Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Научно-технический прогресс в значительной мере характеризуется постепенным увеличением количества энергии, используемой человеком в процессе производства. В настоящее время продолжается процесс увеличения выработки энергии для нужд производства с еще большей интенсивностью.

Дальнейший рост производства топлива и энергии и совершенствование топливно-энергетического баланса позволяют существенно повысить уровень электрификации всех отраслей народного хозяйства в условиях всемирной экономии топливно-энергетических ресурсов и обеспечения защиты окружающей среды.

Одной из актуальных проблем современной энергетики является разработка высокоэффективных технологий получения и преобразования энергии топлив, которые реализуются в камерах сгорания (КС) теплогенерирующих установок. Объемы топлива, которые сжигаются в системах производства и потребления тепловой энергии в промышленных энергоустановках, настолько велики, что оправданы даже относительно небольшие значения повышения эффективности процесса сжигания.

Идея сжигания композитных суспензионных горючих (КСГ), а именно горючих на основе жидких углеводородных топлив с добавками мелкодисперсного угля впервые появилась в 1879 г. [1], однако изучением особенностей их применения в топках современных энергетических и промышленных установок и в доменных печах начали серьезно заниматься лишь на протяжении нескольких последних десятилетий.

Побудительным мотивом к применению КСГ являются экономические выгоды, получаемые от перевода современных промышленных теплоэнергоустановок и парогенераторов, работающих на жидком углеводородном горючем или природном газе, на сжигание КСГ. Также их использование целесообразно в связи с тем, что технология их приготовления, хранения и сжигания на всех стадиях процесса близка к технологии сжигания жидкого углеводородного горючего и не требует кардинальных изменений топливоподающей аппаратуры.

Проблемы рациональной организации процесса сжигания тесно связаны с проблемами снижения эмиссии токсичных компонентов с продуктами сгорания (ПС). Известны специально разработанные и практически апробированные новые подходы, а также базовые принципы организации рабочего процесса сжигания различных горючих с учетом набора специфических требований, связанных с требованиями по защите окружающей среды.

В качестве топлив для камер сгорания теплогенерирующих установок, как правило, используются сертифицированные углеводородные горючие и/или уголь, однако в последнее время в связи с их дефицитом, рассматриваются возможности сжигания низкокачественных горючих, различных видов отходов и композиций без существенного пересмотра конструкции устройств для сжигания. В частности, большое внимание уделяется технологиям сжигания суспензий и водотопливных эмульсий.

Таким образом, можно сформулировать основную цель дипломной работы: исследование физических свойств КСГ и разработка теплогенерирующей установки. При этом предполагается, что поставленная цель достигается одновременно со снижением содержания токсичных веществ в продуктах сгорания углеводородных топлив.

композитный суспензионный горючий уголь

1.Исследование физических свойств КСГ

1.1 Обзор литературы

1.1.1 Новые технологии получения и сжигания КСГ

В настоящее время в мире сохраняется тенденция к снижению цены вырабатываемой единицы тепловой энергии без существенных затрат на разработку новых конструкций теплогенерирующих установок. Прогнозная оценка условий формирования топливного баланса (ТБ) тепловых электростанций показывает, что в ближайшие 15 лет напряженность ТБ ТЭС сохранится [1]. К основным факторам, свидетельствующим о правомерности такого заключения, можно отнести:

- вытеснение из топливного баланса электростанций «нефтетоплива» ввиду его высокой дефицитности и стоимости;

- неоднозначность в оценке ресурсов природного газа в целом и выделяемых для электроэнергетики в частности;

истощение запасов качественного угля и возрастание энергозатрат на его добычу;

тенденцию к ухудшению качественных характеристик добываемого угля;

- ужесточение экологических требований, в том числе к энергетическому топливу;

- высокую грузонапряженность железных дорог, с одной стороны, и дефицит подвижного состава - с другой, и т.п.

Кроме того, из-за резкого сокращения масштабов строительства АЭС для поддержания намечаемого уровня производства электроэнергии дополнительная нагрузка по ее выработке будет приходиться на тепловые электростанции, что также повлечет за собой рост напряженности ТБ ТЭС. Кроме этого, в связи с интенсивным развитием частного сектора экономики в последнее время появилась тенденция расширения рынка малых автономных теплогенерирующих энергоустановок, которые позволяли бы сжигать различные горючие.

Сложная ситуация с ресурсами газомазутного топлива в перспективе приведет к увеличению доли угля в топливном балансе электростанций. В этих условиях важнейшее значение приобретает проблема обеспечения экологичности технологического процесса сжигания горючего в теплогенерирующих установках разного масштаба. Один из путей ее решения - создание и использование новых видов композитных горючих.

Существующие технологические схемы позволяют рассмотреть возможность снабжения теплогенерирующих установок новым горючим, представляющим собой композитное суспензионное горючее (КСГ) - приготовленную особым образом высококонцентрированную смесь, состоящую из мельчайших частиц угля, диспергированных в жидкой фазе. Такой средой, в частности, может быть вода, жидкие углеводороды - печное топливо или мазут, с добавками специальных активаторов (промоторов) горения. Транспортирование нового вида горючего к теплогенерирующим станциям и непосредственно к КС предполагается осуществлять по трубопроводам без кардинального изменения топливоподающей аппаратуры.

Результаты ранее проведенных исследований по изучению особенностей процесса сжигания и доставки КСГ к КС позволяют сделать следующие выводы:

- для сжигания композитного топлива в газомазутных котлах требуется незначительная реконструкция горелок (поскольку распыление КСГ происходит аналогично распылению мазута) и системы топливоподачи, при этом устойчивость процесса горения не нарушается;

- с увеличением мощности установки при сжигании КСГ, нет необходимости в использовании другого топлива в качестве подсветки; при этом значительно снижаются приведенные затраты на транспортировку КСГ и подача топлива может осуществляться непрерывно;

- появляется возможность полностью автоматизировать процесс сжигания и транспортирования горючего, а также регулирования его расхода;

- продукты сгорания КСГ соответствуют экологическим требованиям, предъявляемым к выбросам ТЭС;

- благодаря транспортированию по трубопроводам не нарушается экологическая обстановка в районах размещения транспортных коммуникаций ТЭС.

