close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...технологий использования твердых топлив

код для вставкиСкачать
● Ф и зи ко–мате ма ти че ск ие на ук и
УДК 539.216; 621.039.6
В.Е. Мессерле, Л.Ж. Иманалина
(Казахский национальный университет им. аль-Фараби,
Алматы, Республика Казахстан)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЛАЗМЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
Аннотация. Рассмотрены механизмы превращений азота и серы топлива в процессах термообработки
углей, привести схемы превращений сернистых соединений угля в инертной и восстановительных средах, а
также азотсодержащих соединений угля при факельном сжигании.
Ключевые слова: плазменно-энергетические технологии, воспламенение, пиритная сера, топливные
оксиды азота.
Введение.
Непосредственное сжигание углей пониженного качества, доля которых в топливном балансе
ТЭС увеличивается, связано с заметными трудностями из-за ухудшения их воспламенения и
выгорания, а также увеличением вредных пылегазовых выбросов.Плазменно-энергетические
технологии, базирующиеся на эффективном использовании твердых топлив, целесообразны не
только в технико-экономическом аспекте, но и в экологическом отношении.При комплексной
переработке угля из его органической массы получают высококалорийный синтез-газ (СО + ),
свободный от оксидов серы и азота, а из минеральной части угля извлекают ценные компоненты
(кремний, ферросилиций, карбосилиций, ферроалюминий), что позволяет существенно сократить
вредные пылегазовые выбросы в окружающую среду[1, 2].
Механизмы превращений азота и серы топлива в процессах термообработки углей
Безмазутные технологии растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения факела с
использованием электродуговых плазмотронов [3 - 7] способствуют снижению вредных выбросов
(оксидов азота, серы и ванадия) в атмосферу.Поскольку плазменно-энергетические технологии
базируются на использовании углей, а в углях содержатся азот и сера, рассмотрим процесс
превращений последних при нагреве угля. В процессе нагрева угля происходит отщепление
функциональных групп, в которые входят азот и сера топлива [8, 9, 10].Уменьшение вредных
выбросов может быть достигнуто несколькими путями: очисткой исходного сырья от вредных
примесей, удалением оксидов серы и азота из отходящих газов (что является сложной задачей) и
проведением процесса в условиях, когда вредные вещества образуются в меньшей степени. Для
решения проблемы третьим путем необходимо глубокое понимание механизма превращения серо- и
азотсодержащих компонентов угля в различных процессах.
Сера содержится в угле в виде дисульфида железа FeS2 (пиритная сера) и органической серы.
Количество органической серы составляет 30-50 % от общей серы. При нагреве угля происходят
сложные процессы разложения пирита и органических серосодержащих групп с выделением в
основном сероводорода, взаимодействие выделившегося сероводорода с органической массой угля и
компонентами золы, разнообразные реакции сероводорода с пиритом и т.д. Схема этих превращений
представлена на рис.1[8].
Таким образом, при термической переработке угля осуществляются сложная совокупность
реакций выделения сернистых соединений и фиксация их в коксовом остатке, упрощенную схему
которых (см. рис.1) можно описать следующим образом:
1.Большая часть серы выделяется из угля при температурах около 1073 К, так как в этих
условиях
полностью разлагается на FeSи S, а из органической массы выделяются летучие,
содержащие в инертной или восстановительной среде серу в виде
S, C и серосодержащие
соединения смолы (в основном тиофеновые соединения и сульфиды). Дальнейший распад FeS
происходит очень медлено, и значительная часть его остается в коксе.
2.При температурах выше 923 К скорость реакции
скомпонентами минеральной массы угля
МО и МС , где М – это Fe, Mg и Са, велика и значительная часть выделившегося
связывается
или остается в коксе[11].
3.Серосодержащие компоненты смолы в инертной или восстановительной среде при высоких
температурах разлагаются на сероводород и низкомолекулярные углеводороды.
4.В парокислородной среде идут радикальные и радикально-цепные газофазные реакции
окисления S и C с образованием оксидов серы (SO, S и S ).
498
№2 2015 Вестник КазНТУ
● Ф и зи ка– ма те мат ика ғ ылымда ры
Рис. 1. Схема превращений сернистых соединений угля в инертной ивосстановительной средах
Азот входит только в состав органическоймассы угля, в золе он не содержится. Основное его
количество содержится в ароматических кольцах и значительно меньше — в боковых цепях.
Выделение азотсодержащих соединений из угля начинается после выделенияпримерно 10 % летучих.
Далее скорость этого процесса несколько превышает скорость потери массы образцом угля.
