Теплоэнергетика, 2022, № 2, стр. 42-47

Изучение шлакующих свойств “механоактивированных” углей

М. Ю. Чернецкий^a, *, Е. Б. Бутаков^a

^a Институт теплофизики Сибирского отделения РАН
630090 г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, д. 1, Россия

Поступила в редакцию 26.01.2021
После доработки 18.04.2021
Принята к публикации 21.04.2021

EDN: BYRALM
DOI: 10.1134/S0040363622010015

Аннотация

Предварительная интенсивная механическая обработка угля является одной из перспективных технологий в теплоэнергетике, поскольку позволяет существенно повысить его реакционную способность. При таком воздействии на уголь происходит значительное преобразование его минеральной части, изменение характеристик газового и золового потоков при сжигании, что может привести как к снижению, так и к увеличению загрязнения поверхности нагрева котла. До настоящего времени в мировой практике отсутствовали работы, связанные с изучением влияния “механоактивации” углей на интенсивность образования отложений. Для углей разной степени метаморфизма: бурого угля Канско-Ачинского бассейна и каменного угля Экибастузского бассейна – установлены закономерности изменения температуры начала шлакования при измельчении в разных по степени энергонапряженности мельницах. Приведены результаты исследования интенсивности шлакования при сжигании угольной пыли бурых углей после измельчения в мельнице дезинтеграторного типа. Для расчетов применяли универсальный CFD-пакет программ SigmaFlow. В математическую модель, которая была использована при проведении исследований, входили подмодели турбулентного реагирующего газового потока, модели движения, теплообмена, горения угольных частиц и образования шлаковых отложений. Для учета особенностей протекания процесса горения “механоактивированных” углей в модель были добавлены реакционные свойства и скорости выхода летучих и горения угольного остатка. Расчеты интенсивности шлакования при сжигании угольной пыли бурых углей показали, что температура начала шлакования после измельчения в дезинтеграторе повышается на 40–60°С.

Ключевые слова: пылеугольное топливо, шлакование, дезинтегратор, “механоактивация”, численное моделирование, коэффициент шлакования, температура начала шлакования, набегающий поток

Одним из возможных вариантов предварительной подготовки низкосортного угля для использования его в качестве топлива является “механоактивация”, т.е. размол при высокоэнергетическом воздействии. Данный способ обработки существенно повышает реакционную способность угольной пыли [1, 2]. Но при таком воздействии на уголь происходит значительное преобразование его минеральной части, изменение характеристик газового и золового потоков при сжигании, что может привести как к снижению, так и к увеличению загрязнения поверхности нагрева котла. Установление закономерностей процесса образования отложений (шлакования) при сжигании пыли угля, прошедшего предварительную интенсивную механическую обработку в мельницах с высокоэнергетическим воздействием, является до сих пор не решенной задачей.

Степень интенсивности шлакования определяется температурой газового потока, выше которой при пылеугольном сжигании интенсивность резко возрастает. Ее определение возможно при проведении экспериментальных исследований с помощью зонда, рабочий участок которого помещен в газоход котла или стенда [3].

На основе результатов экспериментальных работ были предложены способы расчетов температуры шлакования с помощью эмпирических выражений [4]. Наиболее информативным способом определения взаимного влияния химических и физических свойств угольного топлива, его минеральной части и конструктивно-режимных параметров сжигания угля на шлакование является численное моделирование [5–7]. Развитие данного инструмента дает возможность разработать методику оценки шлакующих свойств углей и тем самым сократить количество экспериментальных исследований или даже полностью отказаться от них.

