В.В. Дробчик, А.М. Шиляев*, Г.Г. Волокитин*

Томский политехнический университет

*Томский государственный архитектурно%строительный университет E%mail: drobchik@tpu.ru

Исследованы условия сжигания топливной смеси, состоящей из пылевидного каменного угля Кузбасского бассейна и шлифо% вочной древесной пыли. Доказано, что стабильное самовоспламенение потока пылевоздушной смеси достигается через 5...7 мин после разогрева плазменного модуля. Установлено расстояние от среза сопла модуля, где достигается максимальная тем% пература в смеси 700...900 °С, при которой происходит интенсивное горение частиц топлива.

Ключевые слова:

Плазменное воспламенение, низкосортное топливо, розжиговый канал, открытая электрическая дуга, температура потока, аэ% росмесь.

Key words:

Plasma ignition, low-grade fuel, lighting channel, open plasma arch, stream temperature, and aero mix.

Развитие теплоэнергетики характеризуется уве- личением доли использования низкосортных то- плив, что объясняется ограниченностью запасов качественных высококалорийных органических видов топлива.

Воспламенение и поддержание стабильного уровня горения таких топлив основано на исполь- зовании дополнительного топлива или примене- нии устройств электродугового розжига [1, 2]. Пре- имущества применения устройств электродугового розжига заключаются в том, что они:

исключают дополнительное высококалорийное топливо – мазут на стадии розжига и поддержа- ния стабильных условий горения и значительно снижают выбросы оксидов серы, азота и вана- дия в атмосферу [2–4];

обеспечивают надежность и устойчивость рабо- ты электродуговой установки;

имеют высокую экономичность преобразова- ния электрической энергии в тепловую;

позволяют варьировать мощность в широких пределах при использовании низкореакционных топлив.

Разработка технологий плазменного воспламе- нения низкореакционного топлива для решения проблем большой энергетики ведется коллектива- ми ученых Института теплофизики и Института теоретической и прикладной механики г. Ново- сибирска, Казахского НИИ энергетики. Практиче- ская реализация изучается и осваивается на Гуси- ноозерской ГРЭС и др. [1, 2].

Технология плазменного воспламенения осно- вана на взаимодействии частиц топлива с высоко- температурным потоком электродуговой плазмы, при этом происходит первичная термохимическая подготовка топлива, резкий прогрев частиц, пода- ваемых на горение, интенсифицируется выход ле- тучих составляющих, обеспечивающих стабильно горящий факел.

За счет применения электродуговой плазмы можно использовать топливные смеси, содержа- щие основную часть низкосортного топлива, тако- го как древесные отходы деревообрабатывающих предприятий, торф, шламы тепловых станций с не- высоким содержанием горючих компонентов.

В лаборатории Томского государственного ар- хитектурно-строительного университета «Плаз- менные процессы и аппараты» для исследования процессов плазменного розжига низкосортного твердого топлива открытой электрической дугой создана экспериментальная лабораторная установ- ка [5, 6], на которой исследовано сжигание топлив- ной смеси, состоящей из пылевидного каменного угля Кузбасского бассейна и шлифовочной древес- ной пыли завода ДСП г. Томска.

Элементарный химический состав горючей массы каменного угля, влажность и зольность то- плива, применяемого в эксперименте – CГ=88 %; HГ=4,3 %; SГ=0,7 %; NГ=1,9 %; OГ=5,1 %; WP=15 %;

AC=20 %. Элементарный химический состав горю- чей массы древесины, влажность и зольность то- плива – CГ=51 %; HГ=6 %; NГ=0,5 %; OГ=42,5 %; WP=3 %; AC=1 %.

На рис. 1 показана схема измерений температу- ры и скорости потока воспламеняемой аэросмеси. Достоверность полученных данных определялась использованием методов диагностики, обеспечи- вающих возможность получения результатов изме- рений с погрешностью не более ±10 %. Для прове- дения экспериментов приготовлены составы с раз- личным соотношением угля и древесины (У:Д 10:90; 25:75; 50:50; 75:25; 90:10). Пылевидная смесь топлива подавалась секторным дозатором – 5 и на- порным вентилятором – 9 транспортировалась в плазменный модуль – 4, где поток аэросмеси взаи- модействовал с плазменной дугой.

Преимущество используемого устройства с го- рящей дугой между формирующим поток плазмо- образующего газа катодом – 3 и графитовым элек тродом (анодом) заключается в том, что топливная смесь подается в плазменный модуль – 4, где горит открытая электрическая дуга (рис. 1) с более высо- кой степенью ионизации газа в зоне воспламене- ния топлива по сравнению со струёй линейного плазмотрона.

Рис. 1. Схема измерений температуры и скорости потока воспламеняемой аэросмеси на выходе плазменного модуля: 1) источ% ник питания; 2) пульт управления; 3) катодный узел; 4) плазменный модуль; 5) дозатор топлива; 6) шиберная заслон% ка; 7) ротационный расходомер; 8) управляемый двигатель постоянного тока; 9) напорный вентилятор; 10) вольфрам% рениваемая термопара; 11) милливольтметр; 12) микроманометр; 13) трубка Пито

Проведенная серия экспериментов заключа- лась в измерении температуры горящего потока на оси факела на различных расстояниях от среза со- пла плазменного модуля (внутренний диаметр му- феля 200 мм, диаметр графитового электрода 75 мм, диаметр сопла 60 мм). Плазменный модуль

– 4 является камерой термохимической подготов- ки топлива к сжиганию. Внутренняя поверхность плазменного муфеля обмурована бадделеитоко- рундовым материалом; снаружи муфель изолиро- ван каолиновой ватой, что обеспечивает практиче- ски адиабатические условия во внутренней обла- сти. Перед плазменным модулем для увеличения времени нахождения частиц топлива в высокотем- пературной зоне вынесенной плазменной дуги установлен узел закрутки потока аэросмеси.

На выходе плазменного модуля наблюдался устойчиво горящий факел, температура воспламе- ненного потока в котором измерялась вольфрам рениевой термопарой, установленной на коорди- натном устройстве, позволяющим перемещать её по осевой и радиальной координатам и позицио- нировать с точностью 1 мм. Измерения проводи- лись на оси факела при различном удалении термо- пары от среза сопла плазменного модуля.

По полученным экспериментальным данным построены графики распределения температуры на оси факела при сжигании различных смесей то- плива, рис. 2.

Фракционный состав пылевидной топливной смеси, сжигаемой в ходе экспериментов, опреде- лен методом последовательно установленных ци- клонов [7]. Исследования проводили на установке, описанной в [8]. При анализе угольной пыли полу- чено: медианный размер частиц 50=40 мкм, дис-

персия =2,5.

Следует отметить, что при снижении коэффи- циента избытка воздуха менее 0,2 уменьшается эф- фективность пневмотранспорта. Происходит осе- дание частиц топлива по всей длине плазменного модуля.

При подаче аэросмеси в плазменный модуль наблюдалось повышение устойчивости горения плазменной дуги, что отмечалось в работе [9].

Рис. 2. Распределение температур на оси факела при сжигании смесевого топлива: а) (У:Д=25:75): 1–3) плазменный розжиг (N=30,4 кВт); 4–8) горение топлива; 8) горение 100 % древесины; б) (У:Д=75:25): 1–3, 7) плазменный розжиг (N=34,2 кВт); 4–6) горение топлива; 7) горение 100 % угля. x/d – соотношение диаметра сопла к расстоянию от среза сопла горелки

В процессе экспериментального исследования установлено, что при большем содержании в то- пливной смеси древесины максимальная темпера- тура газа в факеле наблюдается вблизи среза сопла плазменного модуля; это объясняется сгоранием большей части древесины в области взаимодей- ствия частиц с плазменной дугой.

Замечено, что при малом содержании в смеси угольных частиц (до 25 %) факел удлиняется. Это связано с более продолжительным горением лету- чих древесины в газовой фазе, обеспечивающим благоприятные условия для горения коксового ос- татка угля.

Максимальная температура 700...900 °С воспла- мененной смеси при отключенном электродуговом устройстве наблюдается на расстоянии 3–4 кали- бров от сопла плазменного модуля. В этой области происходит интенсивное горение частиц топлива, подаваемых напорным вентилятором в зону взаи- модействия пылевоздушного потока с электриче- ской дугой. Стабильное самовоспламенение пыле- воздушной смеси происходит после разогрева плазменного модуля, который наступает через 5...7 мин после начала проведения экспериментов (кривые 4–6 на рис. 2).

Из графиков (рис. 2) видно, что при горении только древесной пыли наблюдается уменьшение длины факела (кривая 8 на рис. 2, а), а при совместном сжигании древесины и угля (до 25 %) факел стабилизируется и горит более устойчиво (кри- вые 5–7 на рис. 2, а). При сжигании смеси с большим содержанием угля и незначительным добавлением древесины наблюдается увеличение темпера- туры в устье факела (кривые 1–3 на рис. 2, б) по сравнению с горением угля (кривая 7). В этих усло- виях стабилизируется горение пылевоздушного факела и обеспечивается полнота сгорания топлива.

Выводы

Исследовано сжигание топливной смеси, со- стоящей из пылевидного каменного угля Куз- басского бассейна и шлифовочной древесной пыли, показана возможность эффективного плазменного сжигания топливных смесей, со- стоящих из комбинации различных видов низ- косортного топлива, что повышает коэффици- ент использования топливно-энергетических ресурсов регионов.

Установлено, что после разогрева плазменного модуля 5...7 мин и при последующим отключе- нии электродугового устройства наблюдается стабильное самовоспламенение потока пыле- воздушной смеси.

Определена максимальная температура 700...900 °С при горении пылевоздушного пото- ка, достигаемая на расстоянии 3–4 калибров от среза сопла, где происходит интенсивное горе- ние частиц топлива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Жуков М.Ф., Аньшаков А.С., Лукашов В.П., Перегудов В.С. Электродуговые плазмотроны и перспективность применения низкотемпературной плазмы в энергетике // Высокотемпера- турные течения и тепломассообмен / под ред. М.Ф. Жукова. – Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1990. – С. 3–46.

Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов В.С. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеу- гольного факела. – Новосибирск: Наука, 1995. – 304 с.

Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Введение в плазменно-энерге- тические технологии использования твердых топлив. – Ново- сибирск: Наука, 1997. – 119 с.

Жуков М.Ф., Калиненко Р.А., Левицкий А.А., Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля. – М.: Наука, 1990. – 200 с.

Шиляев А.М., Волокитин Г.Г., Дробчик В.В. Системы плаз- менного розжига низкосортных топлив для теплоагрегатов ма- лой энергетики // Известия Томского политехнического уни- верситета. – 2002. – Т. 315. – № 2. – С. 220–224.

Волокитин Г.Г., Шиляев А.М., Никифоров А.А., Каранда- шов С.К. Разработка сушильного агрегата с плазменным роз- жигом и стабилизацией горения твердотопливного пылевоз душного факела // Актуальные проблемы строительного мате- риаловедения: Матер. Всеросс. научно-техн. конф. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 1998. – С. 176–177.

Шиляев А.М., Рекунов В.С., Наумкин А.Б. К методу последо- вательно установленных циклончиков определения фрак- ционного состава порошков // Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок: Тезисы докл. научно- техн. конф. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 2002. – С. 87–88.

Шиляев М.И., Шиляев А.М., Афонин П.В., Кобякова Ю.Н. Энергетический принцип сопоставления и компоновки пы- леулавливающего оборудования // Очистка и обезвреживание дымовых газов из установок, сжигающих бытовые отходы и мусор / под ред. д.ф.-м.н. С.В. Алексеенко и д.т.н. А.С. Басина (Сб. научно-техн. работ). – Новосибирск: Институт теплофи- зики СО РАН, 1999. – С. 167–179.

Энгельшт В.С., Сайченко А.Н., Окопник Г.М., Мусин Н.У. Вы- соковольтная трехфазная дуга для стабилизации горения пыле- видного угля // Генераторы низкотемпературной плазмы: Тези- сы докл. XI Всес. конф. – Новосибирск: Институт теплофизи- ки СО АН СССР, 1989. – С. 255–256.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ НА ТЭЦ