Главная » 2014 » Сентябрь » 30 » Математическое моделирование процессов термохимической подготовки углей к сжиганию на тепловых электрических станциях с использованием
9:58 PM
Математическое моделирование процессов термохимической подготовки углей к сжиганию на тепловых электрических станциях с использованием
Математическое моделирование процессов термохимической подготовки углей к сжиганию на тепловых электрических станциях с использованием плазменных источников
Диссертация
Автор: Пичугина, Татьяна Андреевна
Название: Математическое моделирование процессов термохимической подготовки углей к сжиганию на тепловых электрических станциях с использованием плазменных источников
Справка: Пичугина, Татьяна Андреевна. Математическое моделирование процессов термохимической подготовки углей к сжиганию на тепловых электрических станциях с использованием плазменных источников : диссертация кандидата технических наук : 01.04.14 Улан-Удэ, 2004 124 c. : 61 04-5/2038
Объем: 124 стр.
Информация: Улан-Удэ, 2004
Содержание:
Введение
Глава 1 Современное состояние проблемы использования 12 плазменных технологий термохимической подготовки топлив (ТХПТ) и методов расчета этих процессов
11 Плазменные технологии ТХПТ к сжиганию на ТЭС
12 Существующие методы расчета процессов ТХПТ
13 Постановка задачи исследований
Глава 2 Термодинамическое моделирование процессов ТХПТ
21 Методика термодинамических расчетов с использованием 22 программы АСТРА
22 Методы расчета исходных составов топливных смесей и удельных 39 энергозатрат на процесс ТХПТ
23 Результаты термодинамического расчета ТХПТ различных 43 энергетических углей
24 Численное исследование влияния концентрации пыли, зольности, 54 влажности, удельных энергозатрат на ТХПТ
Глава 3 Математическое моделирование процессов ТХПТ с учетом 59 движения, нагрева и кинетики термохимических превращений полидисперсных угольных частиц
31 Исходные данные для математического моделирования, расчет 59 теплофизических коэффициентов для математического моделирования кинетики термохимических превращений углей
32 Система уравнений математической модели движения, нагрева и 63 газификации полидисперсных угольных частиц в потоке окислителя, взаимодействующего с электрической дугой
33 Алгоритм и методика расчета по программе «ПЛАЗМА-УГОЛЬ-З»
34 Результаты кинетических расчетов для различных энергетических 80 углей
35 Исходные данные для проектирования плазменно-угольной горелки 87 котла «TAVICI» (ТЭС «Вояны», Словакия)
Выводы по диссертации
Введение:
Подавляющее большинство долгосрочных прогнозов мирового топливного баланса подтверждают, что уголь останется наиболее значительным из доступных невозобнавляемых источников энергии до 2050 г. [1]. По прогнозам АО «Информэнерго» РАО «ЕЭС России» мировые запасы угля оцениваются в 1 триллион тонн [2]. При увеличении мирового потребления угля примерно на 2 % в год, запасов угля хватит на 228 лет. Для сравнения, природного газа хватит на 65 лет, а нефти на 43 года. При этом цены на уголь, в отличие от цен на нефть и газ, отличаются высокой стабильностью [1]. В 1999-2000 гг. цена на мазут за год на внутреннем рынке России возросла почти в 3 раза [3]. Внедрение современных технологий позволяет увеличить глубину переработки нефти до 85 %. В результате сократится производство топочного мазута, что способствует повышению его стоимости и ухудшению качества. До 23 % общего количества расходуемого на ТЭС России топочного мазута используется на пылеугольных ТЭС в основном для подсветки факела и растопки котлов [4].
Уголь является одним из основных источников электроэнергии. Более 38 % электроэнергии в мире вырабатывается на угле. Только в США установленная мощность пылеугольных ТЭС составляет 250 млн. кВт [5]. В 1998 г. на этих ТЭС сожгли 854 млн. т. угля, а доля угля в производстве электроэнергии достигла 57 %, в то время как в нашей стране - только 26 %. Баланс мирового потребления топлив приведен в таблице 1 по данным [1].
Таблица 1
Мировой топливный баланс
Годы Миллионы тонн условного топлива
Топливо 1990 2000 2010 2020
Уголь 3142 3610 4199 5645
Нефть 4582 5455 6346 7665
Природный газ 2422 2605 2813 4035
Прочие 1767 1650 1533 1629
Итого 11913 13320 16803 21466
Из таблицы 1 видно, что в 2020 г. потребление угля может вырасти на 56 % по сравнению с 2000 г. По оценкам отечественных и зарубежных экспертов [6] потребление угля на ТЭС будет повышаться более высокими темпами, чем потребление органических топлив в целом. Рост мировых цен на нефть влечет за собой увеличение стоимости мазута на внутреннем рынке России. Увеличение глубины переработки нефти ведет к повышению стоимости топочного мазута и к уменьшению его производства.
РАО «ЕЭС России» предложило снизить поставку газа ОАО «Газпром» на ТЭС РАО «ЕЭС России» на 30 миллиардов м3 в 2002-2003 гг. с заменой его дефицитным мазутом или твердым топливом. Эта замена будет эквивалентна недовыработке 11% электроэнергии, по сравнению с 1999 годом. Покрыть этот дефицит можно только увеличением доли угля в топливном балансе ТЭС [3]. Увеличение поставок твердого топлива на ТЭС приведет к увеличению потребности в мазуте для стабилизации горения факела в работающих на угле котлах и их растопки примерно на 1 млн. т. [3].
При совместном сжигании угля и мазута с различными избытками воздуха (1,1-7-1,5 соответственно) ухудшаются эколого-экономические показатели котлов: на 10-15 % повышается мехнедожог топлива и на 2-5 % снижается КПД-брутто котлов, возрастает скорость высокотемпературной коррозии экранных поверхностей и снижается надежность эксплуатации котельного оборудования; на 30-40 % увеличивается выход оксидов азота и серы; появляются выбросы пятиокиси ванадия [7]. Ситуация обостряется в связи с ухудшением качества поставляемых на ТЭС углей: увеличивается их зольность и влажность, понижается теплота сгорания и выход летучих. Калорийность углей, используемых на пылеугольных ТЭС, ниже проектной на 15-30 % [8]. По этой причине большинство ТЭС работает на непроектном топливе, в связи с чем снижается устойчивость горения факела и растет потребность в жидких и газообразных топливах для его подсветки.
Стратегия развития отечественной энергетики на протяжении последних лет базировалась на увеличении доли газа в топливном балансе. Увеличение доли угля в топливном балансе в свою очередь требует разработки и внедрения энергетически эффективных и экологически чистых технологий его использования. Поэтому интерес исследователей и разработчиков к этой проблеме не ослабевает [9-25].
Газификацию углей в последних работах [2,6,7,10,16-48] рассматривают как один из наиболее перспективных методов повышения эффективности топливоиспользования и существенного снижения вредных выбросов (оксидов азота, серы и летучей золы).
