Принципы и алгоритм расчета термической подготовки топлива

Принципы и алгоритм расчета термической подготовки топлива

В главе 1 было показано, что получение экологически чистого топлива из угля - актуальная задача и, что одним из наиболее эффективных способов ее решения является предварительная термическая подготовка угля, которая может осуществляться по двум технологическим схемам - с использованием тепла газообразного или жидкого топлива, либо с использованием тепла высокореакционного угля (например КАУ). В результате в топку котла вводится газовзвесь, полученная путем подогрева основного (рабочего) топлива. Физико-химической основой такой подготовки является характерная особенность твердых топлив, заключающаяся в их слабой термической устойчивости. Уже при 100О С кислородосодержащие группы разрушаются с выделением в газовую фазу СО, СО2, Н2О, а при температурах выше 250О С - преимущественно водородосодержащие и Н2О. Однако процессы термодеструкции твердого топлива сложны и недостаточно изучены и детальное описание физико-химических преобразований, которые претерпевает твердое топливо под воздействием температуры, как правило, не приводит к сколь-нибудь заметному уточнению параметров получаемого продукта и неоправданно усложняет с инженерной точки зрения расчеты. В то же время, при решении задач подобного рода, необходимо опираться на модели пригодные для инженерных расчетов.

В настоящей работе предлагаются определяющие принципы и сущность математического подхода, на основе которого разработан алгоритм инженерного расчета для термоциклонного предтопка смешивающего типа, в котором подогрев рабочей массы топлива производится за счет сжигания его части.

Как уже отмечалось, сущностью термической подготовки топлива является предварительный подогрев пыли перед ее сжиганием в топке котла до высоких температур (600...800 ОС) в специальном предтопке (рис.1.2). Весь процесс длится 0,5...2 секунды, причем прогрев и выход летучих происходит почти мгновенно, в доли секунды, а в остальное время - частичная газификация коксового остатка. В целом термоподготовка позволяет обеспечить раннее воспламенение и достаточно глубокое выгорание угольной пыли на начальном участке горелочных устройств за счет содержания в получаемой газовзвеси легко воспламеняющихся горючих летучих веществ. Качественный состав образующегося двухфазного продукта во многом зависит от кинетики физико-химических преобразований, которые претерпевает твердое топливо. Однако получение универсальных, обобщающих кинетических зависимостей пиролиза и газификации углей затруднено и часто справедливо только для конкретных условий реагирования. Это связано с большим разнообразием свойств и сложностью строения твердых топлив. Даже химически чистые, то есть состоящие практически из одного углерода, материалы существенно различаются по кристаллохимическому строению, типу, размеру пор, характеру их распределения и т. д. Более того, большинство твердых топлив в процессе реагирования изменяют свои свойства в широких пределах из-за изменения величины реакционной поверхности, неоднородности как качественного состава вещества, так и его структуры, нестационарности процесса и т. п. В общей сложности механизм физико-химических преобразований насчитывает более 50 реакций.

С другой стороны, для получения математической модели с приемлемой для инженерных расчетов точностью может оказаться достаточным учет определяющих термоподготовку реакций выхода летучих и частичной газификации. Эти реакции предложены ниже.

Выход летучего метана определяется взаимодействием углерода угля с освободившимся в результате нагрева водородом угля:

С + 2Н2 ® СН4 + 6,2 МДж/кг.

Выход летучей двуокиси углерода определяется горением углерода при взаимодействии с освободившимся кислородом угля:

С + О2 ® СО2 + 32,7 МДж/кг.,

и в дальнейшем процессе затратами СО2 на частичную углекислотную газификацию углерода с образованием СО:

С + СО2 ® 2СО - 14,4 МДж/кг.

Кроме того, выход летучей окиси углерода определяется окислением углерода угля кислородом, с учетом предыдущих затрат кислорода на реакцию горения:

С + О2 ® 2СО + 9,4 МДж/кг.