Основными азотсодержащими соединениями угля являются пиридины, пироллы, нитрилы,
карбозолы, хинолины, индолы. Количество выделившегося азота зависит от температуры, скорости
нагрева, типа угля. Так, при повышении температуры от 770 до 1170 К количество азота,
выделившегося в виде летучих, увеличивается от 20 до 80 % [3, 8].
Рис. 2. Схема превращения азотсодержащих соединений угля при факельном сжигании.
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2015
499
● Ф и зи ко–мате ма ти че ск ие на ук и
Дальнейшие превращения выделившихся азотсодержащих летучих зависит от среды: при
гидрировании в водороде и газификации водяным паром основные газообразные продукты — NH3 и
N2, при сжигании в кислороде и воздухе - N и . Превращение азотсодержащих компонентов угля
в окислительной атмосфере происходит по схеме, приведенной на рис.2 [3] и приводит к
образованию "топливных" оксидов азота.Образование "топливных" оксидов азота начинается при
температуре 950 К (температура воспламенения летучих) и увеличивается примерно в 5 раз при
повышении температуры до 1200 К, достигая значений 1,0 г/м3. При дальнейшем увеличении
температуры до 1800 К концентрация NO растет слабо. При температурах выше 1800 К начинается
образование оксидов азота из азота воздуха ("термические" NO) по механизму Зельдовича и
содержание их в продуктах резко возрастает (до 16 г/м3 при 3000 К).
Резкое ужесточение в последнее время требований к повышению эффективности
топливоиспользования и защите окружающей среды от вредных выбросов является мощным
стимулом для развития новых технологий подготовки к сжиганию и комплексной переработки
топлив, позволяющих снизить концентрацию NOxв отходящих газах. Перспективными
технологиями, позволяющими снизить выбросы NOxявляются плазменно-энергетические технологии
топливоиспользования. Применение плазменно-энергетических технологий топливоиспользования, а
именно плазменно-топливных систем (ПТС), обеспечивает стабильное воспламенение при
повышении эффективности сжигания угля. ПТС не только устраняют необходимость использования
дорогостоящих газа и мазута для растопки котлов и стабилизации горения пылеугольного факела,но
позволяют снизить выбросы оксидов азота (в 1,5-2 раза), оксидов серы (за счет исключения из
топливного баланса ТЭС высокосернистых мазутов) на 30-40 % ипятиокиси ванадия на 90-95 %[2].
При использовании ПТС нагрев потока аэросмеси осуществляется в основном в результате
горения определенной части угля. При этом азот топлива, ответственный за образование "топливных"
оксидов азота, составляющих до 90-95 % выбросов NOx, выходит вместе с летучими угля и в
условиях дефицита окислителя образует молекулярный азот. Из последнего могут образоваться
только «термические» оксиды азота. Более того, из-за дефицита окислителя температура газов в ПТС
существенно ниже температуры факела в топке и «термические» оксиды азота практически не
образуются. При этом, замена мазута углем позволяет снизить выбросы оксидов серы, содержание
которой в мазуте,как правило, выше, чем в угле. В мазуте присутствует ванадий, который образует
канцероген – пятиокись ванадия. Ванадий также является причиной высокотемпературной коррозии
поверхностей нагрева, а в угле его практически не бывает.
ЛИТЕРАТУРА
1.Карпенко Е.И., Буянтуев СЛ., Ибраев Ш.Ш., Мессерле В.Е. Плазмоэнергетические процессы и
аппараты в решении природоохранных задач. — Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, - 1992. — 114 с.
2. Мессерле В.Е. Комплексная электротермохимическая переработка низкосортных твердых топлив
// Плазменная активация горения Углей. — Алма-Ата: КазНИИЭ, 1989. - С. 31-48.
3.Сакипов З.Б., Мессерле В.Е., Ибраев Ш.Ш. Электротермохимическая подготовка углей к сжиганию.
— Алма-Ата: Наука, 1993. — 259 с.
4.Новые материалы и технологии. Экстремальные технологические процессы / Под ред. М.Ф. Жукова.
— Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1992. — 178 с.
5.Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C., Буянтуев СЛ., Мессерле В.Е. и др. Плазменная
безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / Под ред. В.Е.Мессерле и
В.С.Перегудова. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1995. — 304 с.
6. Messerle У.Е., Peregudov V.S. Ignition and stabilisation of combustion of pulverised coal fuels bu thermal
plasma // Investigations and design of thermal plasma technology. — L.: Cambridge Interscience Publishing, 1995.
— Vol. 2. — P. 323—343
7.Blackburn P.R. Pulverised coal heated igniter system // Pat. № 1585943 (B). - 1982. — № 3.
8.Жуков М.Ф., Калиненко Р. А., Левицкий А.А., Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля.
