CC BY
1Е.И. Карпенко, д-р техн. наук, проф., Отраслевой центр плазменно-энергетических технологий РАО «ЕЭС России», г. Гусиноозерск В.Е. Мессерле, д-р техн. наук, проф., Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск А.Б. Устименко, д-р техн. наук, e-mail: ust@physics.kz НИИ экспериментальной и теоретической физики Казахского национального университета,
г. Алма-Ата, Казахстан
УДК 537.526.533.9
ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
В статье показана необходимость разработки новых технологий топливоиспользования. Одной из перспективных технологий является плазменная технология воспламенения и сжигания энергетических углей, применение которой позволяет заменить на тепловых электростанциях дорогой мазут дешевым углем. Плазменная технология безмазутной растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела испытана на тепловых электростанциях России, Казахстана, Украины, Китая, Монголии, Кореи, Словакии и Сербии. Представлены теоретические и экспериментальные методы плазменного воспламенения, термохимической подготовки, сжигания и газификации углей. Рассмотрены методы численного моделирования плазменно-топливных систем, применение которых обеспечивает эколого-экономические преимущества по сравнению с традиционными технологиями топливоиспользования.
Ключевые слова: плазма, уголь, воспламенение, сжигание, плазменно-топливная система, топка.
E.I. Karpenko, Dr. Sc. Engineering, Prof.
V.E. Messerle, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A.B. Ustimenko, Dr. Sc. Engineering, Prof.
PLASMA METHODS FOR EFFICIENCY OF SOLID FUEL UTILIZATION IMPROVEMENT
Necessity offuel utilization new technologies development is justified. One of the promising technologies is plasma ignition and incineration of power coals, application of which allows substitution of expensive oil by cheap coal in thermal power plants. Plasma technology of oil-free boilers start up and pulverized coal flame stabilization has been tested in thermal power plant of Russia, Kazakhstan, Ukraine, China, Mongolia, Korea, Slovakia and Serbia. Theoretical and experimental methods of investigation of coal plasma ignition, thermochemical preparation, incineration and gasification are described. Methods of plasma-fuel systems computation are discussed. Ensuring eco-economical advantages in compare with conventional technologies offuel utilization basic principles ofplasma-fuel systems functioning are presented.
Key words: technology of oil-free boilers start up, pulverized coal flame stabilization, thermal power plant, solid fuel.
Поскольку уголь является одним из главных источников энергии XXI в., проблеме его эффективного и экологически чистого сжигания во всем мире уделяется большое внимание. Доля угля в запасах ископаемых топлив показана на рисунке 1.
По сравнению с другими ископаемыми топливами запасы угля приблизительно в четыре раза превышают запасы нефти (оценочно - на 41 год) или запасов газа (на 67 лет) [1,2].
Рис. 1. Мировые разведанные запасы ископаемых топлив [1]: 1 - нефть; 2 - газ; 3 - уголь
Мировая энергетика в настоящее время и на обозримую перспективу ориентирована на использование органического топлива, главным образом низкосортных углей. Следует отметить, что ухудшение качества энергетических углей наблюдается повсеместно, и не только в странах СНГ, но и в развитых капиталистических странах. Несмотря на то что за всю историю были подъемы и падения в активности использования угля, он и сейчас остается одним из важнейших топлив для выработки энергии, особенно электрической (рис. 2). Согласно статистике 2011 г. [1, 2], углем обеспечивается около 24% выработки тепловой энергии и около 40,6 % электрической энергии в мире. При этом в ближайшем будущем ожидается рост его использования. По прогнозам [1, 2], к 2020 г. доля угля в мировом топливном балансе превысит 50 %.
Рис. 2. Распределение энергоносителей по производству электроэнергии в мире [2]: 1 - уголь; 2 - жидкое топливо (мазут, соляра); 3 - газ; 4 - атомная энергия; 5 - гидроэнергия; 6 - другие (солнечная, ветровая, геотермальная энергия, отходы, в том числе отходы растительного происхождения)
Рисунок 3 показывает долю первичных энергоносителей в прошлом и будущем. Данные исследования основаны на прогнозе доступности и роста потребности в энергии [1, 2]. Из рисунка следует, что доля нефти и газа в выработке энергии к 2100 г. будет снижаться, а доля угля - возрастать.
Непосредственное сжигание низкосортных углей, обладающих высокой зольностью (40-50%), влажностью (30-40 %), серосодержанием (1-3%) и низким выходом летучих (515%), в существующих топочных устройствах связано со значительными трудностями из -за ухудшения воспламенения и выгорания топлива, увеличения мехнедожога и вредных пылегазовых выбросов (парниковых газов, золы, оксидов азота и серы). Достаточно сказать, что проблема выбросов парниковых газов (двуокиси углерода, метана и др.) и вызванное этим общее потепление переросли в настоящее время в общечеловеческую проблему, связанную с глобальным изменением климата на земле, затоплением огромных территорий суши, опустыниванием и др.
1850 1900 1950 2000 2050 2100
Рис. 3. Доля первичных энергоносителей в период с 1850 по 2100 гг.
