автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Оптимизация процесса запуска аппаратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем

&Б О А з 2

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт химии природного органического сырья

Па и ранах рукописи

РУЖНИКОВ Сергеи Григорьевич

Оптимизация процесса запуска аппаратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем

ОГ). 17.07 — химическая технология тоилииа н га.ча

А 15 'Г О Р Е Ф К 1' А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 1992

Работа выполнена в Институте химии природного органического сырья Сибирского отделения Российской Академии наук."

Научные руководители:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

15 еду ниш организация:

кандидат технических наук Щнпко М. Л.

кандидат технических наук Янголов О. 15.

доктор химических наук, профессор Кузнецов Б. Н.

кандидат технических наук, доцент Дубровский В. Л.

доктор фпзико-математнчес-кнх наук, профессор Быков В. И.

Сибирский филиал Всесоюзного теплотехнического института им. Ф. Э. Дзержинского, Красноярск

Захцита диссертации состоится « ^^ » 1992 году

[С? часов на з а с е д а и и и специализированного Совета

К 003.95.01 но присуждению ученой степени кандидата наук в Институте химии природного органического сырья СО РАН по адресу: С00049. Красноярск, проспект Карла Маркса, 42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии природного органического сырья СО РАН.

Автореферат разослан <<

_____ 1992 году

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат химических паук

Павленко Н. П.

1Ш1

I

•и» Общая характеристика работы.

дций Актуальность проблемы. Аппараты с псевдоожиженным слоем "ТЯТо) широко используются в химической промышленности и энергетике. Причем подавляющее большинство процессов, проводимых с использованием технологии псевдоожижения, осуществляется при высокой температуре и сопровождается значительным экзотермическим эффектом. Процесс запуска таких аппаратов заключается в разогреве материала слоя и конструкции самого аппарата до рабочей температуры. Так как на динамику процесса запуска оказывает существенное влияние множество факторов, таких как конструктивные особенности аппарата, мощность и расположение источников нагрева, расход ожижающего агента, свойства наполнителя слоя и характеристики топлива (дисперсность, температура воспламенения, ско -рость горения, плавкость золы и др.), то оптимизация этого про -цесса является весьма сложной задачей.

Потребность в проведении запуска АЛС возникает всякий раз после аварийных или плановых остановок, а также при вводе в эксплуатацию нового оборудования. Осуществляется эта процедура с использованием сравнительно дорогого жидкого или газообразного разжитовсго топлива. В этой ситуации является актуальной проблема создания новых энергосберегающих пусковых схем АПС.

Целью работы являлась разработка нового метода запуска АПС, исключающего необходимость использования жидкого или газообразного топлива, а также оптимизация этого процесса, позволяющая минимизировать время пусковых операций и затраты на их про -ведение.

Работа выполнялась в Институте химии природного органического сырья СО РАН в соответствии с плешами научно-исследовательских работ Института по теме: "Теоретические и эксперимен -тальные исследования процессов окисления бурых и каленных углей в аппаратах псевдоожиженного слоя" (№ гос.регистрации 01.8.80084268, п.12.8.3.2.1 программы "Комплексное исследование региональных и глобальных геологических процессов и создание научных основ наращивания минерально-сырьевого потенциала", раздел 8 "Новые про -цессы углубленной и комплексной химической переработки минерального и вторичного сырья, нефти, угля").

Научная новизна. Впервые выполнен систематический анализ методов запуска аппаратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем. Показано, что эффективность пускового процесса существенно повышается при использовании комбинированных методов, сочетаю-

Ъ

гднх аплотермический и автотермический подвод тепла к слою.

Предложен способ розжига топки с псевдоожиженным слоем, позволяющий сокращать время запуска. Способ защищен авторским свидетельством и положительным решением на изобретение.

Разработана математическая модель, описывающая процесс запуска аппаратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем и реализовал алгоритм ее идентификации. По полученным эксперт/,ен-тальным данным найдены значения ма кр о к ин е т и ч е с к их констант, характеризующих процесс горения различных топлив в сочетании с рядом наполнителей псевдоожиженного слоя. Апробация модели для аппаратов различной мощности показала возможность ее применения для описания процесса запуска АПС практически любого масштаба.

Сформулирована двухкритериальная задача оптимального запуска АПС, в результате решения которой строится множество компромиссов, позволяющее минимизировать либо время разогрева слоя до рабочей температуры, либо температуру слоя на момент ожижения. Разработана методика расчета области гарантированных запусков, а также сформулирован алгоритм розжига опытно-промышленного котла с заторможенным псевдоожиженным слоем.

Практическая ценность работы. Исследование II шлаков-отходов металлургического производства, в результате которого была определена их каталическая активность в окислении, абразивность, износостойкость, а также сделана экономическая оцена использо -вания в процессах термической переработки твердого органического сырья, позволило рекомендовать мартеновский конечный шлак как наполнитель псевдоожиженного слоя в котлах по сжиганию КйУ.

Внедрение безмазутного способа розжига аппаратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем на опытном производстве Сиб-В1И б 1990-91 гг. дало положительный экономический эффект триста пятьдесят шесть тысяч рублей в год.

По результатам выполненных исследований составлены реко -мендации, которые приняты к использованию на котельной установке модели БКЗ-420-140 КС, монтирующейся в настоящее время на Бар -наульской ТЗЦ-З.

Защищаемые положения:

1. Новый способ розжига АПС, исключающий необходимость использования жидкого или газообразного топлива и сокращающий время разогрева псевдоожиженного слоя.

2. Методика оценки влияния реакционной способности топлив; каталитической активности частиц наполнителя и начальной концент-

рации топлива в слое на динамику его разогрева при протекании экзотермической реакции.

3. Математическая модель, описывающая процесс запуска ал -паратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем.

4. Алгоритм проведения пускового процесса АПС и процедура его оптимизации путем реиения дпухкритериальной задачи минимизации времени разогрева слоя до рабочей температуры и минимизации температуры слоя на момент псевдоожижения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на У Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Пути повышения эффективности использования углей" (Свердловск, 1988), Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск,1988), I Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов (Новосибирск, 1589), I Всесоюзной конференции "Повышение эффективности производства и использование энергии в условиях Сибири (Иркутск, 1991), Всесоюзном симпозиуме по проблемам газификации углей (Красноярск, 1991), Всесоюзной научно-технической конференции "Прсблега использования канско-ачипских углей в энергетике" (Красноярск, 1991), Всесоюзном семинаре "Проблемы преобразования энергии и рационального использования органического топлива в энергетике" (Киев,1991).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 пе -чатных работ.

Структура и объем -работы. Диссертация состоит из введения, 5 глаз, выводов, списка литературы, включающего наименований и приложений. Объем диссертации составляет страницы, дне -сертация содержит рисунков и таблиц.

0СН0Ш0Е СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Литературный обзор.

Приведен литературный обзор, в котором рассмотрены процес -сы сжигания и химической переработки сырья, протекающие в аппара -тах с высокотемпературным лсевдоокиленнш слоем. Отмечены особен -ности этих процессов.

Рассмотрение известных в настоящее время методов запуска аппаратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем, с точки зрения способов подвода к слою тепла, позволяет разделить их на аллотер-мические, автотермическне и комбинированные. Иногда, при одном и том же способе разогрева используют несколько механизмов подвода тепла. Типичным примером этого является запуск аппарата с секционированным псевцоояиженным слоем.

Проведенный анализ методов запуска АПС показал, что наибо-

лее экономичными являются комбинированные методы, то есть такие, в которых разогрев на начальной стации осуществляется аллотерми-чсским подводом тепла с последующим или параллельным протеканием экзотермической реакции.

В заключении по главе 2 сделан вывод, что предпочтение следует отдать именно комбинированным методам запуска АПС в силу следующих преимуществ;

- за счет интенсификации теплообмена на этапе автотерми -ческого разогрева слоя, сокращается общая продолжительность вывода АПС на рабочий режим;

- в ряде случаев отпадает необходимость использования вспомогательного розжигового топлива, так как в этом качестве может быть использовано основное;

- появляется возможность использования конструктивных особенностей АПС (теплообменник поверхностей, выносных нагревателей) для разогрева слоя.

2. Описание экспериментальных установок.

Для оценки влияния свойств материала псевцоожиженного слоя, в частности каталитической активности различных шлаков, на макрокинетику горения топлив использовалась установка с кварцевым реактором, обогреваемым снаружи электронагревателем.

В псевцоожиженном слое шлака, загрузка которого в непод -вижном состоянии составляла 48-52 мл, сжигалась смэсь газов СО+Н^. Газ получали паровой аллотермической газификацией бурого угля в газификаторе при давлении 0,2-0,3 Ша.

Эксперименты по розжигу аппарата с псевдоожиженным слоем проводились на стендовой установке с реактором, имеющим квадратное сечение 220x220 мм и высоту 2 м. Слой разогревался горячим воздухом с температурой 773-823 К, проходившим через электронагреватель, Максимально достижимая температура слоя при засыпке 6*12 литров составляла 603 К. При необходимости прогрев до более высоких температур осуществляли сжиганием дизельного топлива, подаваемого непосредственно в слой.

Особенности розжига аппаратов с циркулирующим псевдоожиженным слоем изучались на укрупненной стендовой установке специаль -но разработанной и изготовленной для этих целей. Реактор этой установки представляет собой стальную колонну, площадь 0,05 м2 и высота 4 м. Из холодного состояния реактор разогревался продуктами сгорания дизельного топлива. Существующая система разогрева позволяет достичь температур 1073-1173 К, в том числе в режиме цир -

куляции твердого теплоносителя.

Дальнейшее экспериментальное исследование процесса розжига АПС проводилось на опытно-промышленном котле тепловой мощностью В МВт. Котел имеет прямоугольное сечение с размерами тспочной камеры 2250x900 мм и высотой 625 мм. Материал слоя, в качестве которого использовался котельный шлак от котлов с жидким шлакоудале-нием, разогревался от теплообменных труб, по которым пропускали пар с параметрами Р=39 кг/см2, Т^693 К. Проходящий через паровой калорифер ожижающий воздух подогревался до 373 К. На котле отрабатывался безмазутный способ растопки, в котором рядовой канско-ачин-ский уголь применялся как топливе для розжига.

В главе также приведена методика экспериментов и дается характеристика используемых методов физико-химического анализа.

3. Экспериментальное исследование нестационарных тепловых режимов.

На лабораторной установке для изучения макрокинетики горения топлива в псевдоокиженном слое было исследовано IX галаков-отходов металлургического производства. Кроме того, в исследо -ваниях использовались образцы сравнения: шамотная крошка, как инертный материал, и катализатор ИК-12-70.

По совокупности требований доступности, дешевизны, высокой износоустойчивости, каталитической активности в реакциях глубокого окисления и приемлемой абразивности рекомендовано использование в качестве наполнителя псевдоожиженного слоя мартеновского конечного шлака, при условии его предварительной обработки для стирания острых граней.

На стендовой установке с псевцоожиженным слоем детально исследовался комбинированный метод розжига. Вначале материал слоя разогревали от внешнего теплового источника, затем при достижении некоторой температуры, начиналось протекание экзотермической реакции горения топлива, помещенного в слой. Дальнейший разогрев аппарата происходил за счет тепла, выделяющегося в ходе этой реакции .

Из множества факторов оказывающих существенное влияние на процесс розжига, были исследованы каталитическая активность материала слоя и реакционная способность розжигового топлива. Также установлена зависимость между начальной концентрацией топлива в слое и минимальной температурой зажигания для различных топлив и наполнителей слоя.

Влияние каталитической активности материала слоя на динамику его разогрева рассматривалось на примере горения ирша-боро-

цинского угля на разных наполнителях. В качестве наполнителей применялись котельный и мартеновский шлаки, а также катализатор ИК-12-70. На рис.1 представлены зависимости средней температуры псевдоожиженного слоя по времени в одной из серий эксперимзнтсв.

Температура слоя, К

1200 1000 800 600 400

- /\¿2. />-3

. / / 4

—I 1 .....

15 75 135 195 255 315 Время розжига, с

Рис.1. Влияние каталитической активности материала слоя на динамику его разогрева

Режимы разогрева, полученные на разных наполнителях при температуре слоя на момент ожижения 625 К и начальной концентрации £у=17,4% весовых, практически не отличались (типичная кривая I рис.1). Те же эксперименты, проведенные при температуре слоя на момент ожижения 433 К показали, что катализатор ИК-12-70 не только ускоряет процесс разогрева (кривая 2, рис.1), но и обеспечивает саму возможность розжига в условиях проведения данного эксперимента. Максимум температуры, приблизительно одинаковый при розжигах на катализаторе и мартеновском шлаке (кривая 3, рис.1), был достигнут за 158 сек. в режиме 2,в то врем как в режиме 3 для этого потребовалось 255 секунд. Из-за слабых каталитических свойств котельного ¡ялака разжечь на нем ирша-бородин-ский уголь в условиях данного эксперимента не удалось (кривая 4, рис.1).

Влияние реакционной способности топлива на динамику процесса разогрева слоя оценивалось в экспериментах на мартеьовском шлаке при сжигании различных топлив, а именно, антрацита, гидролизного лигнина и ирша-бородинского угля. Кривые полученные в сдной из серий экспериментов показаны на рис.2.

Отмечается, что влияние реакционной способности топлива на динамику процесса розжига во многом аналогично влиянию ката -литически активного наполнителя слоя. Принципиальное отточие заключается в том, что в рассматриваемом случае различное по -ведение кривых розжига обусловлено отличиями кинетики процессов горения исследуемых топлив. Горение ирша-бородинского угля (кри-

вая I, рис,2) отличается высокой интенсивностью уже на начальном этапе розжига, в то время как горение гидролизного лигнина (кривая 2, рис.2) на том же участке, характеризуется плавным увеличением скорости подъема температуры. Кроме того различие в кинетике горения этих топлив прослеживается и в диапазоне температур 700-1350 К по разному наклону кривых- розжига. Антрацит, имеющий наименьшую реакционную способность по сравнению с Ирша-бородин-ским углем и гидролизным лигнином, разжечь при данных условиях не удается.

Температура слоя, К

1300

Рис.2. Влияние реакционной способности топлива на динамику ироцес са разогрева слоя.

15 45 75 105 135 165 Время розжига, с

Влияние начальной концентрации топлива в слое на минимальную температуру зажигания было исследовано для следующих сочетаний розжигового топлива и наполнителя слоя: антрацит-мартеновский шлак; лигнин гидролизный-мартеновский шлак; березовые о.пклки-кстельныл шлак; уголь ирша-бородинский-котельный шлак; уголь ирша-бородинский-мартеновский шлак; уголь ирша-бородинский-катализатор ИК-12-70.

Связь между указанными факторами определена в виде зави -симости:

Ти -- %

С8

С)

А{ -А г С?

где - температура зажигания при минимальной начальной концентрации топлива в слое, Сд- - начальная концентрация топлива в слое,

эмпирические константы, значения которых рассчитывались методом наименьших квадратов по экспериментальным данным для каждого сочетания тсплшю-каполнитель слоя.

Минимальная температура зажигания уменьшается с увеличением начальной концентрации топлива в слое, а диапазон ее изменения зависит от реакционной способности топлива и каталитичес -

кой активности материала слоя.

Целью экспериментов на опытно-промышленном котле являлась отработка безмазутного способа розжига. При этом исследовалась динамика факторов: начальной концентрации топлива в слое, массы наполнителя и температуры слоя в момент ожижения на максимальную температуру разогрева.

Эффективный разогрев наполнителя слоя от размеченных в нем теплообменных труб, возможен при использовании пара Р=39 кг/см ; Т=693 К, с расходом 8 т/ч. Максимально достижимая температура в районе теплообменников составляла около 613 К.

В рамках исследуемого метода розжига было отработано три варианта:

- загрузка угля на поверхность неподвижного слоя и нагрев до воспламенения с последующим ожижением;

- смешение розжигового угля с материалом слоя и нагрев до воспламенения с последующим ожижением;

- загрузка топлива в предварительно разогретый и ожиженный

слой.

Экспериментально показано, что предпочтительным является вариант с загрузкой розжиговой порции в разогретый ожиженный слой При этом начальная концентрация топлива должна составлять 4,5% весовых, а масса наполнителя слоя 2500 кг. Температура предварительного разогрева слоя для обеспечения устойчивого розжига должна быть не менее 573 К. Для снижения уноса топлива рекомендуется использовать уголь фракции 10*20 мм.

Как альтернативный вариант рекомендуется розжиг со смешением топлива и наполнителя слоя.

4. Математическая модель, описывающая тепловые состояния аппаратов с псевдоожиженным слоем при автотерыической переработке углей.

В результате анализа экспериментальных данных, полученных в главе 3 было установлено, что при моделировании процесса запус? АПС можно принять следуидие упрощающие допущения:

- гидродинамика аппарата по твердой фазе описывается мо -делью идеального перемешивания;

- изменение массы псевдсожиженного слоя в период запуска определяется расходованием его выгорающего компонента;

- объем дымовых газов равен объеку подаваемого воздуха;

- средний диаметр частиц слоя в период запуска остается постоянным;

- продуктами реакции горения язляются только НоО и СО-.

10 ¿с

С учетом этих допущений математическая модель, включающая уравнения баланса по горючему компоненту топлива и баланса теп -ла, была записана в следующем виде:

-ТГ = -КМС -Шч)Ме (2)

аъ

= Шр *УГеСеТ+Сг?МЬ +АЪ(Тп-ТПгргСгТ *

*ЛстГсг %£^-}/[МеСс+МиСн] (3)

Максимально возможная скорость горения топлива определяется из соотношения:

/7 (4)

где Со - расход воздуха при нормальных условиях, V (нм3/кг) -теоретически необходимый объем воздуха для полного сжигания I кг органической массы топлива. Следует подчеркнуть, что при некотором значении температуры скорость горенияЩначинает определяться не химической кинетикой, а стехиометрией воздух/тппливо. В этом случае полагалось Щ- №е •

При определении теплового потока от псевдоожижснного слоя в теплоизолирующую стенку АПС решали одномерное уравнение теплопроводности, так как толщина стенки существенно меньше ее лнней-шх размеров:

этид2Тст(х,

. О, ■ . ' V о /

9t дх-

Граничные и начальные условия при решении (5) записывались

в виде:

Ter (о, t) - та) (б)

Тег (£, t) = Тц' ccr.it (V)

ТСГ(Х,0)-ТСГ(0) Ти~1"(0) х (8)

II

По найденному из решения (5) профилю температуры поток тепла от слоя в стенку в момент времени 1"С определялся из выражения :

„ аТсЛх-о Л _ Тст(И,0)-Тстих,Ю

кстГст —--Летит--7- (У*

¿х к

Идентификация модели осуществлялась по экспериментальны;.! данным, полученным на стендовой установке с псевдоожиженным слоем и опытно-промышленном котле тепловой мощностью 8 МВт. Суть ее заключалась в подборе предэкспоненциального множителя и энергии активации определяющих константу скорости горения топлива, а также коэффициента уноса частиц топлива из слоя, таким образом, чтобы расчетные значения средней температуры псевдоожижзнного слоя соответствовали значениям, полученным в экспериментах по розжигу. Указанные параметры определялись из условия минимума функции:

Ф(К01Е,К')-1£(Тп-7п)г-~Ш11 (10)

>1« ; 1 Jb,S,K'

Поиск минимума функции 4>(Ка,Е,К') осуществлялся по алгоритму Нелдера-Мида, а интегрирование системы (2,3) производилось по методу типа Розенброка второго порядка точности, предназначенного для решения жестких задач.

Задача индентифккацми решалась на вычислительном комплексе EC-I06I. Значения параметров Kq,E,K удовлетворяющие минимуму функции Ф(Ко, Е, К') для различных топлив, наполнителей слоя и моделируемых аппаратов представлены в таблице I.

На рис.3 (а,б) показаны характерные расчетные кривые изменения средней температуры псевдоожиженного слоя, концентрации розжигового топлива, а также интегральной характеристики уноса горючего материала по времени.

Дня сравнения на тех же графиках представлены экспериментальные кривые T(t) , полученные при одинаковых с расчетными технологическими параметрами запуска. Зо всех случаях отклонение расчетных значений температур слоя от экспериментальных не пре -вьпзает 15%.

Аппарат

Роажиговое топливо

Опытно-промышленный котел

Стендовая установка с п/о слоем

и »

— — — —

1р

и ^п

II II

_|| II

• < II

II II

Уголь ирша-бородинский

и

II

Уголь березов-

ский —

Лигнин гидролизный

Антрацит

Березовые опилки

Таблица I

Результат' идентификации

Наполнитель

Идентифнциемие параметры

слоя "КоГ^1 Ъ/Я ,К р

Котельный шлак 2.4617'Ю7 12670 0.6-Ю"6

п 2.3668-Ю7 12456 0.36-ю~7

Мартеновский шлак 2.6840-Ю7 11434 0.36-кг4

Катализатор ИК-12-70 2.3012-Ю7 10812 0.36'КГ4

2.402 МО7 10342 0.36-ю-4

Котельный шлак 2.2661-Ю7 12762 0.36* ю-4

Мартеновский шлак 2.3041МО7 11202 0.36-Ю"4

к 7,9600-Ю4 11745 0.38-Ю~4

II 3.9811-Ю4 8.200-Ю4 15636 6940 0.30-Ю"4 0.4- КГ4

Котельный шлак 9.80С0-Ю4 11020 0.4- Ю~4

Т слоя

а)

Колц.

ГСПЛИБ8

в слое,Ж

Т слоя, К

11С0 -

б; Конц. топлива в слое,*

Унос,

900

7001-

15 75 135 255 Время розжига, с

I- 500

0.0

144 336 528 Время розжига, с

Рис.3. Результаты экспериментов по розжигу и его численного моделирования: а) опытно-промышленный котел; б) стендовая установка с псевдоожиженным слоем.

Отмечается хорошее совпадение констант^ иЕ, полученных в результате идентификации модели по экспериментальным данным запуска стендовой установки и опытно-промышленного котла при работе на одинаковом топливе и наполнителе слоя. Значения их различаются не более, чем на 10$. Ьто доказывает возможность использования модели для масштабирования процесса. Различие в константах уноса К' обусловлено различными геометрическими параметрами установок. Следовательно, при использовании математической модели для расчета процесса розжига других аппаратов с псенцоожижен-ным слоем, требуется уточнение параметров, главным образом константы уноса, путем повторной идентификации по описанной в данной главе методике.

Ь. Оптимизация нестационарных тепловых режимов.

Рассматриваемый комбинированный метод запуска АПС разби -волся на два этапа. Первый - относительно медленный нагрев не -подвижного наполнителя слоя до температуры, при которой начина -етоя протекание экзотермической реакции. Поскольку нагрев слоя до температуры начала экзотермической реакции определяется условиями теплообмена с внешними источниками тепла и потерями в окружающую среду, то эта стадия процесса может быть описана уже известными моделями и ее расчет, и оптимизация проблем не вызывают. Второй этап - быстрый разогрев озгиженного слоя, происходящий в результате выгорания порции розжигового топлива.

В силу того, что второй этап является наиболее опасным с точки зрения возникновения аварийных ситуаций, представляется целесообразным определение условий его проведения.

Выбор оптимального режима запуска осуществляется в результате решения следующей оптимизационной задачи:

¿р, То* (II)

а*СО(,Сг] (12)

70бСТес1}, Т(.2)] (13)

Мс*Ш?}, М1г>1 (14)

ТШ*Тшх, п С16)

Поставленная задача является двухкритериальной. В качестве первого оптимизируемого критерия установлено время розжига аппарата. В качестве второго критерия предлагается температура слоя на момент ожижения. Данный параметр оказывает существенное влияние на динамику разогрева слоя. Так, уменьшение То ниже некоторого критического значения делает невозможным розжиг АПС ни при каких значениях массы -Мс розжигового топлива и расхода-^ отстающего агента. В тоже время снижение Те позволяет уменьшить время запуска АПС за счст сокращения времени, необходимого для прогрева слоя. Увеличение Т0 выше допустимого уровня приводит в конечном итоге к перегреву слоя. Поэтому температура разогрева слоя на момент ожижения была установлена в качестве второго оптимизируемого критерия.

Оптимизационная задача (П-16) решалась методом сканирования значений управляюцих воздействий - расхода ожижающего агента, температуры слоя на момент ожижения, массы розживогой порции топлива. Результат решения (множество компромиссов) для опытно-про-пшлекиого котла в виде зависимости между временем розжига и температурой слоя на момент ожижения представлен на рис.4. Кроме того, построена область устойчивых запусков рис.5.

Температура слоя на момент ожижения, К

Расход ожижамцего агента, ны /с

360 432 504 576 648 Время розжига, с

h / Масса

/'/ розкигового

топлива, кг

ш J 7 /

< Г II / I..M 1 1

Температура слоя ва момент 500 550 600 650 ожижения, К

РисД.Ынажество компромиссов. Рис.5.Область устойчивых запусков.

Любая точка из области устойчивых запусков, определяемая тройкой параметров Мс, (г, То позволяет осуществить розжиг опытно-промышленного котла. Однако оптимальными, в соответствии с прите-риями (II) будут только те, которые соответствуют множеству компромиссов.

Так как, термический КПД внешнего источника кагрева всегда ниже, чем у экзотермической реакции протекающей в слое, то увеличение температуры То заведомо невыгодно. В связи с этим, при постановке задачи оптимального запуска стендовой установки с псев-цоожиженным слоем значение этого параметре принималось постоянным и равным температуре воспламенения роаглгового топлива. Оптимизационная задача в этом случае формулировалась следующим обра -эом:

t—min (17)

GeCCi, Сг 1 (18)

Мс<[М?', М'сг)1 (19)

(20)

Td)*- Tmex , Yt (21)

Задача решалась для различных теплие и наполнителей слоя. На рис.6 показана зависимость температуры максимального разогрева слоя от начальной концентрации горючих компонентов и скорости

16

ожижащего агента.

<кл

а)

Ct,%

6)

15.26

10.01

7.39

13.2«

12.64

10.01

j 7g niliwn I ifHii * i i iii i i i i ..__/

5.20 7.77 10.33 12.92 15.50 UyST,

М/Ь

Рис.6.Зависимость температуры максимального разогрева слоя от начальной концентрации топлива в слое и скорости ожижаю -ш.его агента: а) лигнин гидролизный-мартеновский шлак, ; б) уголь березовский-мартеновский шлак,

Заштрихованная область соответствует ограничениям (18-21) оптимизационной задачи. Для каждой пары материал слок-розжиговое топливо из этой области определялся режим, для которого время розжига минимально. Дачные представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Оптимальные условия запуска стендовой установки с псевдоожиженным слоем

Материал слоя

Мартеновский шлак

Котельный шлак

Катализатор ИК-12-70

Топлива

Уголь ирша-О'ородинский

Уголь ирша-бородинский

Уголь бере-зовскии

Начальная Скорость Темпера-Время цо-концент- газов на тура стяжения рацкя топ-пустое слоя на 1073 К лива в сечение момент Ь ,с слое Су , аппарата ожижения, % вес. и ,м/с Та,К

