Разработка и внедрение системы воспламенения пылеугольного факела с использованием электродуговых (стр. 2 из 3)
Задача исследований
1.Осуществить анализ потребления мазута на пылеугольных ТЭС Казахстана и на этой основе выбрать оптимальную технологию безмазутной растопки котлов и подсветки факела.
2. Выполнить расчётно- теоретическое обоснование эффективности использования выбранной плазменной технологии безмазутного воспламенения углей.
3. создать эффективную конструкцию плазменной системы безмазутной растопки, провести её промышленные испытания на котлах Усть-Каменогорской ТЭЦ и разработать техническую документацию для серийного производства СБР.
4. Выдать по результатам промышленных испытаний технико- экономические и технологические рекомендации по освоению СБР на пылеугольных ТЭС Казахстана, использующих мазут в качестве второго топлива.
(2)Методика расчётов с использованием универсального программного комплекса АСТРА-4 ( Автоматизированная Система Термодинамических Расчётов- версия 4.) В основе метода лежит принцип максимума энтропии для изолированных термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия, характеризующемся максимом энтропии относительно термодинамических степеней свободы, к которым относятся концентрации компонентов системы и какая- либо пара задаваемых переменных (например, давление и температура). Установление равновесия достигается за счёт внутренних, фазовых и химических превращений в изолированной системе, равновесные параметры которой могут быть определены путём решения задачи о нахождении максимума энтропии системы с учётом ограничений, накладываемых фундаментальными законами сохранения массы, энергии и заряда.
Цель расчётов в определении равновесного состава газообразных и конденсированных продуктов ЭТХПТ, удельных энергозатрат и электрической мощности плазматрона, вычисляемых по выражениям:
Qуд.=Iравн.-Iисх. ,кВт. ч/кг, (1)
где Iисх. и Iравн - полная энтальпия, отнесённая к 1 кг. Рабочего тела ( уголь + воздух), находящегося соответственно в исходном и равновесном ( после всех превращений) состояниях.
Знание Qуд позволяет рассчитать необходимую вкладываемую мощность плазматрона на соотношения:
Рэл.= Qуд .Gр.т; кВт,(2)
где Gр.т - расход рабочего тела, кг/ч.
Рассмотрим результаты расчёта на примере широко распространённого экибастузского угля (ЭУ) с теплотой сгорания 4075 ккал/кг, выходом летучих на сухую массу 12% с составом, приведённым в табл.1
Состав сухого угля, массовое содержание компонента, %
таб.1
| C | O | H | N | S | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | Fe2O3 | ∑ |
| 41,30 | 6,47 | 2,81 | 0,67 | 0,75 | 31,10 | 14,82 | 0,36 | 0,40 | 1,32 | 100,0 |
Как видно концентрация горючих компонентов (СО+Н2+СН4) нарастает с увеличением температуры процесса, составляет 50-60% в интервале температур 900-1200К. При этом теплота сгорания горючего газа достаточно высока и равна 2000-2500 ккал/кг. Весьма важно с точки зрения экологии, что азот исходной воздушноугольной смеси представлен в основном молекулярным азотом N2 , концентрация которого остаётся практически постоянной в интервале 800-1600К. Выход оксидов азота NOxне превышает 1-5 мг/нм3 ,что на два порядка меньше, чем в дымовых газах ТЭЦ. Сера топлива выходит в газовую фазу в основном в виде сероводорода (HS2), а концентрация оксидов серы пренебрежимо мала (< 1мг/нм3).
Заметное снижение концентрации углерода в коксовом остатке в интервале температур 800-1200К обусловлено переходом углерода в газовую фазу по реакции С+0,5О2=2С0. В дальнейшем концентрация углерода резко снижается (Т>1600К), в связи с восстановлением минеральной части углей и образованием ферросилиция (FeSi) и карбосилиция (SiC). Качественно подобная картина получается и для других углей, приведённых в таблице 2.
(таб.2)
Характеристики основных энергетических углей:
| Тип угля | Зольность, Ас, % | Выход летучих,Vг, % | Влажность,Wр, % | Содержание серы,Sобщ., % | Теплота сгорания,Q  ,ккал/кг. |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| ЭУКУБУКУУКЗУ | 40-48,030-32,0 46,0 44,016,0-18,0 | 5,08,08,07,012,5 | 24,228,027,021,038-40,0 | 0,6-0,80,8-0,90,60,80,4 | 3600-41504900-5020327039604660-5120 |
Видно, что удельные энергозатраты монотонно возрастают в интервале 800-1400К для всех типов углей. При Т>1400К .= Qуд резко увеличивается ( в 3-4 раза), что делает нецелесообразным проведение ЭТХПТ при Т> 1400К.