Кроме того, для современного развития мировой теплоэнергетики характерны сокращение использования дефицитного жидкого топлива, являющегося ценным сырьем для нефтеперерабатывающей промышленности, и расширение применения твердых топлив, качество которых неуклонно снижается.
В мировой практике принято обогащать угли перед их сжиганием. Однако нельзя ожидать обогащения углей в объемах, необходимых для ТЭС России и стран СНГ, ввиду большой стоимости этого процесса. Кроме того, в результате обогащения можно снизить зольность и влажность углей, тогда как увеличить реакционную способность, т.е. выход летучих (тощие угли, антрацит имеют выход летучих 4-12%), путем обогащения невозможно.
Для улучшения воспламенения и стабилизации горения низкосортных углей с низким выходом летучих и высокой зольностью существуют дополнительные мероприятия, которые в основном сводятся к утонению помола (до Я9о=6-8%), подогреву аэросмеси (до 150°С) и вторичного воздуха (до 400 С), подаче угольной пыли высокой концентрации (до 50 кг/кг) с последующим разбавлением и, наконец, совместному сжиганию с углем мазута или природного газа. Последнее техническое решение получило самое широкое распространение.
В мире на растопку пылеугольных котлов из холодного или горячего состояния, подхват и стабилизацию горения пылеугольного факела расходуют более 50 млн. т мазута и дизтоплива в год. На ТЭС растопка котлов (время растопки - 3-14 ч) производится несколько раз в год (до 25 и более пусков ежегодно на один котел), а подсветка пылеугольного факела осуществляется периодически при потускнении факела или снижении нагрузки. Для котлов различной паропроизводительности в соответствии с инструкцией по их эксплуатации расходуется разное количество мазута (табл. 1).
Таблица 1
Расход мазута на растопку котлов различной паропроизводительности
Паропроизводительность котла, т/ч Расход мазута на 1 растопку, т
50-75 3-6
160-200 10-25
220-420 30-80
640-670 80-100
950 100-140
1650 150-250
2650 250-350
Однако существующая в теплоэнергетике практика использования для растопки котлов и стабилизации горения низкосортных углей, дефицитных мазута и природного газа не решает проблемы, так как их совместное сжигание с углем приводит к повышению мехнедожога и выбросов оксидов азота и серы (в случае стабилизации горения пылеугольного факела высокосернистым мазутом). Использование для растопки котлов и подсветки пылеугольного топлива огромного количества мазута является одной из причин снижения эффективности топливоиспользования и низких экологических показателей работы тепловых электростанций. Резкое ужесточение в последнее время требований к повышению эффективности топливоиспользования и защите окружающей среды от вредных выбросов послужило мощным стимулом для развития новых перспективных технологий подготовки к сжиганию и комплексной переработки топлив, позволяющих решить вышеуказанные проблемы.
Среди технических решений, предлагаемых для осуществления предварительной подготовки к сжиганию и комплексной переработки углей, наиболее прогрессивными представляются плазменные методы термохимической переработки твердых топлив. Эти методы основаны на использовании для нагрева и термохимических превращений органической и минеральной части углей электроэнергии, преобразуемой в энергию плазмы в электродуговых плазмотронах.
Широкое распространение в народном хозяйстве высокоэффективной плазменной технологии (в химии, металлургии, машиностроении, обрабатывающей промышленности и др.) предопределило ее использование для вышеназванных задач энергетики. Применение для плазменной термохимической подготовки и переработки топлив электродуговой плазмы с высокой концентрацией энергии, на 1-2 порядка превышающей таковую в существующих огневых устройствах, наличие в ней химически активных центров (атомов, свободных радикалов, ионов и электронного газа), практически отсутствующих в обычных топочных процессах, способствует энергетически кинетически более эффективному, чем в традиционных огневых методах, осуществлению нагрева и термохимических превращений углей.
Наиболее разработаны две формы использования электроэнергии: в форме энергии низкотемпературной плазмы [3] для воспламенения пылеугольного факела и в виде джоуле-вого тепла при прохождении электрического тока через углеродосодержащий материал (электрокипящий слой) или через омическое сопротивление (электрозапальник резисторного типа). Были разработаны различные конструкции растопочных пылеугольных горелок как у нас в стране, так и за рубежом. Преобразование электроэнергии в энергию электродугового разряда позволяет более активно воздействовать на процессы воспламенения и стабилизации горения твердых топлив. У истоков этого направления в энергетике стояли исследователи P R. Blackburn, I. Reason (Англия), P L. Cioffi (США), W.H. Tuppeny (США), M.G. Drouet, D. Duverger, I.L. Ashard (Канада) [3-5].
