автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Динамика конверсии низкосортных углей в потоке и кипящем слое

Цзяистерство энергетика я алевтргфакацща СССР

Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский энергетический институт им. Г.М.Врзджаяовского

На правах рукописи

ЧЕРНЯВСКИЙ Наколай Владимирович

Ж 6S2.6I.747; 66.096.5

ДИШИКА КОНВЕРСИИ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ В ПОТОКЕ И КИПЯЩЕЙ ШЮЕ

Специальность 05.14.05 "Теоретические

основы гэшготехяикн"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва . 1991.

Работа выполнена в Отделении высокотемпературного преобразования энергии Института проблем энергосбережения Академии наук Украины

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Ю.П.Корневой

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Е.Ь.Саиуйлов

кандидат технических наук • Ы.А.Изшов

Бедущая организация - Институт высоких температур АН СССР,

Москва;

Защита диссертации состоится Ы 1991 г.

в часов на заседении специализщзоваиного совета при

Государственном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском энергетическом институте им.Г.М.Кр-гиканово1 по адресу: 117927, Москва, Ленинский проспект, 13.

С диссертацией ыокао ознакомиться в библиотеке ЭНИН.

Отзывы на авторе^рат в дух экземплярах, заверенные гербовой печатью, вросиы направлять по адресу: 117927, Москва, ГСП , Ленинский проспект, 19, ЭНШ, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан ^^ ^й^^З ' 1931 г-

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

. /

/,<! / ¡1 Н.Ф.Васильева

/Л I Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Перспективы развития отечественной энергетики >едусматрявают повышение доли твердого топлива в тошшвно-эяерге-гаеском балансе страды. Вместе с тем качество большинства добыва-¡ых углей продолжает ухудшаться. Поскольку сжигание низкосортных 1шшв (HCT) в традиционных факельных топках затруднено, повышение фективности использования HCT может быть достигнуто за счет применил перспективных методов их термической переработки: высоко-1Мпературной газификация в потоке, двухступенчатой термической реработки (ТП) с предварительной частичной газификацией, саига-:я в различных модификациях псевдооаихенного слоя (ПС). Их основ-ш преимуществами являются возможность- утилизации широкого спек-ia HCT и экологическая чистота технологий.

При разработке и создании установок для термической перерабог-; HCT необходимы знания о динамике, а для ПС и о макрокинетике нверсяя углей в указанных процессах. Большинство известных работ этом направлении выполнено на установках лабораторного ¡гасатаба, их результаты не всегда могут быть применены для режимных усло-й реальных процессов. Исследования в масштабе укрупненных уставок требуют, с одной стороны, разработки методов экспресс-днаг-стики процессов в технологических установках, с другой - устано-ения характера связи меяду наблюдаемой; скоростью конверсии и мзк-кинетическими характеристиками реагирования коксов HCT о газами.

Цель работы - разработать методы зкеп ресс-даагностики энерго-хнологических процессов, исследовать динамику конверсия низко-ртннх углей в потоке л ПС в сопоставлении с известными мадроки-тическими характеристикам их коксов, разработать методы оптими-ции и оперативного контроля эяарготехяологаческих процессов.

Научная новизна работы состоят в том, что:

- разработаны методы экспресс-диагностики по газовому анализу элементному балансу, позволяющие в темпе эксперимента определять орость и степень конверсии углерода в реакционной зоне, а также епеяь смешения (разделения) газодисперсных потоков в различных чках аппарата;

- исследована динамика поточной газификации высокореакционяо-угля и показана зависимость степени конверсии углерода в начале

оцесса (до 0,1 с) от условий высокоскоростного шгрева частиц;

- показано влияние содержания кислорода в газифицирующем аге-е на динамику конверсии низкосортных углей в кяшэдн (КС) и фон-нирувдем (ФС) слоях я определены условия квазястационарной аио-рмической паровоздушной газлфакацяв; - г.> -

- показано, что частичная паровоздушная газификация в ПС улучает условия последующего саиганиявысокозояьных углей;

- определена связь между яаблвдаемой динамикой горения угля : ПС и макрокинетическими константами реагирования его кокса с газ®

Практическая ценность работы заклинается в следующем:

- получены наблвдаемые макрокияетячесние характеристик!! горения и газификации коксоз высонозольных углей з ПС в дашазояе 1000 ...1400 К;

- разработаны инженерные модели горения в ПС и газификации в потоке, применимое для экспресс-расчета ряда режимных параметров;

- предлоген ряд методов оптимизации опытяо-промызлеяных аппаратов ПС на основе данных экспресс-диагностики.

