Интенсификация процессов воспламенения и горения твердого низкореакционного топлива в котлах тэс путем активации окислителя наноматериалами
На правах рукописи
Рыжков Антон Владимирович ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО НИЗКОРЕАКЦИОННОГО ТОПЛИВА В КОТЛАХ ТЭС ПУТЕМ АКТИВАЦИИ ОКИСЛИТЕЛЯ НАНОМАТЕРИАЛАМИ 05.14.14 – «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новочеркасск – 2013
Работа выполнена на кафедре «Тепловые электрические станции и теплотехника» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Ефимов Николай Николаевич
Официальные оппоненты: Гапоненко Александр Макарович, доктор технических наук, профессор, декан факультета нефти, газа и энергетики ФГБОУ ВПО «КубГТУ» Земляков Николай Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология неорганических и органических веществ» ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ(НПИ)» Ведущая филиал ОАО «Южный инженерный центр Организация: энергетики» «ЮжВТИ», г. Ростов-на-Дону.
Защита диссертации состоится «28» июня 2013 г. в 14 час. 00 мин. в 149 ГК на заседании диссертационного совета Д 212.304.08 федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в г. Новочеркасск (ЮРГТУ (НПИ)) по адресу: 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещение, 132..
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».
Автореферат разослан «25» мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.304.08 Скубиенко Сергей Витальевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Газообразное и жидкое органическое топливо, используемое в настоящее время на тепловых электростанциях, становится все более дефицитным. Скорое исчерпание запасов и высокие цены на мазут и газ заставляют обращать внимание на твердое топливо, как на один из основных источников получения электроэнергии в ближайшем будущем. Однако качество добываемого твердого топлива ухудшается. Уголь, поступающий на тепловые электрические станции (ТЭС), имеет высокую зольность (25–35 %) и малую калорийность (10– МДж/кг). Такой уголь называют низкореакционным. Для сжигания такого угля на ТЭС применяется более тонкий помол и «подсветка» газом или мазутом, доля которого составляет 10–40 % тепловыделения и общего расхода топлива на твердотопливной ТЭС. Для улучшения процессов розжига и стабилизации горения пылеугольного факела существуют и другие способы, например, рекомендуют применять плазменные технологии или демонтировать устаревшее оборудование и установить котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС). Нарушения в процессах сжигания твердых топлив в котлах ТЭС, возникающие вследствие ухудшения характеристик твердого топлива, снижают технико-экономические и экологические показатели электростанций, влияют на надежность работы оборудования.
Исследования, приведенные в диссертационной работе, направлены на разработку нового способа повышения эффективности сжигания низкореакционного топлива и снижения доли использования подстветочных высокореакционных топлив.
Актуальность темы исследования подтверждена решениями Министерства образования и науки РФ, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «У.М.Н.И.К.») о выделении государственных средств (гос. контракты №№ 6078р/8683 (2008 – 2009 гг.), 7275р/10127, П2098 ( – 2010 гг.), П245 (2010 – 2011 гг.), 16.516.11.6012 (2011 – 2012 гг.)).
Цель работы заключается в разработке способа повышения интенсивности воспламенения и горения низкореакционного твердого топлива путем активации окислителя наноматериалами. Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи.
1. Проведение системного анализа существующей в настоящее время информации по процессам интенсификации воспламенения и горения низкореакционных твердых топлив;
2. Разработка математической модели исследуемых процессов;
3. Создание испытательного стенда и проведение экспериментальных исследований динамики процессов воспламенения и горения низкореакционного твердого топлива, в том числе с использованием активаторов окислителя на базе наноматериалов;
4. Проведение сравнительного анализа экспериментальных результатов и данных, полученных аналитическими расчетами;
5. Разработка методики применения активаторов окислителя на основе наноматериалов в системе воздухоподачи котлов ТЭС.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработана математическая модель процессов воспламенения и горения твердого топлива, доказывающая возможность их интенсификации за счет активации окислителя, и отличающаяся от известных тем, что учитывает изменение энергии активации основных реакций окисления углерода, геометрические размеры камеры сгорания и облучателя, потери тепла через стенки и с уходящими газами.
2. Разработана новая технологическая схема использования наноматериала, наносимого на плоскую поверхность, позволяющая ускорить воспламенение и горение твердого топлива путем генерирования в газовой фазе синглетного кислорода под воздействием электромагнитного излучения видимого спектра.
3. Впервые установлена степень влияния синглетного кислорода на окисление твердого низкореакционного топлива, заключающееся в увеличении скорости воспламенения и максимума температуры его горения, что позволит повысить коэффициент использования топлива на ТЭС.
4. Впервые предложена методика определения необходимой площади фазового контакта, позволяющая на стадии проектирования воздуховодов или горелочных устройств рассчитывать требуемое количество наноматериала.
5. Предложена конструкция генераторов синглетного кислорода (ГСК), источников излучения и поверхности наноматериала, позволяющая в полной мере использовать поверхность наноматериала для активации окислителя, отличающаяся простотой исполнения и предусматривающая возможностью охлаждение и оперативной замены источников электромагнитного излучения.
Практическое значение работы заключается в следующем.
