Плазменно-топливные системы для повышения эффективности использования твердых топлив

• Автор: Устименко, Александр Бориславович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Алма-Ата
• Количество страниц: 474 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Эффективное и экологически приемлемое использование твердых

топлив

1.1 Современное состояние проблемы сжигания и переработки

энергетических углей и методы повышения эффективности их использования

1.2 Теоретические и экспериментальные методы исследования плазменных

процессов воспламенения, термохимической подготовки, сжигания и газификации углей

1.3 Основные принципы функционирования плазменно-топливных систем

1.4 Алло-автотермический характер преобразования двухфазных

топливных потоков
1.5 Физико-химические характеристики исследованных твердых топлив
1.6 Выводы по разделу
Глава 2 Термодинамическое моделирование плазменной термохимической
переработки топлив
2.1 Метод термодинамических расчетов и программа TERRA
2.2 Подготовка исходных данных для расчета плазменной
термохимической подготовки топлив к сжиганию
2.3 Расширение базы данных программы TERRA термодинамическими
свойствами веществ, характерных для минеральной части углей
2.4 Результаты термодинамических расчетов
2.4.1 Методика определения необходимого количества окислителя для
газификации топлива
2.4.2 Метод расчета удельных энергозатрат на процесс газификации топлива
2.4.3 Плазменная газификация твердого топлива
2.4.4 Электрогермохимическая подготовка топлива к сжиганию
2.4.5 Энергетическая эффективность процесса электротермохимической
подготовки энергетических углей к сжиганию
2.5 Выводы по разделу
Глава 3 Кинетическое моделирование процессов движения
высокотемпературного нагрева и термохимических превращений

пылеугольного топлива в потоке окислителя в цилиндрических каналах с плазменным источником
3.1 Описание математической модели кинетических исследований 168 плазменной термохимической подготовки углей к сжиганию
3.2 Кинетическая схема процесса газификации угля
3.3 Кинетическая схема, учитывающая образование оксидов азота
3.4 Исходные данные и методика ступенчатого расчета плазменно- 187 топливной системы для электротермохимической подготовки
аэросмеси к сжиганию
3.5 Результаты кинетических расчетов
3.5.1 Плазменная паровая газификация твердого топлива с учетом моно- и
полидисперсности частиц
3.5.2 Плазменная газификация твердого топлива в среде углекислого газа
3.5.3 Плазменная газификация твердого топлива в различных окислительных
средах
3.5.4 Электротермохимическая подготовка топлива к сжиганию
3.5.5 Влияние избытка окислителя на параметры электротермохимической
подготовки топлива к сжиганию, включая образование оксидов азота
3.6 Технологические рекомендации для проектирования и применения
плазменно-топливных систем
3.7 Выводы по разделу
Глава 4 Трехмерное моделирование горения твердого топлива в топке котла
оснащенного плазменно-топливными системами
4.1 Краткое описание трехмерной математической модели
4.2 Трехмерное моделирование двухфазного реагирующего потока
4.3 Моделирование дисперсной фазы
4.4 Моделирование теплового излучения
4.5 Модель горения газовой фазы
4.6 Процедура численного решения
4.7 Моделирование образования оксидов азота
4.8 Результаты численного моделирования процесса предварительной
плазменной обработки пылеугольного топлива в плазменно-топливной системе и трехмерного моделирования горения активированного
топлива в гопке промышленных котлов
4.8.1 Верификация трехмерной математической модели Cinar ICE на