15,97

0,56

533

б

75,0

17,36 0,53 623 73,0

10,31 0,45 433 106,5

I 2 3 4 5 6

Катализатор ИК-12-70 Уголь ирша-бородинский 15,97 0,45 468 86,5

Мартеновский шлак Опилки бере -зовые 4,76 0,56 683 44,0

Мартеновский шлак Лигнин гидролизный 17,31 0,56 623 67,0

Анализ результатов, полученных при решении оптимизационной задачи позволил разработать алгоритм управления пусковым процессом опытно-промышленного котла с заторможенным псевдоожижен -ным слоем.

Основные результаты и выводы.

1. Проведена систематизация методов запуска аппаратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем. Обосновано, что на -иболее эффективными являются комбинированные методы, позволяю -щие выгодно использовать конструктивные особенности АПС.

2. Предложен и реализован на опытно-промышленном котле тепловой мощностью 8 МВт безмазутный способ розжига, защищенный авторским свидетельством и положительным решением по заявке на изобретение.

3. Показана целесообразность использования различных шлаков-отходов металлургического производства в качестве каталити -чески активного наполнителя псевдоожиженного слоя. Определена их каталитическая активность в реакциях окисления смесей СО +Н£, абразивность, износостойкость. Сделана экономическая оценка использования шлаков в процессах термоокислительной обработки твердого органического сырья. На основании полученных данных мартеновский конечный шлак рекомендован для использования в качестве наполнителя псевдоожиженного слоя для котлов по сжиганию КАУ.

4. Экспериментально установлено влияние реакционной способности розжигового топлива и каталитической активности частиц слоя на динамику его разогрева при запуске АПС. Из исследованных топлив (антрацита , березовского и ирша-бородинского углей, гидролизного лигнина, березовых опилок) ирша-бородинский и бсз-резовский угли являются наиболее реакционноепособными. Все исследованные вицы твердого органического сырья, кроме антрацита, обладают достаточной реакционной способностью для того, чтобы

Гв

использовать их в качестве роажигового топлива. Наиболее активными из исследованных материалов слоя оказались катализатор ИК-12-70 и мартеновский шлак. Их присутствие позволяет повысить эффективность безмазутного способа розжига, так как снижает тем -пературу зажигания бурого угля соответственно на 100 и 50°К по сравнению с другими исследованными наполнителями слоя.

5.Разработана математическая модель, описывающая процесс запуска аппаратов с высокотемпературным псевдоожиженным слоем и реализован алгоритм ее идентификации по экспериментальным данным. Апробация модели для аппаратов различной модности (диапазон масштабирования от I до 400) показала возможность ее использования для моделирования процесса запуска практически любого АПС.

6.Сформулирована задача оптимизации пусковых процессов АПС, в результате решения которой строится множество компромиссов, позволяю'цее минимизировать либо время разогрева псевдоожиженного слоя до рабочего состояния, либо температуру слоя на момент сжижения. Для опытно-промышленного котла в пространстве управляющих воздействий: масса розжигового топлива, расход ожижающего агента, температура слоя на момент ожижения - построено множество компромиссов и расчитана область гарантированных запусков. На основании полученных данных разработан алгоритм запуска опытно-промышленного котла с заторможенным псевдоожиженным слоем.

7.Благодаря внедрению безмазутного метода розжига на опытном производстве СибВТМ в 1990-91 гг. достигнут положительный экономический эффект триста пятьдесят шесть тысяч рублей в год. Результаты выполненных исследований переданы также на Барнаульскую Т2Ц-3, где они будут использованы при освоении монтирующейся в настоящее время котельной установки модели БКЗ-420-140 КС.

Условные обозначения:

Л - содержание золы,%; а- коэффициент температуропроводности, м /с; С - теплоемкость,Дк/(кг:К); Су- концентрация топ-пива в слое,%; диаметр, м; Е - энергия активации, /^к/моль;

Г - площадь, м ; С - объемный расход, м3/с; $ - ускорение сво-5одного падения, м/с2; Я - теплота химической реакции, Дж/кг;

А - шаг сетктл по пространственной координате,м; К - константа скорости химической реакции, с"'; Ко - частотный фактор в уравнении Аррениуса, С'1\Щ)~ константа уноса; £ - толщина стенки реактора, м;М - масса, кг; Р - давление, Па; О - теплотворная способность, Дж/кг; Я - универсальная газовая постоянная, Д^Дг»

.(; Ь - время, с; ¿7 - скорость, м/с; У - теоретически необхоаимыч

19

объем воздуха для полного сжигания 1 кг топлива, м3/кг;^-скорость химической реакции, кг/о; W* - максимально возможная

скорость горения топлива, кг/с;ДГ - пространственная координатами; Ф -функция невязки; оС - коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м .К); J3 - плотность, кг/м3; jU. - динамическая вязкость, кг/(м - с); А - коэффициент теплопроводности Вт/(м • К).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Р^гжников С.Г., Ыиркес Е.Ы., Янголов О.В. Моделирование процесса запуска газогенератора с кипящим слоем/ Тезисы докл.

У Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Пути повышения эффективности использования углей", Свердловск, 1968. - С.30-31.

2. Щипко М.Л., Янголов О.В., Грицко СЛ., Ружников С.Г., и др. Освоение крупномасштабной модели котельного агрегата с кипящим слоем с исследованием процессов при пуске и наладке оборудования с выдачей рекомендаций для головного агрегата Баранаульскои ТсЦ-З/ Отчет о научно-исследовательской работе Красноярск, 1987. - * гос.per.02870072403. - 81 с.

3. ^жников С.Г., Тарасов Е.П., Щипко М.Л., Янголов О.В., Мирнее Е.М., Анализ процесса запуска котла с псевдоожиженным слоем/ Тезисы докл. Минского межд.форума "Теплообмен MIS", Минск, Секция 10, 1988. - С.85-87.

4. Ружников С.Г., Янголов О.В. Особенности розжига котла с псевдоожиженным слоем катализатора окисления/ Тезисы докл. I Все-союзн.школы молодых ученых и спец. "Научно-технические проблемы катализа", Новосибирск, 1989 - С.73-74.

5. Щипко М.Л., Янголов О.В., Филонов А.Ф., Ружников С.Г., и др. Исследование процессов сжигания Ирша-бородинского угля в псев-доожиженном слое опытно-промышленной установки кипящего

слоя / Отчет на научно-исслед.работе, Красноярск, 1989. -№ гос.per.01880084268. - 168 с.

6. Ружников С.Г., Янголов О.В., Щипко Ы.Л., Грицко СЛ., Моделирование и оптимизация условий запуска котла с псевдоожиженным слоем // ИМ. - 1990. - Т.59. - » I. - С. I26-I3I.

7. A.C. 1626044 СССР Щипко МЛ., Ружников С.Г., Миркес Е.М.,1991.

8. Процайло М.Я., Янголов О.В., Щипко МЛ., Филонов А.Ф., Богомолов C.B., Козлов С.Г., Ружников С.Г. Особенности розжига котлов с псевдоожиженным слоем на канско-ачинских углях// Теплоэнергетика. - 1991. - I? 3. - С. 19-22.

го

9. Ружников С.Г., Янголов О.В., Щипко М.Л., Щевцов Е.В. Поведение мелких частиц бурого угля при газификации в циркулирующем слое/ Тезисы докл. Всесоюзн.конф. "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири", Иркутск, 1991. Т.2 - С.15-16.

10.Щипко М.Л., Янголов О.В., Винк В.А., Линейцев А.П., Ружни-ков С.Г., ЩевцОв К.В. Паровоздушная газификация пылевидного канско-ачинского угля в псевцоожиженном слое шлака/ Тезисы докл. Всесоюзного симпозиума "Проблемы газификации углей", Красноярск, 1991. - С.129-135.

II.Заявка 4794027/26 - 022419 СССР. Щипко М.Л., Янголов О.В., Винк В.А., Линейцев А.П., Рудников С.Г., Шевцов Е.В., Кузнецов Б.Н., Полож.реш. о выдаче а.с. от 20.05.91.

12.Заявка 4741432/24 - 06 (I2II68) СССР Щипко М.Л., Ружников С.Г., Янголов О.В., Полож.реш. о выдаче а.с. от 29.05.91.

13.Заявка 4864458/26 ( 057840) СССР Щипко Ы.Л., Янголов О.В., Ружников С.Г., Полож.реш. о выдаче а.с. от 10.10.91.

14.Янголов О.В., Ружников С.Г., Щипко М.Л., Винк В.А. Получение топливного газа на стендовой установке с циркулирующим слоем/ Теа/си докл. Всесоюз.научно-технической конференции "Проблемы использования канско-ачинских углей в энергетике", Красноярск, 1991. - С.83-84.

15.Заявка 4916327/04 СССР Щипко Я.Л., Янголов О.В., Ружников С.Г., Линейцев АЛ., Полож.реш. о выдаче а.с. от 12.12.91.

¿Î