Исследования в этой области проводятся в ряде научных коллективов России и стран СНГ - в Отраслевом центре плазменно-энергетических технологий РАО «ЕЭС России», Институте теплофизики СО РАН, Институте нефтехимического синтеза РАН, ОАО «ЭНИН им. Г.М. Кржижановского», в ОАО «Всероссийский теплотехнический институт», в Институте угольных энерготехнологий НАН Украины, Институте физики НАН Киргизии, в ОАО КазНИИ энергетики им. академика Ш.Ч. Чокина, НИИ экспериментальной и теоретической физики Казахского национального университета им. аль-Фараби МОН РК, Институте проблем горения МОН РК, ТОО «НТО Плазмотехника» в Казахстане и др. За рубежом исследования плазменного воспламенения и стабилизации горения пылеугольного факела осуществляют известные энергетические фирмы США, Канады, ФРГ, Китая, Кореи, Турции (Бабкок Уилкокс, Комбашн Инжиниринг, Вестингауз, Сидбек Норминс, Штайнмюллер, Фостер Уиллер, Лоеше, Янтай Луньян, Нанкинская электротехническая компания, Электроэнергетическая компания ХАНА, Турецкий национальный плазменный
центр и др.), которые уже имеют и опыт промышленной эксплуатации электродуговых плазмотронов на ряде электростанций Китая, Кореи, США и Канады [3, 6].
Традиционные технологии сжигания твердых топлив приводят к более высокому уровню выброса вредных веществ, чем при сжигании жидкого и газообразного топлива. Рост доли твердых топлив в энергобалансе ТЭС требует создания новых более эффективных и экологически чистых технологий их использования. В частности, существующая в теплоэнергетике практика совместного сжигания мазута с углем ухудшает основные показатели пылеугольных тепловых электростанций.
Для повышения эффективности использования твердых топлив, снижения доли мазута и природного газа в топливном балансе тепловых электростанций и снижения вредных пылегазовых выбросов была разработана плазменная технология воспламенения, термохимической подготовки и сжигания углей [7-11].
В 1980 г. по инициативе Госкомитета по науке и технике СССР Госплан утвердил программу ОЦ.008 «Плазмохимическая переработка углей и шламов гидрогенизации углей» для решения проблемы эффективной и экологически приемлемой утилизации низкосортных твердых топлив. Головными организациями по разработке технологии и плазменного оборудования были определены Институт нефтехимического синтеза АН СССР, КазНИИ Энергетики Минэнерго СССР и Институт теплофизики СО АН СССР. По результатам этой программы в 1986 г. была разработана Отраслевая научно-техническая программа Минэнерго СССР ОНТП 00.00.01 «Повышение эффективности использования низкосортных топлив на тепловых электростанциях». Головными организациями были назначены Всесоюзный теплотехнический институт и КазНИИ энергетики Минэнерго СССР [6].
Разработанная технология и плазменно-топливные системы для ее осуществления были успешно испытаны в 1989 г. на Усть-Каменогорской ТЭЦ (Казахстан) и на Мироновской ГРЭС (Украина), в 1995 г. на Баодийской ТЭС (Китай) и в 1996 г. на Алма-Атинской ТЭЦ-3 (Казахстан) [7]. В 1995 г. работы по дальнейшему развитию и внедрению плазменно-топливных систем (ПТС) получили мощный импульс в России (г. Гусиноозерск), где для этих целей был создан Отраслевой центр плазменно-энергетических технологий РАО «ЕЭС России». С 1998 г. по настоящее время совершенствование плазменных технологий переработки твердых топлив продолжается в рамках совместных проектов Казахстана и России представителями отраслевой, академической и вузовской науки.
За этот период разработано и испытано на ТЭС три поколения ПТС (табл. 2). Из таблицы видно, что ПТС установлены и испытаны в России, Казахстане, Украине, Корее, Китае, Словакии и Монголии на 31 котле паропроизводительностью от 75 до 950 т/ч, оснащенных различными системами пылеприготовления (прямого вдувания и с промежуточным бункером) и разными типами пылеугольных горелок (прямоточные, муфельные и вихревые). При испытаниях ПТС сжигались все типы энергетических углей (бурые, каменные, антрациты и их смеси) с содержанием летучих от 4 до 50%, зольностью от 15 до 56% и теплотой сгорания от 1600 до 6200 ккал/кг.
В ПТС первого поколения использовался плазмотрон с подаваемым стержневым графитовым катодом и кольцевым медным водоохлаждаемым анодом. ПТС первого поколения были внедрены на котле Ч-200 Баодийской ТЭС. Компания Yantai Longyuan Electric Power Technology Co., Ltd (Китай), модернизировав эти ПТС первого поколения, распространила их еще на 500 котлах Китая с установленной мощностью более 300 млн. кВт [12, 13]. В ПТС второго поколения (1996-2001) использовались плазмотроны уже со сменными медными во-доохлаждаемыми катодом и анодом. Источники электропитания обеспечивали устойчивую параллельную работу одновременно нескольких плазмотронов от одного трансформатора. При испытаниях ПТС второго поколения на Шаогуанской ТЭС (Китай) в 1999-2001 гг. от одного трансформатора работало 8 ПТС. В 2007 г. на котле BG-75/39-M ТЭС «Золотая Гора» в г. Шеньян и в 2009 г. на ТЭС «Ганшун» в г. Шанси (Китай) испытаны ПТС третьего поколения [6]. В отличие от предыдущих поколений ПТС были обеспечены безосцилляторный
пуск и безбалластный режим работы плазмотронов. Мощность плазмотрона может варьироваться в широком интервале - от 80 до 300 кВт [14].