Технология использования КСГ характерна тем обстоятельством, что «топливопровод» в состоянии заменить тяжеловесные железнодорожные составы. При сокращении объемов перевозки угля по железной дороге значительно улучшится экологическая обстановка вдоль железнодорожного полотна: исчезнут пылеугольные ореолы и шлейфы, сопровождающие перевозящие уголь составы; существенно снизятся потери угля при перевозке, а также потребность в специальных мастиках или других защитных покрытиях, используемых для предотвращения потерь угля в пути и т. п.

Анализ уже полученных предварительных оценок эффективности использования в электроэнергетике водоугольных суспензий (ВУС) также свидетельствует о необходимости продолжения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в рассматриваемой области. В частности, необходимы дополнительные исследования элементарных стадий подготовки топлива и, собственно, процессов горения капли ВУС или КСГ [2].

Имеется опыт успешного применения КСГ применительно к КС авиационных двигателей. Введение в состав горючего дисперсных порошков B, Al, Mg, существенно улучшало основные эксплуатационные характеристики горючих [3] двигателей летательных аппаратов. КСГ целесообразно использовать также в качестве моторных горючих [4].

Проблема получения и использования КСГ непосредственно связана с технико-экономическими потребностями, экологией, необходимостью создания новых видов топлив. КСГ могут представлять большой интерес для объектов как «малой», так и «большой» энергетики. КСГ обладают рядом несомненных преимуществ по сравнению с традиционными топливами: появляется возможность создания композитных смесей с широким спектром веществ-активаторов. При горении КСГ процесс горения можно организовать таким образом, что снижается выброс окислов азота, серы и т. п. В качестве углеводородной основы КСГ могут быть использованы различного рода отходы (отработанные автомобильные масла, отходы пищевой промышленности и т.д.).

Предложенные технологии сжигания твердого топлива, входящего в состав КСГ, на базе углеводородной основы, добавок торфяного геля и/или водоугольной суспензии имеют практическое значение, и прошла предварительную апробацию на КС теплогенерирующих установок [5].

В литературе рассмотрены перспективы применения КСГ и ВУС в энергетике Украины. Отмечено, что данный вид горючего по сравнению с угольной пылью позволяет упростить систему топливоподготовки, улучшить экологические характеристики, а также решить проблему утилизации сточных вод. Использование ВУС и КСГ дает возможность перевести котлоагрегаты на единое топливо.

Горение капли КСГ есть сложный, многостадийный процесс физико-химического взаимодействия жидкой углеводородной основы КСГ и органической массы твердых частиц угля, заключенных в капле топлива, с кислородом воздуха и водяным паром [6]. Предпламенные процессы и процессы воспламенения и горения капли КСГ осложняются явлениями физико-химического воздействия воды, входящей в состав суспензии, на форму, структуру, размеры капли и химическую активность углеродной поверхности частиц угля.

Для изучения характера этого воздействия и других особенностей процесса, например, установления величины суммарной скорости реакции КСГ в окислительной среде, необходимы опытные данные по изменению веса, формы и структуры капли суспензии во времени, по составу продуктов реакции органической массы капли топлива с окислителем (кислородом воздуха, водяным паром и др.). Общепринятыми методами исследования этих процессов является метод термогравиметрии и термометрии. На основании данных по тепловым условиям протекания реакции, по изменению температуры капли и окружающей среды вокруг нее в процессе горения может быть построена адекватная физическая модель процесса.

Анализ современной экологической ситуации приводит к выводу о необходимости изменения стратегии разработок и проведения природоохранных мероприятий в направлении создания комплексных экосовместимых технологий сжигания топлива на ТЭС и котельных. В этом смысле оправданы любые усилия, направленные на разработку и усовершенствование технологии сжигания КСГ в КС теплоэнергоустановок.

Известно, что горение жидкого топлива осуществляется в распыленом состоянии, при этом эффективность горения зависит от дисперсности распыла. В случае КСГ режимы горения также зависят в значительной степени от размеров капель самого КСГ и капель воды, находящихся в КСГ. Диспергирование жидкостей является существенным звеном многих технологий, поэтому одним из важнейших вопросов, возникающих в процессе изучения процесса подготовки топлива и горения КСГ, а также при отработке технологии, является определение диаметров образующихся капель и нахождение их распределений. Изучение особенностей подготовки и распыла активированных КСГ представляет самостоятельную научную проблему и в рамках данной работы не рассматривается.

Известна технология, описание которой представлено в [7], состоящая в том, что предварительно измельченный торф засыпают в емкость для приготовления коллоидной смеси, туда же подают воду, и смешивают их в заданном соотношении. После предварительного смешения в емкости торфоводяной раствор направляют в диспергатор-кавитатор, где осуществляют окончательный размол торфа с образованием коллоидной смеси заданного качества. Регулирование процесса производятся изменением кратности обработки смеси путем организации соответствующей обратной связи и интенсивностью обработки в диспергаторе-кавитаторе. Аналогичным образом готовят и ВУС. Воду и уголь смешивают в определенном соотношении. Затем путем обработки в диспергаторе-кавитаторе получают суспензию заданного качества. Образец КСГ образуется путем предварительного смешения жидкого топлива, коллоидной смеси и ВУС в емкости с последующей обработкой в диспергаторе-кавитаторе аналогично приготовлению коллоидной смеси и угольной суспензии. Готовое КСГ направляют в емкость, откуда насосом подают в КС котла.

