Интенсификация процессов воспламенения и горения твердого низкореакционного топлива в котлах ТЭС путем активации окислителя наноматериалами

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 — 20 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 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 о выделении государственных средств (гос. контракты №№ 6078р/8683 (2008 — 2009 гг.), 7275р/10 127, П2098 (2009 — 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 массои теплообмена с учетом особенностей исследуемых процессов, для решения которой использовались современные вычислительных программные средства (МаШсафприменением 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), 20 092 011 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 РФ 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.

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.

Выводы по пятой главе.

1. Для внедрения на ТЭС разработанного способа интенсификации сжигания твердого низкореакционного топлива следует учитывать ряд технологических требований, а именно: расход вторичного воздуха, его температурные характеристики, термоустойчивость газорязрядных импульсных ламп, аэродинамические характеристики ГСК, обеспечение требуемой площади поверхность фазового контакта и др. Не соблюдение этих факторов может снизить или полностью исключить эффект от реализации способа.

2. Проекция полученных результатов экспериментальных исследований на реальные энергетические объекты позволил получить определяющие характеристики установок по получению синглетного кислорода. Активация окислителя, проходящего через горелку с расходом топлива 5 т/ч потребует покрытия наноматериалом «Астрален» поверхности площадью не менее 57 м² и л не более 556 м, через горелку с расходом топлива 10 т/ч — площадь не мене 114 л ч м и не более 1111 м. 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 400 Дж непрерывно работать больше суток (0,5 -1 Гц). При этом суммарная мощность источников импульсного излучения при реализации способа на котле Пп-950−255Ж (ТПП-210) составит 24 кВт.

3. Ориентировочные показатели экономической эффективности реализации способа интенсификации сжигания твердого топлива в котлах ТЭС:

— 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. Помимо этого существует ряд факторов, которые могли бы заметно снизить капитальные вложения и увеличить эффективность от внедрения разработки и уменьшить срок окупаемости.

4. Внедрение способа интенсификации сжигания твердого топлива потребует изменения схемы пылеприготовления. Но эти изменения не существенны и предполагают лишь включение в газовоздушный тракт генераторов синглетного кислорода — одного высокопроизводительного на общей линий вторичного воздуха или нескольких маломощных встроенных в воздуховоды перед каждой горелкой. Также не исключен вариант усовершенствования горелочных устройств путем включения в их конструкцию контактных поверхностей с наноматериалом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Общим итогом выполненной диссертационной работы является научно обоснованный способ 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 СО и С02 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 ккор = кп (0,91 + 0,0028 • г — 0,4 • т2) — для уравнения температуры газовой среды кКор = кп (0,93 + 0,0046 т-0,5-г2), где множитель кп = 0,995 — 1.

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 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.