Последний пример реализации ПТС третьего поколения на Алма-Атинской ТЭЦ-2 (табл. 2) представлен на рисунке 4 [15]. Во время испытаний температура факелов от ПТС составляла 1050-1070 С (рис. 4). Зафиксировано, что скорость повышения температуры горячего воздуха в режиме растопки котла из холодного состояния соответствовала скорости повышения температуры при мазутной растопке котлоагрегата.
Таблица 2
Промышленные испытания ПТС на ТЭС Евразии
№ Месторасположение ТЭС Тип и количество котлов с ПТС Паропроизводи-тельность котла, т/ч Кол-во ПТС, шт.
Российская Федерация
1 Гусиноозерская ГРЭС (г. Гусиноозерск, 1994-1995) ТПЕ-215 - 2 котла БКЗ-640 - 2 котла 670 640 8 7
2 Черепетская ГРЭС (г. Суворов, 1997) ТП-240 - 1 котел 240 4
3 Нерюнгринская ГРЭС (г. Нерюнгри, 1997) КВТК-100 - 1 котел 116 МВт 2
4 Партизанская ГРЭС (г. Партизанск, 1998) ТП-170 - 1 котел 170 2
5 Улан-Удэнская ТЭЦ-2 (г. Улан-Удэ, 1997) ТПЕ-185 - 1 котел 160 2
6 Хабаровская ТЭЦ-3 (г. Хабаровск, 1998) ТПЕ-216 - 1 котел 670 4
Украина
7 Кураховская ТЭС (г. Курахово, 1998-1999) ТП-109 - 1 котел 670 4
8 Мироновская ГРЭС (г. Мироновка, 1989) ТП-230 - 1 котел 230 2
Казахстан
9 Алма-Атинская ГРЭС (г. Алма-Ата, 1996) БКЗ-160 - 1 котел 160 2
10 Усть-Каменогорская ТЭЦ (г.Усть-Каменогорск, 1989) ЦКТИ-75 - 2 котла 75 4
11 Алматинская ТЭЦ-2 (г. Алматы, 2011) БКЗ-420 - 1 котел 420 6
Монголия
12 Улан-Баторская ТЭЦ-4 (г. Улан-Батор, 1994) БКЗ-420 - 8 котлов 420 16
13 Эрдэнэтская ТЭЦ (г. Эрдэнэт, 1995) БКЗ-75 - 1 котел 75 1
Китай
14 Баодийская ТЭС (г. Баоди, 1995) Ч-200 - 1 котел 200 3
15 Шаогуанская ТЭС (г. Шаогуан, 1999-2001) F-220/100-W - 1 котел K-75 - 1 котел 230 75 4 1
16 ТЭС «Золотая Гора» (г. Шеньян, 2007) BG-75/39-M - 1 котел 75 2
17 ТЭС «Ганшун» (г. Шанси, 2009) BG-950/150 - 1 котел 950 4
Северная Корея
18 Восточно-Пхеньянская ТЭС (г. Пхеньян, 1993) Е-210 - 1 котел 210 3
Словакия
19 ТЭС «Вояны» (г. Велки-Капушаны, 2000) TAVICI - 1 котел 350 2
Сербия
20 Белградская ТЭС «Никола Тесла» (г. Обреновац, 2007) ТП-210 - 1 котел 650 16
Рис. 4. ПТС и схема их компоновки на котле БКЗ-420 АТЭЦ-2: 1 - штатная вихревая двухпоточная
пылеугольная горелка; 2 - ПТС
При использовании ПТС мазут, дизельное топливо или природный газ заменяют самой угольной пылью, подвергаемой термохимической подготовке в объеме пылеугольной горелки с использованием электродуговых плазмотронов, являющихся основным элементом ПТС. Технология ПТС основана на плазменной термохимической подготовке угля к сжиганию. Она заключается в нагреве аэросмеси (угольная пыль + воздух) электродуговой плазмой до температуры выхода летучих угля и частичной газификации коксового остатка. Тем самым из исходного угля независимо от его качества из аэросмеси получают высокореакционное двухкомпонентное топливо (горючий газ + коксовый остаток). При его смешении с вторичным воздухом в топке котла двухкомпонентное топливо воспламеняется и устойчиво горит без использования дополнительного топлива (мазут или природный газ), традиционно используемого для растопки котлов из холодного состояния и стабилизации горения факела низкосортного энергетического угля.
Эта технология весьма актуальна для применения не только на пылеугольных ТЭС, но и в других базовых отраслях (цементная и химическая промышленность, металлургия, стройиндустрия), использующих твердое топливо и продукты его переработки.
Перспективной технологией для замещения кокса, жидкого топлива и природного газа в вышеназванных отраслях промышленности является плазменная газификация низкосортных твердых топлив с получением высококалорийного синтез-газа.
Реализация новых плазменных термохимических технологий подготовки к сжиганию и комплексной переработки твердых топлив обеспечивается в конечном счете уровнем разработки методов расчета исследуемых процессов и плазменных устройств для их осуществления. Последние тесно связаны с расчетно-теоретическими и экспериментальными исследованиями теплофизических процессов движения и нагрева угольных частиц и термохимических процессов их последующих превращений в электродуговых устройствах. Крайняя сложность и взаимообусловленность рассматриваемых процессов, характеризующаяся нали-
чием газовой, твердой и жидкой фаз и многокомпонентностью во всех фазовых состояниях, приводит к необходимости математического моделирования указанного комплекса процессов с определением теплофизических констант расчетно-теоретическими и эмпирическими методами с помощью компьютеров и специально созданных экспериментальных установок.