Таким образом, в предложенной технологии путем вариации компонентов, интенсивности обработки каждого компонента и композитного топлива в целом получают жидкое топливо заданного качества (например, с заданной теплотой сгорания, зольностью, сернистостью, температурой воспламенения и т.п. или совокупностью этих свойств) вне зависимости от изменяющихся свойств компонентов. Полученное топливо имеет диспергированный состав с размером твердой фракции менее 35 мкм, при этом твердые угольные частицы встроены в коллоидную структуру торфяного геля. Такое топливо может быть использовано как в качестве основного топлива (в этом случае композиционное жидкое горючее не содержит нефтяной компоненты), так и в качестве растопочного. При незначительных изменениях в технологической линии приготовления топлива можно получать торфоугольный брикет или гранулы для слоевого сжигания.

К достоинствам рассматриваемой технологии можно отнести:

- низкую капиталоемкость, что позволяет внедрять ее при техническом перевооружении действующего оборудования;

- возможность поэтапного ввода в эксплуатацию, когда на первом этапе монтируется линия по замещению мазута, на втором - основного топливного тракта и на третьем - линия по производству гранул;

- наличие сырьевой базы для приготовления топлива в значительной части регионов страны.

1.1.2 Комплексная технология сжигания водомазутной эмульсии с добавками сбросных вод

Понятие экологизации технологий производства состоит в проведении мероприятий, направленных на предотвращение отрицательного воздействия производственных процессов на природную и окружающую человека среду. Осуществление экологизации производится путем разработки малоотходных технологий или технологических цепей, при реализации которых обеспечивается минимальный уровень вредных выбросов. В отношении применения газообразного и жидкого топлива (в основном, мазута), являющихся основными составляющими в балансе потребления при производстве энергии, экологизация означает предотвращение выбросов в атмосферу образующихся при сжигании различных вредных веществ, а также предотвращение загрязнения гидросферы и литосферы сточными водами, содержащими, в частности, нефтепродукты.

Была предложена технология [8] для теплоэнергетики, предусматривающая защиту атмосферного воздуха и водного бассейна от выбросов различных ингредиентов (NO_x , СО, сажи, многоядерных углеводородов, нефтепродуктов и других вредных веществ) основанная на сжигании мазута в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ) с применением впрыска в камеру горения сбросных вод.

Метод сжигания водомазутной эмульсии широко известен [9]. В исследованиях, посвященных этому вопросу, установлено, что для достижения поставленной задачи ВМЭ должна быть приготовлена в виде однородной смеси мазута и добавляемой влаги по типу "вода-масло", в которой вода как дисперсная фаза в виде частиц диаметром несколько микрометров находится внутри топливной оболочки. Только при соблюдении условия содержания влаги в водомазутной эмульсии до 20% обеспечиваются надежное воспламенение и устойчивое горение с высокой полнотой сгорания. Повышенная эффективность процесса горения эмульсии (даже при предельно низких коэффициентах избытка воздуха) обусловлена «микровзрывом» ее капель вследствие различия температур кипения воды и мазута. При дополнительном дроблении капель эмульсии достигается ускорение их испарения и улучшается процесс перемешивания топлива с воздухом, в результате чего с учетом наличия в зоне горения продуктов диссоциации воды и улучшения результирующего водородного баланса процесс сгорания мазута существенно активируется. В некоторых случаях наблюдается незначительный рост результирующей температуры ПС, который связан с изменением результирующего водородного баланса топлива и существенной интенсификацией процесса диспергирования.

Для приготовления пригодных к практическому использованию ВМЭ с требуемыми значениями влажности, дисперсности, вязкости и др. применяются соответствующие устройства - эмульгаторы и вещества-стабилизаторы.

Использование в качестве добавочной воды сточных вод дает возможность подвергнуть огневому обезвреживанию значительный их объем (примерно до 20% расхода топлива на котел). Это позволяет перевести ТЭС или котельную на малоотходную технологию (по крайней мере, путем утилизации всех сточных вод, загрязненных нефтепродуктами). Аналогичный эффект достигается при сжигании природного газа с добавлением влаги.

Сжигание ВМЭ с добавлением влаги приводит к перераспределению температурного поля в зоне горения. Более глубокого подавления NО можно достигнуть в том случае, если в качестве добавочной влаги вместе со сточными водами использовать растворы азотсодержащих веществ.

На основании оценки отмеченных выше факторов: влияния влаги или растворов реагентов в высокотемпературной зоне горения топлива на содержание в ПС различных вредных веществ (NO_x, SO₂ , СО, C₂₀H₁₂ и др.) и возможного огневого обезвреживания сточных вод сжигание мазута в виде ВМЭ можно считать комплексной, многоцелевой, экосовместимой технологией. Применение этой технологии оправданно экономически, так как при ее осуществлении достигается более рациональное использование теплосодержания топлива и продуктов сгорания. Кроме этого, для реализации этого метода не требуются большие капиталовложения. Выполнение этой технологии на действующих ТЭС и котельных имеет еще одно важное преимущество: перевод котлов на сжигание ВМЭ с добавками сточных вод не вызывает необходимости существенного изменения их конструктивного исполнения. Не требуется также кардинальных изменений и в системе газового хозяйства.

Таким образом, предлагаемая технология хорошо совместима с технологиями сжигания топлива на находящемся в промышленной эксплуатации оборудовании.

Показана целесообразность использования воды с мазутом. Для создания ВМЭ не требуются различные стабилизаторы однородности эмульсии. Этот эффект учитывается при выборе и приготовлении экспериментальных составов для проведения исследований. Использование воды в сочетании с различными активаторами процесса горения, такими как карбамид [10] способствует уменьшению токсичных показателей КС.

Проведенный анализ публикаций показывает, что наиболее простые и дешевые технологии получения водоугольного топлива разработаны российскими специалистами [11]. В отличие от разработок США, российские технологии могут быть адаптированы к углю, добываемому в Украине, и оборудованию, производимому также в Украине.

