Определение оптимальных форм и режимных параметров плазменного факела для минимизации энергии зажигания и стабилизации воспламенения углей

В Забайкальском крае активно используются бурые угли местных месторождений, а также бурые угли, добываемые в Республике Бурятия. Однако за последнее время качество используемого в регионе угля резко сократилось. Ухудшение качества угля характеризуется увеличением влажности (до 40 %), повышением зольности и уменьшением теплоты сгорания [1-3]. Сжигание таких углей на станции традиционным способом приводит к увеличению ко- личества дорогостоящего мазута для растопки котлов и стабилизации процесса горения пылеугольного факела. Это приводит к увеличению эксплуатационных расходов и ухудшает экологические показатели, которые в данном регионе и так находятся на очень низком уровне [4-6].

Одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности сжигания низкосортных углей является применение плазменных технологий термохимической подготовки топлива (ТХПТ) [7–9]. Воздействие струи низкотемпературной плазмы на пылеугольную аэросмесь интенсифицирует процессы пиролиза, выход летучих и частичную газификацию коксового остатка, что позволяет перевести уголь в высокореакционное состояние.

Такой метод сжигания угля наиболее эффективен в сравнении с традиционной методикой (с применением мазута) за счет увеличения эффективности сжигания угля, которое обеспечивается более полным сгоранием пылеугольной смеси, что снижает процент механического недожога, который как следствие, приводит к улучшению надежности и безопасности эксплуатации оборудования на ТЭС. Также данная технология позволяет снизить количество вредных выбросов и увеличивает экологические показатели [10–12].

Ключевым фактором, определяющим эффективность плазменной активации, является геометрия плазменного факела. Данная характеристика влияет на характер смешения высокотемпературной струи с холодной аэросмесью, на теплообмен и кинетику химических реакций [13, 14]. В зависимости от того, какой именно плазмотрон используется, прямоточный или вихревой, степень влияния может отличаться. В работах [15, 16] показано, что вихревые плазмотроны обеспечивают более равномерный прогрев топливной смеси. Однако без оценки влияния формы факела на энергию зажигания и стабильность фронта воспламенения при сжигании различных видов используемых в регионе углей невозможно повсеместно внедрять и применять технологию ТХТП на предприятиях Забайкальского края.

Цель настоящей работы – определить оптимальные формы и режимные параметры плазменного факела, обеспечивающие минимизацию энергии зажигания и максимальную стабилизацию фронта воспламенения для углей Забайкалья.

Материалы и методы исследования

Характеристика исследуемых углей

Для определения оптимальных форм и параметров плазменного факела исследования проводились для четырех самых основных угольных месторождений, используемых на тепловых электрических станциях Забайкальского края, а именно Харанорский, Татауровский, Ур-туйсий и Окино-Ключевской. Основные теплотехнические характеристики этих углей приведены в таблице 1.

Таблица 1 Теплотехнические характеристики исследуемых углей

Уголь	Зольность Ad, %	Выход летучих Vdaf, %	Влажность Wr, %	Низшая теплота сгорания Qr, ккал/кг
Харанорский	13,2	44,0	40,0	2 719,3
Татауровский	10,7	45,0	33,0	3 508,7
Уртуйский	8,8	40,5	29,5	4 019,8
Окино-Ключевской	20,0	40,5	21,5	4 180,0

Размер частиц помола, для каждого из приведенных выше углей, соответствовал типичному для пылесистем тепловых электрических станций Забайкальского края: R 90 = 40–65 %, R 200 = 16–32 %, R 1000 ≈ 1 % содержание фракции менее 71 мкм достигало 24–50 % в зависимости от типа мельницы. Для определения оптимальных параметров концентрация угольной пыли в аэросмеси варьировалась в пределах от 0,4 до 0,8 кг/кг с шагом 0,2.

Исследования проводились в два этапа: эксперимент и математическое моделирование. На лабораторном стенде экспериментально была определена форма факела для вихревого и прямоточного плазмотронов. На этапе математического моделирования полученная форма факела была описана уравнением, а затем, используя полученное уравнение, определяли оптимальные параметры для вихревого и прямоточного плазмотронов при сжигании различных видов углей (приведенных в табл. 1).

Экспериментальный стенд

Исследования проводились на лабораторном стенде (рис. 1), который включает в себя следующие системы:

• -    систему подачи воздуха с частотным регулированием;

• -    плазмотроны (прямоточный и вихревой);

• -    систему измерения давлений (микроманометры) и температур (термопары, тепловизор);

• -    систему визуализации потока (PIV, высокоскоростная камера Evercam с частотой 2690 кадр/с).