Работы по повышению эффективности использования твердых топлив с использованием плазменных технологий выполнялись в соответствии с программами и заданиями: Отраслевая научно-техническая программа Минэнерго СССР ОНТП 00.00.01, 1986-1990 гг.; Задание РАО «ЕЭС России» 03.00 (шифр СИ 8205), тема - Создание опытно-промышленной системы безмазутного растопки и подсветки пылеугольного факела с помощью электродуговых плазмотронов, 1992-1995 гг.; Программа РАО «ЕЭС России» «Разработка новых технологий использования низкосортного твердого топлива в отрасли «Электроэнергетика»», 1993 г.; Протокол научно-технического совета РАО «ЕЭС России» от 19.05.97 г. по теме: «Система безопасной растопки и подсветки пылеугольных котлов с использованием плазмотронов»; Приказ РАО «ЕЭС России» «О мерах по повышению надежности работы и технического уровня производства», 2002 г.; а также работа выполнялась в рамках Международных проектов (Grant «Copernicus», INCO : International Scientific Cooperation Projects (1998-2002), № IC-CT-98-0516 «Plasma Gasification of the Power Coals»; Grant «Copernicus», INCO 2: International Scientific Cooperation Projects 2 (2001-2004), № ICA2-CT-2001-10006, «Improvement of Coal Combustion Efficiency and Decrease of Harmful Emission under the Influence of Plasma -ICEDHE»; Грант ISTC K-746, (2002-2006) «Plasma Technologies of Solid Fuels Processing for Power Engineering and Metallurgy»).
Однако дальнейшее развитие плазменно-энергетических технологий в немалой степени сдерживается из-за отсутствия адекватных математических моделей, позволяющих рассчитывать с необходимой точностью процессы, происходящие внутри ПТС.
В отличие от традиционных способов термохимической подготовки топлива (TXПT) к сжиганию плазменной технологии присущи определенные особенности:
- истечение плазменной струи в поток происходит со скоростью ~200 м/с при огромном градиенте температур между струей и потоком, т.е. интенсивность турбулентного переноса тепла в поток аэросмеси (смеси угольной пыли с воздухом) очень высока, что способствует ее быстрому прогреву и воспламенению;
экспериментально установлено, что угольные частицы при взаимодействии с высокотемпературной плазменной струей при скорости нагрева 103-104 град/c подвергаются тепловому удару и из-за термических напряжений раскалываются на десятки фрагментов, что приводит к резкому увеличению поверхности реагирования и соответственному росту скорости выделения тепла при горении, т.е. ускорению TXПT. ^оме того, при плазменной TXПT в качестве топлива для нагрева аэросмеси используется часть угольной пыли, являющейся основным топливом. Это существенно упрощает технологический процесс в целом.
Рассматривая вышеприведенные факторы совместно с инженерно-технологическими решениями, можно выделить основные преимущества использования ПТС по сравнению с традиционными решениями:
- технологичность ТХПТ с использованием ПТС. С точки зрения технологичности мазутная TXПT более сложна: она с неизбежностью требует наличия мазутного хозяйства с общеизвестными, присущими ему проблемами. При мазутной TXПT появление дополнительных звеньев в цепи воспламенения делает более неопределенной возможность ее применения в режиме подхвата факела. В то же время в силу практически безинерционного запуска плазмотрона нет препятствий к использованию плазменной ТХПТ в таком режиме;
- компоновка ПТС с котельным оборудованием. При мазутной термоподготовке (например) камера ТКПТ имеет внутренний диаметр, равный 630 мм, уменьшить который в несколько раз, по-видимому, невозможно. Встроить такую камеру в существующую горелку практически не удается. Наиболее вероятное решение - установка камеры в специально созданной для нее амбразуре, что связано с дополнительными затратами на переоборудование котла. Вновь установленная достаточно громоздкая оснастка создаст определенные трудно-
сти в обслуживании котельного оборудования на рабочих площадках, где и без того часто наблюдается дефицит свободных площадей. Благодаря более высокой энергетической эффективности плазменной ТХПТ габариты ПТС позволяют встроить ее в основную горелку котла без изменения определяющих параметров последней;
- экологические аспекты. При плазменной ТХПТ нагрев потока аэросмеси осуществляется в основном в результате горения определенной части угля. При этом азот топлива, ответственный за образование "топливных" оксидов азота, составляющих до 90-95 % выбросов NOx, выходит вместе с летучими угля и в условиях дефицита окислителя образует молекулярный азот. Из последнего могут образоваться только «термические» оксиды азота. Более того, из-за дефицита окислителя температура газов в ПТС существенно ниже температуры факела в топке и «термические» оксиды азота практически не образуются. При мазутной ТХПТ необходимое для протекания процесса термохимической подготовки тепло поступает в результате горения мазута. Выгорание мазута должно быть полным. При этом должен быть обеспечен избыток кислорода, необходимый для термохимических преобразований угля в камере ТХПТ. Из-за более высокой реакционной способности мазута, в сравнении с углем, горение будет происходить в условиях повышенного избытка воздуха и при более высокой температуре, чем горение угля. В этом случае более вероятны условия для образования как «топливных», так и «термических» оксидов азота. Как правило, содержание серы в мазуте выше, чем в угле, что влечет за собой увеличение эмиссии оксидов серы. В мазуте присутствует ванадий, который образует канцероген - пятиокись ванадия. Ванадий также является причиной высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева, а в угле его практически не бывает;
- экономические показатели. Как правило, стоимость мазута в несколько раз выше стоимости угля в пересчете на условное топливо. Это делает использование ПТС для осуществления плазменной термохимической подготовки топлива к сжиганию быстро окупаемым (используемый ранее топочный мазут замещается самой угольной пылью). Срок окупаемости плазменной системы безмазутного воспламенения углей, как правило, не превышает 12 лет и зависит от соотношения цен на уголь, мазут и электроэнергию.
Для численного исследования плазменных технологий и проектирования оборудования для их осуществления используются следующие математические модели и компьютерные программы:
автоматизированная программа термодинамических расчетов многокомпонентных гетерогенных систем TERRA;
- компьютерная программа «Плазма-уголь» для расчетов процессов движения, нагрева и кинетики термохимических превращений угольных смесей с различными окислителями (воздух, водяной пар, кислород, диоксид углерода) в плазменно-топливных системах (одномерная модель);
- компьютерная программа «Плазма-муфель» для расчетов безмазутного воспламенения аэросмеси в муфелизированных плазменно-топливных системах;
компьютерные программы FLOREAN (Теплотехнический институт, г. Брауншвайг, Германия), CINAR ICE (Империал колледж, Лондон, Великобритания) и KIVA-F (Руанский университет, Франция) для трехмерных расчетов топок пылеугольных энергетических котлов, в том числе оснащенных ПТС.
Для термодинамического анализа процессов широко используется универсальная программа расчета многокомпонентных гетерогенных систем TERRA, которая отработана для высокотемпературных процессов. В отличие от традиционных в химической термодинамике методов расчета параметров равновесия с использованием энергии Гиббса, констант равновесия и закона действующих масс Гульдберга и Вааге универсальная программа термодинамических расчетов TERRA базируется на принципе максимума энтропии для изолированных термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия. Методическую основу термодинамического расчета составляют фундаментальные законы термодинамики совместно с законами сохранения массы, энергии и электрического заряда. Это позволяет для закры-
тых термодинамических систем построить математическую модель для общего случая образования в равновесии газообразных и конденсированных веществ, электронейтральных и ионизированных компонентов.
В общем случае исследуемая система является гетерогенной, состоит из нескольких разнородных фаз, отделенных видимыми границами, и все индивидуальные газообразные вещества входят в один состав газовой фазы. Конденсированные компоненты могут образовывать отдельные фазы. При этом присутствие газовой фазы считается обязательным для любой из рассматриваемых систем, в то время как конденсированные вещества могут отсутствовать. Равновесие подобных систем в соответствии со вторым началом термодинамики характеризуется максимумом энтропии относительно термодинамических степеней свободы, к числу которых относятся температура (Т), давление (Р) и концентрации компонентов равновесной смеси Ci. После достижения полного термодинамического равновесия фазовый и химический составы рассматриваемых систем должны быть однозначно связаны с остальными параметрами состояния (Р, Т, г, U), где г и U - соответственно плотность и внутренняя энергия системы.
Программа TERRA обладает собственной базой термодинамических свойств индивидуальных веществ, которая постоянно пополняется и уточняется. В настоящее время в банке данных содержатся термодинамические функции для 3500 индивидуальных веществ в интервале температур 300-6000 К.
Расчеты термохимической плазменной подготовки угля в ПТС выполняются с помощью математической модели движения, теплопереноса и термохимических превращений пылеугольного топлива в горелочном устройстве с плазменным источником. Модель описывает двухфазный (угольные частицы и газ-окислитель) химически реагирующий поток с внутренним источником тепла (электрическая дуга, плазменный факел или экзотермические реакции).
Аэросмесь поступает в камеру, в которой происходит тепломассообмен между газом и электрической дугой, газом и частицами, частицами различных фракций. Учитываются также гидродинамическое сопротивление и теплообмен со стенкой двухфазного реагирующего потока.
Рассматриваются следующие химические превращения топлива и окислителя: выделение летучих из угля, их изменения в газовой фазе, а также реакции газификации углерода топлива.
Система обыкновенных дифференциальных уравнений включает в себя уравнения концентраций компонентов (уравнения химической кинетики) вместе с уравнениями для скоростей и температур газа и частиц. Плазменный источник учтен в виде внутреннего источника тепла с эмпирическим распределением тепловыделения вдоль оси ПТС в уравнении сохранения энергии. Модель также отличается подробным описанием кинетики химических реакций (всего 116 химических реакций), общая схема которых, наряду с реакциями выделения первичных продуктов, учитывает реакции их дальнейших превращений. Температурная зависимость констант скорости описывается законом Аррениуса.