— М.: Наука, 1990. — 200 с.
9.Suuberg E.M., Peters W.A. Howard J.B. Product composition and kineticsof ligite purolysis// Ind/ and Eng.
Chem. Process Des. And Develop. – 1978.- Vol.17, N1. – P. 37-46/
10.Solomon P.R., Hamblen D.J., Carangelo R.M., Krause J.l. Coal thermal decomposition in an entrained flow
reactor: Experiment and theory// Proc. XIXIntern. Symp.Combust. – 1982. – P. 1139-1149.
11.Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Введение в плазменно-энергетические технологии использования
твердых топлив. – Новосибирск, 1997.- 118 с.
500
№2 2015 Вестник КазНТУ
● Ф и зи ка– ма те мат ика ғ ылымда ры
Мессерле В.Е., Иманалина Л.Ж.
Плазмалық энергетикалық технологиялардың экологиялық аспектілері отынның қатты түрлерін
пайдалану
Аннотация. Бұл жұмыста отындық термикалық өңдеу процестерінде көмір күкірт және азот түрлендіру
механизмін қарастыру тапсырма қойылады, қайтару инертті күкірт қосылыстары және көміртек тізбек
түрленулер көрсету, және азот бар көмір қосылыстарын факелмен жағу.
Түйінді сөздер: плазмалық-энергетикалық технологиялар, қабынуы, пириттік күкірт, отын азот
оксидтері.
Messerle V.E., Imanalina L.Z.
Ecological aspects of plasma-energy technologies used for solid fuels
Executive Summary. The work sets a task of considering mechanisms of nitrogen and sulfur fuel
transformation within coal thermal processing processes; bringing schemes of transforming coal sulfur compounds in
inert and reducing environment, as well as coal nitrogen containing compounds in flaring.
Key words: plasma-energy technologies, inflammation, pyritic sulfur, fuel nitrogen oxides.
УДК 622.807:622.271
М. Жараспаев, К. Мустафина, А. Умбетова, Г. Пиржанова, Д. Абилжанов, М. Қазтай
(Казахский национальный технический университет имени К.И.Сатпаева,
Алматы, Республика Казахстан)
ПРИНЦИП МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗРУШЕННЫХ ГОРНЫХ МАСС В ЛАБОРАТОРНЫХ
УСЛОВИЯХ
Аннотация. Принцип моделирования разрушенных горных масс для экспериментальных исследований
в лабораторных условиях для установления физико-механических и физико-химических свойств основан на
представлении навала разрушенной горной массы на скелет и заполнитель, который позволяет получить
математическое выражение, учитывающий процентное соотношение фракции заполнителя и фракций навала
горной массы расположенной в карьерах. Такой подход позволяет соответствие реального объекта с
лабораторной моделью для исследований физических свойств разрушенных горных масс.
Ключевые слова: моделирование, физические величины, принцип, фракция, горная масса,
лабораторные условия, пористость, коэффициент разрыхления.
Для описания физических свойств песков, цементов и других тел используется механика
сыпучих материалов. В добывающей отрасли в результате технологических процессов получают
разрушенную горную массу, которая существенно отличается от сыпучих материалов. Поэтому
использовать механику сыпучих материалов для описания физических свойств разрушенных горных
масс нецелесообразно. В связи с этим возникает необходимость создания модели разрушенных
горных масс для лабораторных экспериментов по установлению их физических свойств. Выбранная
модель должна обосновываться в соответствии с определенным принципом.
Принцип моделирования разрушенных горных масс для экспериментальных исследований в
лабораторных условиях для установления физико-механических и физико-химических свойств,
имеющих важные значение при различных технологических процессах горного производства, должен
обосновываться с использованием параметров реального объекта.
Важнейшими
технологическими параметрами разрушенной горной массы являются
геометрические размеры и конфигурация развала, гранулометрический состав, распределения кусков
и порового пространства в развале, подвижность, степень сложности строения и отработки
разнородных забоев и т.д. При транспортировке разрушенных горных масс конвейерным
транспортом и увлажнение их для снижения пылевыделения при выемочно-погрузочных работах.
Распределение кусков и пор в навале горной массы описывается по логарифмическому
нормальному закону Колмогорова. Статистическое исследование навала взорванной горной массы
доказывает представление о навале, как о несвязной среде с неоднородной пористостью, так как
согласно логарифмическому закону размеры кусков и пор могут быть всевозможными. По тому же
статическому закону местонахождения кусков и пор в объекте навала может быть самым
разнообразным. Однако статистические исследования не могут быть использованы для установления
таких параметров навала, как подвижность разрушенных горных масс, пористость и относительная
влажность.
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2015
501
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа