CC BY
1В.Е. Мессерле, д-р техн. наук Улан-Удэнский филиал Института теплофизики СО РАН Е.И. Карпенко, д-р техн. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
А.Б. Устименко
Отраслевой центр плазменно-энергетических технологий РАО «ЕЭС России»,
г. Гусиноозерск С.С. Тютебаев НТО Плазмотехника, г. Алматы, Казахстан Ю.Е. Карпенко
Отраслевой центр плазменно-энергетических технологий РАО «ЕЭС России»,
г. Гусиноозерск Т.В. Еремина, д-р техн. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 537. 533.9
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЯ ПЛАЗМЕННО-ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ НА КОТЛЕ БКЗ-420 АЛМАТИНСКОЙ ТЭЦ-2
Показано, что использование плазменно-топливных систем для угольных котлов более эффективно для сжигания энергетического угля, при одновременном сокращении вредных выбросов. В настоящее время плазмен-но-топливные системы для запуска котла без топлива, стабилизации горения пылеугольного топлива устанавливаются на котле БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ.
Ключевые слова: плазменно-топливные системы, ТЭЦ, уголь, выбросы, котел.
V.E. Messerle, E.I. Karpenko, A.B. Ustimenko, S.S. Tyutebaev, Yu.E. Karpenko, T.V. Yeremina
MODELLING AND TESTING OF PLASMA-FUEL SYSTEMS IN BKZ-420 BOILER
OF ALMATY TPP-2
It is shown that the use of plasma-fuel systems for coal-fired boilers more efficient for combustion of power coal, while reducing harmful emissions. Currently, plasma-fuel systems for oil free boiler start up, the pickup and stabilizing the combustion ofpulverized coal flame are installed at the boiler BKZ-420 of Almaty thermal power plant.
Key words: plasma-fuel system, TPP, coal, emissions, boiler.
В мировой теплоэнергетике при растопке пылеугольных котлов и стабилизации горения пылеугольного факела используют природный газ или топочный мазут. В мире на эти цели расходуют более 50 млн. т мазута в год. Известно, что на пылеугольных ТЭС РАО «ЕЭС России» ежегодно сжигают более 5 млн. т мазута. Повсеместное снижение качества энергетических углей требует увеличения расхода мазута на ТЭС.
Совместное сжигание угля и обладающего более высокой реакционной способностью мазута с различными избытками воздуха (1,2-1,25 и 1,02-1,05 соответственно) ухудшает эколого-экономические показатели котлов: на 10-15 % повышается мехнедожог топлива и на 2-5 % снижается КПД-брутто, возрастает скорость высокотемпературной коррозии экранных поверхностей и снижается надежность эксплуатации котельного оборудования; на 30-40 % увеличивается выход оксидов азота и серы (в случае более высокого содержания серы в мазуте); появляются выбросы канцерогенной пятиокиси ванадия.
К настоящему времени единственной известной технологией, обеспечивающей безмазутную растопку котла, подхват и стабилизацию горения пылеугольного факела, является плазменная технология воспламенения углей [1]. Для осуществления этой технологии разработаны плазменно-топливные системы (ПТС), представляющие собой оснащенные электродуговым плазмотроном пылеугольные горелки (рис. 1). Принцип работы ПТС заключается в том, что холодная аэросмесь нагревается в зоне плазменного факела, образуя из низкосортного угля высокореакционное двухкомпонентное топливо (ВДТ). Последнее удовлетворяет современным эколого-экономическим требованиям и представляет собой го -рючий газ и коксовый остаток, которые активно воспламеняются при смешении с вторичным воздухом в топке котла и устойчиво горят без сжигания дополнительного высокореакционного топлива (мазута или
газа), традиционно используемого для растопки котлов, подхвата и стабилизации горения пылеугольно-го факела на ТЭС.
В настоящей работе представлены результаты применения ПТС на котле БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2 (рис. 2).
ПТС для котла БКЗ-420 созданы на базе трех основных горелок: двух крайних нижнего яруса и средней верхнего яруса. ПТС размещаются в горелках вместо канала первичной аэросмеси (внутренний канал аэросмеси) (рис. 3). Это позволило оставить без изменения пылепроводы вторичной аэросмеси (внешний канал аэросмеси) и вторичного воздуха.
Рис. 1. Двухступенчатая ПТС
ПТС состоит из двух частей: водоохлаждаемого узла установки плазмотрона (камера ПХПТ) и муфелизированных стойкими к абразивному износу керамическими кольцами каналов термохимической подготовки угля к сжиганию.