Анализ публикаций позволяет сделать вывод о том, что имеет место относительный недостаток информации касательно основных элементарных стадий формирования капли КСГ, ее испарения и воспламенения. При этом следует считать установленным факт наличия на этапе испарения капли КСГ двух основных стадий: испарения жидкой основы и образования конгломерата из частиц наполнителя и веществ-активаторов [12]. Причем с точки зрения осуществления процесса с высокой полнотой сгорания необходима организация специальных мероприятий (активации) для второй стадии.

1.2 Расчет равновесного состава ПС

Одним из эффективных и широко распространенных методов прогнозирования свойств ПС является анализ результатов расчета равновесного состава ПС. В данной работе был использован программный продукт ASTRA-4М, посредством которого были проведены расчеты равновесного состава ПС КСГ и сформулированы рекомендации по составу.

В основу алгоритма многоцелевого программного комплекса ASTRA-4M положен универсальный термодинамический метод определения характеристик равновесия произвольных гетерогенных систем, основанный на фундаментальном принципе максимума энтропии. Этот метод предоставляет уникальную возможность обобщённого описания любого высокотемпературного состояния с помощью одних только фундаментальных законов термодинамики, независимо от условий и способов достижения равновесия. Метод требует минимальной информации о самой системе и о её окружении.

Формулировка задачи термодинамического моделирования заключается в назначении двух условий равновесия изучаемой системы с окружающей средой. Ими могут быть либо численные значения термодинамических характеристик, либо функциональные соотношения между ними. Для описания самой системы, как материального объекта, необходимо знать лишь содержание образующих её химических элементов. Внутренние и межфазные взаимодействия описываются модельными термодинамическими соотношениями, для замыкания которых используются свойства только индивидуальных веществ - компонентов равновесия.

Благодаря простоте моделирования программный комплекс ASTRA-4M позволяет использовать термодинамический метод для изучения большого числа самых разнообразных высокотемпературных состояний и процессов. В данной работе рассматривается задача анализа рабочего процесса в тепловых машинах и энергетических установках различного назначения.

В программном комплексе ASTRA-4M предусмотрена возможность учёта некоторых неидеальностей. К ним относятся:

- исключение из числа учитываемых компонентов равновесия любых индивидуальных веществ;

- возможность назначать (фиксировать) концентрации одного или нескольких веществ с последующим расчётом равновесия оставшейся части системы;

- рассмотрение неидеальных конденсированных растворов путём задания избыточной энергии Гиббса;

- учёт собственного объёма, занимаемого конденсированными веществами.

Расчёты состава фаз и характеристик равновесия проводятся с использованием справочной базы данных по свойствам индивидуальных веществ. База данных является составной частью программного комплекса АСТРА - 4М. База данных сделана открытой для пользователей и допускает расширение и корректировку информации.

Для вычисления по программе ASTRA-4M определяются коэффициенты смеси топлива. Ввод данных осуществляется с клавиатуры (на мониторе), а вывод данных в файл вывода текстового формата (см. приложение).

В табл. 1.1. и на рис. 1.1.- 1.2. и приведены некоторые результаты расчета процесса горения КСГ с угольным порошком при добавлении воды, карбамида для различных значений коэффициента избытка воздуха alpha .

Полученные результаты позволяют дать прогноз относительно тенденций процесса горения и влияния на него веществ-активаторов. Очевидно, что данные по расчету равновесного состава продуктов горения КСГ могут выявить только общие тенденции и не описывают всех особенностей процесса непосредственно в КС.

В работе рассмотрены КСГ на основе сертифицированного печного топлива (ПТ) (С_0.946H_1.161O_0.002 A^d0,02%[зольность], V^daf98%[выход летучих веществ]; 50% керосина - 50% мазута) с добавлением мелкодисперсной угольной пыли (С_0,838H_0,056N_0,015 O_0,077S_0,014, A^d19%, V^daf42%) и воды, рассматриваемой в качестве добавки-активатора.

Таблица 1.1. Данные расчетов по программе ASTRA-4M.

Содержание воды, %	0	10	20	30	40
Коэффициент избытка воздуха	Температура, К
0,7	2040	1934,5	1809,2	1659,4	1477,2
0,75	2121	2020,7	1900,4	1755,1	1577,7
0,8	2191,9	2097,7	1983	1843	1670,1
0,85	2250,4	2164,6	2057,1	1923,2	1755,8
0,9	2290,3	2217,1	2120,8	1995,5	1834,8
0,95	2303,3	2243,2	2164,2	2055,9	1906,4
1	2290	2235	2164,9	2072,8	1947,3
1,05	2258,7	2202,8	2131	2036	1906,5
1,1	2217	2158,9	2084,3	1986,8	1857
Коэффициент избытка воздуха	Содержание СО, моль/кг
0,7	4,596	4,411	4,175	3,856	3,396
0,75	3,715	3,579	3,409	3,181	2,853
0,8	2,884	2,784	2,663	2,506	2,284
0,85	2,121	2,037	1,949	1,844	1,701
0,9	1,459	1,364	1,282	1,206	1,120
0,95	0,948	0,826	0,709	0,616	0,555
1	0,597	0,474	0,346	0,220	0,109
1,05	0,370	0,271	0,174	0,089	0,031
1,1	0,227	0,156	0,093	0,043	0,013
Коэффициент избытка воздуха	Содержание NО, моль/кг
0,7	6,99*10-4	2,31*10-4	5,20*10-5	6,52*10-6	2,90*10-7
0,75	2,28*10-3	8,57*10-4	2,30*10-4	3,68*10-5	2,48*10-6
0,8	6,50*10-3	2,75*10-4	8,59*10-4	1,69*10-4	1,56*10-5
0,85	1,66*10-2	7,96*10-3	2,87*10-3	6,81*10-4	8,22*10-5
0,9	3,66*10-2	2,09*10-2	9,04*10-3	2,59*10-3	3,96*10-4
0,95	6,58*10-2	4,59*10-2	2,64*10-2	1,04*10-2	2,11*10-3
1	9,52*10-2	7,58*10-2	5,56*10-2	3,57*10-2	1,82*10-2
1,05	1,17*10-1	9,86*10-2	7,88*10-2	5,86*10-2	3,89*10-2
1,1	1,31*10-1	1,12*10-1	9,08*10-2	6,87*10-2	4,60*10-2

Рис.