Математическая модель реализована в виде компьютерной программы «Плазма-уголь».
Поскольку одномерная модель не позволяет учесть эффект радиальной неоднородности потока, была разработана полуэмпирическая модель добавления новых порций аэросмеси к первоначальной зоне реакций, создающейся при смешении плазменной струи с аэросмесью. Данная модель реализована в виде программы Плазма-муфель. В отличие от «Плазма-уголь» в программе «Плазма-муфель» состав газовой фазы рассчитывается на основе предположения термодинамического равновесия, которое оправдывается высокими скоростями протекания процессов превращений в газовой фазе по сравнению с реакциями на поверхности угольных частиц. Это допущение позволяет использовать для расчета химических взаимодействий и связанных с ними тепловых эффектов, а также концентраций компонентов газовой фазы универсальные термодинамические методы, использующие принцип
максимума энтропии (программа TERRA), и отказаться от рассмотрения одновременно протекающих сотен химических реакций.
Компьютерные программы «Плазма-уголь» и «Плазма-муфель» проверены на тестовых примерах и показали свою работоспособность в условиях проведения серийных расчетов. Каждый расчет на персональном компьютере занимает около 90 с, что позволяет проводить серийные расчеты для параметрических анализов. Расчеты по программам дают возможность не только выяснить сущность процессов, приводящих к воспламенению угольных частиц под действием потока воздушной плазмы, но также определять геометрические параметры горелочного устройства для работы с конкретными типами углей.
Для математического моделирования процессов, происходящих в трехмерном пространстве топочных устройств при сжигании угля, используются компьютерные программы CINAR ICE, FLOREAN и KIVA-F, основанные на численном решении трехмерных уравнений переноса энергии и вещества с учетом химических реакций. Все три математические модели представляют собой сложную систему нелинейных трехмерных дифференциальных уравнений в частных производных, состоящую из уравнений неразрывности среды, состояния идеального газа и движения двухфазной среды, уравнений теплопереноса, химической кинетики и диффузии для компонентов реагирующей смеси с учетом радиационного и турбулентного переноса, описываемого с помощью ^-e-модели турбулентности.
Во всех моделях рассматривается упрощенная химическая модель горения, в которой отсутствуют промежуточные реакции и образование промежуточных компонентов, учитывается лишь выделение летучих из угля, их окисление до оксидов углерода и выгорание углерода.
Компьютерные программы позволяют определять компоненты скорости {u, v, w}, поля температур, давлений, концентраций продуктов горения, включая образование оксидов азота.
Отметим, что в программах CINAR ICE и KIVA-F поведение газовой фазы двухфазного реагирующего потока описывается на основе подхода Эйлера, в то время как поведение индивидуальных частиц описывается на основе подхода Лагранжа. В программе FLOREAN для описания как газовой фазы, так и частиц используется подход Эйлера, при котором предполагается, что скорость твердых частиц совпадает со скоростью газа, т.е. эффект проскальзывания пренебрежимо мал.
Все указанные программы были верифицированы путем сравнения расчетных данных с результатами экспериментов в стендовых и натурных условиях.
Заключение
Современное состояние проблемы сжигания и переработки энергетических углей и методов повышения эффективности их использования на ТЭС, предприятиях металлургии и химической промышленности, обеспечивающих минимальный уровень вредных выбросов, требует разработки и применения новых технологий топливоиспользования, включая плазменные.
Одной из перспективных технологий топливоиспользования является плазменная технология воспламенения и сжигания энергетических углей, позволяющая заменить дешевым углем дорогостоящие и дефицитные газ и мазут на ТЭС и котельных. Плазменная технология безмазутной растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела испытана на ряде ТЭС России, Казахстана, Украины, Китая, Монголии, Кореи, Словакии и Сербии.
Описаны теоретические и экспериментальные методы исследования и испытания плазменных процессов воспламенения, термохимической подготовки, сжигания и газификации углей. Представлены методы расчета ПТС, основанные на нульмерной, одномерных и трехмерных математических моделях.
Представлены основные принципы функционирования ПТС, обеспечивающие эколого-экономические преимущества по сравнению с традиционными технологиями использования твердых топлив.
Библиография
1. British Petrol Statistical Review of World Energy, June 2011, British Petrol, London, www.bp.com
2. Key World Energy Statistics 2011 Edition, International Energy Agency, OECD/IEA, Paris, www.iea.org
3. Drouet M.G. La technologie des plasmas. Potentiel d'application au Canada // Revue generale d'electricite - 1986. -N 1. - P. 51-56.
4. Blackburn P.R. Ignition of pulverized coal with Arc Heated Air // Energy. - 1980. - Vol. 4, N 3.
- P. 98-99.
5. Cioffi P.L., Barsin A.A., Tattoli O.R. Plasma arc ignition of pulverized coal. Winter Meeting ASME. - Washington. - 1981. Nowember 15-20. - P. 5-9.
6. Karpenko E.I., Karpenko Yu.E., Messerle V.E. et al. Using Plasma-Fuel Systems at Eurasian Coal-Fired Thermal Power Stations // Thermal Engineering. - 2009. - Vol. 56, N 6. - P. 456-461.