ПТС была разработана и спроектирована с использованием двух компьютерных программ: одномерной - «Плазма-Уголь» [2], учитывающей детальную кинетику термохимических превращений топлива в двухфазном потоке с плазменным источником, и трехмерной - «Cinar ICE» [3], учитывающей геометрию топки, турбулентность среды, радиационный теплообмен и процесс горения угольных частиц по модели быстрой кинетики.
Для численных исследований были выбраны два режима работы котла: традиционный (с использованием шести пылеугольных горелок) и с плазменной активацией горения (с заменой трех пылеуголь-ных горелок на ПТС). Параметры двухкомпонентного высокореакционного топлива, получаемого в ПТС из аэросмеси, рассчитывались с использованием программы «Плазма-Уголь». Они являлись начальными параметрами для трехмерного расчета топки котла БКЗ-420, оснащенного ПТС, которые выполнялись по 3D программе «Cinar ICE». Эта же программа использовалась и для расчетов традиционного режима сжигания угля в топке котла БКЗ-420, оснащенного штатными вихревыми пылеугольными горелками.
Рис. 2. Схема компоновки ПТС и основных пылеугольных горелок на котле БКЗ-420 АТЭЦ-2: 1 - штатная вихревая двухпоточная пылеугольная горелка; 2 - ПТС
В котле сжигается пыль Экибастузского каменного угля зольностью 40%, выходом летучих 24%, влажностью 5% и теплотой сгорания 4000 ккал/кг. Тонина помола угля составляет Я90=15%. Исходные
данные для расчета ПТС по программе «Плазма-Уголь» приведены в таблице 1. В результате расчета были получены следующие характеристики процесса ПХПТ: распределения температур и скоростей газа и частиц, концентраций компонентов газовой фазы, степени газификации и концентрации углерода в коксовом остатке.
5 - плазмотрон; 6 - камера подачи аэросмеси к плазмотрону; 7 - камера плазмохимической подготовки топлива к сжиганию (ПХПТ); 8 - камера смешения и термохимической подготовки
топлива; 9 - топочное пространство
Из рисунка 4 видно, что на начальном участке ПТС (Х<0,3 м) температура газа превышает температуру частиц за счет первоначального теплообмена плазменного источника с газовой фазой. При этом скорости газа и частиц не увеличиваются, практически не различаясь между собой. В дальнейшем из нагретых угольных частиц наблюдается выделение летучих (рис. 5) с одновременной газификацией углерода коксового остатка. За счет окисления углерода на поверхности частиц их температура повышает -ся до 1350 К, превышая температуру газа на 400° (Х=0,5 м). На выходе ПТС между газом и частицами достигается термическое равновесие при температуре 1025 К, а скорость газового потока достигает 49 м/с, превышая скорость частиц на 1 м/с (табл. 2). Отметим, что скорость потока на выходе из ПТС значительно превышает скорость аэросмеси на выходе традиционных пылеугольных горелок. Концентрации горючих компонентов (СО, Н2, Н, СН4, С6Н6) возрастают по длине ПТС, достигая своего максимума (10 %) на выходе ПТС. При этом концентрация окислителей (СО2, Н2О, О2) на выходе ПТС составляет 19,2 %. Степень газификации угля по длине ПТС увеличивается, достигая на выходе 48 %, что вполне достаточно для получения ВДТ.
Таблица 1
Исходные данные для расчета ПТС
Параметр Значение
Мощность плазмотрона, кВт 200
Начальная температура аэросмеси, К 362
Расход угля через горелку или ПТС, кг/ч 6000
Расход первичного воздуха, кг/ч 8955
Длина ПТС, м 3.687
Состав угольной пыли, мас.%
Зола С Н2 Н2О СО СО2 СН4 С6Н6
40,0 46,18 2,63 1,84 3,95 1,4 0,55 3,45
1 400 1 200 1 000
*
800 600 400
0
Рис. 4. Изменение температуры (Т) газа и частиц по длине ПТС (Х): 1 - газ; 2 - частицы
Полученные интегральные характеристики процесса ПХПТ на выходе ПТС (см. табл. 2) использовались в качестве начальных параметров при трехмерном численном моделировании горения ВДТ в топке энергетического котла БКЗ-420 с использованием программы «Cinar ICE».
