CC BY
15
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2004. № 1
УДК 621.311.22
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ КАМЕРЫ ИНТЕНСИВНОГО СЖИГАНИЯ И ГАЗИФИКАЦИИ ТОПЛИВА В РАСПЛАВЕ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ И БЕЗОТХОДНОЙ ТЕПЛОВОЙ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
© 2004 г. Д.А. Шафорост
В рамках федеральной научно-технической программы «Экологически чистая энергетика» на Несве-тайГРЭС ОАО «Ростовэнерго» внедряется опытно-промышленная установка (ОПУ), реализующая принципиально новую технологию газификации и сжигания углей типа Донецкий АШ в расплаве шлака, бар-ботируемого дутьем, обогащенным кислородом. Процесс реализуется в специальной камере-газификаторе (КГ), которая является составной частью энергетического котла [1, 2].
Одним из важнейших вопросов, которые придется решать в ходе освоения и эксплуатации ОПУ, является определение областей устойчивой работы и поиск рациональных режимов, которые обеспечат наибольшую энергоценность продуктов газификации и максимальный КПД процесса газификации.
При поиске оптимальных режимов работы газификатора необходим анализ совместного влияния независимых параметров: расходов воздуха, кислорода и пара, степени обогащения дутья кислородом на температуру шлакового расплава, расход образующихся продуктов газификации, их теплоту сгорания и КПД газификации. Результаты такого анализа удобно представить в виде диаграмм, позволяющих осуществить выбор рациональных режимов работы установки.
Задача выбора такого оптимального режима состоит в максимизации значения КПД газификации при ограничениях на температуру шлакового расплава 1шл, удельную газовую нагрузку на поперечное сечение шлаковой ванны упг и на суммарный расход кислорода и водяного пара в расплав (0,5 < а + в <1). Здесь а и в -коэффициенты подачи кислорода и водяного пара в расплав, которые представляют собой отношение количества окислителя, введенного в расплав для взаимодействия с углеродом топлива, к количеству окислителя, теоретически необходимого (из стехио-метрических соотношений) для полного окисления углерода до СО2 и Н2О соответственно. Степень обогащения дутья кислородом Х представляет собой отношение объема кислорода, содержащегося в дутье, к общему объему кислородовоздушного дутья [3].
Для решения поставленной задачи были проведены расчеты на ЭВМ на базе балансовой математической модели [3].
При расчетах были приняты следующие ограничения: а) минимальная температура шлакового расплава определяется из условия обеспечения эффек-
тивного барботажа, который имеет место при вязкости шлака 0,3^1 Па-с, что соответствует температурам 1400^1500 °С; б) удельная газовая нагрузка, а следовательно, и расход продуктов газификации ограничены условиями брызгоуноса, который в значительной степени зависит как от температуры шлака, так и от его теплофизических свойств (поверхностное натяжение, вязкость, плотность и т.д.); в) необходимость поддержания восстановительной атмосферы в барбо-тируемом шлаковом расплаве с целью комплексного использования перерабатываемых углей, т.е. восстановления железа и других тяжелых металлов, а также недопущения переокисления шлака.
Для рассматриваемого агрегата конкретные величины ограничений имеют следующие значения:
/шл (а, в, Х) > 1500 °С;
¥ш (а, в, Х) < 1,99 м3/кг; ¥ш < С, где У° - стехиометрический расход продуктов сгорания, м3/с.
Наличие трех независимых переменных параметров не позволяет отразить результаты расчетов на плоскости. В связи с этим на рисунке изображены номограммы для трех различных степеней обогащения дутья кислородом в координатах: коэффициент подачи кислорода а - коэффициент подачи водяного пара в, на которых показаны изотермы /шл, линии постоянных расходов продуктов газификации упг и линии постоянных КПД газификации п.
На этом же рисунке в соответствии с принятыми ограничениями выделены рабочие области параметров камеры газификации. Как следует из рисунка а, при использовании чисто воздушного дутья (Х = 21 %) работа КГ при вышеуказанных ограничениях невозможна. Этому препятствует значительное количество балластного азота в дутье, так что даже при стехиометрическом сжигании топлива в расплаве (а = 1) температура расплава шлака не достигает заданного значения.
При степени обогащения дутья кислородом Х = 60 % рабочая область параметров газификатора ограничивается снизу изотермой /ШЛ = 1500 °С, а сверху - объемным расходом продуктов газификации через поперечное сечение шлаковой ванны ¥ПГ, равным 1,99 м3/кг. Как видно из рисунка б, оптимальным является такой режим тепловой работы КГ, которому на номо-
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ.2004. № 1
грамме соответствует точка А. Параметры данного режима: а = 0,38; в = 0,12; п = 0,81; теплота сгорания продуктов газификации = 9164 кДж/м3. При этом согласно расчетам расход технологического кислорода на установку составляет УК = 0,305 м3/кг; расход воздуха УВ = 0,312 м3/кг и расход водяного пара А> = 0,188 кг/кг.
0,7
0,6
0,5
0,4
1450
1400
4,0
0,1 0,2
0,3
0,4 0,5
а 1,75 2,0 2,25 2,5
\
0,6
0,4
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ß
б
Дальнейшее увеличение степени обогащения дутья кислородом приводит к повышению энергоценности продуктов газификации. Так, оптимальным при чисто кислородном дутье (рисунок в) является режим, характеризуемый следующими параметрами: а = 0,36; в = 0,14; КПД газификации п = 0,83, что соответствует теплоте сгорания газов 12670 кДж/м3. Расход кислорода на установку составит УК = 0,351 м3/кг; расход водяного пара ВП = 0,219 кг/кг. Однако, учитывая большие локальные тепловые нагрузки на дутьевые фурмы и вышерасположенные кессоны, этот режим не может быть рекомендован. Кроме того, необходимо учитывать и экономические аспекты, связанные с достаточно высокой стоимостью производства кислорода.
В связи с этим более предпочтительным является режим со степенью обогащения дутья кислородом X = 60 % (рисунок б).
Порядок пользования номограммами рассмотрим на примере. Пусть заданы коэффициенты подачи окислителей в расплав а = 0,45; в = 0,25 и степень обогащения дутья X = 60 %. На номограмме, соответствующей X = 60 % (рисунок б), проводим вертикальную линию, соответствующую в = 0,25 и горизонтальную линию, соответствующую а = 0,45. На пересечении этих линий находим точку Б. Данный режим является нерабочим, поскольку расход продуктов газификации Ущ. = 2,10 м3/кг превышает допустимый, равный 1,99 м3/кг.
Рассмотрим другой вариант: а = 0,45; в = 0,12; X = 100 %. На номограмме (рисунок в) на пересечении двух линий находим точку В. Режим является рабочим, КПД газификации п = 0,72; расход продуктов газификации Ущ- = 1,55 м3/кг.
ß
0
а
0,5
0,3
в
Номограммы для определения областей работоспособности и оптимальных режимов работы агрегата с барботируемым шлаковым расплавом на дутье с различной степенью обогащения кислородом: а - X = 21 %; б -X = 60 %; в -X = 100 %
Литература
1. Мадоян А.А. Особенно экологически чистый высокоэкономичный способ использования твердого топлива для производства электроэнергии // Вестн. МЭИ. 1994. № 1. С. 6-12.
2. Дьяков А.Ф., Мадоян А.А., Левченко Г.И., Кушнарев Ф.А., Xристич Л.М., Гапеев В.В. Нетрадиционные технологии - основной путь обеспечения экологической надежности и ресурсосбережения // Энергетик. 1997. № 11. С. 2-4.
3. Шафорост Д.А. Газификация и сжигание твердого низкореакционного топлива на экологически чистой ТЭС // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. № 3. С. 89-92..
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) 3 сентября 2003 г.