интенсификация процессов воспламенения и горения угля путем активации окислителя наноматериалами позволяет снизить долю использования подсветочных высокореакционных топлив, и тем самым, повысить технико-экономические показатели использования твердых низкореакционных топлив при их сжигании в котлах ТЭС;
разработанная технологическая схема применения наноматериала, наносимого на внутренние поверхности воздуховодов или ГСК, позволяет использовать его в качестве активатора без непосредственного участия в процессе окисления твердого топлива;
рекомендуемые места подключения ГСК и их конструктивное исполнение позволяют реализовать предлагаемые технологические решения с минимальными изменениями в традиционной схеме пылеприготовления и могут быть учтены при проектировании новых и модернизации работающих котлов и горелочных устройств;
созданный испытательный стенд позволяет определять динамику воспламенения и горения твердого топлива при активации кислорода с помощью наноматериалов и может быть использован в научно-исследовательской деятельности ЮРГТУ (НПИ).
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается корректностью допущений математической модели, основанной на фундаментальных законах массо- и теплообмена с учетом особенностей исследуемых процессов, для решения которой использовались современные вычислительных программные средства (Mathcad);
применением современных методом проведения исследований и обработки результатов, использованием современного оборудования для проведения экспериментов. Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием экспериментальных и расчетных результатов в широком диапазоне изменения характерных параметров.
Реализация результатов исследований. Результаты диссертационного исследования получили внедрение в научно-исследовательскую деятельность ЮРГТУ (НПИ) при выполнении НИР в рамках государственных контрактов с Министерством образования и науки РФ (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, мероприятие 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами») и ООО НИИ «Этап» (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно технологического комплекса России на 2007-2013 годы»), а также при выполнении НИР в рамках государственных контрактов с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «У.М.Н.И.К.»).
Личный вклад автора состоит в:
– проведении экспериментальных исследований по сжиганию навесок твердого топлива, систематизации и анализе полученных результатов;
– разработке математической модели процессов воспламенения и горения твердого топлива, учитывающей влияние эффекта от активации окислителя;
– корректировке разработанной математической модели по результатам экспериментальных исследований;
– разработке методики определения площади нанесения наноматериала;
– рекомендации конструктивного исполнения и мест установки генераторов синглетного кислорода.
Апробация результатов работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях: «Студенческая научная весна» (ЮРГТУ (НПИ), 2008 г.), «Повышение эффективности производства электроэнергии» (ЮРГТУ (НПИ), 2009-2011 гг.), «Энергосбережение - теория и практика» (МЭИ, 2010 г.), «Состояние и перспективы развития электротехнологии», (ИГЭУ, 2009 г.);
в рамках II Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (Москва, 2009 г.) и на Всероссийском конкурсе научно-технических работ аспирантов и молодых ученых «Эврика» (ЮРГТУ (НПИ), 2010 г.);
на технических советах Минобрнауки и заседаниях кафедры «ТЭСиТ» ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 6 в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК и 11 в материалах международных и российских конференций. Получен 1 патент на изобретение.
На защиту выносятся:
– новый способ интенсификации процессов воспламенения и горения твердых топлив путем активации кислорода с помощью наноматериалов, облучаемых электромагнитным излучением видимого спектра высокой интенсивности;
– математическая модель, описывающая динамичные процессы воспламенения и горения твердого топлива;
– методика измерения и контроля изменения массы навесок угля, температуры газовой среды внутри испытательного стенда и определения скорости горения топлива;
– методика расчета площади нанесения наноматериала на поверхности внутренних воздуховодов и горелочных устройств котлов ТЭС.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и четырех приложений. Объем диссертации составляет 212 страниц, в том числе 57 иллюстрации, 20 таблиц, список литературы из 103 наименований, приложения на 49 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулирована цель диссертационной работы и перечислены решаемые задачи, представлена научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава представляет критический обзор состояния вопроса. В ней дается описание существующих проблем использования твердого топлива и различные варианты их решений.
Низкая реакционная способность, высокая зольность некоторых марок угля, растущая по мере выработки месторождений, приводят к необходимости применения на ТЭС метода «подсветки» факела такими топливами как газ и мазут.
При этом устаревшее оборудование пылеугольных станций уже не способно поддерживать бесперебойное горение пылегазовой смеси. Поэтому на многих станциях дополнительное дорогостоящее топливо, вс чаще переходит в разряд основного.
В мире и нашей стране существуют технологии более рационального использования твердого топлива, которые могут найти применение или уже внедрены на новых и эксплуатируемых станциях. К таким технологиям следует отнести: плазменное сжигание, котлы с ЦКС, низкотемпературную вихревую технологию, газификацию и пиролиз топлива. Каждая из этих технологий имеет характерные недостатки, такие как большие капитальные затраты (ЦКС), реализация лишь на вновь строящихся объектах (пиролиз, газификация), низкий срок службы основных элементов (плазменное сжигание). Как следствие, в настоящее время нет универсальной для всех марок угля и всех типов котлоагрегатов технологии интенсификации процессов воспламенения и горения особенно низкореакционных твердых топлив.
Полученные выводы свидетельствуют о необходимости разработки нового малозатратного способа, не предполагающего существенного изменения технологических схем парогенераторов, позволяющего снизить расход высокореакционных дополнительных топлив, а также имеющего возможность применения на действующих котлоагрегатах.