Рисунок 1 – Лабораторный стенд

На лабораторном стенде моделировались параметры, приближенные к параметрам при фактическом сжигании пылеугольной смеси плазменно-топливными системами (ПТС). Благодаря исследованию на данном стенде удалось определить фактическую форму факела для вихревого и прямоточного плазмотронов. Это дало нам возможность перейти к математической модели формы факела для дальнейшего моделирования процессов и определения оптимальных параметров с использованием программных систем и комплексов.

Форма факела регистрировалась методом высокоскоростной фотофиксации. При проведении эксперимента выяснилось, что как для вихревого, так и для прямоточного плазмотронов форма факела аппроксимирована кардиоидой. Также замерялось значение длины факела, которое составило 1,8–2,0 м у вихревого плазмотрона, что почти в два раза больше, чем длина прямоточного плазмотрона 0,9–1,1 м.

Математическое моделирование

Математическое моделирование включало в себя два этапа: математический расчет и термодинамический анализ.

Расчеты выполнены в модифицированной программе «ПТС Аэро» с интегрированными геометрическими моделями факела [17], включающую в себя несколько систем:

• -    систему одномерных уравнений сохранения массы, импульса и энергии для двухфазной реагирующей среды;

• -    кинетическую схему, включающую 116 реакций (выход летучих, газификация кокса, газофазное окисление) [18];

• -    геометрические модели факела, определяющие закон подмешивания холодной аэросмеси.

Для термодинамического анализа равновесного состава продуктов использовался программный комплекс TERRA [19]. При проведении расчетов в программе «ПТС Аэро» удалось выяснить, что с увеличением мощности плазмотрона со 120 до 200 кВт расход воздуха увеличивается в 1,7 раза, а температура - в 1,4 раза. При увеличении концентрации пыли в аэросмеси с 0,4 до 0,8 кг/кг расход воздуха и аэросмеси уменьшается в 2 раза.

Оценка верификации модели для каждого физического опыта производилась по следующим критериям: средняя абсолютная ошибка (MAE); среднеквадратичная ошибка (RMSE); коэффициент корреляции Пирсона (R); коэффициент детерминации (R2).

Погрешность экспериментальных измерений расчетных и физических параметров перепада давления составила 7,2 %, скорости потока – 5 %. Метрики MAE и RMSE не превышают 0,5 как для пьезометрической линии, так и для профиля скорости, метрики R и R2 не отклоняются от значения 1 более чем на 0,01.

Расчетные значения погрешности свидетельствуют о том, что результаты, полученные экспериментальным путем, сопоставимы с результатами, полученными с помощью математического моделирования, что свидетельствует о высоких показателях проводимых исследований.

Результаты исследования и их обсуждение

Влияние формы факела на энергию зажигания

Для того чтобы оценить энергию зажигания пылеугольной смеси вихревого и прямоточного плазмотронов, важно было определить, при каких минимальных мощностях плазмотронов достигается устойчивое воспламенение аэросмеси и какова при этом концентрация пыли в этой аэросмеси.

Проанализировав данные, полученные при расчетах для прямоточного и вихревого плазмотронов, выяснили, что как для первого, так и для второго при концентрации 0,4 кг/кг, независимо от мощности плазмотрона, процесс горения не происходил. У прямоточного плазмотрона при концентрации 0,6 и 0,8 кг/кг значения температур горения и выделенной мощности отличались незначительно, в то время как у вихревого плазмотрона эти показатели при концентрации 0,6 кг/кг были выше, чем при концентрации 0,8 кг/кг.

Для вихревого плазмотрона при концентрации 0,6 кг/кг значение температуры горения почти в 1,5 раза превышало температуру на тех же параметрах, что и у вихревого плазмотрона. Выделенная мощность при этом у вихревого плазмотрона также превышала значения прямоточного при аналогичных параметрах на 300–15000 кВт (в зависимости от мощности плазмотрона). При показателе концентрации 0,8 кг/кг значения температур и мощностей в вихревом плазмотроне были немного ниже, чем у прямоточного плазмотрона.

Вихревой плазмотрон по значениям температуры и выходной мощности был значительно эффективнее, чем прямоточный при концентрации пыли 0,6 кг/кг. Однако при концентрации 0,8 кг/кг прямоточный плазмотрон обладал чуть лучшими параметрами на выходе, чем вихревой плазмотрон, но не в значительной мере.

Сделаны следующие выводы: для прямоточного плазмотрона устойчивое воспламенение низкореакционных углей (Харанорский) достигалось только при С = 0,8 кг/кг и мощности не менее 150 кВт, а для вихревого плазмотрона – уже при С = 0,6 кг/кг и мощности 120 кВт. Сравнительные данные по всем углям приведены в таблице 2.

