС различны. Для проектирования новых конструкций горелок и определения оптимальных режимов работы выполнены базовые экспериментальные исследования на стенде (рис. 2) по степени среднемассового выгорания углерода по длине с соответствующим распределением температуры стенки футерованной жаровой трубы. Забор пыли осуществлялся водоохлаждаемым зондом по оси жаровой трубы. На рис. 4 приведены усредненные зависимости степени выгорания углерода (а) и распределения температуры стенки (б) по длине жаровой трубы плазменно-угольной горелки для ВУС исполнения 1. Видно, что основной выход летучих и их горение происходят в зоне подачи вторичного воздуха, где избыток воздуха очень мал (порядка 0,2-0,4) за счет тепла, излучаемого футеровкой. Горение же коксового остатка продолжается по всей длине при подаче всего воздуха, необходимого для горения в жаровой трубе, и степень выгорания топлива на выходе, равная < 90% (дальнейшее дожигание коксового остатка должно проходить в следующей секции или в топочной камере котла). Температура стенок соответствовала верхнему пределу измерения < 1 100°С. При использовании ВУС исполнения 2 степень выгорания углерода и, соответственно, температура стенки повышаются приблизительно на 10%. Причина пока не понятна, но, чтобы связать этот эффект с лучшей активацией угольной пыли, необходимы дополнительные исследования. Исходя из степени выгорания углерода при расходах ВУС 100-300 кг/час, можно заключить, что при использовании плазмотрона для интенсификации воспламенения на начальном участке мощностью 17,5 кВт может быть получена тепловая мощность в выходном факеле порядка 260-700 кВт
Ухудшение качества топлива, моральное старение, физический износ котлов и оборудования привели к снижению КПД котлов до 80 82% и увеличению до 40 ^ 45% (по тепловыделению) доли природного газа или мазута. При этом дефицитное высокореакционное топливо расходуется не только на подсветку пылеугольного факела, но и на компенсацию дефицита пыли, вызванного недостаточной производительностью при работе котла на топливе ухудшенного качества. Предлагаются различные варианты решения проблемы, но они в основном частичные [20]. Реальный путь повышения эффективности работы котлов прежних поколений при работе на низкосортных углях ухудшенного качества, а также полного отказа от использования остродефицитного нефтегазового топлива без кардинального изменения технологии сжигания и конструкции топочного устройства - поэтапная реконструкция существующих котлоагрегатов путем модернизации или замены существующих технологий и оборудования на комбинированные плазменные системы (рис. 5).
Выводы
Из приведенного анализа можно заключить, что плазменная технология, даже если не принимать во внимание экологическую сторону проблемы, является более простой и удобной для розжига и сопровождения горения низкореакционных углей, чем с применением растопочного топлива, и может быть рекомендована для использования в энергетике.
Список литературы
Кравченко А. Глобальные проблемы Украинской теплоэнергетики. Электрик. № 9. 2013. С. 38-41.
Канило П.М., Ваврив Д.М., Шунеман К., Соловей В.В., Костюк В.Е., Костенко К.В. Альтернативные технологии сжигания низкореакционных углей в теплоэнергетических установках без дополнительного использования мазута или природного газа. Авиационно-космическая техника и технология. 2006. № 10 (36). С. 82-90.
Елин В.Н. Технология плазменного розжига и поддержания горения в пылеугольных котлах. Уголь.№ 4. С. 12-13.
Тимошевский А.Н., Засыпкин И.М., Ващенко С.П., Комарицын В.К. Применение систем плазменного воспламенения угольной пыли в котлах Таштагольской производственно-отопительной котельной. Новости теплоснабжения. 2002. № 1 (17). С. 14-21.
Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / под ред. В.Е. Мессерле. Новосибирск: Наука. 1996. 415 с.
Жуков М.Ф. Плазмохимическая переработка угля. М.: Наука, 1990. 315 с.
Жуков М.Ф., Калиненко РА., Левицкий А.А., Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля. М.: Наука, 1990. 200 с.
Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Плазменноэнергетические технологии топливоиспользования. Новосибирск: Наука, 1998. 385 с.