Рис.



Рис. 1.1. Зависимость свойств КСГ от содержания угля

Рис.

Рис.



Рис. 1.2. Зависимость свойств КСГ от содержания воды

Итогом проведенных расчетов могут быть следующие заключения.

Добавки дисперсного угля в КСГ приводят к незначительному повышению равновесной температуры и повышению содержания СО и содержания NO в ПС (рис. 1.1.) для всех значений коэффициента избытка воздуха.

Добавки воды снижают равновесную температуру ПС и количество указанных выше вредных веществ в ПС (рис. 1.2.). Добавки карбамида увеличивают температуру ПС, снижают содержание СО и увеличивают содержание NО. По полученным данным можно судить о содержании СО - чем выше концентрация воды и карбамида, тем ниже токсичность продуктов сгорания по окиси углерода.

Максимальное значение равновесной температуры ПС сдвигается в сторону меньших значений коэффициента избытка воздуха и лежит в области alpha 0.95 для широкого диапазона процентного содержания воды.

1.3 Расчет теплоты сгорания

По полученным молекулярным составам топлив была рассчитана низшая теплота сгорания. Теплота сгорания зависит от отношения содержаний водорода и углерода, а также от содержания в топливе серы, кислорода, азота. Чем ниже отношение Н/С и выше содержания S, O, N, т.е. элементов, являющихся своего рода балластом топлива, тем ниже теплота сгорания. Чем больше в топливе смол, тем меньше отношение Н/С и выше содержания S и O.

Низшая теплота сгорания оценена по формуле Менделеева

где C^P - содержание углерода, H^P - содержание водорода,

S^P - содержание серы, О^Р - содержание кислорода,

W^P - содержание воды в топливе. Все величины выражены в процентах.

Погрешность формулы Менделеева не превышает 2%. Подсчитанные теплоты сгорания КСГ представлены графически на рис. 1.3. Условные обозначения даны в подрисуночной подписи. График иллюстрирует сделанные выводы о том, что добавки воды снижают, как теплотворную способность КСГ, так и равновесную температуру продуктов сгорания.

Рис. 1.3. Интегральные характеристики КСГ.

Условные обозначения: ПТ - печное топливо. Пример: ПТ 80-10-10 - КСГ с 80% печного топлива, 10% угля, 10% воды.

1.4 Моделирование предпламенных процессов и горения образцов КСГ

Из представленного выше обзора литературы следует, что для исследования особенностей элементарных процессов испарения, кипения и горения капли КСГ целесообразно сочетание различных теоретических и экспериментальных методов. Полученные результаты расчета равновесного состава ПС должны быть дополнены экспериментальными исследованиями. Как уже отмечалось, одним из наиболее информативных и широко распространенных методов является метод термогравиметрии. В данном разделе представлены результаты экспериментов с образцами КСГ на термометрической и термогравиметрической установках, которые были оснащены современными аттестованными средствами измерений. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов позволит сделать дополнительные выводы. При подготовке экспериментов использовались материалы работы [13].

1.4.1 Лабораторная технология приготовления образцов КСГ

Для проведения экспериментов необходимо приготовить в лабораторных условиях достаточное количество КСГ с различным соотношением компонентов, включая вещества-активаторы. В настоящей работе образцы КСГ приготавливались в стеклянных сосудах объемом 50 мл. К основному углеводородному горючему (в нашем случае печное топливо) в соответствующих пропорциях подмешивались мелкодисперсный угольный порошок и вода. Также добавлялись выбранные вещества-активаторы. На данном этапе во главу угла ставилось требование изготовления образцов КСГ, устойчивых к расслоению в течение времени, необходимого для проведения экспериментов.

В качестве жидкой углеводородной основы было использовано сертифицированное углеводородное горючее: печное топливо бытовое (сертифицировано по ГСТУ 320.00149943.010-98) В качестве наполнителя - уголь газовый, мелкодисперсный, максимальный диаметр частиц не более 100 мкм и в качестве активатора - карбамид.

1.4.2 Исследование предпламенных процессов термогравиметрическим методом

Опыты проводились на термогравиметрической установке. Схема и общий вид ТГМ установки представлены на рис. 1.5., 1.6. Образец КСГ помещался в кварцевый микротигель (рис. 1.4.) и подвешивался на торсионных весах в вертикальной керамической печи, максимально достижимая температура в печи T_max 750 С.

Рис. 1.4. Общий вид микротигеля

Рис.1.5. Схема термогравиметрической установки:

1 - муфельная печь; 2 - образец КСГ; 3 - термопары; 4 - торсионные весы;

5 - термометр; 6 - милливольтметр; 7 - самопишущий прибор



Рис. 1.6. Общий вид термогравиметрической установки

В ходе ТГМ экспериментов температура в печи устанавливалась в диапазоне 280Т300 С. Эксперимент проводился в течение = 16 мин. Основные элементы экспериментальной установки: 1 - вертикальная керамическая печь с электроподогревом и внутренним диаметром 20 мм; 2 - кварцевый микротигель с образцом КСГ; 3 - термопары типа ХК; 4 - торсионные весы типа ЭМИБ с ценой деления 10-⁶; 5 - термометр; 6 - электронный автоматический вольтметр В7-28; 7 - прибор быстродействующий самопишущий типа Н3О21 (см. приложение). Все измерения проводились с погрешностью 5 %. Представленные в виде таблиц данные обрабатывались на компьютере и затем представлялись в виде графиков. Для обработки результатов был использован Microsoft Excel. В качестве примера, на рис. 1.7. представлена скорость изменения массы капли КСГ различного состава на основе ПТ, как функции температуры.

