Динамика горения углей в кипящем слое под давлением  

Топал А.И., Провалов А.Ю. 

Институт угольных энерготехнологий НАН и МинТопЭнерго Украины, Киев, Украина

Сжигание угля в кипящем слое под давлением (КСД) является одной из наиболее перспективных угольных энерготехнологий, на основе которой возможно создание парогазовых установок (ПГУ) на твердом топливе с КПД нетто более 45%. Кроме того, применение этой технологии обеспечивает существенное уменьшение выбросов оксидов серы и азота в окружающую среду до 150 мг/нм³.

Сжигание угля по КСД технологии в значительной степени проработано для высокореакционных каменных углей, используемых на КСД-блоках ТЭС (Западная Европа, США, Япония), количество которых с каждым годом увеличивается. Опыта работы с низкореакционными высокозольными топливами, такими как украинские антрациты и тощие угли, практически не имеется даже у западных фирм. Доступная информация о характере процесса выгорания твердого топлива под давлением, которая необходима для разработки и эксплуатации топочных устройств, крайне ограничена. Об отечественных разработках в данной области сведения практически отсутствуют.

Экспериментальные исследования с целью выработки практических рекомендаций по возможной адаптации данной технологии к украинским низкореакционным высокозольным углям были направлены на изучение динамики выгорания угольных частиц и характера тепловыделения при их выгорании под давлением, а также на определение влияния повышения давления на время выгорания частиц угля.

Исследования проводились на созданной в Институте угольных энерготехнологий (ИУЭ) лабораторной установке по изучению динамики горения угля в КСД (РСК-2-Д) в диапазоне давлений от 0.1 до 2.5 МПа при температуре до 1250 ⁰С. Основу установки составляет вертикальная трубчатая печь с помещенным внутрь реактором высокого давления, выполненным из жаропрочной стали.

В качестве объектов исследования при проведении экспериментов были выбраны основные энергетические угли, поставляемые на ТЭС Украины: антрацитовый штыб (АШ), донецкий тощий (ДТ), донецкий газовый (ГСШ), львовско-волынский газовый (ЛВ-Г).

В ходе экспериментов устанавливались требуемая температура и давление в реакторе, а также расход газа-реагента, который выбирался, исходя из условия псевдоожижения частиц угля исследуемого образца.

При измерениях обеспечивались непрерывные контроль и запись данных в виде зависимостей от времени температуры внутри реактора Т=f(t) (динамическая кривая выгорания) и компонентного состава отходящих газов [CO, CO₂]=g(t). Исследования по динамике выгорания  в КСД проводились при соотношении зола : уголь = 3 : 1 (иногда 5 : 1). Размер частиц золы соответствовал размеру частиц угля.

Исследования  показали, что динамические кривые АШ и ДТ имеют один экстремальный участок, соответствующий выгоранию коксового остатка. Увеличение давления в системе ведет к резкому изменению характера тепловыделения в реакционной зоне за счет увеличения скорости взаимодействия углерода кокса с кислородом воздуха. Рост давления в реакторе приводит к увеличению максимально достижимого уровня температур, максимальная температура достигается за более короткий промежуток времени. Динамические кривые ГСШ имеют два экстремальных участка: первый соответствует выгоранию летучих, а второй – коксового остатка. Величина пика первого участка постепенно снижается по мере повышения давления в реакторе. Кривые выгорания угля ЛВ-Г содержат дополнительный пик между участками выгорания летучих и коксового остатка, соответствующий выгоранию смоляного кокса.

Полученные результаты для времени выгорания для угольных частиц были обобщены в виде эмпирической зависимости:

t = t₀ (P₀/P)ⁿ,

где t – время выгорания, с; t₀ – время выгорания частиц заданного размера при атмосферном давлении Р₀; Р₀ = 101,3×10³ Па; Р – давление в зоне реакции, Па.

Значения эмпирических коэффициентов t₀ и n найдены для всех типов исследуемых в данной работе углей.

Выводы: Рост давления в системе интенсифицирует процесс выгорания угольных частиц в реакторе кипящего слоя за счет увеличения скорости взаимодействия углерода с кислородом воздуха. С повышением давления съем мощности с единицы площади слоя увеличивается, что позволяет уменшить габариты топочной камеры и, следовательно, уменьшить металлоемкость реактора с КСД.

Полученные результаты и эмпирические зависимости планируется использовать при создании инженерных методик расчета топочных камер для опытно- промышленных реакторов КСД.