100
10
s? о 1
0.1
0.01
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 X, т
Рис. 5. Изменение концентраций компонентов газовой фазы (С!) по длине ПТС (X)
Таблица 2
Состав ВДТ на выходе ПТС
Состав газовой фазы, об. % Зола, кг/ч C, кг/ч
И2 CO CH4 C6H6 CO2 H2O n2 O2
1,05 7,75 0,3 0,77 15,6 3,55 70,84 0,15 1518 261
Температура газа, К Температура частиц, К Скорость потока, м/с
1025 1025 48,2
Результаты расчета топки приведены на рисунках 6 и 7, из которых видно различие полей температуры в двух режимах сжигания угля в топке котла, традиционном (см. рис. 6) и с предварительной плазменной активацией аэросмеси в трех ПТС (см. рис. 7). При традиционном сжигании угля образуется 6 пылеугольных факелов с максимальной температурой 1852оС. На рисунке 7 ПТС расположена сверху (поперечное сечение топки) и справа (продольное сечение топки). Влияние ПТС проявляется в изменении формы факела ВДТ, высокотемпературные ядра факелов с максимальной температурой 1588оС смещаются ближе к амбразурам горелок и ПТС, а также - в верхнюю часть топки.
Рис. 6. Поле температур в продольном сечении топки в плоскости расположения центральных горелок
Рис. 7. Поле температур в плоскости расположения центральных горелок и ПТС при сжигании угля
с использованием трех ПТС
25
о о
15
10
\1 1 ■
— / 1
2
Г7 -'— —'—
Н,т
Рис. 8. Распределение средней концентрации СО2 по высоте топки котла БКЗ-420: 1 - режим работы топки
с ПТС; 2 - традиционный режим сжигания угля
Как показал численный эксперимент, концентрация остаточного углерода, характеризующая полноту выгорания угля, на выходе из топки при использовании трех ПТС на 16 % ниже, чем при традици-
онном сжигании угля. На рисунке 8 представлено распределение средней концентрации диоксида углерода по высоте топки. В режиме с использованием трех ПТС концентрация С02 выше по всей высоте топки, и на выходе топки это превышение достигает 1 %, что подтверждает высокую эффективность сжигания угля за счет его более полного выгорания. ПТС также улучшает экологические характеристи -ки процесса сжигания твердого топлива за счет снижения выбросов оксидов азота более, чем на 33 %. Очевидно, снижение концентраций остаточного углерода и оксидов азота К0Х на выходе из топки котла при использовании ПТС повышает эколого-экономические показатели ТЭС.
Таблица 3
Сравнительные параметры на выходе из топки котла
Параметр 0 ПТС 3 ПТС
Температура,О С 950 798
Концентрация О2,% 2 1
Концентрация СО2, % 16 18
Концентрация NOx, ppm 80,6 59,5
Концентрация углерода в золе, % 1,1 0,9
Результаты расчета топки в традиционном и плазменном режимах сведены в таблицу 3. Из таблицы 3 следует, что концентрация остаточного углерода, характеризующая полноту выгорания угля, на выходе из топки с тремя ПТС на 16 % ниже, чем при традиционном сжигании угля. ПТС улучшает экологические характеристики процесса сжигания твердого топлива за счет снижения выбросов оксидов азота более чем на 33 %.
На котле БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2 установлены 6 ПТС вместо всех пылеугольных горелок и проведена серия их испытаний в группах по три ПТС без подогрева первичного воздуха. Сначала с использованием чашечного анемометра были получены профили скоростей первичного воздуха в ПТС, позволившие построить тарировочные кривые работы для вентилятора горячего дутья и расхода аэро -смеси через ПТС. В процессе испытаний ПТС по достижении необходимой концентрации пыли в аэросмеси (0.5-0.7 кг/кг) наблюдалось воспламенение пылеугольного факела в холодной топке котла на выходе из ПТС (см. рис. 1). Измерение температуры факелов через смотровые лючки цифровым пирометром показало, что сразу после воспламенения температура факелов составляла 700-800 0С, повышаясь до необходимых 1050-1070°С, что согласуется с результатами моделирования топки котла БКЗ-420, оснащенной ПТС (см. табл. 3). При этом в начале воспламенения наблюдались пульсации горящих факелов в топке, стабилизирующихся по мере ее прогрева и подачи 30-40 % вторичного воздуха на ПТС. Во время испытаний зафиксировано, что скорость повышения температуры горячего воздуха после стабилизации факелов соответствовала скорости повышения температуры при мазутной растопке котлоагрегата [4-6].