Реализация. Результаты исследований и разработок использована Энергетическим институтом им.Г.М.Крхияаяовского, Всесовным теплотехническим институтем, КазНИИэяергетики, предприятием "Штех -энерго", фирмой "Пракмк-цеятр" НГТМ г.Челябинска при расчетах ре-еямов и оптимизации работы опытно-промшиеяных установок, предназначенных для сжигания низкосортных углей.

Апробация работк. Основные результаты работы докладывались на Первой (г.Брно,1986) и Второй (г.Мост,1989) меадуяародшх конференциях по.использованию углей (ЧСФР), Международных научно-технических совещаниях стран-членов СЭВ,СФРЮ и Финляндии по физико-техническим проблемам создания МГДЭС (Киев,1984) и вихревым гетерогенным потокам (Москва,1986), Пятой всесоюзной конференции по горение органического топлива (Новосибирск,1985), Второй всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск,1990), Всесоюзной конференций по созданию энергосберегающих технологий (Москва,1990), Всесоюзном симпозиуме по газификации углей (Красноярск, 1991), всесоюзных семинарах "Методы прямого преобразования энергии" (Киев, 1986—1990).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 научных работы (основные указаны в автореферате).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы 190 страниц, включающих 122 страницы машинописного текста, 36 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 120 наименований, 6 приложений на 7 страницах.

СОДЕРЗАНЕЕ РАБОТЫ Во обоснована актуальность теда, показана научнзя

эвизяз .и практическая ценность выпажяеяяых лсследсв~.''ай я разра-эток, рассмотрены причины отставания отечественных технологий. веской переработки НСТ , сформулированы цели я задач;! работы.

В пзрвой глава на основе анализа литературных данных показана шашка ухудачния качества добываемых углей я роста отходов их ¡огасцения за последние десятилетия, обоснована необходимость зов-чеяяя IÍGT а топливно-энергетический баланс страны я'Обсужден ряд рспективных процессов их утилизации: глубокой высокотемпературной зифшации з потоке, двухступенчатой ТЛ с предварительной частнч-й газификацией, сжигания в ПС. Показано, что разработка невих хяологий додана базироваться на результатах исследований динагли-конверсяа углей при их сжигании а газификации. Приведен краткий зор современного состояния исследований з масштабе лэзсрзтсрнюс шытных установок, а также методов аналитического описания ука-чяых процессов.

Из анализа литературы следует необходимость Солее подробного 'ченкя на установках укрупненного масштаба: динамики и возможной 'бикы конверсии углерода при высокоскоростной нагреве пылевидных :ей в потоке; требуемой глубины конверсии в процессе предварите-:ой частичной газярякадаи; областей реагирования и нэбягдэе.у.ой роки.четики конверсия коксов в диапазоне рабочих температур ПС. тывая недостаточную информативность традиционных методов иссле— ания процессов в крупномасштабных установках, в работе Зсльдлн-о экспериментальных данных получено на. основе разработанных ав-эм диагностических методик. Бо второй глазо описаны разработанные экслресс-диагнсстичес-методяки определения наблюдаемых скоростей конззрсии углерода и :е.чи смешения (разделения) гззодиаперсных потоков з з.чергетпче-; установках, приведены методики элементного баланса л гагоьо-шализа, лежащие в основе методологии диагностик, способа экс-¡c-определеяия целевых параметров процессов, а такхе дц/гпе ме-; иссЛ'"- ■ оваяия, использованное з работе, £десь тл обсунденк пешек я способы минимизации погрешностей косвенного определения вых параметров.

Сущестзо методологии заключается в определении скорости Кении углерода в выбранном реакционном объеме по приросту моль-потока углеродсодеряааах тазов на основе измеренного газе-

эого состава яа входе н выходе, известного расхода нереагяруицего газообразного трассера - азота лли аргона - и уравнений элементно го баланса. В качестве газоанализаторов использованы: на опытных стендах .- автоматизировать! й масс-спектрометр МХ-1215, опредедяю-б непрерывном реаиме с задержкой менее I с объемную долю Е, СО , N о » 02 « СС2 , Аг ; на пилотных стендах - хроматографы МП-¿'С л 'Тазохроы-3101" с газом-носителем гелием. Корректность анализа обеспечивается соответсгвувщиш 'условиями отбора м очистки -"с;;, в том числе скоростью охяаздения б пробоотборнике не менее и" К/с и преяыущественшм выбором точек зондирования в потоке бе градиента состава по сечению и с наименьшим содержанием твердой