Вторая глава посвящена исследованию физико-химических методов активации процессов воспламенения и горения твердого топлива. Рассмотрена возможность использования наноструктур в качестве катализаторов этих процессов.
Приведено описание косвенного каталитического воздействие на процесс горения твердого топлива. Рассмотрены методы повышения активности кислорода и получения его синглетной формы.
В диссертации особое внимание уделено исследованию каталитических способностей наноструктурированных материалов, которые могли бы проявиться в реакциях окисления частиц твердого топлива. Воздействие нанокатализатора может быть как прямым, так и косвенным. Под прямым воздействием катализатора следует понимать реакции с получением промежуточного вещества, являющегося продуктом взаимодействия катализатора и одного из реагентов. Прямое каталитическое воздействие подразумевает восстановление катализатора. Процесс горения твердого топлива сопровождается значительным повышением температуры среды и ее постоянным движением, что может вызвать воспламенение или унос катализатора. Если учесть, что стоимость наноматериалов высока, то использование подобного способа интенсификации процессов горения экономически необоснованно. Поэтому в диссертации ставится задача поиска такого варианта использования наноматериала, при котором его расход будет снижен до минимума.
Косвенное воздействие (рис.1) характеризуется качественным влиянием на один из реагентов с изменением его физико-химических свойств, например, окислительной способности, в результате чего взаимодействующие элементы окажутся на новом энергетическом уровне, и снизится величина энергии активации. За счет смещения энергетического уровня исходных веществ I (рис.1) на некоторую величину, процесс взаимодействия веществ с повышенной реакционной способностью предположительно примет вид некоторой кривой О' – А' – В'. При Рис. 1 – Изменение энергии системы без этом уменьшится потенциальный барьер влияния катализатора (1) и при косвенном реакции. воздействии катализатора (2) Кислород атмосферного воздуха, выступая в качестве окислителя в реакции с углеродом и находясь в газообразном состоянии, является наиболее предпочтительным для активации реагентом. Он способен существовать в нескольких различных энергетических состояниях с разной степенью активности.
Синглетный кислород (O2 (1g)) – форма кислорода, реакционная способность которого выше, чем молекулярного.
Синглетно-возбужденный кислород можно получать, различными методами, как химическими, так и физическими. Для исследований использовался физический метод возбуждения кислорода при контакте с фотосенсибилизирующей поверхностью под воздействием светового излучения высокой интенсивности.
В качестве сенсибилизатора, а значит и активатора горения твердого топлива, использовались астралены - углеродные наноструктуры, которые способны генерировать синглетный кислород из O2, содержащегося в воздухе.
В третьей главе дано описание основных реакций и этапов процессов воспламенения и горения угольной частицы. Эти положения приняты как основополагающие в разработанной математической модели. За основу принята математическая модель горения и тепло- и массообмена в монодисперсной системе частиц натурального топлива Т. В. Виленского. Модель дополнена несколькими уравнениями и скорректирована для учета влияния изменения входных параметров.
Для того, чтобы математически отследить динамику процессов воспламенения и горения твердого топлива в среде с активированным окислителем, были приняты допущения:
– навеска топлива, как и частица, имеет сферическую форму, а ее масса зависит лишь от условного размера (диаметра) и плотности, в качестве которой выступает насыпная плотность угольной пыли;
– камера сгорания имеет прямоугольную форму, стенки которой имеют определенные теплофизические свойства;
– теплообмен реагирующих частиц топлива с газовой средой происходит путем конвекции и диффузионной теплопроводности и лучистого теплообмена;
– температура облучателей остается неизменной с течение времени;
– частица топлива, находясь в покое, омывается воздухом, подаваемым в камеру сгорания с определенной скоростью, в состав которого входит кислород, углекислый газ и сравнительно малое количество окиси углерода;
– потери тепла происходят через стенки камеры и с уходящими газами;
– степень рециркуляции газов в математической модели не оценивается;
продукты горения единовременно удаляются из камеры сгорания;
– наличие азота и водорода в топливе не учитывается.
Реализация математической модели была осуществлена в программной среде MathCad (trial версия;
http://www.ptc.com/product/mathcad/free-trial/), имеющей огромный перечень математических приемов и функций, отличающейся высокой скоростью выполнения сложных расчетов и их точностью. Помимо этого использовались некоторые возможности электронного справочника параметров воды и водяного пара, газов и газовых смесей – ENEKcalc (бесплатный продукт;
http://www.enek.ru/soft.htm), и произведена интеграция его функций в среду программы MathCad.
В расчетах принята схема реагирования, приведенная на рис. 2. Гетерогенные реакции, протекающие в окружающем частицу газовом объеме, описываются уравнениями 1-4:
2C + O2 = 2CO + 219 кДж/моль (1).
С + О2=СО2 + 395 кДж/моль (2).
СО2+ С = 2СО 175.5 кДж/моль (3).
2CO + O2=2CO2 + 571 кДж/моль (4).
В основе моделирования процессов воспламенения и горения твердого топлива лежала необходимость поиска функциональных зависимостей характеризующих эти процессы, а именно, кинетики выхода летучих веществ из частицы и кинетики горения летучих в газовой среде, изменения размера частицы и концентраций кислорода и оксида углерода.
СО Математическое моделирование определило уравнения изменения температуры +Q частицы топлива и температуры газовой среды СО О2 СО в камере сгорания. Расчет этих уравнений +Q осуществлялся методом последовательных +Q -Q приближений. При расчете оценивалось О2 влияние следующих входных параметров:
начальных температур газовой среды T г.0, частицы T 0 и облучателя Tоб, массы навески m СО Воздух и условного размера, энергии активации +Q О2 СО H 2O Е акт, Е акт, Е акт реакций (1), (2), (4).
1 2 На рис. 3–5 представлены графические результаты моделирования динамики воспламенения и горения угольной частицы 1 2 антрацитового штыба (АШ). Рис. 2 – Процессы, протекающие при Из графиков видно, что воспламенение сгорании частицы: 1 – частица топлива;
частицы влияет на динамику роста 2 – нагревание частицы и испарение температуры, как самой угольной частицы, влаги;
3 – выделение и горение летучих веществ;
4 – горение коксового остатка;
так и окружающей ее газовой среды.
5 – золовая частица Но поскольку количество горючих летучих в АШ составляет всего 4 %, то на процесс воспламенения частицы это влияет краткосрочно. Поэтому при сжигании низкореационного топлива на ТЭС обязательны мероприятия по дальнейшей стабилизации процесса горения, а при моделировании горения частицы их влияние не учитывалось.
0,04 Расчетные значения Условный размер,, мкм 0, 0, 0, Выход летучих веществ 0, Горение летучих вещетв 0,015 Разность расчетных значений 0, 0, 0 0,2 0,4 0,6 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Время,, с Время,, с Рис. 4 – Изменение условного размера Рис. 3 – Скорости выхода и горения горючих летучих частицы топлива при горении веществ В ходе расчетов процесса горения определено влияние:
начальной температуры газовой среды (Tг.0). Она значительно влияет на динамику роста температуры топлива: увеличивается угол наклона кривых к горизонтали и максимум температуры навески в среднем на 50 °С при увеличении Tг.0 на 100 °С.
– начальной температуры Температура, С навески (T0). Повышение начальной температуры навеска приводит к тому, что пиковые температуры горения частицы при различных значениях T0 не изменяются, а скорость набора Температура частицы температуры горения навески при Температура газовой среды Температруа облучателя этом даже снижается. Влияния T0 на температуру газовой среды в 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Время,, с камере сгорания также не Рис. 5 – Изменение температур при воспламенении и наблюдается. горении частицы – температуры облучателя (Тоб). При моделировании процесса горения навески угля Тоб принималась соответственно 600, 700 и 800 °С. Зависимости температуры навески и окружающей ее газовой среды показывают, что температура облучателя в значительной степени оказывает влияние на изменение расчетных характеристик:
динамика роста температур увеличивается;
угол наклона кривых к оси времени растет;
увеличиваются также максимальные значения, достигаемые кривыми. Это свидетельствует о высокой интенсивности лучистого теплообмена между газовой средой, топливом и облучателем, конвективного теплообмена между средой и топливом.
– массы (m) навески и ее условного размера (). Скорость воспламенения навески уменьшается с увеличением m и. Это объясняется экспоненциальным ростом соотношения массы и площади внешней сферообразной поверхности навеска – при увеличении массы площадь контакта с окислителем увеличивается в меньшей степени. При этом, как и следовало ожидать, сгорает быстрее навеска с меньшей массой.
Изменение энергии активации реакций (1), (2) и (4), протекающих в процессе окисления твердого низкореакционного топлива, является наиболее перспективным способом интенсификации этого процесса (см. рис. 6 и 7). Поэтому при рассмотрении вопроса воздействия на динамику изменения температур путем уменьшения потенциального барьера были выбраны следующие коэффициенты, понижающие значение Eакт, – 0,8 и 0,9.
При уменьшении энергии активации возрастает наклон к оси абсцисс моделируемой разгонной кривой температуры навески, а также увеличивается значение максимально достигаемой температуры в процессе горения. Изменение потенциального барьера в основных химических реакциях окисления активно влияет на положение кривых, характеризующих изменение температуры газовой среды.
Таким образом, расчет математической модели показывает, что снижение Eакт реакций (1), (2) и (4) дает некоторую эффективность. В связи с этим, изменение исходного состояния реагирующих веществ, может быть использовано в качестве положения для нового способа интенсификации процесса горения твердого топлива.
Температура, С Температура, С Коэф-т для Eакт (1,2,21) 0,8 Коэф-т для Eакт (1,2,21) 0, Коэф-т для Eакт (1,2,21) 0, 650 Коэф-т для Eакт (1,2,21) 0, Коэф-т для Eакт (1,2,21) 1 Коэф-т для Eакт (1,2,21) 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Время,, с Время,, с Рис.6 - Изменения температуры навески при Рис. 7 - Изменения температуры газовой среды различных значениях Еакт реакций окисления при различных значениях Еакт реакций окисления В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований горения твердого низкореакционного топлива (АШ) в среде с синглетным кислородом. Целями проводимых испытаний являлось:
подтверждение возможности увеличения скорости (интенсификации) процесса горения твердого низкореакционного топлива за счет активации окислителя под воздействием наноматериалов;
определение скорости горения твердого низкореакционного топлива в условиях активации кислорода, присутствующего в воздухе, подаваемого в камеру экспериментальной установки.
В экспериментах использовались образцы наноматериалов (астралены углеродные фуллероидные частицы (средний размер 80 – 150 нм)) фирмы производителя ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий» (г. С. Петербург), нанесенные на подложку, в виде стеклянных пластин. Площадь каждой пластины была около 50 см2.
Экспериментальные исследования проводились двумя методами:
температурным и методом термогравиметрического анализа (ТГА). Температурный метод исследования заключался в регистрации при помощи термопар изменения температуры в камере установки с течением времени и построения таковых зависимостей. Суть термогравиметрического анализа состояла в измерении относительного изменения массы образца как функции температуры внутри камеры. В ходе опытов определялось влияние активированного кислорода на процесс окисления антрацита. Сжигание углеродного топлива осуществлялось в объеме сгенерированного синглетного кислорода с помощью пластин суммарной площадью 100, 200 и 300 см2.
Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен испытательный стенд. Принципиальные схемы соединения измерительных и функциональных блоков установки для испытания твердых топлив приведены на рис. 8 и 9.
Рис. 8 – Схема соединения измерительных блоков испытательного стенда: 1 – рабочая камера печи;
2 – высокотемпературная электропечь, 3 – измеритель-регулятор двухканальный ТРМ202;
4 – преобразователь интерфейсов АС4;
5 – персональный компьютер (ПК);
6 – линия подачи воздуха.
Рис. 9 - Схема соединения функциональных блоков испытательного стенда при температурном (а) и термогравиметрическом (б) методах: ВУ – вытяжная установка, ТЭН – тепловые электрические нагреватели, ТПР – термопара, ГСК – генератор синглетного кислорода;
ТВ – торсионные весы, ДВ – дутьевой вентилятор Основой стенда является камерная высокотемпературная электропечь ПЛ/15(16). Рабочая камера печи оснащена термопарой ТПР (В) и 4 нагревательными элементами «Лантерм» (U-образные U8/180/200), способными разогревать печь до 1600 °С.
Для генерации синглетного кислорода из O2, входящего в состав подаваемого в камеру печи воздуха (изб = 1,75), был изготовлен генератор синглетного кислорода.
Пластины с астраленами размещались на нижней стенке генератора и облучались светом импульсной газоразрядной лампы мощностью 20 Вт (энергия вспышки Дж). В результате испытаний были получены разгонные характеристики горения угля, приведенные на рис. 10.
Анализ влияния активации кислорода на процесс горения низкореакционного угля производился по наклону кривых разгона температуры 1-4, а также по величине времени разгона ( ) и углу наклона касательной к апериодической кривой разгона температуры (tgn) (см. табл. 1).
Рис. 10 – Разгонные характеристики процесса воспламенения угля, полученные температурным методом Таблица 1 – Показатели процесса горения АШ в среде синглетного кислорода № Площадь Среда Tmax, °C tn, °C tgn n, сек кривой пластин – Воздух 1 752 115 28 1, 100 см Воздух + сингл. кислород 2 760 123 24,5 1, 300 см Воздух + сингл. кислород 3 770 133 25,5 1, 200 см Воздух + сингл. кислород 4 781 144 23 2, Кривые скорости потери массы при проведении экспериментов методом ТГА имеют скачкообразный вид (см. рис. 11). Это явления объясняется образованием оболочки вокруг частиц топлива, состоящей из CO и CO2, плотность которых выше плотности воздуха. Оболочка блокирует доступ кислорода к углероду, в результате чего ухудшается процесс окисления. Таким образом, в начальный момент при интенсивном протекании химической реакции происходит увеличение толщины оболочки. При этом интенсивность реакции ослабевает. По достижению некоторого критического объема оболочки она начинает уменьшаться, в результате чего появляется возможность подхода кислорода к частице и реакция окисления возрастает, а оболочка вновь начинает расти. Этому способствует разница температур CO2 и внешней газовой среды. Такой динамический процесс увеличения и уменьшения размеров плотной оболочки носит пульсирующий характер.
Характеристики изменения массы в различных средах приведены в табл. 2.
Скорость потери массы, %/сек 2, 1, 0, -0, 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 в воздушной среде в среде с акт. окислителем (Sпл.=100кв.см) Температура, С в среде с акт. окислителем (Sпл.=200кв.см) в среде с акт. окислителем (Sпл.=300кв.см) Рис. 11 – Экспериментальные данные по скоростям потери массы частицы АШ в зависимости от температуры горения в средах воздушной и с синглетным кислородом Немаловажным результатом экспериментальных исследований является тот факт, что наибольший эффект при сжигании 2 г твердого топлива в среде с активированным окислителем наблюдался при использовании пластин астралена общей площадью 200 см2. Дальнейшее увеличение суммарной площади до 300 см не вело к ускорению процесса реагирования.
Таблица 2 – Показатели процесса горения АШ в среде синглетного кислорода Интервал основной потери Потеря 20-200 °С массы Площадь массы, при Среда пластин 950 °С, Vмакс., Тмах, Тмах, Vмакс., Тнач-Ткон, °С ° ° Va, % %/сек С С %/сек – Воздух 0,2 50 450 - 925 2,2 715 Воздух + сингл.
100 см 0,25 90 510 - 880 2,5 695 кислород Воздух + сингл.
200 см2 0,4 70 490 - 855 2,8 740 кислород Воздух + сингл.
300 см2 0,4 100 520 - 860 2,7 680 кислород По результатам проведенных экспериментальных исследований выполнена корректировка математической модели путем ввода поправочных коэффициентов в уравнение горения навески топлива и уравнение газовой среды.
Пятая глава посвящена разработке технических рекомендаций по реконструкции котлов и вспомогательного оборудования с целью организации процесса интенсификации сжигания твердого низкореакционного топлива.
Рассмотрены основные требования, которые необходимо учесть для внедрения предлагаемого способа. К таким требованиям следует отнести:
– температуру вторичного воздуха. Термоустойчивость углеродных наноматериалов зависит от многих факторов и лежит в пределах 250 – 350 °С.
Необходимо не допускать перегрев и, как следствие, повреждение фотосенсибилизатора, подложки и клеевой основы (компаунда).
– термоустойчивость ламп. При эксплуатации импульсных ламп высокой мощности ламп в закрытых камерах с ограниченным объемом следует учитывать суммарное воздействие на лампу температуры окружающей среды и температуры создаваемой мощностью, рассеиваемой в лампе. Для лампы из обычного стекла максимальная температура составляет 200 °С, из кварцевого стекла - 600.
– поверхность фазового контакта. С точки зрения поддержания заданных аэродинамических параметров реактора, удачным вариантом будет нанесение наноматериала на пластины из инертного материала, которые можно будет расположить в определенном порядке в объеме активационной установки. Также не исключен вариант нанесения наноматериала на внутреннюю поверхность корпусов ГСК, воздуховодов и горелок. Площадь поверхности контакта рассчитывается из учета расхода вторичного воздуха.
– вероятность снижения активности синглетного кислорода. Поверхность, генерирующую O2 (1g), необходимо размещать на таком отдалении от места реагирования, чтобы при скорости потока воздуха 30–35 м/c доставлять активированный окислитель в топку котла за время, измеряемое долями секунды, т.е. прежде чем произойдет снижение его активности.
– обеспечение питания электроэнергией установок по активации окислителя.
Установки по активации окислителя потребуют подвода электроэнергии, в основном на работу импульсных ламп, что незначительно, в сравнении с энергопотреблением другого оборудования.
Проекция результатов экспериментальных исследований на параметры работы реальных энергетических объектов позволила получить определяющие характеристики установок по генерации синглетного кислорода. Активация окислителя, проходящего через горелку с расходом топлива 5 т/ч потребует покрытия астраленами поверхности площадью не менее 57 м2 и не более 556 м2, через горелку с расходом топлива 10 т/ч – площадью не менее 114 м2 и не более 1111 м2. В связи с этим, оптимальным вариантом комплектации ГСК источниками излучения, при площади контакта 57 м2, будут 5 ламп ИФП-800, способные в режиме с энергией вспышки 400 Дж непрерывно работать больше суток (частота вспышки 0,5–1 Гц). При этом суммарная мощность источников импульсного излучения при реализации способа на котле Пп-950-255Ж (ТПП-210) составит кВт.
Также экспериментальные исследования показали, что эффект от интенсификация горения твердого топлива путем активации окислителя, эквивалентен эффекту от подсветки высокореакционными газом или мазутом, на которую расходуется 65-95 % общего расхода дополнительного топлива. В связи с этим, расчет показателей экономической эффективности от реализации способа интенсификации на пылеугольном котле Пп-950-255Ж (ТПП-210) при условии сокращения потребления дополнительного топлива (природного газа) на 65 %, дал следующие результаты:
– простой срок окупаемости от начала расчетного периода (10 лет) 5,5 лет;
– динамический срок окупаемости от начала расчетного периода 9,6 лет;
– чистый доход за расчетный период 107,5 млн. руб.;
– чистый дисконтированный доход за расчетный период 2,76 млн. руб.
Для более точных результатов экономической оценки требуются углубленные маркетинговые исследования, которые могут выявить факторы, повышающие рентабельность и конкурентоспособность предлагаемых решений. Например, нанесение фотосенсибилизирующего наноматериала на внутреннюю поверхность воздуховодов позволит отказаться от изготовления корпусов ГСК. Нанесение наноматерилов на подложку непосредственно на объекте, уменьшит зависимость от сторонних организаций и увеличит скорость ремонтных работ. Повышенный спрос на импульсные источники света и наноматериал крупными предприятиями вызовет снижение их закупочных цен. Дальнейшее развития технологии изготовления газоразрядных ламп, за счет притока инвестиций со стороны энергетических предприятий может повлиять их качество и т.д.
а) б) Рис. 12 – Схема, реализующая способ интенсификации сжигания твердого низкореакционного топлива: а) с вынесенным ГСК;
б) с усовершенствованным горелочным устройством, включающим ГСК. 1 – воздухоподогреватель;
2 – БСУ;
3 – ШБМ;
4 – сепаратор;
5 – циклон;
6 – промежуточный бункер;
7 – пылепитатель;
8 – ГСК;
11 – вентилятор горячего дутья, 9 – улитка горелки, укомплектованная ГСК;
10 – горелка Наиболее выгодные в соответствии с техническими требованиями места подключения генераторов синглетного кислорода приведены на рисунке 12. В схеме, изображенной на рисунке 12 (а) вторичный воздух проходит предварительную подготовку в генераторе синглетного кислорода, включенном в линию подачи воздуха. В схеме на рисунке 12 (б) контактные поверхности с фотосенсибилизирующим материалом включены в конструкцию улитки горелочного аппарата.
ВЫВОДЫ Общим итогом выполненной диссертационной работы являются научно обоснованные технические решения по интенсификации процессов воспламенения и горения твердого низкореакционного топлива за счет активации окислителя наноматериалами. При решении этого вопроса автором получены следующие результаты.
1. В работе установлено, что углеродные наноматериалы под воздействием электромагнитного излучения способны изменять энергетическое состояние молекулярного кислорода, контактирующего с ним, образуя при этом синглетную форму окислителя, обладающую высокой реакционной способностью. Главной особенностью окисления углерода в этом случае, является снижение энергетического барьера (энергии активации), что меняет динамику процесса горения частиц топлива и ведет к их более полному сгоранию.
2. Разработана математическая модель, динамические характеристики которой показывают, что снижение величины энергии активации реакций окисления топлива путем перевода исходных веществ на более высокий энергетический уровень является наиболее рациональным методом, повышающим интенсивность процессов воспламенения и горения.
3. Полученные при проведении экспериментальных исследований на испытательном стенде динамические характеристики воспламенения и горения твердого топлива марки АШ свидетельствуют о том, что при активации кислорода воздуха, путем преобразования его в синглетную форму:
– скорость сгорания навески топлива увеличилась на 0,3 – 0,5 %/с;
– скорость роста температуры в камере печи увеличилась на 0,91 – 2,15 °С/с;
– максимум достигаемых температур повышался 8 - 29 °С.
Наиболее результативными оказались опыты, в которых при выгорании 2 г угля суммарная площадь поверхности наноматериала составляла 200 см2 (в эксперименте использовались площади от 100 см2 до 300 см2), что говорит о существовании оптимальных значений площади под определенные параметры процессов.
4. При проведении испытаний на воспламенение и горение навесок твердого топлива выявлена и обоснованна природа колебательных процессов изменения скорости горения образцов при активации окислителя, заключающейся в образованием вокруг частиц топлива оболочки из CO и CO2 с плотностью выше плотности воздуха. Оболочка блокирует доступ синглетного кислорода к углероду в течение некоторого времени, а затем разрушается вследствие разницы температур оксидов углерода и воздуха.
5. Сравнительный анализ результатов эксперимента и моделирования, позволил получить корректирующие коэффициенты, уменьшающие неточность математического расчета: для уравнения температуры навески топлива ) ;
для уравнения температуры газовой среды k ко р k n (0, 9 1 0, 0 0 2 8 0, 0 0 0 0, где множитель kn = 0,995 – 1.
k ко р k n (0, 9 3 0, 0 0 4 6 0, 0 0 0 0 5 ) 6. Разработана методика определения необходимой площади нанесения наноматериала, а также даны рекомендации конструктивного исполнения и мест установки генераторов синглетного кислорода на воздуховодах и горелочных устройствах производительностью по топливу 5 и 10 т/ч, позволяющие использовать предлагаемые технические решения при проектировании новых и модернизации работающих котельных агрегатов.
Интенсификация процессов воспламенения и горения твердого низкореакционного топлива за счет активации окислителя наноматериалами отличается от известных технологий минимальными вмешательством в традиционную схему воздухоподачи и сниженными капитальными и эксплуатационными затратами, а также возможностью его внедрения на действующих котельных агрегатах.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Рыжков, А. В. Экспериментальные исследования возможности изменения теплофизических характеристик твердого топлива и экономическое обоснование использования наноматериалов в схеме пылеприготовления / А. В. Рыжков, А. С.
Ощепков // Инженерный вестник Дона, ИФ РИНЦ – 2009. – №2.
2. Ефимов, Н. Н. Повышение эффективности сжигания твердого топлива в энергетических установках за счет использования фуллеройдных наноактиваторов / Н.
Н. Ефимов, А. С. Ощепков, А. В. Рыжков, // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.
– 2010. – №3 – С. 38-41.
3. Ефимов, Н. Н. Влияние тонины помола твердого топлива на процессы воспламенения и горения / Н. Н. Ефимов, А. П. Савостьянов, А. С. Ощепков, А. В.
Рыжков // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2009. - №2. – С.55-58.
4. Ефимов, Н. Н. Способ повышения активности окислителя в процессах воспламенения и горения твердых топлив / Н. Н. Ефимов, А. С. Ощепков, А. В.
Рыжков, Д. А. Шафорост // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2011. – №6. – С. 53-55.
5. Шафорост, Д. А. Моделирование процессов воспламенения и горения низкореакционного угля в потоке воздуха с активированным окислителем / Д. А.
Шафорост, А. С. Ощепков, А. В. Рыжков // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.
– 2012. – №1. – С. 50-52.
6. Рыжков, А. В. Экспериментальные исследования горения твердого топлива в среде с активированным окислителем / А. В. Рыжков, А. С. Ощепков // Изв. вузов. Сев.-Кавк.
регион. Техн. науки. – 2013. – №1. – С. 66-69.
Патенты:
7. Пат. 2437028 РФ, МПК F23B90/00, C10L9/10, B82B1/00. Способ интенсификации процесса сжигания твердого низкореакционного топлива ТЭС;
Н. Н. Ефимов, А. С.
Ощепков, А. В. Рыжков ;
заявитель и патентообладатель Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).
№ 010133855/06 ;
заявл. 12.08.2010 ;
опубл. 20.12.2011. – 2 с., ил.
8. Заявка 2012138779 РФ, МПК F23C11/00. Способ интенсификации сжигания твердого низкореакционного угля на ТЭС / Н. Н. Ефимов, А. В. Рыжков, А. С. Ощепков, Д. А.
Шафорост ;
заявитель ООО НИИ «Этап», – №062747 ;
пост. 10.09.12.
В других научных изданиях:
9. Ощепков, А. С. Экспериментальные исследования возможности изменения теплофизических характеристик твердого топлива на основе использования наноматериалов / А. С. Ощепков, А. В. Рыжков, Н. Н. Ефимов, В. В. Папин // Изв.
вузов. Электромеханика. - 2008. - Спецвып. Диагностика энергооборудования. – С.
182-184.
10. Рыжков, А. В. Исследование и анализ влияния наномодификаторов на изменение физико-химических свойств топлив для теплоэнергетики / А. В. Рыжков, В. В. Папин, Н. Н. Ефимов // Студенческая научная весна - 2008 : материалы Межрегион. науч. техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Южного федерального округа / Юж.-Рос. гос.
техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2008. - С. 270-271.
11. Ощепков, А. С. Экспериментальные исследования возможности активации органической части углей Восточного Донбасса / А. С. Ощепков, А. В. Рыжков // XV Бенардосовские чтения : материалы Межрегион. науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии», Иваново, 27-29 мая 2009 г. / Ивановский гос. энергет. ун-т. - Иваново: ИГЭУ, 2009. - С. 171-172.
12. Ефимов, Н. Н. Использование наномодификаторов в твердотопливной энергетике / Н. Н. Ефимов, А. П. Савостьянов, А. С. Ощепков, А. В. Рыжков // Rusnanotech 09 : сб.
тез. докл. участников Второго Междунар. форума по нанотехнологиям, Москва, 6-8 окт.
2009 г. / РОСНАНО. - [М.], 2009. - С. 272-274.
13. Рыжков, А. В. Ионизация первичного воздуха наноматериалами с целью повышения качества сжигания твердого топлива на ТЭС // Rusnanotech 09 : сб. тез. докл.
участников II Междунар. конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий, Москва, 6-8 окт. 2009 г. / РОСНАНО. - [М.], 2009. - С. 158-159.
14. Ощепков, А. С. Экспериментальные исследования возможности активации органической части углей Восточного Донбасса / А. С. Ощепков, А. В. Рыжков // Студентческая научная весна – 2009 : материалы Межрегион. науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Южного федерального округа / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 231-232.
15. Ефимов, Н. Н. Возможность использования наноматериалов при сжигании твердых топлив на ТЭС / Н. Н. Ефимов, А. П. Савостьянов, А. С. Ощепков, А. В.
Рыжков // Повышение эффективности производства электроэнергии: материалы VII Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 30.09-2.10. 2009 г. / Юж.-Рос. гос. техн.
ун-т (НПИ). - Новочеркасск : Оникс+, 2009. - С. 21-26.
16. Рыжков, А. В. Интенсификация горения низкореакционных пылеугольных топлив ТЭС / А. С. Ощепков, А. В. Рыжков // Результаты исследований 2012 :
материалы 61-й науч. конф. профессорско-преподават. состава, науч. работников, аспирантов и студентов / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2012. – С. 88-91.
17. Рыжков, А. В. Повышение эффективности сжигания твердого топлива на ТЭС за счет применения наноматериалов и ионизации / А.В. Рыжков, А.С. Ощепков // Сб.
науч.-исслед. работ финалистов конкурса асп. и молодых уч. в области энергосбережения в пром. (г. Новочеркасск, окт. 2010 г.) [Эврика 2010] Юж.-Рос. гос.
техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : Лик, 2010. - С. 260-263.
18. Ефимов, Н. Н. Интенсификация горения твердого низкореакционного топлива за счет изменения активности окислителя / Н. Н. Ефимов, А. В. Рыжков, А. С. Ощепков // Повышение эффективности производства электроэнергии: материалы VIII Междунар.
науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 30.10-2.11. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск, 2012. - С. 3-8.
19. Ефимов, Н. Н. Моделирование процессов реагирования низкореакционного твердого топлива с активированным окислителем / Н. Н. Ефимов, Д. А. Шафорост, А.
С. Ощепков, А. В. Рыжков // Повышение эффективности производства электроэнергии:
материалы VIII Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 30.10-2.11. 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск, 2012. - С. 9-14.
Рыжков Антон Владимирович ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО НИЗКОРЕАКЦИОННОГО ТОПЛИВА В КОТЛАХ ТЭС ПУТЕМ АКТИВАЦИИ ОКИСЛИТЕЛЯ НАНОМАТЕРИАЛАМИ Подписано в печать 24.05. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 47-229/ Издательство «НОК».