Заключение
Использование двух компьютерных программ «Плазма-Уголь» и «Cinar ICE» позволило детально исследовать процессы горения угля с применением плазменной термохимической подготовки топлива к сжиганию.
Применение ПТС на пылеугольных котлах повышает эффективность сжигания энергетических углей при одновременном снижении вредных выбросов.
Испытания ПТС на котле БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2 в режиме растопки котла из холодного состояния подтвердили возможность воспламенения высокозольных Экибастузских углей в холодной топке без подогрева первичного воздуха.
Библиография
1. Карпенко Е.И., Карпенко Ю.Е., Мессерле В.Е. и др. Использование плазменно-топливных систем на пылеугольных ТЭС Евразии // Теплоэнергетика. - 2009. - № 6. -С. 10-14.
2. Kalinenko R.A., Levitski A.A., Messerle V.E.et al. Pulverized of Coal Plasma Gasification // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - Vol. 13. - New-York; London; Paris, 1993. - N 1. - P. 141-167.
3. Мессерле В.Е., Устименко А.Б., Аскарова А.С. и др. Горение пылеугольного факела в топке c плазменно-топливной системой // Теплофизика и аэромеханика. - 2010. - Т. 17, № 3. - С.467-476.
4. Мессерле В.Е., Устименко А.Б., Тютебаев С.С. и др. Испытания плазменно-топливных систем на Алматинской ТЭЦ-2 // Сб. трудов 7-й Междунар. науч. конф. «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование». - Казахстан, Алматы, 3-5 октября 2011 г. - С. 3-5.
5. Мессерле В.Е., Устименко А.Б. Лукьященко В.Г. и др. Применение плазменно-топливных систем на Алма-тинской ТЭЦ-2 // Сб. трудов VI Междунар. симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. 3-9 сентября 2011 г., Иваново, Россия: Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2011. - С. 392-395.
6. Messerle V.E., Karpenko E.I., Ustimenko A.B. Plasma Supported Coal Ignition and Combustion // Programme and abstracts for the International Conference on Coal Science and Technology (ICCS&T 2011), Oviedo-Spain 9-13 October, 2011, P.33-34, Proceedings - P. A8.
Bibliography
1.Karpenko E. I., Karpenko Yu. E., Messerle V.E., Ustimenko A.B. Using Plasma-Fuel Systems at Eurasian Coal-Fired Thermal Power Stations.// Teploenergetika , 2009. - Vol.56. - N 6. - P. 456-461.
2.Kalinenko R.A., Levitski A.A., Messerle V.E., Polak L.S., Sakipov Z.B., Ustimenko A.B. Pulverized of Coal Plasma Gasification // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - Vol. 13. - 1993. - N 1. - P. 141-167. New-York; London; Paris.
3.Messerle V.E., Ustimenko A.B., Askarova A.S., Nagibin A.O. Pulverized Coal Torch Combustion in a Furnace with Plasma-Coal System // Thermophysics and Aeromechanics, 2010. Vol. 17, N 3. - P. 435-444.
4.Messerle V.E., Ustimenko A.B., Tyutebaev S.S., Lukiaschenko V.G., Shevchenko V.N., Stepanov I.G., Umbetkaliev K.A., Nagibin A.O., Kozak V.N., Lavrichshev O.A., Karpenko E.I., Lobitsin S.V., Karpenko Yu.E. Tests of plasma-fuel systems in Almaty TPP-2 // Proceedings of 7th International scientific conference "Modern achievements in physics and physical education", Kazakhstan, Almaty, October 3-5, 2011. P. 3-5.
5.Messerle V.E., Ustimenko A.B., Lukiaschenko V.G., Shevchenko V.N., Stepanov I.G., Umbetkaliev K.A., Nagibin A.O., Kozak V.N., Karpenko E.I., Lobitsin S.V., Karpenko Yu.E. Application of plasma-fuel systems in Almaty TPP-2 // Proceedings of VI International Symposium on theoretical and applied plasmachemistry. September 3-9, 2011, Ivanovo, Russia: Ivanovo State Chemical-engineering University, 2011. - P.392-395.
6.Messerle V.E., Karpenko E.I., Ustimenko A.B. Plasma Supported Coal Ignition and Combustion // Programme and abstracts for the International Conference on Coal Science and Technology (ICCS&T 2011), Oviedo-Spain 9-13 October, 2011. - P.33-34, Proceedings - P. A8.