¿окрашенное уравнение материального баланса реагирующие компонентов для горения углерода (в мольных единицах расхода) имеет

'л':'-^(а'781Ы2+0>2102)/22,4г+*соСОч-хс02С02+... + х^Ы2 , (I)

ССК7ДБ

~ Щ- ^эз^со^ псо2>/пЧг - (2)

.-лалогично дня газификации

•'зй1 ^ [(%+ псог < >/< ]> (3)

где , /7- соответствует газнфицирупцецу агенту (ГА) и газообразным продуктам <отсутствие или цренебрегиыость других ухлеродо-содераащих газов контролируется дополнительно). При непрерывной додаче угля степень конверсии углерода оценивается как л - Сг), (4)

а з опытах с дискретной загрузкой при нещ)ерывном определении У/

Контрольные опыты показали расховдение не более 10$ отн.велн чин по (4) и (5) с данными технического анализа кокса, выводимого из процесса.

3 случае разделения газодисперсных потоков в средни" 'тзеть диагностируемого тракта подается дополнительно трассер-аргон, а гаэ анализируется в точках по обе стороны от точки ввода трассера, ло не ближе десяти диаметров тракта. Точка появления избыточного аргона показывает направление газового потока, а его величина (бе; учета водяного лара в потоке) определяется выражением

в (1--7). • С6]

"дат Улг \д1)Аг /*.-.._■

Для определения степени смешения газодясперсных потоков в тс~-з пробоогбора трассер вводят в сдан из потоков с объемной долей ■ 0 . а объемная доля "меченого" потока в точке пробоотбора ( при

ТО "

гсутствси трассера в основном потоке я без учета водяного паря;:

¡-»тр/Пт? • С?)

рл наличии значительного содержания f^O в потоках различные трасеры I и 2 вводят в оба потока с объемной долей соответственно с." Сп , тогда объемная доля потока Z в точке пробоотбора составля-

m

I - nz с// ( п, с? + п2 с,0). С а;

Рассчитанные относительнее среднеквадратичные погрешности; ксс-эиного определения искошх величин не превышают 5-3 %. Влияние bos-ozkovq ясканеяия состава в пробоотборнике минимизируется учетом ряш COg+CO для оценки скорости конверсии и Н2+СО - выхода целевых азов при газификации. Сочетание эксперсс-диагяостических методов даякьгмя по составу коксового остатка (КО) позволяет также оценить кяашку конверсии углерода летучих и фиксированного ( глава а / , гепень отгонки летучих в реакторе предварительного пиролиза ^гль-а 4). ■

Третья глава посвящена исследований динамики конверсии нлзкс— оргяых высокореакционвдх углей при газификации в потоке. Здесь переделы: описание опытных установок, методика и результаты эксперя-ентов на них и анализ полученных зависимостей. Объектом исследова-ия были выбраны угли: длиннолламеяный Новомосковского местсрояде-ия (Н-М(д)), каяско-ачинский (КАУ) и югославский бурый (5).

В прямоточном газификаторе с нисходящим потоком ВШ-ЮОВ теп-оносателем и ГА слукат продукты сгорания метана в обогащенном до '0° =25...32 % дутье. Уголь с расходом 50... 150 кг/ч (<?< 100 сдается аргояом-яоеигелем через водоохлавдаемый зонд в Сескислорс-ную часть факела, при этом температура стенок падает от 2GCG — 200 К до 1500—1700 X. Динамика конверсия углерода определяется о газовому анализу а контролем КО в конце реактора. Нз exsiss ЗП-0,1 с тем же расходом угля (<54 60 мкм) газификация происходи? спутном коаксиальном потоке водяного пара за счет тепла осевого аслородно-метанового факела. Здесь динамика конверсии ощидедяет-s на основании анализа проб кокса nq длине реактора: степень смогши потоков - методом "аргояной метки"; температуры газа, частиц стенок - спектральными методами (температура частиц в экецгря^гая-¡х всеэда превышала 1700 К). Ш обоях стендах.время пребывания га-

гсдпгпс-реяого погожа (скорость витания частац а 10-33 раз кзкыпе скс~сстг ассока) as вабраяяых учзстааг и стсугстгас соратянх ток

с.-г.5-е-л=ггсл по измерекаш пол£й5 скоростей г различая* сечениях

рис. I показана характерная динамика газообразования в ср. моточном реакторе. Ввдяс, что coci-ав газообразных продуктов в ос--■г-ь-гл: устанавливается на начальном участке, а термодинамически?: показывает сянэоеть состава к равновесному с учетах, реаяз i-:;.-L;:cro сдвига. Удельный (на I условный коль исходного топлива) l::.:z.-z¿S г^сод цехешх тазов пропорционален степени конверсии уг.~< L0Z3 Е конце реактора (рис.2), что свидетельствует с прстекаши; грсиесса г основном по брутто-реашхаям С • + СО, = 2СО и С + - СО + У~2 . Вместе с тем надо ответить, что но еsea диапазоне рас хсда ГА относительно стехгсиетраческого 3,0 г кояхе р<

£.::гсра остается заметные количества яецрорэагаровавггх COg я CG-2DÍOÍ.).