примере расчета горения пылеугольного топлива в экспериментальной цилиндрической топке, оснащенной плазменно-топливной системой
4.8.2 Математическое моделирование горения пылеугольного факела в топке 279 котла БКЗ-75, оснащенного плазменно-топливными системами
4.8.3 Математическое моделирование горения пылеугольного факела в топке 294 котла БКЗ-420, оснащенного плазменно-топливными системами
4.9 Выводы по разделу
Глава 5 Стендовые и промышленные испытания плазменно-топливных систем
5.1 Испытания прямоточной плазменно-топливной системы
5.2 Моделирование прямоточной плазменно-топливной системы с
использованием компьютерной программы Плазма-Уголь
5.3 Трехмерное моделирование горения пылеугольного факела на котле
паропроизводительностью 640 т/ч, оборудованном плазменнотопливными системами
5.4 Промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме
безмазутной растопки котла БКЗ-640-140 Гусиноозерской ГРЭС
5.5 Промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме
безмазутной растопки котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ
5.6 Экспериментальные исследования и промышленные испытания
плазменно-топливных систем в режиме безмазутной стабилизации горения факела на котле ТП-230 Мироновской ГРЭС
5.7 Промышленные испытания плазменно-топливных систем в режиме
безмазутной растопки котла БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2 из холодного состояния
5.8 Стендовые испытания плазменно-топливной системы в режиме
переработки топлив
5.8.1 Описание экспериментальной установки и методики измерений
основных показателей плазменной переработки топлив
5.8.2 Результаты численных и экспериментальных исследований
5.8.2.1 Плазменно-паровая газификация Канадского Нефтяного Кокса
5.8.2.2 Газификация высокозольного Экибастузского угля
5.8.2.3 Плазменная комплексная переработка угля
5.8.2.4 Плазмохимическая гидрогенизация низкосортного угля
5.8.2.5 Плазмохимический пиролиз углеводородного газа
5.9 Рекомендации по применению и проектированию плазменно

10% летучих. Основное его количество содержится в ароматических кольцах и значительно меньше - в боковых цепях. Основными азотосодержащими соединениями смол пиролиза угля являются пиридины, пирролы, нитрилы, карбозолы, хинолины, индолы. Количество выделившегося азота зависит от температуры, скорости нагрева, типа угля. Так, при повышении температуры от 770 до 1170 К количество азота, выделившегося в виде летучих, увеличивается от 20 до 80% [15]. Оставшийся в коксе азот связан очень прочными связями, которые не разрываются даже при высокотемпературном пиролизе. Перевести этот азот в летучие удается лишь при полной газификации кокса водяным паром или при сжигании его в кислороде. В выделившихся при пиролизе угля летучих азот содержится В виде N113, НСИ, N2 и в соединениях, входящих в состав смол.
Важная особенность строения углей - их пористая структура. По данным работы [15] в углях имеются три типа пор: микропоры (0,0012-0,03 мкм), промежуточные поры (0,03-0,3 мкм) и макропоры (0,3-3 мкм). Микропоры имеют большую поверхность, и в них при нагреве образуется основное количество продуктов деструкции, а также диффундируют реагенты при реакциях и адсорбции. Промежуточные поры - главные каналы для выхода реагентов и продуктов в газовую фазу. Количество макропор относительно мало. Их роль сводится к эффективному уменьшению диаметра частицы, поскольку они не препятствуют свободному массопереносу.
Несмотря на продолжительный период использования угля, последний остается топливом, которое вызывает трудности в эффективном и экологически чистом его сжигании [11]. Однако этот недостаток, вызванный сложной структурой строения угля и изменениями свойств от одного типа углей к другому, не препятствует активному использованию угля, благодаря следующим его преимуществам.
Уголь является универсальным топливом, поскольку его можно сжечь, подвергнуть пиролизу и ожижению, газифицировать или даже использовать в качестве сырья для химической промышленности [18]. Уголь - это топливо, удобное для добычи, транспортировки, складирования и использования, в том числе в виде пыли [19]. Его компактность и высокая плотность энергии (около 30 МДж/кг) интенсифицирует процесс горения [20]. Нет проблем протечек и разбрызгивания, связанных с другими ископаемыми топливами, в то время как взрывы и самовоспламенения не столь опасны по сравнению с мазутом или газом [21]. Повсеместная доступность и значительные запасы угля делают его цену стабильной и привлекательной [22].
Применение угля в современном мире многообразно. Его используют для получения электрической энергии (энергетический уголь), как сырье для