Сравнивая полученные экспериментально результаты с результатами численного моделирования, можно заключить, что полностью подтверждается характер термогравиметрических зависимостей, вытекающий из модифицированной модели. Отличие состоит только в том, что максимумы скорости массообмена капли (микровзрывы) имеют место на различных, но близколежащих отрезках времени. При этом максимальное значение скорости массообмена для ПТ соответствует 30% добавки воды. Наличие воды в КСГ приводит к тому, что остаточная масса капли стремится к нулю, что означает полное диспергирование уже на первой основной стадии.

Термогравитограммы однозначно свидетельствуют о наличии двух основных стадий процесса, что полностью соответствует известным из литературы данным. Сформировавшийся на второй стадии процесса конгломерат из частиц наполнителя (угля) поступает в зону горения и для его полного сжигания необходимы дополнительные мероприятия по активации. Моделирование процесса эволюции капли с учетом наличия в составе КСГ веществ-активаторов показало наличие второго пика на кривой скорости массообмена. На второй основной стадии при использовании в качестве активатора карбамида наступает его интенсивное разложение непосредственно в конгломерате и этот эффект приводит к деструкции конгломерата из частиц дисперсного угля.

Рис. 1.7. Результаты термогравиметрии КСГ на основе печного топлива

Анализ полученных термогравиметрических результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Экспериментально подтвержден факт наличия «микровзрывов» (рис.1.7.). Однако эксперимент показал, что время наступления этих «микровзрывов» для различных составов различно.

2. Эксперименты с чистым карбамидом и его раствором в воде показывают, что подтверждается сделанный на основании расчетов вывод о возможности активации процесса горения на второй стадии - а именно, на стадии горения конгломерата из частиц угля. Также процесс активируется на химическом уровне.

3. Добавление до 20% воды в ПТ ускоряет процесс массообмена, более того, способствует его полному завершению. Из полученных результатов скорости изменения массы капли КСГ на основе ПТ по времени при различном содержании воды - 10 , 20 и 30 % видно, что добавление 20% воды максимально ускоряет процесс реакции. Следовательно, вода также может рассматриваться в качестве активатора только до определенного процентного содержания в КСГ. Из результатов экспериментов с ПТ видно, что его использование с водой целесообразно при добавках 20% воды. При найденных рациональных значениях процентного состава КСГ достигается максимальная эффективность процесса массообмена капли КСГ и горения.

1.4.3 Исследование процесса горения КСГ термометрическим методом

Горение образцов малого объема проводилось на специально разработанном и изготовленном экспериментальном стенде, основанном на термопарном методе измерения температур. На рис. 1.8., 1.9. представлена принципиальная схема термометрической установки и ее фотография. Основные элементы экспериментальной установки: 1 - открытый источник огня - спиртовка, установленная под образцом КСГ; 2 - кварцевый микротигель с образцом КСГ; 3 - термопары типа ХК; 4 - торсионные весы типа ЭМИБ с ценой деления 10-⁶; 5 - термометр; 6 - электронный автоматический вольтметр В7-28; 7 - прибор быстродействующий самопишущий Н3О21 (см. приложение).

Проводились измерения температуры процесса горения КСГ массой до 125 мг. Образцы взвешивались до и после эксперимента для определения сухого остатка (золы). После первого взвешивания микротигель с образцом КСГ помещали над источником огня. В качестве образцов КСГ были также использованы образцы, приготовленные в лабораторных условиях по описанной технологии. Использовалась метрологически аттестованная аппаратура, которая позволяла проводить измерения температуры с погрешность - до 10%.

Термопары устанавливалась над поверхностью в трех положениях:

1 - над поверхностью образца;

2 - внутри образца;

3 - под образцом.

Такое расположение термопар выбрано для изучения поля температур при горении образца КСГ. Сигнал с термопары поступал на самопишущий прибор, фиксирующий значение температуры во времени. Время эксперимента - до = 20 с. Одновременно с термометрией образца КСГ проводилась видеосъемка процесса горения на цифровую видеокамеру.

Рис. 1.8. Схема термометрической установки:

1 - источник открытого огня; 2 - образец КСГ; 3 - термопары; 4 - торсионные весы; 5 - термометр; 6 - милливольтметр; 7 - самопишущий прибор

Рис. 1.9. Общий вид термометрической установки

Эксперименты проводились с образцами КСГ разных составов и результаты представлялись в виде таблиц, после чего обрабатывались с использованием компьютерных технологий Microsoft Excel. На рис. 1.11- 1.13. представлены типичные термограммы процесса горения КСГ.

Результаты термометрических экспериментов показали, что увеличение содержания воды в КСГ (до 20%) незначительно (менее процента) изменяет температуру процесса горения, что согласуется с данными расчета равновесного состава ПС, выполненных с помощью SOFT ASTRA-4M (в относительных величинах).

Было установлено, что для КСГ на основе ПТ процесс протекает в три стадии (рис. 1.13.), т.е. имеет место «тонкая структура» термограмм. В работе [14] было показано, что наличие многостадийности имеет место для ВУС, следовательно, обнаруженный эффект многостадийности для КСГ на основе углеводородного горючего не противоречит ранее полученным результатам. В ходе приготовления КСГ каждая индивидуальная частица угля покрывается слоем жидкого углеводородного горючего, и это обстоятельство обуславливает отличие нашего процесса от процесса с использованием ВУС.

Многостадийности для процессов с КСГ было предложено следующее объяснение:

1. Первый пик температуры связан с горением легких углеводородов, содержащихся в углеводородной основе и выходящих из образца КСГ на ранних стадиях горения.

2. Второй пик - с горением тяжелых углеводородов, содержащихся в углеводородной основе.

3. Горение образующегося на второй основной стадии конгломерата из частиц наполнителя. По-видимому, для исследованного вида КСГ влияние марки угля и его состава на особенности стадийности процесса не столь значительно, как это было установлено в работе [14].

