CC BY
66
УДК 621.311
ВЛИЯНИЕ ТОНИНЫ ПОМОЛА ТВЕРДОГО ТОПЛИВА НА ПРОЦЕССЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ
© 2009 г. Н.Н. Ефимов, А.П. Савостьянов, А.С. Ощепков, А.В. Рыжков
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассматривается влияние тонины помола твердых топлив на процессы воспламенения, горения и выхода летучих. Проанализирована возможность интенсификации процесса горения угля при пониженных температурах. Рассмотрена альтернативная технология подготовки твердого топлива методами физического воздействия.
Ключевые слова: низкореакционное топливо; котлоагрегат; интенсификации процесса горения; механохимиче-ские методы воздействия; сверхтонкое измельчение; диспергация угля.
Influence of a subtlety of a grinding of firm fuel on processes of ignition, burning and exit of the flying is considered. Possibility of an intensification of process of burning of coal is analysed at the lowered temperatures. The alternative technology ofpreparation offirm fuel is considered by methods ofphysical influence.
Keywords: low reactionary fuel; the boiler unit; intensifications of process of burning; mechanically chemical method of influence; super thin crushing; coal mixing.
Тепловые электростанции (ТЭС) вынуждены постоянно находиться в готовности к работе в маневренных режимах. Переходные режимы работы котла особенно трудно осуществлять при сжигании низкореакционного твердого топлива с малым выходом горючих летучих. Эти обстоятельства заставляют тепловые электростанции, работающие на твердых топливах типа АШ, инициировать вопрос о переводе котлов на сжигание природного газа. Однако уже в настоящее время такие топлива, как мазут и природный газ, являются более дефицитными и дорогими. В дальнейшем по прогнозам дефицитность этих топлив будет еще больше возрастать. Отсюда перспективным топливом, особенно для угледобывающих регионов, остается уголь.
Основные трудности при сжигании твердых низкореакционных топлив появляются в работе котла. Причем если работу котельного агрегата условно разделить на работу двух параллельных систем: пароводяного тракта и системы горения, то первая не создает серьезных проблем при снижении или увеличении паропроизводительности и параметров пара. Система производства пара позволяет без проблем снижать нагрузку котла до 20...25 % от номинальной. Наибольшие трудности в регулировании нагрузки котла появляются в системе сжигания топлива. Следовательно, при анализе возможностей использования энергоблоков, работающих на твердом низкореакционном топливе, особенно в переменных режимах, необходимо, прежде всего, исследовать процессы воспламенения и горения этих топлив.
Современная теплоэнергетика использует, в основном, факельный способ сжигания топлива в камерных топках. Процессы горения различных топлив
при факельном сжигании в открытых изобарических камерах достаточно хорошо изучены. Многие авторы работ отмечают сложность проведения исследований на натуральных установках, когда практически невозможно контролировать, а также регулировать отдельные процессы. Поэтому исследование процессов горения топлива проводится комплексно, когда сочетается экспериментальный анализ отдельных явлений (например, воспламенение летучих, коксового остатка и др.) с математическим моделированием [1, 2].
Проанализируем возможность интенсификации процесса горения угля при пониженных температурах. Такая постановка задачи позволяет учитывать необходимость снижения температуры начала воспламенения и адиабатического процесса горения.
Несмотря на множественность теоретических представлений о структуре, химических свойствах и механизмах горения (окисления) различных типов углей процесс в целом следует рассматривать как гетерогенный. В простейшем случае процесс сжигания рассматривается как взаимодействие газовой и твердой фазы.
Скорость процесса в общем виде можно описать уравнением [3]
W = ^ЕГ {а,) , (1)
где &пр - константа скорости гетерогенного процесса; F - межфазная поверхность частицы твердого топлива и окислителя; Дс,) - функция зависимости скорости процесса от концентраций (с,) реагентов.
Физико-химическую сущность сомножителей уравнения (1) и возможные пути их регулирования можно представить следующим образом. Горение угля является сложным химическим и тепломассооб-менным процессом, включающим:
1) диффузию окислителя (02) к внешней поверхности угля;
2) диффузию кислорода внутри пор частицы угля;
3) взаимодействие кислорода с углем;
4) диффузию продуктов химического превращения (химических реакций окисления) к внешней поверхности угля;
5) диффузию продуктов реакции в ядро потока дымовых газов.
Скорости отдельных стадий зависят от индивидуальных свойств компонентов реакционной среды, гидродинамической обстановки в реакционном устройстве, температуры.
Рассмотрим стационарный процесс, в котором все стадии взаимодействия газа и топлива протекают последовательно, т.е. скорость процесса воспламенения и горения частицы угля определяется самой медленной (лимитирующей) стадией. Общее сопротивление процесса складывается из сопротивлений отдельных стадий и может быть представлено следующей зависимостью:
1
пр
1 + J_
кх.р кф.с
где кх.р, Кф.с - константы скорости химических и физических (массоперенос) стадий процесса.
Рассмотрим частные случаи, когда кх.р >> Кф.с. Тогда —^ = , т.е. процесс протекает в диффузионной
кпр кф.с
области. В свою очередь диффузия реагентов может быть ограничена как во внешней области - приграничном слое газа, так и внутри пор твердого тела:
1
кф.с
- — + —
Обозначения в таблице: рт - плотность частицы твердого топлива; R0, гя - радиус частицы угля в начальной стадии воспламенения и непрореагировавше-го тела частицы; Ь - число молей газа, реагирующее с 1 молем твердого вещества; кг, кх - константы скорости диффузии газа к внешней поверхности частицы и химической реакции; Д - коэффициент диффузии внутри пор частицы твердого топлива; хт - степень превращения твердого тела в процессе горения; т -время полного превращения твердого тела.
Анализ уравнений (2)-(7) показывает следующее.
В случае ограничений со стороны диффузионных стадий для уменьшения т (повышения скорости процесса) необходимо увеличить кт или Д, что может быть обеспечено, например, повышением температуры. Зависимость коэффициента диффузии от температуры Д = Д0Тп, где Д0 - коэффициент диффузии при нормальных условиях; Т - температура; п - показатель степени, значение которого находится в пределах 1,5-2,0.
Таким образом, увеличение константы скорости химического взаимодействия кх в этих случаях не приведет к интенсификации процесса.
В кинетической области, наоборот, ускорение процесса достигается путем увеличения константы кх. В соответствии с законом Аррениуса
- Е ,RT
(8)
где кг, кз - константы скорости диффузии к внешней поверхности зерна и внутри пор твердого тела.
Используя для описания гетерогенного процесса модель частицы с невзаимодействующим ядром, получаем уравнения, описывающие скорость процесса для различных областей протекания. Предположив, что частица твердого тела сферическая с начальным радиусом R0 по ходу процесса изменяет радиус невзаимодействующего ядра гя от R0 до нуля, получим набор уравнений, описывающих кинетику процесса в зависимости от области протекания процесса (таблица).
где к0 - предэкспоненциальный множитель; Е - энергия активации химической стадии процесса; R - универсальная газовая постоянная.
С увеличением температуры константа скорости химического взаимодействия растет экспоненциально. Эффективным средством увеличения кх является применение катализаторов, которые понижают энергию активации и также экспоненциально увеличивают скорость процесса. С некоторым допущением можно считать, что к0 близко по физическому смыслу числу активных центров. Их увеличение также приведет к росту скорости химической реакции и процесса, протекающего в кинетической области.
В приложении к процессу горения угля необходимо найти способы повышения числа реакционно-активных центров. Число активных центров зависит от степени метаморфизма угля.
Система уравнений для различных областей горения частиц угля
о
к
к
г
з
Область протекания процесса Время реакции Степень превращения твердого тела
Внешнедиффузионная область горения т- PmR0 3Ькгсг Г г п3 1 + ^ 1 _ U.) (2) 7 = '- = 1-(Й' (3)
Внутридиффузионная область т- PmR2 бЬДег 1 - 3 \ 12 г ^ I + 2 Л) 1 * Т 1 R0) (4) 7 = 4*1 №
Кинетическая область горения ьрх; R(6) т г - = 1 —- (7) т' Я0 (7)
При нагреве и термическом превращении органической массы угля (ОМУ) происходит деполимеризация, сопровождающаяся разложением функциональных групп с образованием продуктов, конкурирующих между собой за атом кислорода. В воздушной среде в процессах также участвует кислород, образуются кислородсодержащие соединения, а также продукты более полного окисления: СО, СО2, Н2О.
Современные представления о химическом и макросоставе угля указывают на то, что реакционно-активными элементами могут быть прежде всего «мостиковые» связи. В связи с этим следует подробнее остановиться на основных представлениях о микро- и макроструктуре ОМУ.
1. Основная масса ОМУ является трехмерным полимером нерегулярного строения. Жесткость его каркаса усиливается внутренними донорно-акцептор-ными связями.
2. В ОМУ кроме полимероподобной части присутствует некоторое количество мономолекулярных или малополимеризованных веществ, внедренных в полимерный каркас за счет донорно-акцепторных связей или иммобилизованных в порах.
3. Полимерные и мономолекулярные составляющие углей соединяются в трех измерениях «мостиками», которые представляют собой алифатические цепи, эфирные, тиоэфирные связи или их комбинации.
4. Функциональные группы в ОМУ разнообразны: карбоксильные, сложноэфирные, карбонильные, гид-роксидные, алкильные.
5. По мере углефикации в ОМУ уменьшается содержание кислорода и атомные соотношения Н/С и О/С в результате элиминирования СО2, Н2О, реакций дегидрирования, ароматизации и деалкилирования. Следствием является усиливающаяся взаимная ориентация кольчатых фрагментов, их ароматизация, сокращение длины «мостиков» до образования наиболее прочных структур. Одновременно уменьшается доля подвижной фазы, исчезающей при переходе к антрацитам; соответственно по мере углефикации уменьшается выход летучих веществ из частицы топлива.
Ароматичность связана с выходом летучих веществ Vг следующей зависимостью: А. «1 -- 0,5V г/100, а также элементным составом и коэффициентом отражения R
%+92С + а. - 2 (R - /о)-
Таким образом, для увеличения числа реакционно-активных центров угля возможно использование приемов, позволяющих разорвать «мостиковые» связи; разрушить донорно-акцепторные связи; обеспечить доступность окислителя к подвижной мономолекулярной составляющей (иммобилизованной в порах).
В большинстве реальных технологий для этих целей используется повышенная температура. Однако это приводит к возникновению и усилению вторичных процессов - образованию новой твердой фазы в виде полукокса и кокса.
Альтернативными технологиями подготовки топлива являются методы физического воздействия, в том числе механохимические.
Измельчение твердых тел в высокоэффективных активаторах-измельчителях одновременно с уменьшением размера частиц приводит к образованию качественно новой поверхности, повышению реакционной способности, а следовательно, и к ускорению процесса взаимодействия ОМУ с кислородом. Причем измельчение до 100 мкм число активных центров, в том числе за счет разорвавшихся связей (к0 в уравнении (8)), вряд ли оказывает существенное влияние на превращение вещества. При ультратонком измельчении, например, до 0,1 мкм активность полученных частиц должна заметно возрасти. Механокрекинг может привести к образованию активных радикалов, ионов, ион-радикалов и других дефектов и нарушений в структуре твердого топлива.
Следует отметить, что мономолекулярная составляющая углей в значительной мере сосредоточена в закрытых порах. Поэтому сверхтонкое измельчение позволяет вскрыть эти поры и увеличить выход летучих. Кроме того, малый размер частиц позволит ускорить выход летучих из ОМУ и тем самым уменьшить вторичные реакции полимеризации с твердым остатком. Эти предположения подтверждаются имеющимися данными о том, что в частицах размером 100 мкм при пиролизе выделяются летучие, которые создают давление внутри частицы до 102 МПа.
При использовании жесткого гамма-облучения угля с источником 60Со деструкция с ростом дозы облучения проходит через максимум. Вначале образуются молекулы меньшей молекулярной массы, затем происходит сшивание, образование новых связей между молекулами.
Скорость гетерогенного процесса пропорциональна поверхности раздела фаз F (уравнение (1)). Тонкое измельчение развивает внешнюю поверхность частиц угля. Принимая, что частица угля имеет форму шара, внешняя площадь поверхности частицы равна F = 4%Я2, т.е. уменьшение радиуса частицы в 10 раз приводит к относительному увеличению F в 100 раз. С учетом увеличения открытой пористости относительное увеличение площади поверхности частицы возрастет еще больше. Это оказывает заметное влияние на общую скорость процесса горения.
При протекании процесса в диффузионных областях влияние тонины помола проявляется в большей степени, чем в кинетической области горения, тем более, если процесс ограничен диффузией газовых реагентов внутри частицы угля (согласно уравнению (4)).
При рассмотрении кинетики гетерогенных процессов обычно не берут во внимание концентрационные факторы твердофазного реагента. В приложении к углю, с учетом его сложного химического строения, степени метаморфизма, зольности этот вопрос может представлять теоретический интерес.
Повышение концентрации кислорода в топке может быть достигнуто введением технического кислорода. В теплоэнергетике этот прием экологически нецелесообразен, так как объемы воздушного потока велики. Однако если рассматривать вопрос «подсветки» топочного пространства котлов, то объемы необходимого кислорода для увеличения его концентрации в зоне горения значительно уменьшаются.
Выводы
Теоретический анализ горения угля как гетерогенного процесса позволяет сделать заключение о том, что использование нанотехнологии «сверху» (уменьшение тонины помола) при подготовке топлива является перспективным направлением.
1. Сверхтонкое измельчение угля до наноразмеров приводит к образованию качественно новой активной поверхности частицы угля и увеличению скорости горения. При этом увеличивается межфазная поверхность в системе газ - топливо. В результате ускоряется процесс горения угля.
2. Диспергация угля увеличивает долю открытой пористости частиц, открывает выход иммобилизованным в порах мономолекулярным соединениям угля,
Поступила в редакцию
увеличивает количество и скорость выхода летучих соединений. Это, в свою очередь, может привести к снижению расхода природного газа или мазута для «подсветки» топочного пространства.
3. Комбинация тонкого размола с введением в угольную массу каталитически активных веществ позволит обеспечить равномерное распределение катализатора в угле и снизить расход катализатора в зоне «подсветки».
4. Таким образом, могут увеличиться активная поверхность частицы угля, скорость горения пыли в горелках котла, количество и скорость выхода летучих соединений из частиц твердого низкореакционного топлива. Все это способствует улучшению процессов горения топлива в котлах ТЭС.
Литература
1. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. М., 1986. 208 с.
2. Хзмалян Д.М. Теория топочных процессов : учеб. пособие
для вузов. М., 1990. 352 с.
3. Химия и переработка угля / В.Г.Липович, Г.А. Калабин, И.В. Калечин [и др.] М., 1988. 336 с.
11 декабря 2008 г.
Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru
Савостьянов Александр Петрович - д-р техн. наук, заведующий кафедрой, кафедра «Физическая, коллоидная и органическая химия», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-5-59-74. E-mail: savost@hotmail.ru
Ощепков Андрей Сергеевич - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-56-71. E-mail: andrewos@rambler.ru
Рыжков Антон Владимирович - ассистент, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-18. E-mail: ryzhkov.anton@mail.ru
Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Thermal power plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru
Savostyanov Alexander Petrovich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Physical, colloid and organic chemistry», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-5-59-74. E-mail: savost@hotmail.ru
Oshepkov Andrey Sergeevich - post-graduate student, department «Thermal power plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-56-71. E-mail: andrewos@rambler.ru
Rizhkov Anton Vladimirovich - assistant, department «Thermal power plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-18. E-mail: ryzhkov.anton@mail.ru_