Таблица 2 Минимальная мощность плазмотрона (кВт) для устойчивого воспламенения

Уголь	Тип плазмотрона
	прямоточный		вихревой
	кВт	кВт·ч/м³	кВт	кВт·ч/м³
Харанорский	150	0,043	120	0,036
Татауровский	120	0,036	100	0,030
Уртуйский	100	0,030	90	0,027
Окино-Ключевской	100	0,030	90	0,027

Использование вихревого плазмотрона позволило снизить количество энергии, необходимой для зажигания пылеугольного факела и стабилизации его горения на 20–30 % по сравнению с прямоточным. Это происходило за счет того, что площадь контакта плазменной струи с холодной аэросмесью у вихревого плазмотрона увеличилась в 2–3 раза, а время смешения сократилось на 30–40 %. Все это подтверждается расчетами и согласуется с результатами [15].

Стабилизация фронта воспламенения

Стабильность фронта воспламенения оценивалась по равномерности температурного поля и отсутствию срывов горения при варьировании режимных параметров. Для вихревого плазмотрона максимум температуры газа достигается на участке 0,5–1,0 м, после чего происходит выравнивание температур газа и частиц на уровне ~1100 К к выходу из муфеля. Более равномерный прогрев обеспечивает устойчивое воспламенение без пульсаций фронта пламени. Для прямоточного плазмотрона характерна выраженная неравномерность: центральная зона перегревается (до 2100 К), а периферийные слои остаются холодными, что приводит к нестабильности горения (рис. 2).

—•— Прямоточный

—•— Вихревой

Рисунок 2 – Расчетные зависимости температуры газовой фазы и частиц угля по длине плазменно-топливной системы для вихревого и прямоточного плазмотронов (мощность 120 кВт, C = 0,6 кг/кг, Уртуйский уголь)

Степень газификации углерода для вихревого плазмотрона при C = 0,6 кг/кг и мощности 120 кВт составила 17–22 % в зависимости от марки угля, что на 20–25 % выше, чем для прямоточного. Для низкореакционного харанорского угля максимальная степень газификации достигала при C = 0,6 кг/кг и мощности 120 кВт. Увеличение мощности выше 150 кВт не приводило к существенному росту выхода горючих компонентов, но увеличивало удельные энергозатраты.

Оптимальные режимные параметры для углей Забайкалья

На основе проведенных исследований были определены оптимальные параметры работы вихревой плазменно-топливной системы для углей региона:

• -    концентрация пыли в аэросмеси: 0,6 кг/кг;

• -    мощность плазмотрона: 120–150 кВт;

• -    расход аэросмеси: 2800–4200 м³/ч;

• -    скорость потока в основном канале: 7–15 м/с.

Эти параметры обеспечивали минимальную энергию зажигания (90–120 кВт) и максимальную стабильность фронта воспламенения при сжигании всех исследованных углей. Отклонение от оптимальной концентрации пыли (0,4 кг/кг и ниже) приводили к недогреву смеси и невозможности воспламенения; при C > 0,8 кг/кг наблюдался дефицит кислорода для газификации кокса.

Полученные результаты согласуются с выводами работ [15, 16, 20], где также отмечается повышение эффективности плазменной обработки при использовании вихревых плазмотронов. Особенности аэродинамики запыленных потоков, рассмотренные в [20], подтверждают снижение времени смешения при закрутке потока.

Заключение

В результате комплексного исследования определены оптимальные формы и режимные параметры плазменного факела для минимизации энергии зажигания и максимальной стабилизации фронта воспламенения углей Забайкальского края. Основные выводы:

• 1.    Вихревая конструкция плазмотрона, формирующая конусообразный факел с развитой поверхностью контакта, обеспечивает снижение требуемой мощности для устойчивого воспламенения на 20–30 % по сравнению с прямоточным плазмотроном.

• 2.    Для всех исследованных углей оптимальная концентрация пыли в аэросмеси составляет 0,6 кг/кг, мощность плазмотрона – 120–150 кВт. При этих параметрах степень газификации углерода достигает 17–22 %, а выравнивание температуры газа и частиц происходит на длине 1,5–2,0 м.

• 3.    Вихревой плазмотрон позволяет сократить время смешения на 30–40 %, что способствует равномерному прогреву аэросмеси и исключает пульсации фронта пламени.

• 4.    Полученные результаты являются научной основой для проектирования энергоэффективных систем безмазутного розжига на тепловых электростанциях Забайкальского края.