Наличие дополнительных стадий объясняется физико-химическими особенностями использованного вещества-активатора. Известно, что при смешивании жидких углеводородов с водой мы получаем эмульсию и вода присутствует в КСГ в виде мелкодисперсных включений. При вскипании капель воды в образце КСГ наблюдается интенсивная фрагментация последнего - «микровзрыв». Это явление наблюдается в том случае, если жидкая углеводородная основа кипит при Т > 100 ?С, для использованного в наших экспериментах ПТ температура его кипения была выше температуры кипения воды.

Твердый активатор, например, карбамид, в виде отдельных включений исходной дисперсности (в наших экспериментах - до 500 мкм) на второй стадии процесса термически разлагается, и это также приводит к диспергированию образца КСГ, но уже на второй стадии.

На рис. 1.12. представлено изображение трехстадийности процесса горения различных составов КСГ с синхронизированными показаниями самописца, регистрирующего изменение температуры. Видеорегистрация процесса горения образцов КСГ с активаторами позволяет визуализировать особенности процесса горения, и описанные выше эффекты активации.

Представленные цветные видеоизображения процесса наглядно демонстрируют фрагментацию процесса горения КСГ и наличие «микровзрывов» (рис. 1.10.). Характер горения ПТ без активаторов протекает монотонно, без смены режима горения. ПТ с водой и другими активаторами начинает гореть при более высокой температуре КСГ и также выше максимальная температура.

Также существенно сокращается продолжительность процесса.

Рис. Хронография горения печного топлива

Рис. 1.10. Хронография горения КСГ на печном топливе.



Рис. 1.12. Стадии горения КСГ на основе печного топлива

Рис. 1.13. Результаты термометрии КСГ на основе печного топлива

Таким образом, из результатов наших экспериментов следует, что имеет место многостадийность процесса для капли КСГ.

Для водо-угольных суспензий осциллограммы изменения температуры капли во времени по мере ее выгорания также позволяют выделить четыре характерные стадии термической подготовки, воспламенения и горения капли.

Первая стадия ?₁, характеризующаяся постоянством температуры капли на ее поверхности, соответствует стадии испарения влаги с поверхности капли. Температура газа около капли в этот период также постоянна и несколько ниже температуры среды. Это подтверждает наличие теплового потока, направленного к капле. Конец первой стадии характеризуется началом «спекания» твердых частиц угля на поверхности капли.

Вторая стадия ?₂ соответствует проникновению поверхности испарения внутрь капли, перегреву водяных паров, выделению ранее сорбированных угольной поверхностью газообразных продуктов окисления угля и активации угольной поверхности, температура поверхности капли начинает расти. Вблизи поверхности создается пористый поверхностный слой высохших частиц, тормозящих процесс дальнейшего испарения влаги из внутренних зон капли. Внутри капли наблюдается повышение давления, капля увеличивается в объеме. К концу второй стадии капля представляет собой пористое тело, поверхность которого пронизывается струями водяного пара.

Третья стадия ?₃ соответствует началу воспламенения капли и характеризуется высокой скоростью нарастания температур. Во время третьей стадии происходят выгорание летучих и углерода с поверхности капли и завершение испарения влаги, находящейся в центральной области капли. Температура достигает своего максимального значения.

В четвертой стадии ?₄ происходит догорание коксового остатка, и температура внутри «капли» падает до температуры среды.

Уменьшение начальной влажности суспензии до величины, соответствующей минимальному ее предельному значению, позволяет сократить продолжительность подготовительных стадий процесса, особенно при невысоких температурах среды на стадии воспламенения.

При горении частицы твердого топлива в условиях определяющей роли массообмена на суммарную скорость реакции температура поверхности горящей частицы на 400--450 °С выше температуры среды; при этом чем меньше размер частиц, тем в большей степени эта разница в температурах сокращается из-за относительного увеличения поверхности частицы.

Характерно, что при выгорании капли суспензии практически отсутствует период горения капли при постоянной температуре. Это -- результат значительного увеличения объема капли на второй и третьей стадиях процесса, резкого увеличения пористости капли и затем относительно быстрого уменьшения ее размеров на стадии догорания, приводящего также к падению температуры на ее поверхности.

Наличие в составе КСГ веществ-активаторов существенным образом меняет картину эволюции капли КСГ. Поскольку вода не смешивается с углеводородной основой КСГ, открывается возможность активации процесса горения посредством механизма «микровзрывов» на первой основной стадии и за счет термолиза карбамида - на второй основной стадии, а именно на стадии горения угольного агломерата.

1. Экспериментально показано, что использование КСГ на основе ПТ целесообразно при добавках 20% воды и 10% угля.

2. При найденных рациональных значениях процентного состава КСГ достигается максимальная эффективность процесса горения капли КСГ, которая может быть выражена в полноте сгорания, температуре процесса.

3. Результаты расчета равновесного состава продуктов сгорания по SOFT ASTRA-4M подтверждают результаты проведенных экспериментов и выбор оптимального состава КСГ при коэффициенте избытка воздуха alpha=0.95 и 20% воды для ПТ.

В заключение этого раздела необходимо отметить универсальность предложенной методики и возможность ее применения для КСГ с широким спектром компонентов.

2. Описание принципиальной схемы теплогенерирующей установки

Теплогенерирующая установка предназначена для производства горячего воздуха, который используется для различных производственных нужд.

Данная теплогенерирующая установка универсальна и имеет ряд преимуществ:

- установка проста по конструкции и легка в применении;

- имеет небольшие размеры, легка по массе и, за счет применения комбинированного топлива, является дешевой и экологически чистой;

- автономна, и может работать в дежурном режиме.

Установка может применяться для отопления производственных помещений, быть использована в качестве сушилки для зерновых культур, а также для просушки изделий после лакокрасочного покрытия.

Установка состоит из таких основных конструкционных элементов:

· воздушный насос (вентилятор);

· малогабаритная камера сгорания;

· теплообменный аппарат (воздухонагреватель);

· системы подачи топлива.

Вентилятор нагнетает воздух в установку, где воздух делится на

два потока. Один поток поступает в камеру сгорания, чтобы обеспечить нормальный процесс сгорания топлива. Второй поток идет в теплообменный аппарат в качестве нагреваемого теплоносителя.

В камеру сгорания под определенным давлением через фильтр подается комбинированное топливо. Там происходит процесс горения этого топлива, характеризующийся образованием дымовых газов и выделением тепла. Дымовые газы, имеющие высокую температуру, поступают в теплообменный аппарат рекуперативного типа, где передают свою тепловую энергию воздуху. Далее нагретый воздух идет на производственные нужды.

Принципиальная схема установки представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная схема тепловой установки.

2.1 Схема и метод подачи КСГ в камеру сгорания

Как было сказано выше, в КС должен быть осуществлен процесс распыла КСГ и последующего горения в виде индивидуальных капель. Для практической реализации процесса и исследования эффектов активации предложена схема устройства для горения. На рис. 2.2. представлена принципиальная схема установки для реализации технологии сжигания КСГ, где в качестве гетерофазного вещества-активатора могут быть использованы как твердые дисперсные активаторы, так и жидкие (растворы в воде).



Рис. 2.2. Технологическая схема сжигания КСГ.

Компоненты установки: 1 - бак с горючим; 2 - бак с активаторами; 3 - шнек; 4 - эмульгатор; 5 - форсунка.

При помощи насоса угольная суспензия из бака поступает в эмульгатор, где смешивается с веществом-активатором - водой и доводится до состояния, пригодного для последующего распыла форсункой. Посредством вентилей осуществляется регулирование расхода суспензии и/или эмульсии. Далее горючее поступает в форсунку и распыляется в камере сгорания. Данную схему подачи топливной смеси можно применять непосредственно в процессе работы установки, однако можно изготовлять КСГ и отдельно, а затем подавать его из топливного бака через фильтр на форсунку.

2.2 Расчет камеры сгорания

В этом разделе рассматривается конструкция, требования к работе КС, а также определение основных параметров и размеров камеры сгорания. По полученным размерам сделан описательный чертеж камеры сгорания.

2.2.1Конструкция камеры сгорания

Индивидуальная камера.

Это одна единственная камера сгорания на весь двигатель. Их устанавливают на малых двигателях, когда делать несколько камер на очень малые расходы невыгодно. К достоинствам камер сгорания такого типа следует отнести хорошую прочность, удобство монтажа - замена камеры не требует разборки всего двигателя. Ее доводка проще и дешевле, т.к. при испытаниях обходится меньшим расходом воздуха, чем требовалось бы для двигателя в целом. Малорасходные форсунки предъявляют жесткие требования к топливным фильтрам, ибо возрастает опасность их засорения.

2.2.2 Требования к камерам сгорания. Основные принципы работы

Высокий коэффициент полноты сгорания .

Малые потери полного давления.

Высокая теплонапряженность рабочего объема камеры.

4) Малая (или заданная) неравномерность поля температур на выходе.

5) Быстрый и надежный запуск. Устойчивая работа на различных режимах.

6) Большой ресурс работы. Удобство и безопасность эксплуатации.

Существует необходимость установки в нижней точки камеры ГТД дренажного клапана для удаления подтекающего из системы топлива, чтобы не допустить его накапливания во время стоянки и возможного взрыва при запуске. При запуске камеры обязательна ее предварительная продувка.

7) Минимальная стоимость конструкции.

8) Экологическая чистота.

Отсутствие дымления, выбросов продуктов неполного сгорания углеводородов и таких токсичных веществ, как окислы азота, бенз-?-пирен и др.

Некоторые из перечисленных требований противоречат друг другу. Так, высокой полноты сгорания и малых потерь давления трудно достичь в камере малых габаритов, т.е. высокой теплонапряженности. Всегда ищут разумный компромисс между такими требованиями.

Данные для проектировочного расчета КС

Температура воздуха на входе Т_К^*=293 К.

Давление воздуха на входе Р_К^*=1,03710⁵ Па.

Температура газа на выходе Т_Г^*=1073 К.

Принимаемые параметры:

· кпд камеры сгорания ?_КС^*=0,98.

· падение давления в камере сгорания ?_КС=0,96.

· расход воздуха на входе в камеру сгорания G_В=0,06 кг/с.

· скорость воздуха на входе в камеру сгорания С_К= 15 м/с.

· скорость газа на выходе из камеры сгорания С_Г=45 м/с.

Определим расход топлива в кг/с:

,

где L₀ - минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг возд/кг топл, вычисляется по формуле:

,

где С, Н, О - процентное содержание углерода, водорода и кислорода топлива.



Рис. 2.3. Схема индивидуальной камеры сгорания

Перед камерой сгорания (рис. 2.3.) располагают диффузор 1 для снижения скорости потока воздуха из компрессора до необходимого уровня. Внутри корпуса 2 камеры установлена перфорированная жаровая труба 3. Топливная форсунка 4 и лопаточный завихритель 5 размещены в головке жаровой трубы, образуя вместе с нею фронтовое устройство 6. Через фронтовое устройство и первые пояса отверстий жаровой трубы в нее поступает первичный воздух G_в, образуя зону горения. Вторичный воздух G_в через зазор между корпусом и стенками жаровой трубы проходит до последних рядов отверстий. Поступая через них в жаровую трубу, он создает зону смешения.

Делением воздуха на первичный и вторичный потоки решается также вопрос охлаждения стенок жаровой трубы. Для этого используют обтекающий их вторичный (а частично - и первичный) воздух. Его подачу через перфорированные стенки жаровой трубы организуют так, чтобы получить необходимый профиль температур в потоке газа на выходе камеры.

2.2.3 Определение основных параметров и размеров камеры сгорания

По результатам расчета процесса горения при ?= 0.95 получаем такие параметры:

Т_Ж =2164 К - температура горения.

V_Г=6,085 м³/кг - удельный объем газа.