Также, следует учитывать испарение влаги и, в связи с этим, частичную паровую газификацию углерода полукокса:

С + 2Н2О ® СО + Н2 - 10,3 МДж/кг.

Кинетические параметры реакций Таблица 2.1

Реакции	k0, с-1	Е, кДж/кмоль
Выход топливного СО	СОТОПЛ ® СО	2×1012	186×103
Выход топливного СО2	СО2ТОПЛ ® СО2	2×1011	137×103
Выход метана из топлива	СН4ТОПЛ ® СН4	1,6×1014	216×103
Паровая газификация полукокса	С+Н2О ® СО+Н2	2×1011	255×103
Углекислая газификация полукокса	С+СО2 ® 2СО	1,6×1013	350×103
Горение угля (КАУ)		3×103 м/с	84×103
Горение газа		5,6×1012 м/с	104×103

Кроме того, приближенность моделирования процесса обусловливается допущением, что горение инициирующего топлива происходит в однородной среде без смешения с потоком реагирующего рабочего угля, динамика процесса горения определяется в основном константой скорости реакции и соответствующей энергией активации. При этом термическим сопротивлением угольных частиц как рабочего, так и инициирующего угля можно пренебречь, так как критерий Fo > 5 и критерий Bi < 0,5, то есть конвективный теплообмен от газа к угольной частице является определяющим по сравнению с переносом теплоты внутри частицы.

С учетом вышеизложенного, концентрации компонентов газовзвеси можно определить в соответствии с законом Аррениуса как:

, (2.59)

где - предэкспоненциальный множитель константы скорости выхода компонентов и соответствующая энергия активации в j-ой термохимической реакции (табл. 2.1); ТУ - температура частицы; R - универсальная газовая постоянная; - начальная концентрация компонентов.

Решение уравнения имеет вид:

. (2.60)

Таким образом, выход метана в составе летучих, кг/кг:

, (2.61)

где НУ - содержание водорода в угле.

Выход СО2 в составе летучих, кг/кг:

, (2.62)

где ОУ - содержание кислорода в угле.

Выход СО в составе летучих, кг/кг:

. (2.63)

Выход водорода в составе летучих определяется с учетом затрат на образование метана, кг/кг:

. (2.64)

Общий выход летучих:

. (2.65)

Выход СО при паровой газификации определяется с учетом затрат углерода на реакции выхода летучих, кг/кг:

. (2.66)

Выход СО при углекислой газификации определяется с учетом затрат углерода на паровую газификацию, кг/кг:

(2.67)

Выход углерода полукокса в газовзвеси определяется как остаточный углерод после протекания всех реакций, кг/кг:

. (2.68)

В этих уравнениях m - мольные концентрации веществ соответствующих реакций.

Испарение влаги из угольных частиц определяется как:

, (2.69)

где Tr - температура испарения; ТГ - температура газовзвеси; lГ - коэффициент теплопроводности газовзвеси; W - влажность угольных частиц; WH - влажность угольных частиц на входе в подогреватель; - кинетические коэффициенты сушки. Решение уравнения имеет вид, кг/кг:

, (2.70)

где Nu - критерий Нуссельта;

lГ - коэффициент теплопроводности газовзвеси; gУ, d0 - плотность и размер частиц рабочего топлива; r - теплота испарения.

Материальные балансы по составу газовзвеси выглядят следующим образом, кг/кг:

по пару - ; (2.71)

по СО - ; (2.72)

по СО2 - ; (2.73)

по водороду - . (2.74)

Кроме того, выход двуокиси серы определяется реакцией ее окисления (), выход золы и азота принимается равным их начальному содержанию в рабочем угле.

Таким образом представлена приближенная физическая модель процесса и ее определяющие принципы. При этом на входе в предтопок (рис.1.2) газовзвесь (аэропыль) характеризуется объемом () и температурой (). Температура горящего топлива () определяет в зависимости от критерия Больцмана среднетопочную плотность излучения и принимается равной эффективной температуре (). По мере продвижения газовзвеси по предтопку происходит выход летучих и образование продуктов двухфазного топлива с ростом температуры составляющих его газов () и твердых частиц (). Полученное таким путем двухфазное топливо имеет высокую температуру, обеспечивающую режим самовоспламенения и высокую реакционную способность, в несколько раз превышающую начальную реакционную способность рабочего угля.

Ниже предложена математическая модель развития процесса.

Система уравнений, характеризующая процесс термоподготовки при использовании в качестве инициирующего топлива высокореакционного угля, выглядит следующим образом:

(2.75)

где - время протекания процесса; ТТ - температура горения топлива; - коэффициенты и характеристические функции, зависящие от физико-химических свойств топлива, констант скорости и энергий активации протекающих химических реакций.

Процесс увеличения температуры газовзвеси () учитывает тепло, полученное излучением от горящего топлива, энтальпию газовзвеси, тепло, переданное угольным частицам конвекцией. Изменение температуры угольной частицы () определяется с учетом получения тепла излучением от горящего топлива, конвективной теплоотдачи, потерь тепла на испарение влаги, эндотермического и экзотермического эффектов реакций газификации и выхода летучих. Температура горения () определяется с учетом теплотворной способности инициирующего топлива и тепла, переданного излучением газовзвеси. На основании вышеизложенного, в системе уравнений (2.75) коэффициенты a определяются как:

(2.76)

а характеристические функции f как:

(2.77)

В этих уравнениях:

Nu - критерий Нуссельта;

- коэффициент теплопроводности газовзвеси;

- плотность, размер и теплоемкость частиц рабочего топлива;

- плотность, размер и теплоемкость частиц инициирующего топлива;

- теплоемкость летучих и водяных паров;

- средняя теплоемкость газовзвеси;

- радиационные коэффициенты теплоотдачи к газовзвеси и частицам;

r - теплота испарения;

- эндотермический и экзотермический эффекты газификации соответствующих реакций;

- энтальпия пара частичной паровой газификации и мольные концентрации веществ соответствующей реакции;

- низшая теплота сгорания инициирующего угля в пересчете на сухую массу;

- характеристические функции образования двуокиси углерода, выхода летучих, испарения влаги и частичной паровой газификации;

- массовая концентрация инициирующего топлива;

- количество сгоревшего инициирующего топлива;

- эффективная кинетико-диффузионная константа скорости горения;

VСМ, VТ - средний объем газовзвеси и объем продуктов горения инициирующего топлива.

В случае использования в качестве инициирующего топлива природного газа, уравнение, характеризующее его горение (в системах уравнений 2.75...2.77) примет вид:

, (2.78)

где первое слагаемое характеризует выгорание газа (тепловыделение при выгорании), второе - перенос теплоты рабочему топливу. Здесь rГ - плотность инициирующего газа; сТ - теплоемкость продуктов сгорания; QТ - теплота сгорания газа; yУ - поверхность частиц 1 кг угля; сСМ - теплоемкость смеси.

Решение системы (2.75) с использованием преобразований Лапласа будет иметь вид:

(2.79)

где и - начальная температура рабочего и инициирующего топлива на входе в подогреватель.

Расход инициирующего топлива определяется энергобалансом (рис.2.3) как:

(2.80)

Рис. 2.3. Энергетический баланс термоциклонного предтопка

где - тепловая мощность на выходе из предтопка, учитывающая физическое тепло газовзвеси и теплоту сгорания ее горючих веществ; - тепловая мощность на входе в предтопок, учитывающая теплоту сгорания рабочего топлива и физическое тепло подводимого пара для частичной паровой газификации.

На основе предложенной математической модели разработан алгоритм инженерных расчетов процесса термоподготовки в термоциклонном предтопке, который используется в вычислительном комплексе, имитирующем работу энерготехнологического блока ТЭС.