Зависимость степени конверсии углерода от времени пребываш.1 :-::■:•: г конце реактора, гак и в промеяуточных сечениях приведена ш р.-:с..5. Вцдно, что для каждого значения ß конверсия происходи? i основ.-ха на 1-й стадии процесса, длительность которой коррелйруе? с »¿¿.-ййальныки временами гаговщелекия при скоростном пиролизе 'íúcthü близких размеров, усгаясваеняымг Яворский и др. для температур до 1X0 К. Глубина конверсия на 1-Е стадия возрастает с у наличением ß до значений Д'8-0,0 при /3 >1,3 (рис. 4). Ass лпз результатов доказывает, что &та зависимость связана с меньгц» захславивадиеи потока углем при бодкаем относительном расходе IA-тв^оносптеля.

¿¿алогичный эффект быстрой (аномальной)- конверсии при зысокс сусроетноы пиролизе яайлвдается и в условиях реакторе ГСП-0,1 . Текпературщй уровень z достигаемая глубина конверсии соответствует охотам ija стенде ЕШ-IQGB с максимальными значениями ß , а мень^иь характерные времена 1-1: стадии коррелируют с мешлшлп раз иерами частиц. Анализ дика*щкп конверсии раздельно углерода летучих и фиксированного (рис.5) показывает, что заметная конверсия 4^кс2рс£анногс углерода начинается в присутствии до половины невы аедьа летучих. Лслучеяяне-на укрупненных.установках результаты cytecTif.'iiic уточняет данные ряде исследователей (Ьлчина, Ганноа и др.) об увеличении наблвдаемого вшсода летучих при высокоскоростном пиролизе и подтверждают гипотезу Оренбаха и др. о вцутрипо-

ЙО &

0,05 0,10 0,15 0.20 Г,С

.I. Хасактеряая динамика газообразования в прямоточном реакторе ЯГП-ЮОВ (на сухой объем продуктов газификации).

X 0,8

0,6 0,4

0.2 -

О

1,0 1,6 И

0.5 0,4

о — 1viу

>1

«./а

<5> ~ /» о

£

О 0.2 0,4 0,6 О.о -X Рис.2. Мольный выход цедезкх газов в конце реактора ВГП на I усл.моль исходного топлива.

0.+-КАУ <9,о-2 шиЬ реактора х ,+-3 промежуточном сечении

0.2 0,4 0,6 Т,с

,3, Зависимость степени конверсии углерода от времена тзебываняя в реакторе ВГП.

Рас.4. Завясяшегь сгепанн конверсии за врешг 0,2 с от коэффициента расхода ГА.

X 0,8 0,6 0,4 0,2

0,02 0.04 й 06 0,08 Г, С

Рис.5. Зависимость стелена конверсии углерода летучих а фиксированного (уголь Б ) от времени пребывания в коаксиальной областя сеан-тора ГСП-ОД.

ровом реагировании фиксированного углерода с продуктами разложение невыаедших летушх и минеральной части.

Установленные закономерности использованы при разработке ияне нерпой модели автотермической поточной парокислородной газификации где расчет процесса производится лостадийно с использованием уравнений элементного баланса, известных макрокинетичесних характеристик кокса и условий термодинамического равновесия по реакции водяного сдвига, а описанный выше эффект аномальной конверсии учитывается на стадии выхода летучих. Полученные результаты могут быть ис пользованы при разработке двухстадийных газификаторов, где за счет резкого ввода газифицируемого угля в высокотемпературный поток про дуэтов сгорания можно получить удовлетворительные значения глубина конверсии и состава целевых газов на малых временах цребывания и при давлениях, близких к атмосферному.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования динамики и яаблвдаемой ыакрокинётики конверсии высокозольных углей в ПС, подученные на опытном стееде £>-0,05, а также показано применение экспресс-диагностических методик для исследова нпя и оптимизации процессов в пилотных установках с ИКС и аэрофонтанной топкой (АФТ). В качестве объекта исследования были выбраны антрацитовый штыб (АШ) и экибастузский слабоспекащийся (ЭСС) угол с Л ^>30 %, сопоставительные опыты проводились на львовско-волын-ском газовом угле (Л-В(г)) с А^ > 50 %.

