Институт Теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
(ИТ СО РАН)

Лаборатория автоматизированных систем научных исследований
Перегудов Валентин Сергеевич 
Тел.: (3832)30 64 66
Факс: (3832) 34 34 80
e-mail: pereg@itp.nsc.ru

Плазменное воспламенение низкореакционных углей

Продолжены исследования плазменного воспламенения углей. Большой интерес к этой проблеме проявляется за рубежом, в частности в Китае. В рамках Программы научно-технического сотрудничества  между СО РАН и Свободной экономической зоной провинции Хэнань были выполнены исследования плазменного воспламенения китайских углей.

Для проведения исследований при научно-техническом руководстве ИТ СО РАН был создан стен, включающий: плазменно-угольную горелку, две системы плазменного воспламенения угля, систему подачи угольной пыли в горелку, системы управления и измерений. Горелка имела две ступени ввода пыли. Первая - плазменная ступень. На ее входе устанавливалось два плазмотрона мощностью по 200 кВт. Воспламененная  в ней угольная аэросмесь служила источником зажигания  для холодной аэросмеси, поступавшей во вторую ступень. Имелся  канал подачи вторичного воздуха. Горелка - промышленного масштаба: производительность по углю - 4 т/ч.

В испытаниях использовалась готовая угольная пыль промышленного помола. Использовались два типа углей. Характеристики первого угля следующие: калорийность Q_н^р = 20 МДж/кг, зольность А^р = 28%, влажность W^р = 11 %, выход летучих V^daf = 28 %. Характеристики второго угля: Q_н^р = 21 МДж/кг,  А^р = 35 %, W^р = 15 %, V^daf  = 7.7%. Это один из самых низкореакционных и, судя по справочнику углей Китая, самый высокозольный китайский уголь. Во всех испытаниях температура аэросмеси  и вторичного воздуха на входе в плазменно-угольную горелку была около 15ºС. В испытаниях первого угля расход угольной пыли в горелку составлял 2.2 - 2.6 т/ч.  При одном включенном плазмотроне  и подводимой  к нему мощности 72 кВт наблюдалось устойчивое горение  факела на выходе горелки. Температура потока превышала 1100ºС. Для воспламенения второго угля потребовалась суммарная мощность двух плазмотронов 300 кВт. При расходе пыли 2 т/ч температура топливной смеси на выходе первой ступени была 1250ºС, на выходе горелки 1180 ºС. Горящий факел заполнял все выходное сечение, струй невоспламененной пыли не было.

Для низкореакционного угля были проведены измерения удельных энергозатрат Q на плазмотрон  (подводимая к плазмотрону мощность, деленная на  расход угля) в зависимости от его концентрации μ в аэросмеси. Полученные результаты в пределах отклонений 10% обобщаются выражением вида:  Q ~ μ^-0.7. На рис. 1 приведено сравнение экспериментальной и расчетной зависимостей удельных энергозатрат от концентрации угля (масштаб μ: μ_m = 0,5 кг/кг). Расчеты [1] выполнены с использованием программы «Плазма-уголь».  

В качестве источников тока для электропитания плазмотронов использовались тиристорные преобразователи DCS - 501 фирмы АВВ с цифровой системой управления.  Этот преобразователь рассчитан на изменение  параметров  управления в широком диапазоне и хорошо зарекомендовал себя в работе на дуговую нагрузку. Имевшаяся аппаратура  позволила изучить переходные процессы в электрической цепи в момент пуска плазмотрона посредством осциллятора и минимизировать пусковой ток. Этот фактор  положительно влияет на ресурс работы плазмотрона.

Для воспламенения низкореакционных углей был создан двухкамерный плазмотрон ЭДП-218 с медными электродами. Плазмообразующий - газ воздух. Номинальная мощность - 200 кВт при токе 500 А. В отсутствие токоограничивающего сопротивления в цепи электропитания мощность может достигать 250 кВт. Ресурсные испытания  проведены  в течение 45 ч при токе 500 А с использованием осевого сканирования прикатодного участка дуги. Удельная эрозия определялась по результатам последних 29 ч. Для катода она составила  1. 2*10^-9 кг/Кл, для  анода  - 3*10^-9 кг/Кл. Несмотря на более высокую удельную эрозию анода, его ресурс может оказаться выше, чем катода  благодаря большей массе возможной выработки. Расчетный ресурс электродов  превышает 200 ч.

Эффективность процессов, основанных на плазменном воспламенении углей, зависит от энергозатрат на плазмотрон, с которыми взаимосвязано качество термохимической подготовки (ТХП) угля к сжиганию. С уменьшением расхода первичного воздуха в аэросмеси от стехиометрического значения режимы в камере ТХП будут изменяться от полного горения угля до перехода к его пиролизу. Оба названных экстремальных режима, а также близкие к ним, требуют больших энергозатрат на воспламенение, и их следует исключать.

На рис. 2 приведены результаты кинетических расчетов. Из рисунка следует, что с понижением в определенных пределах концентрации угля в аэросмеси содержание горючих компонентов в газовой фазе и температура топливной смеси на выходе из камеры ТХП в топку растет. При этом повышается надежность воспламенения топлива в топке, но растут  энергозатраты на плазмотрон (рис. 1). К тому же, возникает опасность зашлаковывания камеры ТХП и снижается ресурс ее работы. Требуемая для воспламенения мощность плазмотрона определяется расчетом [1]. При этом, опираясь на графики рисунков 1 и 2, следует подобрать  минимум энергозатрат при сохранении устойчивости воспламенения.

Литература

1. Перегудов В.С. Расчет двухступенчатой камеры термохимической подготовки и мощности плазмотрона для плазменно-угольной растопки котла // Горение и плазмохимия. - 2004. - № 4.

***

Важнейшие результаты  Лаборатории автоматизированных систем научных исследований: разработана и испытана двухступенчатая плазменно-угольная горелка промышленного масштаба; создан плазмотрон для воспламенения низкореакционного угля; полученные результаты кинетических расчетов позволяют определить оптимальную мощность плазмотрона при создании системы безмазутной растопки котла.