В работе [8] представлены трехмерная математическая модель шлакования, методика расчета коэффициента шлакования и результаты расчета процесса образования шлаковых отложений на неохлаждаемом зонде в топочной камере. Данные расчета коэффициента шлакования для бурого угля и их сравнение с экспериментальными данными показали, что разработанная методика позволяет предсказывать шлакующие свойства угля. Она включает в себя математическую модель и обработку результатов расчета в виде зависимости коэффициента шлакования от температуры газов, набегающих на поверхность нагрева (далее температура набегающего потока), дает возможность определить температуру начала шлакования и может быть успешно использована для предварительной оценки процессов при сжигании “нестандартных” углей, в том числе “механоактивированных”.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Под температурой начала шлакования понимается температура газов, при которой начинается образование (налипание) шлаковых отложений при фиксированной разности температур газа ϑ и поверхности t_п. В работе [9] приняты усредненная при исследованиях на разных котлах разность температур Δt = ϑ – t_п = 110°С, адиабатическая температура шлакования (налипания) $\vartheta _{{{\text{шл}}}}^{{\text{а}}} = {{t}_{{{\text{шл}}}}} - 55^\circ {\text{C;}}$ условие закрепления частиц шлака на поверхности нагрева согласно [10] имеет вид $0.{\text{5}}\left( {\vartheta + {{t}_{{\text{п}}}}} \right) > \vartheta _{{{\text{шл}}}}^{{\text{а}}}.$

Температура начала шлакования ϑ_шл достаточно точно оценивается по эмпирическим выражениям в зависимости от химического состава золы [9]:

${{\vartheta }_{{{\text{шл}}}}} = 945{\text{ }} + 7.77{{k}_{{\text{o}}}}\,\,\,{\text{при}}\,\,\,{{k}_{{\text{o}}}} > 2.25;$

${{\vartheta }_{{{\text{шл}}}}} = 940 + {{52.23} \mathord{\left/ {\vphantom {{52.23} {{{k}_{{\text{o}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{k}_{{\text{o}}}}}}\,\,\,{\text{при}}\,\,{{k}_{{\text{o}}}} < 2.25,$

где k_o = (SiO₂ + Al₂O₃ + TiO₂)/(CaO + MgO + K₂O + + Na₂O) – отношение содержания кислых компонентов к содержанию осно́вных компонентов.

При расчете температуры начала шлакования рассматривали угли, измельченные на мельницах шаробарабанной (ШБМ) и дезинтеграторного типа (дезинтеграторе). В качестве объекта моделирования был использован зонд, помещаемый в огневой стенд мощностью 5 МВт [2], схема топочной камеры которого показана на рис. 1. Стенд состоит из двух частей. Первая часть – предтопок, представляющий собой цилиндрическую вихревую камеру диаметром 315 мм и длиной 1515 мм, в которую подаются воздух и уголь. Подача топливно-воздушной смеси осуществляется по двум каналам. В первом канале измельченный на мельнице уголь предварительно смешивается с первичным воздухом и подается в горелку по спирали. По второму коаксиальному цилиндрическому каналу в предтопок поступают измельченное угольное топливо и вторичный воздух. Вторая часть огневого стенда (камера дожигания) служит для дожигания продуктов горения. Вдоль предтопка и камеры дожигания размещены лючки для измерения температур и состава газов. Зонд для изучения отложений был помещен на расстоянии 1 м от входа в предтопок – в третье смотровое окно. Неохлаждаемый зонд представляет собой трубку из нержавеющей стали диаметром 32 мм и длиной 315 мм.

Рис. 1.

Схема топочной камеры огневого стенда. 1 – вибропитатель; 2 – насос; 3 – эжектор; 4 – зонд; 5 – предтопок; 6 – камера сжигания

Для расчетов использовали универсальный CFD-пакет программ SigmaFlow [11]. Математическая модель, которую применяли в данной работе, включает в себя различные подмодели. В нее входят подмодели турбулентного реагирующего газового потока, модели движения, теплообмена, горения угольных частиц и образования шлаковых отложений. Для учета особенностей протекания процесса горения “механоактивированных” углей в модель были добавлены реакционные свойства и скорости выхода летучих и горения угольного остатка из работы [2].

Для оценки налипания частицы на стенку топочной камеры использовали модель на основе температуры начала шлакования ϑ_шл. Количественную оценку интенсивности образования шлаковых отложений выполняли с помощью коэффициента шлакования [8]

${{k}_{{{\text{шл}}}}} = \frac{{gf}}{{{{g}_{{\text{з}}}}}},$

где g – интенсивность шлакования, кг/(м² ⋅ с); f – площадь поперечного сечения зонда, м²; g_з – количество золы, набегающей на зонд, кг/с.

Уравнения сохранения для газовой фазы записываются в виде обобщенного закона сохранения в контрольном объеме [12]. Для вычисления диффузионных потоков на гранях контрольного объема применяют центрально-разностную схему, имеющую второй порядок точности. При аппроксимации конвективных членов использовали схему квадратичной интерполяции против потока (схему QUICK), в значительной степени минимизирующую схемную вязкость. Для связи полей скорости и давления использовали SIMPLE-C-процедуру. При расчете процесса течения газа учитывали взаимный обмен импульсом и энергией между газом и частицами с использованием Particle-Source-In-Cell(PSI-CELL)-метода.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

При расчете температуры начала шлакования рассматривали угли, измельченные в разных по степени энергонапряженности мельницах – шаровой барабанной и дезинтеграторе. Распределение угольных частиц (остаток R на сите) по их размеру d показано на рис. 2. Распределение минеральных компонентов по фракциям угольной пыли при измельчении на таких мельницах было заимствовано из работы [13].

Рис. 2.

Распределение R угольных частиц бурого (а) и экибастузского каменного (б) углей после измельчения в ШБМ (1) и дезинтеграторе (2)

На рис. 3, а видна существенная неравномерность распределения минеральных компонентов по размерным фракциям d_з золы бурого угля после его измельчения в ШБМ по сравнению с распределением после измельчения в дезинтеграторе. Это влияет и на зависимость температуры начала шлакования от размеров золовых частиц – после измельчения угля в дезинтеграторе (рис. 3, б) ϑ_шл изменяется незначительно. Так, при d_з = 30–140 мкм температура шлакования ϑ_шл составляет 992–1000°С. При измельчении в ШБМ с увеличением размера частиц от 30 до 140 мкм ϑ_шл возрастает на 35°С. Это объясняется более равномерным распределением минеральных компонентов после измельчения угля в дезинтеграторе.

Рис. 3.

Зависимость содержания минеральных компонентов (а, в) СаО (1, 2), SiO₂ (3, 4) и температуры шлакования (б, г) от размера частиц золы бурого (а, б) и экибастузского каменного (в, г) углей после измельчения в ШБМ (1, 3, 5) и дезинтеграторе (2, 4, 6)

Измельчение экибастузского угля приводит к более равномерному распределению минеральных компонентов и, как следствие, к более равномерным температурам шлакования (рис. 3, в, г). Так, для угля, измельченного в ШБМ, при увеличении размера частиц от 30 до 130 мкм температура ϑ_шл возрастает с 1077 до 1111°С. Измельчение угля в дезинтеграторе приводит не только к меньшему диапазону изменения температуры ϑ_шл (от 1102 до 1081°С), но и к иному характеру ее изменения – более мелкие частицы имеют более высокую температуру начала шлакования.

Как было сказано ранее, для оценки взаимного влияния химических, физических свойств угольного топлива, его минеральной части и конструктивно-режимных параметров сжигания на шлакование наиболее подходящим инструментом является численное моделирование. При моделировании камеры сжигания стенда с использованием пакета программ SigmaFlow применяли сетку, содержащую примерно 700 000 ячеек.

Далее представлен технический и элементный составы бурого угля, %:

W ^r...................................................................30.0

A^d....................................................................12.0

V ^daf.................................................................46.0

C^daf.................................................................71.4

H^daf..................................................................4.0

S^daf...................................................................0.3

O^daf.................................................................22.9

$Q_{s}^{{daf}}$.................................................26.1 МДж/кг

Химический состав золы бурого угля, %, приведен далее:

SiO₂..............................................................31.26

Al₂O₃.............................................................9.617

TiO₂................................................................0.47

Fe₂O₃............................................................12.42

CaO ..............................................................38.67

MgO ...............................................................6.22

K₂O ................................................................0.39

Na₂O ..............................................................0.05

В табл. 1 представлены варианты расходных характеристик угля и воздуха.

Таблица 1.

Варианты расходных характеристик воздуха и бурого угля

Вариант	V_п, м³/ч	V_в, м³/ч	B_п, кг/ч	В_в, кг/ч	α
1	361	289	90	50	1.29
2	353	278			1.25
3	320	250			1.15
4	297	232			1.05

Примечание. V_п, V_в – расход первичного и вторичного воздуха; B_п, В_в – расход угля с первичным и вторичным воздухом; α – коэффициент избытка воздуха.

