Математическое моделирование процессов термохимической подготовки пылеугольного топлива с использованием электродуговых плазмотронов

• Автор: Мессерле, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Глава 1. Современное состояние проблемы повышения эффективности использования низкосортных углей в теплоэнергетике и методов математического моделирования процессов термохимической подготовки топлив (ТХПТ) к сжиганию

1.1 Проблема увеличения потребления второго вида топлива на

пылеугольных ТЭС

1.2 Суть термохимической подготовки топлив к сжиганию

1.3 Алло-автотермический характер преобразования топлив

1.4 Известные математические модели процессов взаимодействия пылеугольного топлива с внутренним тепловым источником

Глава 2. Физическое и математическое моделирование процессов ТХПТ

2.1. Физическая модель процесса

2.2. Термодинамическое обоснование эффективности процесса термохимической подготовки энергетических углей к сжиганию
2.3. Принятые допущения и параметры математической модели термохимической подготовки топлив.
2.4 Математическая модель термохимической подготовки топлива
2.5. Алгоритм численного решения уравнений математической модели
2.6 Программа, реализующая математическую модель, и ее особенности
Глава 3. Результаты моделирования и их сравнение с
экспериментальными данными по плазменному воспламенению
пылеугольного топлива
3.1 Исследование влияния мощности плазмотрона,
концентрации пыли в аэросмеси , скорости потока и влажности топлива
на температуру и состав продуктов ТХПТ
3.2 Сравнение результатов расчетов с опытными данными
3.3 Технологические рекомендации для проектирования плазменно-

угольных горелок
Выводы
Литература

В последние десятилетия значительное внимание в мире уделяется повышению эффективности и экологической безопасности котельных агрегатов пылеугольных тепловых электрических станций (ТЭС), вырабатывающих более 40% электрической и тепловой энергии. Общемировая тенденция снижения качества энергетических углей приводит к увеличению доли использования непроектных топлив, т.е. углей с отличными от проектных характеристиками. При этом ухудшаются как экономические, так и экологические показатели работы котлоагрегата. В соответствии с этим большую актуальность приобретает разработка новых технологий эффективного сжигания твердых топлив, независимо от их качества [1—3]. Одной из таких перспективных технологий, уже внедренной на ряде угольных станций России и зарубежных стран, является термохимическая подготовка топлива к сжиганию с использованием генератора низкотемпературной плазмы (плазмотрона). Эта технология позволяет полностью устранить использование мазута, традиционно используемого как для стабилизации горения пылеугольного факела, так и для растопки котлоагрегата. В нашей стране внедрением плазменной технологии на угольных станциях занимается ряд организаций: Отраслевой Центр плазменно-энергетических технологий (ОЦ ПЭТ) РАО «ЕЭС России» (Гусиноозерск, Е.И. Карпенко); Институт теплофизики СО РАН (Новосибирск, А.П.Бурдуков); Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (Новосибирск, И.М.Засыпкин); Новосибирский государственный технический университет (Новосибирск, Г.В. Ноздренко, Ю.А.Овчинников); Всероссийский теплотехнический институт (Москва, С.И.Сучков,
А.Г.Тумановский); Красноярский политехнический институт (Красноярск,
Н.А.Сеулин, Ю.В.Видин); Всероссийский заочный политехнический институт (Москва, М.Х.Ибрагимов, Е.М.Марченко); Дальневосточный государственный университет (Владивосток, И.А.Штым); Сибирский энергетический научно-технический центр (СибЭНТЦ) (Новосибирск, С.Г.Потапов).
Несмотря на принципиально решенные вопросы практической реализации этой технологии на отдельных ТЭС, ее распространение в масштабах страны встречает трудности из-за большого разнообразия конструкций котлоагрегатов. Это требует индивидуального подхода к выбору параметров устройств термоподготовки топлив. Однако экспериментальное изучение реальных топочных процессов и проведение испытаний растопочного оборудования характеризуется чрезвычайно высокой стоимостью, несмотря на внешнюю простоту самого горелочного устройства. Самая простая схема оснащения прямоточной горелки плазмотроном приведена на рисунке 1.1 [1].
Рис. 1.1. Схема системы плазменного воспламенения угольной пыли
1 - плазмотрон, 2 - катод, 3 - анод, 4 - зона реакций, 5 - огнеупорный материал (керамика, жаропрочный бетон), 6 - внешняя стенка канала, 7 -стенка котлоагрегата, 8 - топка котлоагрегата, 9 — подача
плазмообразующего газа, 10 - подача аэросмеси (взвеси частиц угля в воздухе)
В связи с вышесказанным, актуальной становится задача создания такой математической модели, которая позволила бы осуществить серийные расчеты параметров процессов термоподготовки топлива [2], необходимые для

Коэффициент теплоотдачи а1 - определяется с помощью
критериального уравнения теплообмена, справедливого для режима обтекания сферы ламинарным потоком [32]:
где А/ц - число Нуссельта для частицы фракции /; Рг - число Прандтля.
Начальными условиями являются - значения температуры воздуха и частиц угольной пыли на входе в канал. Начальная скорость потока определяется из уравнения расхода:
ГДС УУ1аэр + тплазм— расход аэросмеси (первичный воздух+уголь) и расход плазмообразующего газа (воздуха) через плазмотрон, б-диаметр канала.
Основной энергетический вклад в процесс разогрева газовой части аэросмеси дают протекающие в канале реакции горения летучих в воздухе
аэросмеси. Этот вклад описывается членом и определяется
путем пошагового расчета равновесного состава продуктов горения и добавляемой массы летучих угля. Это позволило отказаться от рассмотрения одновременно протекающих сотен химических реакций и резко сократить время вычислений, что в свою очередь дало возможность проведения параметрических расчетов, необходимых для проектирования конкретных устройств.
- Уравнения выделения летучих веществ угля Зависимость констант скорости реакций от температуры описывается уравнением Аррениуса 1 порядка:
Ш1 =2 + 0,03 Яе0’54 Рг°’33 + 0,35 Яе0’58 Рг0’35
(2.10)
Л1 аэр "Ь ТП плазм
рила2

(2.11)