Использование плазменной технологии безмазутного воспламенения углей позволяет снизить количество мазута, используемого для растопки и подсветки котлов, повысить реакционную способность низкосортных углей, а также увеличить технико-экономические показатели пылеугольных электростанций [10, 24-26]. Ужесточение экологических нормативов по выбросам вредных веществ с уходящими газами котельных установок вызывает необходимость снижения доли мазута в топливном балансе пылеугольных ТЭС и дальнейшее совершенствование факельного сжигания пылеугольного топлива. Предельно допустимая концентрация (ПДК) для SO2 и золы установлены 0,5 мг/м3; для N02 - 0,085 мг/нм3 [21]. Эти обстоятельства привели к необходимости поиска новых технологий сжигания низкосортных твердых топлив с целью использования их при создании высокоэффективных экологически чистых ТЭС на твердом топливе [6, 22]. Создание экологически чистой ТЭС позволит решить вопрос широкого вовлечения низкокачественных углей в топливный баланс страны. При этом необходимо существенно снизить вредные выбросы золы (в 4-5) раз, окислов серы и азота в 3-4 раза при соответствующем повышении эффективности энергетического оборудования. Разные конструктивные решения: сжигание в топке с кипящим (стационарным и циркулирующим) слоем; снижение температур в топочных камерах за счет более полного использования ее объема; организация процессов сжигания твердого топлива с переменным коэффициентом избытка воздуха по высоте топочной камеры; впрыск воды в топочную камеру в зону повышенных температур снижают среднемассовую температуру в топочном пространстве и приводят к уменьшению скорости образования токсичных окислов. Однако, предлагаемые решения вступают в противоречие или с экономикой, так как снижение температур в топке уменьшает теплонапряженность топки, и, соответственно, существенно ухудшаются экономические параметры энергетических блоков, или с экологией, как это имеет место в топках со стационарным кипящим слоем, когда из-за значительного механического недожога в окружающую среду выбрасывается мелкодисперсная пыль.
Существующие технологии, повышающие эффективность топливоиспользования: реконструкция горелочных устройств, раздельное и смешанное сжигание угля и подсветочного топлива (мазута ил природного газа), высокий подогрев воздуха и пылевоздушной смеси, уменьшение тонины помола ведут к увеличению расхода электроэнергии на подогрев и на помол угля и не отвечают современным требованиям повышения эффективности топливоиспользования и обеспечения эколого-экономических показателей энергообъектов.
Вытеснение мазута и природного газа из топливного баланса пылеугольных ТЭС путем замещения их низкосортными углями, рошедшими термохимическую подготовку является наиболее актуальной проблемой теплоэнергетики. Наибольший интерес среди технических решений, направленных на повышение эффективности и экономичности процессов газификации и воспламенения угольной пыли, вызывают методы, использующие низкотемпературную плазму. Плазменно-энергетические технологии, базирующиеся на предварительной термохимической подготовке топлив (ТХПТ) к сжиганию, перспективны как в технико-экономическом, так и в экологическом отношении [29-36, 55, 56]. Экономический эффект от перевода мазутных котельных на пылеугольное топливо в значительной степени связан со снижением стоимости топлива. Улучшение экологических показателей произойдет вследствие снижения объемов сжигания высокосернистого мазута и освоения новых экологически чистых энергетических технологий на основе использования низкотемпературной плазмы. Устройства с плазменным источником обладают высоким термическим КПД, характеризуются высокой концентрацией энергии и химически активных центров, многократно ускоряющих процессы термохимических превращений угля и окислителя, в результате чего имеет место более полное и более быстрое выгорание факела.
Однако развитие и распространение плазменных методов в значительной мере сдерживается отсутствием математических моделей, которые позволили бы проводить сравнительный качественный анализ эффективности различных технологий до постановки весьма трудоемких и дорогостоящих экспериментов. До сих пор достаточно точно не описан механизм, обусловливающий повышение реакционной способности топлив после ТХПТ и снижение энергозатрат при использовании плазменных технологий.
В связи с вышеизложенным основными целями диссертационной работы являются:
1. Термодинамическое моделирование процессов термохимической подготовки различных энергетических углей к сжиганию на тепловых электрических станциях (ТЭС) с использованием плазменных источников.
2. Математическое моделирование процессов термохимической подготовки топлива в горелочных устройствах с плазменным источником с учетом движения, нагрева и кинетики термохимических превращений полидисперсных угольных частиц в газах-окислителях для получения количественных закономерностей процесса ТХПТ.
3. Использование результатов численного исследования процессов ТХПТ для проектирования систем плазменного воспламенения (СПВ) и разработки исходных данных для проведения промышленных испытаний плазменно-угольных горелок на ТЭС.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и 3-х приложений.