7. Сакипое З.Б., Мессерле B.E., Ибраее Ш.Ш. Электротермохимическая подготовка углей к сжиганию. - Алматы: Гылым (Наука), 1993. - 259 с.
8. Kalinenko R.A., Levitski А.А., Messerle V.E. et al. Pulverized Coal Plasma Gasification // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 1993. -Vol. 13, N 1. - P. 141-167.
9. Жуков M. Ф., Карпенко Е.И., Перегудов В. С. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / под ред. В.Е. Мессерле и B.C. Перегудова. - Новосибирск: Сиб. предрпр. РАН «Наука», 1995. - 304 с.
10. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Плазменно-энергетические технологии использования твердых топлив // Энциклопедия низкотемпературной плазмы / под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2000. -Т. 4.-С. 359-370.
11. Даутов Г.Ю., Тимошевский А.Н., Урюков Б.А. и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: проблемы и перспективы // Плазменно-энергетические технологии для улучшения экологических и экономических показателей сжигания и газификации пылевидного угля. Низкотемпературная плазма. - Новосибирск: Наука, 2004. - Т. 20. - 464 с. С. 341-366.
12. Янтайская электромеханическая компания «Лунюань» лтд. Плазменная технология зажигания и поддержания горения на пылеугольных котлах // Электрические станции. - 2008. - № 2.
13. Gao H., Chui E., Runstedler A. et al. Numerical investigation of plasma ignition process in a utility boiler // Proceedings of 6th International Workshop and Exibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC). - Heilbronn, Germany, 2010.13-15 September. -P. 69.
14. Karpenko E.I., Messerle V.E., Ustimenko A.B. Plasma-aided solid fuel combustion // Proceedings of the Combustion Institute. Elsevier. - 2007. - Vol. 31, Part II. - P. 3353-3360.
15. 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. - 2011, 9-13 October. - P. 33-34, Proceedings - paper A8.
Bibliography
1. British Petrol Statistical Review of World Energy, June 2011, British Petrol, London, www.bp.com
2. Key World Energy Statistics 2011 Edition, International Energy Agency, OECD/IEA, Paris, www.iea.org
3. Drouet M.G. La technologie des plasmas. Potentiel d'application au Canada // Revue generale d'electricite - 1986. -N 1. - P. 51-56.
4. Blackburn P.R. Ignition of pulverized coal with Arc Heated Air // Energy. - 1980. - Vol. 4, N 3. -P. 98-99.
5. Cioffi P.L., Barsin A.A., Tattoli O.R. Plasma arc ignition of pulverized coal. Winter Meeting ASME. - Washington, 1981. Nowember 15-20. - P. 5-9.
6. Karpenko E.I., Karpenko Yu.E., Messerle V.E. et al. Using Plasma-Fuel Systems at Eurasian Coal-Fired Thermal Power Stations // Thermal Engineering. - 2009. - Vol. 56, N 6. - P. 456-461.
7. Sakipov Z.B., Messerle V.E., Ibraev Sh.Sh. Electrothermochemical preparation of coal to burning. -Almaty: Gilim (Science), 1993. - 259 p.
8. Kalinenko R.A., Levitski A.A., Messerle V.E. Pulverized Coal Plasma Gasification // Plasma Chemistry and Plasma Processing. - 1993. -Vol. 13, N 1. - P. 141-167.
9. Zhukov M.F., Karpenko E.I., Peregudov V.S. et al. Plasma oil-free start up of boilers and pulverised coal flame combustion stabilization / Ed. V.E.Messerle and V.S. Peregudov. - Novosibirsk: SB RAS «Nauka», 1995. - 304 p.
10. Karpenko E.I., Messerle V.E. Plasma-power technologies of solid fuels utilization // Encyclopedia of low temperature plasma / Ed. by Academician of RAS V.E. Fortov. - M.: Nauka, 2000. - Vol. 4. -P.359-370.
11. Dautov G.Yu., Timoshevski A.N., Uryukov B.A. et al. Generation of low temperature plasma and plasma technologies: Problems and perspectives // Plasma-power technologies for improvement of ecological and economical indexes of dust coal incineration and gasification. Low-temperature plasma. - Novosibirsk: Nauka. SB RAS, 2004. - Vol. 20. - 464 p. P. 341-366.
12. Yantai electromechanical company "Lunian" Ltd. Plasma Technology of Ignition and Combustion Stabilization at Pulverized Coal Fired Boilers // Electrical stations. - 2008. - N 2.
13. Gao H., Chui E., Runstedler A. et al. Numerical investigation of plasma ignition process in a utility boiler // Proceedings of 6th International Workshop and Exibition on Plasma Assisted Combustion (IWEPAC). - Heilbronn, Germany. - 2010, 13-15 September. - P. 69.
14. Karpenko E.I., Messerle V.E., Ustimenko A.B. Plasma-aided solid fuel combustion // Proceedings of the Combustion Institute. Elsevier. - 2007. - Vol. 31, Part II. - P. 3353-3360.
15. 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. - 2011, 9-13 October. - P. 33-34, Proceedings - paper A8.