Опытно-экспериментальная установка Ф-0,05 с непрерывной ( до 15 кг/ч) и дискретной (до 2 нг) загрузкой угля использовалась в ва риантах КС, ФС и ЦКС. Ее особенностью является возможность частичного разбавления воздушного дутья продуктами сгорания метана, что дозволяет варьировать содержание Oj в дутье, не применять инертный твердый разбавитель слоя я снизить яеизотермичность по слою до менее 10-15 К. В опытах с дискретной загрузкой скорость и степень конверсии по данным газового анализа определялась синхронно с измерением температуры слоя (для ФС - в верхней части опускного коль на оголенной термопарой). Характерные динамические. зависимости реагирования АШ приведены на рис.6. Видно, что максимумы кривых, соответствующие стадиям конверсии летучих и кокса, сдвигаются в сторону больших значений и меаышах времен реагирования с ростом со-дераания в дутье постоянного расхода, причем на второй стадии температура s скорость конверсии ггаенязтся практически синхронно. Откетхш, -4JO, 2 ойвас*ях ваксадгиоа. ßa ьторой стгдхл обгвглая деда

О2 на выходе значительно меньше, чем на входе, при практически отсутствии и СО.

Анализ результатов показал существенное несоответствие яз&г>-даемой удельной по слою скорости конверсии и экстраполированной по макрокинетическим характеристикам, полученным Майстренко в др. того же угля в безградиентном реакторе при меньших температура:; го внутрддиффузионной области реагирования. Для описания процесса горения кокса в слое с градиентом окислителя была предлоаеяа акхекор-ная модель, основанная на допущениях об идеальном перемешивэккг твердой и идеальном вытеснении газовой фазы, о постоянстве газооо-го потока по высоте слоя в связи с эюшгалярностыо брутто-реак£?л углерода, о протекании реакции в каздом элементарном слое по эрре-ниусовской зависимости 1-го порядка по кислороду. Ияте1рировэнн;; в отличие от известных моделей не по высоте, а по массе слоя приводит к выражениям:

С ~ ехр Ё - ■^КМСОг'-22'4 / < V *>] ; . (9)

IV-а 12 Г* «v I и? КМ Со1?-22,4

(здесь коэффициент неравнодоступности кислорода по сечению К гранят постоянным по высоте слоя).

Полученные выражения удовлетворительно описывают результата опытов с дискретной загрузкой угля и позволяют сопоставить данные, полученные в безградиентном реакторе а в ПС с градиентом содержания кислорода по высоте и сечению. Из выражения (10) видно, ^о э каждом режиме предельное значение V/ определяется только расхо-- дом в дутье (пунктирная линия на рис.6). На рис.7,а показаны температурные зависимости величины Кш- , полученной решение?! выражения (10) в различных точках по ходу экспериментов. Для АШ правая по КС почти совпадает с экстраполированной по данным опытов в безградиентном реакторе во вяутрядиффузионной области реагировакяя макрокинетической прямой ( Еа ~ 128 кДя/моль), кривые по ®С проходят ниже за счьт возрастания неравнодоступности по сечение по мере его увеличения в дутье ( К » 0,7...О,25), но близки п параллельности Похожие зависимости получены для кокса ЭСС ( Еа ® = 116 кДж/моль), хотя на кривых рис.7,б отсутствуй: участки,азрая-лельные макрокяяегяческой прямой, из-за отсутствия у коксе 2СС з отличие от АШ-участка нгазистацконарной конвзррпп. Прагедеетле ре-зулгтаты показывают сохранение для ¿сследоЕашшх углзй .

фузколнсй области реагирования я зкачзяая йязфюянеягавал: кся-• стзнг в диапазоне рабочи: температур ПС.

8 15 24 а ■

О 6 16 24 0 8 16 24 б б

»,. Временные зависимости температуры слоя и отепояи конверсии

углерода прл сашганш дискретных засыпок АШ к А1 «325., „„ -1,0...2,5 да, касса по углероду 650 г; в ФС на стенде Ф-0,0с прл постоянном расходе дутья.

(1/т)ю,г'

8,5 6 9,5 (1/Т)1В4,К~?

Температурная зависимость наблвдаемой удельной скорости горения углерода АШ (а) и ЭСС угля (б) на стенде Ф-0,05 в сопоставлении с эксграполировз няыма макрокинетическими прямыми, полученнквд для их коксов в безградиентном реакторе (внутрлдиффузяоняая область реагирования).

20 т,мин

2.2

1,2% - 21 .ОЙ 3,2%

20 Т,мин

Рис.8. Термограмлы выгорания дискретных засыпок ¿Ш (а) и Д-В(г) угля в ФС при автотермаческой частичной гаэи&икапии чя

3 опытах установлено, что при прочих разных условвях зсемя выгорания кокса з ПС с грздиентом кислорода по высоте я сечеяав значительно бояьяе, чек в бсзградяеятясм ПС.Отксгеиие этих времен выгорания предложено характеризовать коэффициентом эффективности времени пребывания Я , который з экспериментах определялся ен-рагением

А'др - W/iCgw-M) СП)

и у Ойкал от С, 5 до С, 2 с ростом 7 = II5Q.. »1X0 К. Дзя ряда технологических схем ЛС сусесгзуэт простые аналитические зкватеяия через С0у и <Г0„ „ что целесообразно учитывать при расчете процесса.

Время выгорания и достигаемая глубина зыкагв коксов резных углей при дискретной загрузке з ПС определяется полусарзяой гри-внх конверсии и зависят, б частности, от структуры их зольной части. ¿ля углей ЗСС показано, что повышение доли углемияераль.'зас сростков приводит к умеякЕеяпю достигаемой глубины выг£га.

При снижении содержания С2 в дутье наблюдался резим хзазл-сташонарноЗ автотермической газификации, характеризуемый прекращением активного горения летучих в реакционной зоне (р/.с.£). Р-ст процесс приводит к стабилизации последующего выгорания кокссв углей, являнеххся смесью теплив с различной реакционней способность!;, за счет преимущественной коязер'гли на первой стадии наиболее реакционной компоненты, что хорошо видно на примере термогратк конверсии дискретных засьпок Л-В(г) ;;гля (рис.8,б), а добавление з дутье водяного" пара способствует разработке пористой структура кексов. йшелеаае га зификзцнонно .i составлявшей скорости конверсии на основе описанной инженерной модели позволило установить, что для оптимальной разработка пор необходима степень "внутренней" (гззи-фикашонной по Н-,0 } конверсии 0,02...0,04 для АЫ и 0,05...0,10 для ЗСС угля. -

Установленные закономерности и экспресс-диагностические кетс— -¡■.к:', были использованы при исследовании пилотных установок. На сгс";ге ЦКС (лэзНЯЛэ.тергетики) методом "аргояяой метки" был измерен восходящий газовый поток в подциклояяом стояке и показаны пути его минимизации, что позволило более чем в 1,5 рага снизить величину уноса и содержание в нем горючих. На основе результатов ¿селедсвакай предложен такге меюд оперативного контроля содержания углерода в унссе, метод независимого определения кратности внешней циркуляции по данным газового анализа и состава КО, отобранного по оси восходящего потока в топке. На установке с AST s

реактором предваретельяого пиролиза (ЭШЯ— "КЬтехэнерго") метод. "аргокяой метки" был применен для зкспресс-оцешш степени отгоекя летучих в реакторе пиролиза и степени смешения парогазовой скзси с дымовыми газами АФТ. Были установлены характерные пределы степени отгонки летучих ряда топлив в реакторе пиролиза, исследована динамика горения кокса по длине контура, показана недопустимость прорыва в реактор пиролиза кислородсодержащих дымовых газов. Опыт использования экспресс-диагностических методов показал их применимость для исследования и оптимизации, а также оперативного контроля процессов в крупномасштабных энерготехяологических установках с ПС.

5АК52Ч£Е12

На основе представяеяодх в диссертации материалов можно сделать следующие выводы:

1. Конверсия пылевидных НКТ в высокотемпературном потоке ГА при соблвдения условий высокоскоростного (более 10 К/с) нагрева частиц происходит в две стадии. На первой стадии, длительность которой не превыаает 0,1 с, скорость конверсии углерода гораздо виса, чем на второй.

2. На первой стадии выход летучих сопрововдается быстрой (аномальной) конверсией фиксированного углерода, начинающейся в присутствии до половины яевышедшх летучих.

3. Для пылевидных частиц данного размера при их резком вводе в высокотемпературный поток ГА степень конверсии углерода, достигнутая на первой стадии, определяется температурой нагрева частиц. Повышаясь с ростом температуры, степень конверсии углерода на первой стадии начиная с предела порядка 1700 К достигает максимальных значений вплоть до 0,8,

4. Эффект аномальной конверсии при высокоскоростном пиролизе может существенно повысить эффективность процесса газификации пылевидных НКТ в потоке и сократить необходимое время пребывания для достижения глубокой конверсии углерода топлива и требуемого содержания целевых газов в продуктах газификации.

5. Временные зависимости скорости горения углей в ПС проходят через два махсямума, соответствующе стадиям выхода летучих я горения кокса. При прочих равных условиях выход летучих из НКТ происходит более интенсивно, чем из НРУ, я за более короткое время. Общая длительность процесса определяется временем выгорания кокса, обусловленным фермой кривой конверсия, полученной в безгра-диеятяои реакторе.

6. Достигнутая без каких-либо доподшмтальшд: пр.ченоз степень внгига кокса в ПС в значительной мере зависит от структуры зольной части топлива и для углей одного сорта с близкой зольностью тек меньше, чем выше доля углемяяерэльянх сростков в угле.

7. При наличии в дутье водяного пара уменьшение содержания кислорода ниже порогового приводит к релиолу квазастациояарной автотермической паровоздушной-газификации, характеризуемой прекращением активного горения летучих в реакционной зоне. Зтот процесс приводит к улучшению последующего выгорания коксов за Ьчет разработки юс пористой структуры и стабилизирует дальнейшее.горение коксов углей, представляющих собой смесь гошшв с различной реакционной способностью, в связи с чем может быть рекомендован как метод предварительной термической'переработки НОТ перед их сайганаем,

8. Интенсификация процесса горения в ПС путем повышения содержания кислорода в дутье (температуры слоя) приводит к "стягиванию" области активного горения по высоте, а в ФС - и по сечению слоя.

9. В рабочем диапазоне температур ПС удельная в каждом микрообъеме скорость горения коксов исследованных углей удовлетворяет аррениусовской зависимости 1-го порядка, а макрокинетические :-:сн-стангы совпадают с полученными в безградиентном реакторе при меньшем уровне температур для. вяутр-'даффузионной области реагирования.

10. Отклонения яаблкдаемоГ. удельной по слою скорости горения кокса в ПС от аррениусовской зависимости 1-го порядка и неооходв-мого времени выгорания от расчетного объясняются неравяодоступно-стью окислителя по высоте и сечению слоя и хорошо описываются в рамках разработанной инженерной модели.

11. Оптимальная рзбота промышленных установок ИКС в значительной мере определяется минимизацией восходящего потока в циклен, ь устройств, включающих АФТ и реактор пиролиза, - устранением перетока кислородсодержащих дымовых газов АФТ в пяролкзер.

12. Разработанные методики экспресс-диагностики по газовому анализу и элементному балансу могут быть использованы для исследования процессов горения и газификации в масштабе опытных устняс^': и оптимизации процессов в энергетических установках большего штаба и их конструктивных элементов.

, Основное содержание диссертация изложено з сяедуввих работах:

1. Черкявешй Н. В., Гадь ко аз Г,Н.,ВахутинсккЙ И.Л. Зкепресе--диагйос-така Hesosopax труднойзмерлекых параметров аппаратов сжаганйй в цивнуетрувдем кипящем слое Л Высокотеглпеоатурное преобразование зкёргяи: Сб.науч.тр. / АН УССР.йн-т пробл.энергосбережения. -Виев, 1939. - С.1x4-117.

2. Чернявский Н.В. Кажлексная методика экспресс-диагностики процессов сжигания и газификации твердых топлив // Научные основы содааяя энергосбеоегавдей '¿ешйт и технологий: Тез.докл.Всесо-взной конф. (Москва, нояб.ИЭП). - U.: МЭИ, 1990. - G.316-318.

3. 2алудов Я.С,, Таль.адва Г.Н., Чернявский Н.В. Совершенствование методики балансовых расчетов С-Н-0-М -системы с использованием данных гасс-спектоометрическогс к элементного анализов // Метода расчета ьихт>езых гетерогенных потоков с хим.реагированием сред: Кг:-;№иалы науч.-техн.совет,стоан-членов СЭВ,СФРЮ и Фик-лячдиа Wocxaa, изй 1966). - Ы.: ИВШ, 1987. - С.140-143,

4. Холудов Л,С., Тальаова Г..Н,, Чернявский Н.В. Еысокотемператуо-ная газификация углей Донецкого бассейна // Химия тверд.топлй-ЗД. -i987. -Ä 3. - С. 135-142. .

5. Результаты исследований газификация бурых углей методом спутянх потоков на опыт'га-экспериыентальной установке ГСП-0,1 / В.А.Вол-козанский.й.А.¿ольчия,д.й.$удко а др.//Новые знания в обаасуя использования углёй с учетом экологических проблем : Материалы П-й международной конф. (г.Мост, ЧС5Р, скт.1583}. - Прага: лн-т топлив. 1Э8Э. - С.216-230.

6. Чернявский Н.В., Дунаевская H.H. Дияамяка конверсии маломэта-шрфизирсЕаняых углей при газификации в потоке // Ппоблемя га-зАпмцил умей: Сб.докд. Всссоаз. сияаозяууг, (Кваснояиск.июль FJOI). - Красноярск: 11я-т Ш'ЭКШЖуголь, 1031. - С.77-&3.

7. {¿жя-асичаское едделкрозакке процессов скягаккя-хпзй^кхшшя пы-.•хоуго-Тягах юля.': в в дисперсных потоках / З.П.Пкцков, Б.Б.Потапов, Н.В.ЧерпяьскиЗ, А.П.*Цценьев. - Киев, üWü. - 44 o.-(ilpe-прллт / Ali УССР. Г.н-т иробл.оиергосбсреаения; & 20-14).

8. Чернявский Н.В., Пацков В.Б. Иаблкдасмаа кинетика горения угля в укрупненной лзиорза'орной установке с кипящим слоем // Пообле-т энергосбережения. - I92Q. -Вш,4. - С.61-65.

9. Чернявский Н.В. Наблздаекая кинетика реагирования коксов АШ с С2 и НгО в псевдссзгленлом слое // Теплообмен в парогенешто-рах : Тез. П-й йс.есоюз.ко.чй. (Новосибирск. окт. 1930). - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1ЙЮ. - С.81-82.

Ю.КсрчевоЙ iD.II., 1ЛаГ:стоеяко A.D., Чернявский Н.В. Динамика паровоздушной газифакацаи бысокозояьных углей з псевдоохюшшом слое // Сибирский фкз,-техя.яурн. - -Вып.5. - С.51-54.

II.Кузнецов Г.Ф., Чернявский Н.Э., Нацков В,П. К вопросу об экс-ггсесс-оценках при гззя&жацяя угля в кигиием алое // Научные основы создания энеэгосберегащей техники и технологий: Тез, докл.-Всесоюз.конфДМосква,ноябре 1330). -.',!.:г,!ЭИ, 1390. -С.35-96.

12,Чернявский Н.В,, Тальнова Г.Н. Методика экспресс-диагностики сжигания углей в азрофонтанной топке опытночгоомышяенной установки УТТ-2-Т // Пробл.энергосбережения. - 1930.-Вып.4.-С.84-87.

З.Чзряяэскай Н.В. Экспресс-диагностика наблвдаешй кинетика и эффективности госеяия угла в аппаратах циркулирующего кипящего сдоя // Пробл.энесгосбереженяя.-19Э0.-Вып.5. - С. 48-50.

ОБОЗНАЧЕНИЯ, использованные в тексте автореферата: ^бозл > ' ^аг > от ~ объемные расходы воздуха и кислорода в

дутье, подаваемом трассере, измеряемом потоке; ям3/ч ; буг - массовый расход угля, кг/ч; Сг - доля углерода на рабочую массу исходного угля;

- наблюдаемая скорость конверсии углерода, кмоль/ч; п.° , Г7. , С? , с-1 - объемная доля газообразной компоненты в

ГА и продуктах реакции, соответственно на сухой объем и с учетом водяного'пара; л- - мольный поток газообразной компоненты, кмоль/ч ; 4 - объемная доля смешивающегося потока з точке пробоотбора; /3 - коэффициент расхода ГА относительно стехиометрического; X - степень конверсия углерода; о ■ - размер частиц, мкм ;

иг -удельная скорость конверсии углерода, 1/с; Еа - энергия активации, кДя/моль;

К ,К - коэффициенты неравнодоступности окислителя по сечению слоя л эффективности времени пребывания в НС ? градиентом окислителя по высоте и сечению; Т - время пребывания в реакционном слое, с ; М - масса углерода в слое, кг .

' 7

Подписано в печать 08.10.91. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Уел.печ.л.0,93. Усл.кр.-оттисков 0.93. Уч.-над.я. 1,00. Тирая 100 экз. Заказ l'a . Бесплатно.

Институт проблем энергосберетекяя йН УССР. 254070. Киеа-70, ул.Покровская, П.

Полиггайтческий участок Института пробяем АН УССР. 254070, Кпев-70, ул.Ащцюевсхая,

'ргэсбероааккя