Глава IX. Плазменное воспламенение пылеугольных потоков2

Доля энергетических углей в мировой теплоэнергетике составляет более 40 % от всего сжигаемого твердого топлива и в дальнейшем будет возрастать за счет сокращения потребления на тепловых электростанциях (ТЭС) дефицитного мазута и природного газа.

В мировой и отечественной теплоэнергетике при растопке пылеугольных котлов и стабилизации (подсветке) горения аэросмеси (уголь + воздух) ис­пользуют природный газ или топочный мазут. Стоимость последнего составляет 150...200 долларов США за 1т, тогда как стоимость угля в 5-8 раз ниже. По данным РАО «ЕЭС России» на ТЭС ежегодно сжигают более 5 млн т мазу­та. Повсеместное снижение качества энергетических углей (высокая золь­ность- 40...50 %, повышенная влажность - 30...40, низкий выход летучих -5...15 %) требуют увеличения расхода мазута на тепловых станциях из-за ухудшения воспламенения и выгорания топлива.

Совместное сжигание в топке угля и обладающего более высокой реак­ционной способностью мазута ухудшает экономические и экологические пока­затели котлов: на 10...15 % повышается механический недожог топлива и на 2...5 % снижается КПД-брутто, возрастает скорость коррозии экранных по­верхностей, снижается надежность эксплуатации котельного оборудования, на 30...40 % увеличивается выход оксидов азота и серы, появляются выбросы канцерогенной пятиокиси ванадия.

Известные методы снижения расхода мазута при сжигании низкосортных углей не решают проблему сокращения доли мазута в топливном балансе пы­леугольных ТЭС, особенно на стадии растопки котлоагрегата. Поэтому поиск новых нетрадиционных путей решения актуальной проблемы теплоэнергетики привел к созданию принципиально новой - плазменной - технологии сжига­ния пылевидного топлива с помощью электродуговых плазмотронов (Россия, США, Канада, Казахстан, Австралия и др.).

§ 1. Термохимическая подготовка топлива к сжиганию

В основе любого термического способа воспламенения (розжига) пыле-угольного потока лежит термохимическая подготовка топлива (ТХПТ) к сжи­ганию. Суть ее заключается в деструкции исходного угля в результате тепло­вых и химических процессов. При этом образуются компоненты в газовой фазе, включая горючие (СО, Н2, СН₄, С0₂, N₂) и коксовый остаток, т.е. проис­ходит частичная, а в отдельных случаях и полная газификация угля. Реакцион­ная способность такого топлива гораздо выше исходного. Минеральная часть угля остается практически неизменной.

При контакте потока холодной аэросмеси с электродуговой плазмой, исте­кающей из сопла плазмотрона, одновременно нагреваются окислитель (воздух) и угольные частицы. Благодаря высокой температуре (4000...5000 К) частицы угля испытывают тепловой удар. Экспериментально установлено, что частицы энергетических углей размером 100...250 мкм (пыль промышленного помола) из-за возникших термических напряжений в объеме частицы дробятся на 8...10 осколков за время 0,01...0,05 с (рис. 9.1). Это явление, называемое тепло­вым взрывом частиц, приводит к резкому возрастанию поверхности взаимо­действия топлива с окислителем и интенсификации химических реакций, а следовательно, к фактическому увеличению реакционной способности угля.

^^S^^Ss Муфель

Рис. 9.1. Особенности взаимодействия электродуговой плазмы с аэросмесью в плазменной системе воспламенения углей (муфельная камера с плазмо­троном)

На рис. 9.1 представлена схема безмазутного плазменного воспламенения аэросмеси в муфеле с плазмотроном, которая используется на пылеугольных котлах России (Гусиноозерская, Нерюнгринская, Партизанская и Черепетская ГРЭС) и Монголии (Улан-Баторская ТЭЦ-4). В зоне взаимодействия плазмен­ной струи с аэросмесью в результате теплового взрыва угольных частиц образу­ется несколько осколков размером 5,.. 10 мкм. Из этих осколков исходных час­тиц выходят летучие угля (СО, CO₂, СН₄, С₆Н₆, N₂ и Н₂) и азотсодержащие компоненты. Затем в газовой фазе образуются атомарные формы (О, Н, N, С, S), включая элементы минеральной массы угля (Si, Al, Са), и радикалы (NH, СН, CN, ОН и др.). Кроме того, в газовой фазе присутствуют электронный газ (е), положительные (С⁺, Н⁺, N⁺, СО⁺, 0⁺, Si⁺, К⁺ и др.) и отрицательные ионы (О^–, H^–,N^–₂).

В первую очередь тепловой взрыв пылеугольных частиц многократно убыстряет выход летучих за счет более развитой поверхности реагирования и появления очень мелких частиц, которые нагреваются до температуры выде­ления летних гораздо быстрее, чем крупные,

С переходом летучих угля (СО, Н₂, С₆H₆, СН4, СO₂, Н₂0 и др.) в газовую фазу начинается их химическое взаимодействие с воздухом и между собой. Именно на стадии газовых реакций заметно интенсифицирующее воздействие низкотемпературной плазмы, которое проявляется в ускорении химических превращений за счет перехода к реакциям с химически активными центрами (рис. 9.1) и более низкими значениями энергии активации. Оценки показы­вают, что энергия активации в реакциях окисления летучих существенно (в среднем на порядок) снижается уже при переходе от молекулярных к атомар­ным формам реагентов, которые образуются в плазменных процессах возбуж­дения и диссоциации.

В технологии ТХПТ источник плазмы выполняет функции лишь ини­циатора процесса воспламенения топли­ва. Доля передаваемой топливу внешней энергии зависит от его реакционной способности: чем она выше, тем мень­шую долю энергии необходимо полу­чить от плазмотрона. Пример такой за­висимости для процесса плазменного воспламенения различных углей демон­стрирует рис. 9.2: чем больше выход ле­тучих (выше реакционная способность), тем ниже удельные энергозатраты (V^Г -выход летучих на горючую массу угля).

Основной принцип плазменной термохимической подготовки топлив к сжиганию заключается в ступенчатом характере воздействия плазмотрона на пылеугольный поток в ограниченном объеме специальной камеры (муфеле): первоначально электродуговая плазма

1 - поток стабилизирующей аэросмеси; 2 - плазмотрон; 3 - основная аэ­росмесь; 4 - канал вторичного воздуха; I - III - ступени сжигания угля

взаимодействует с небольшой частью аэросмеси с образованием высокореакцион­ного двухкомпонентного топлива (горючий газ + коксовый остаток). Затем уже само двухкомпонентное топливо, окисляясь в первичном воздухе аэросмеси, на­гревает остальную аэросмесь, не прошедшую через плазменную струю. Тем са­мым компактный плазменный факел активирует сначала лишь часть топлива (до 20 %), которая в дальнейшем ступенчато активирует остальную аэросмесь.

Для углей с выходом летучих 30 % и выше такой подготовке подверга­ется весь пылеугольный поток, поступающий в горелку (двухступенчатая схема воспламенения, см. рис. 9.1). В случае средне- и низкореакционных уг­лей (V^Г < 30 %) поток аэросмеси разделяется на две неравные части: первая часть (около 20 %) взаимодействует с плазмой в камере ТХПТ (муфеле), на­гревается, частично воспламеняется (ступень I) и далее вниз по потоку смеши­вается с остальной аэросмесью также в объеме горелки (рис. 9.3). Основная часть аэросмеси нагревается в результате горения первой части, предваритель­но нагретой, при их взаимодействии (ступень II). Затем прошедший ТХПТ по­ток смеси поступает в топочное пространство (ступень III). Такой способ в качестве окислителя водяного пара существенно (в 3...5 раз) сокращает объ­ем получаемых газов по сравнению с технологией сжигания отходов, обеспе­чивает их эффективную очистку и тем самым исключает выброс токсичных веществ в атмосферу. Применение вихревого скруббера со слабым щелоч­ным раствором обеспечивает очистку газов от пыли на 99,6 %, от вредных соединений (HС1, HF, Cl₂, NO₂, SO₂) - до 80 %.

Термическое разложение диоксинов начинается при 750 °С и до 1200 °С носит обратимый характер. Плазменная газификация ТБО позволяет выдержи­вать синтез-газ при t> 1300 °С в течение 2-^-3 с и дает необратимое разложение высокомолекулярных органических соединений углерода.

С помощью шлакообразующих добавок (например, СаО, СаСОз, Са(ОН)₂) сера, хлор, тяжелые металлы переводятся в твердые соединения, тем самым предотвращается их выброс в атмосферу. Вспененный или гранулиро­ванный расплав шлака имеет инертные свойства, не размывается водой и мо­жет использоваться как строительный материал.

Экономические перспективы реализации технологии подтверждаются следующим:

• компенсацией энергозатрат и получением прибыли за счет производст­ва и реализации тепловой энергии от сжигания синтез-газа в теплоэнергетиче­ских агрегатах. Установлено, что на каждый затраченный на переработку от­ходов киловатт-час электрической энергии можно получать от 4 кВт-ч (ТБО) до 7 кВт-ч (сельскохозяйственные отходы) тепловой энергии, которая исполь­зуется на производство электроэнергии и теплоснабжение;

• получением прибыли от реализации товарной продукции, выполненной из экологически безопасного остеклованного шлака;

• возможностью использования синтез-газа в качестве ценного сырья для химической промышленности;

• модульной комплектацией оборудования, позволяющей поэтапно на­ращивать производительность предприятия за счет установки дополнительно­го оборудования;

• возможностью серийного производства промышленного оборудования на отечественных предприятиях;

сроком окупаемости капиталовложений от 2,5 до 5 лет в зависимости от производительности электропечей.