Учитывая, что максимальный выход горючих компонентов (Н2+СО+СН4) наблюдается при Т=1200К, её можно считать оптимальной температурой процесса ЭТХПТ. При этой температуре удельные энергозатраты заключаются в интервале 0,07-0,13 кВт.ч/кг угля. В среднем их можно принять равными 0,1 кВт.ч. для всей гаммы основных энергетических углей Казахстана. Расчёты по формуле (2) для Qуд=0,1 кВтч./кг угля и разных температур процесса ЭТХПТ, видно, что при используемых на практике пылеугольных горелках и расходах угля от 500 до 2000 кг/ч ( через одну горелку) требуемая мощность плазматрона варьируется от 50 до 200 кВт. Таким образом, для энергетических углей Казахстана необходим универсальный плазматрон с мощностью, регулируемой в диапазоне 50-200 кВт.
Количество плазматронов на котле при реализации безмазутной растопки определяется в соответствии с “Инструкцией по эксплуатации котлоагрегатов” конкретного типа, исходя из условий обеспечения за время растопки 30% (от номинальной) тепловой нагрузки котла. Это означает, что не менее 30% пылеугольных горелок на любом котле должны быть оснащены плазматронами соответствующей мощности из интервала 50-200 кВт.
В частности, на котлах Усть-Каменогорской ТЭЦ ЦКТИ-75 (паропроизводительностью 75 т/ч), оснащённых тремя горелками, устанавливают один плазматрон(33% от тепловой мощности котла); на котлах БКЗ-320 (паропроизводительностью 320 т/ч), имеющих 8 горелок, устанавливаются 3 плазматрона, обеспечивающих 37,5% от номинальной нагрузки котла; на котле Е-500 ( паропроизводительностью 500 т/ч), оснащённом 8 горелками, целесообразно установить 4 плазматрона (2 на фронтальной и 2 на тыльной стенках котла) в противоположных пылеугольных горелок. На самых крупных котлах в Казахстане (Экибастузэнерго) типа П-57 ( паропроизводительностью 1650 т/ч) с 24 горелками необходима установка 8 плазматронов (33% от тепловой нагрузки) в пылеугольные горелки.
При переходе от одного типа котлов к другому меняется лишь число устанавливаемых плазматронов и их компоновка с горелками различных типов. При этом сама конструкция плазматрона и его электрическая мощность остаются неизменными.
(3) Между катодом и анодом включают электрическую дугу и по патрубку в плазматрон подают плазмообразующий газ- воздух. В камеру ЭТХПТ через тангенциальный ввод подают аэросмесь, которая, нагреваясь, воспламеняется при смешении с вторичным воздухом или с первичным воздухом аэросмеси в случае разделения исходного потока аэросмеси. Коммутация тока плазматрона производится силовыми тиристорами У1/У6. Автомат Q отключает ток нагрузки только в аварийных ситуациях, например, при пробое тиристоров. Датчики тока (ДТ) выдают сигналы, необходимые для работы автоматики. Дроссель (ДР) сглаживает пульсации выпрямлённого тока.
Эксперименты проводились на трёх типах углей (ЭУ,БУ и КЗУ), а также антрацитовом штыбе (АШ) и двух типах горелок: турбулентной двухулиточной и муфельной. Камера ЭТХПТ с плазмотроном устанавливается на оси двухулиточной горелки вместо мазутной форсунки, а в случае муфельной горелки камера ЭТХПТ с улиткой аэросмеси устанавливается в торце муфельного предтопка. При такой компоновке процесс ЭТХПТ осуществляется в объёме горелок (двухулиточной и муфельной), а в топочное пространство выходит подготовленное к сжиганию двухкомпонентное высокореакционное топливо. Плазменная технология безмазутного воспламенения реализуется следующим образом.
Вначале подают плазмообразующий газ ( воздух) в плазматрон 1 и первичный воздух в улитку 2. возбуждается электрическая дуга и через 2-3 мин. в камеру ЭТХПТ 10 подают аэросмесь, где она взаимодействует с воздушной плазмой. Полученное в камере 10 высокореакционное двухкомпонентное топливо с уровнем температур 1300-1500К поступает в зону П, где смешивается с основным потоком аэросмеси (80-90% общего расхода топлива через горелку). В зоне П осуществляется нагрев основного потока аэросмеси с выделением летучих и частичной газификации угольных частиц. При этом из-за малого количества окислителя, окисление углерода происходит только до окси углерода СО. Температура аэросмеси в зоне П достигает 800-100К за счёт энтальпии двухкомпонентного топлива и экзотермической реакции С+0,5О2=СО, осуществляемой при частичном выгорании топлива в термостойкой центральной трубе 4. Последняя, нагреваясь, служит своеобразным стабилизатором горения и способствует воспламенению двухкомпонентного топлива в течение определённого времени даже при периодическом включении плазматрона.
На рис.3.1 показаны изменения максимальной температуры и длины участка зажигания факела при различных значениях удельных энергозатрат. Длина участка зажигания представляет собой расстояние от среза амбразуры горелки до сечения максимальной температуры по оси факела.