На рис. 4 приведены результаты расчетов коэффициента шлакования в зависимости от температуры набегающего потока. При достижении температур 1040–1080°С наблюдается интенсификация процесса осаждения частиц. Согласно [3] такие температуры соответствуют температуре начала шлакования. В табл. 2 приведены температуры набегающих на зонд газов, а также коэффициент шлакования в зависимости от начальных условий.

Рис. 4.

Зависимость коэффициента шлакования при сжигании бурого угля от температуры набегающего потока газов. 1 – расчетные данные после измельчения на дезинтеграторе; 2, 3 – расчетные и экспериментальные данные для стандартного помола

Таблица 2.

Температура набегающих газов и коэффициент шлакования для бурого угля

Вариант	ϑ, °С, после измельчения		k_шл после измельчения
Вариант	в дезинтеграторе	в ШБМ	в дезинтеграторе	в ШБМ
1	950	950	0.001	0.001
2	1020	1000	0.01	0.02
3	1210	1200	0.08	0.10
4	1310	1300	0.25	0.30

На рис. 4 представлены также расчетные данные по интенсивности шлакования для бурого угля, измельченного в ШБМ. При стандартном помоле температура начала шлакования (интенсификация процесса осаждения частиц) на 40–60°С ниже, чем для “механоактивированного” угля.

ВЫВОДЫ

1. Впервые установлены закономерности изменения температуры начала шлакования бурых углей Канско-Ачинского бассейна и каменных углей Экибастузского бассейна, предварительно измельченных в мельнице дезинтеграторного типа.

2. Температура начала шлакования бурых углей после измельчения в дезинтеграторе составляет 1040–1080°С, что на 40–60°С ниже, чем для углей стандартного помола.

Список литературы

Welham N.J., Chapman P.G. Mechanical activation of coal // Fuel. Proc. Technol. 2000. V. 68. Is. 1. P. 75–82. https://doi.org/10.1016/S0378-3820(00)00106-5
Autothermal combustion of mechanically-activated micronized coal in a 5 MW pilot-scale combustor / A.P. Burdukov, V.I. Popov, T.S. Yusupov, M.Yu. Chernetskiy, K. Hanjalic // Fuel. 2014. V. 122. P. 103–111. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.01.018
Методика определения шлакующих свойств твердых топлив в промышленных и стендовых условиях. М.: ВТИ, 1984.
Алехнович А.Н. Температура начала шлакования как показатель шлакующих свойств: прогнозирование, влияние схем и режимов сжигания. Ч. 2 // Электрические станции. 2014. № 4. С. 22–31.
Wacławiak K., Kalisz S. A practical numerical approach for prediction of particulate fouling in PC boilers // Fuel. 2012. V. 97. P. 38–48. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.02.007
Kreutzkam B., Wieland C., Spliethoff H. Improved numerical prediction of ash formation and deposition using a novel developed char fragmentation model // Fuel. 2012. V. 98. P. 103–110. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.02.056
Чернецкий М.Ю., Алехнович А.Н., Дектерев А.А. Математическая модель шлакования топки пылеугольного котла // Теплоэнергетика. 2012. № 8. С. 39–47.
Чернецкий М.Ю., Бутаков Е.Б., Кузнецов В.А. Расчет процесса образования шлаковых отложений при сжигании угольной пыли в топочной камере огневого стенда // Труды Академэнерго. 2020. № 1. С. 95–106.
Алехнович А.Н. Шлакование энергетических котлов. Челябинск: ЧФПЭИпк, 2006.
Алехнович А.Н. Уточнение расчетной схемы закрепления частиц и роста шлаковых отложений // Теплоэнергетика. 2008. № 9. С. 10–14.
Использование программы SigmaFlow для численного исследования технологических объектов / А.А. Дектерёв, А.А. Гаврилов, Е.Б. Харламов, К.Ю. Литвинцев // Вычислительные технологии. 2003. Т. 8. Ч. 1. С. 250–255.
Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.
Преобразование минеральной части бурого угля Канско-Ачинского бассейна и каменного угля Экибастузского бассейна при их измельчении в дезинтеграторе / М.Ю. Чернецкий, Е.Б. Бутаков, А.В. Кузнецов, А.П. Бурдуков // Химия твердого топлива. 2019. № 4. С. 9–17.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал