Презентация5 вторник

Плазменная термохимическая подготовка топлива к сжиганию в топочной камере ТЭС
В данной работе предложено внедрение современной технологии плазменного воспламенения и стабилизации пылеугольного топлива на казахстанских ТЭЦ, используя при этом новейшие информационные технологии и методы 3D-компьютерного моделирования. Это позволит оптимизировать процессы, происходящие при сжигании высокозольного энергетического топлива, уменьшить вредные пылегазовые выбросы в атмосферу (оксиды углерода, оксиды азота, зола и т.д.), создать и внедрить в будущем способ получения «чистой» энергии.

Плазменная термохимическая подготовка топлива к сжиганию в топочной камере ТЭС
Процесс плазменной термохимической подготовки топлива к сжиганию осуществляется в плазменно-топливной системе (ПТС).
Плазмотрон устанавливается на футерованный канал аэросмеси горелки, которая тем самым преобразуется в ПТС и устанавливается непосредственно в топочную камеру.
Схема используемого плазмотрона в вихревой горелке, используемой в исследуемых топочных камерах, изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Разработанный плазмотрон в цилиндрической вихревой горелке
1 – плазмотрон;
2 – меньшая часть аэросмеси;
3 – основная часть аэросмеси;
4 – факел продуктов плазменной термохимической подготовки аэросмеси;
5 – топочное пространство;
6 – вторичный воздух;
7 - камера электротермохимической подготовки топлива к сжиганию;
8 – плазменный факел

Таблица 1 – Технические характеристики плазмотрона

Плазменная термохимическая подготовка топлива к сжиганию в топочной камере ТЭС
Плазменная термохимическая подготовка угля к сжиганию заключается в нагреве плазменным факелом при дефиците кислорода потока пылеугольной смеси в специальной̆ камере до температуры, превышающей̆ температуру самовоспламенения данного угля.
Поступающая в горелку аэросмесь взаимодействует с плазменной струей, вытекающей из сопла плазмотрона. Средняя температура плазменной струи составляет ~5000°C в зависимости от электрической мощности плазмотрона и расхода плазмообразующего воздуха.
При этом происходит практически полный выход летучих веществ и частичное сгорание и газификация углерода угля.
В результате полученная топливная смесь, состоящее из горючего газа и коксового остатка, воспламеняется при смешении с вторичным воздухом и устойчиво горит без использования для стабилизации пылеугольного факела даже в холодной топке резервного высокореакционного топлива (мазута или природного газа).

Плазменная термохимическая подготовка топлива к сжиганию в топочной камере ТЭС
Представлены результаты 3D-компьютерного моделирования, влияния термохимической активации пылеугольных потоков на процесс горения пылеугольного факела в топочных камерах котлов: БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2, ПК-39 Аксуйской ГРЭС и БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3.
На рисунке 2 представлен общий вид топочных камер казахстанских котлов: БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2, ПК-39 Аксуйской ГРЭС и БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3, оборудованных плазменно-топливными системами.
Схема камер сгорания котлов и разбивка ее на контрольные объемы представлена на рисунке 3.

Рисунок 2 - Общий вид топочных камер котлов, оборудованных плазмотронами

Рисунок 3 – Разбивка на контрольные объемы топочных камер котлов, оборудованных плазмотронами

Рисунок 3 – Разбивка на контрольные объемы топочных камер котлов, оборудованных плазмотронами
Расчетная область исследуемых котлов зависит от их размеров и составляет:
БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2 – 1261008 контрольных объемов (72х139х126);
ПК-39 Аксуйской ГРЭС – 894 432 контрольных объемов (56х121х132);
БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3 – 177 472 контрольных объѐмов (59х32х94).
Эти котлы отличаются между собой по мощности, по геометрии топочной камеры, по ее размерам, по способу подачи топлива и окислителя, по компоновке горелочных устройств и плазменных горелок.
В результате проведенных вычислительных экспериментов были получены распределения вектора полной скорости, температурные поля, поля концентраций оксидов азота NO по всему объему топочной камеры и проведен сравнительный анализ для трех исследуемых котлов.

Рисунок 4 – Поле вектора полной скорости в области пояса горелок топочной камеры
котла БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2

Поле вектора полной скорости в области пояса горелок топочной камеры
котла БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2
Анализ полученных полей скоростей в объеме топочной камеры БКЗ-420 показывает, что активация пылеугольного потока оказывает значительное влияние на поле течения: на распространение реагирующей струи в объеме топки, процессы подмешивания в струе, на размеры, форму пламени.
Можно заметить различие в распределении пылеугольных потоков, поступающих в топку через обычные горелки и через плазменно-топливные системы. Основной причиной изменения в распределении скоростей в топочном пространстве является увеличение скорости поступающей в камеру сжигания топливной смеси (высокореакционное топливо + вторичный воздух). С увеличением числа термохимически активированных потоков (3, 6 плазменных горелок) наблюдается более четкая граница движения потоков из горелок, оснащенных плазматронами.
Под действием плазменной активации пылеугольных струй усиливается турбулизации потоков и в значительной степени ускоряется массо- и теплообмен, а усиливающееся при этом смесеобразование и нагрев интенсифицируют процесс горения.

Рисунок 5 – Поле вектора полной скорости в сечении горелок топочной камеры котла ПК-39 Аксуйской ГРЭС
а) традиционное сжигание топлива (без ПТС)
б) 4 плазменно-топливные системы
в) 6 плазменно-топливных систем
г) 12 плазменно-топливных систем

Рисунок 5 – Поле вектора полной скорости в сечении горелок топочной камеры котла ПК-39 Аксуйской ГРЭС
Анализ рисунка 5 показывает, что с увеличением числа термохимически активированных потоков (4, 6, 12 плазменных горелок) ядро факела смещается к центру симметрии топочной камеры котла ПК-39.
В месте соударения встречных потоков в результате торможения динамический напор трансформируется в статическое давление. Под действием образовавшегося перепада давления общий поток растекается вверх и вниз с повышенными скоростями.
При соударении встречных факелов и турбулизации потоков в значительной степени ускоряется массо- и теплообмен, а усиливающееся при этом смесеобразование и нагрев интенсифицируют процесс горения.

Рисунок 6 - Распределение вектора полной скорости в области расположения горелок топочной камеры котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3
а) традиционное сжигание топлива (без ПТС)
б) 2 плазменно- топливные системы

Рисунок 6 - Распределение вектора полной скорости в области расположения горелок топочной камеры котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3
Рисунок 6 указывает на существенное различие между двумя исследуемыми случаями для котла БКЗ-160.
На рисунке 6, б отчетливо видны потоки пылеугольной смеси, поступающие в топку через обычные горелки и через плазменно-топливные системы.
В объеме топочной камеры БКЗ-160 потоки двухкомпонентного высокореакционного топлива, газифицированные с помощью плазменной активации, распространяются в соответствии с законами аэродинамики и являются тепловым источником для аэросмеси, подаваемой через горелки, не оснащенные системами плазменного воспламенения.

Рисунок 7 – Поле температуры в плоскости сечения горелок нижнего яруса топочной камеры котла
БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2

Рисунок 7 – Поле температуры в плоскости сечения горелок нижнего яруса топочной камеры котла БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2
Рисунок 7 для котла БКЗ-420 иллюстрирует температурные поля в области сечения горелок нижнего яруса топочного пространства. Мы видим существенное различие для трех рассматриваемых случаев. По сравнению с использованием обычного пылеугольного потока среднее значение температуры в плоскости сечения горелок с увеличением числа термохимически активированных потоков увеличивается и составляет: без активации – 1530ºС; три активированных потока – 1640 ºС; шесть активированных потоков – 1680 ºС.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что плазменная активация горения аэросмеси приводит к быстрому нагреву и воспламенению аэросмеси. При этом наблюдается смещение фронта горения к месту расположения систем плазменной активации угольных потоков.
Область высоких температур при увеличении числа активированных плазмой потоков смещается к центру симметрии топки, при этом у боковых поверхностей также наблюдается более высокий уровень температур.
Кроме того, ускорение прогрева и воспламенения топлива с увеличением числа термохимически активированных потоков ведет к более быстрой стабилизации высокоинтенсивных процессов горения.

Рисунок 8 - Поле температуры в плоскости сечения горелок нижнего яруса топочной камеры котла ПК-39 Аксуйской ГРЭС

Рисунок 8 - Поле температуры в плоскости сечения горелок нижнего яруса топочной камеры котла ПК-39 Аксуйской ГРЭС
Можно заметить на рисунке 8, что по сравнению с использованием обычного пылеугольного потока среднее значение температуры в плоскости сечения горелок для котла ПК-39 с увеличением числа термохимически активированных потоков увеличивается и составляет:
без активации – 1117 ºС;
четыре активированных потока - 1185 ºС;
6 – 1211 ºС;
12 – 1488 ºС.

Рисунок 9 – Распределение температуры в области расположения горелочных устройств нижнего яруса топочной камеры котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3

Рисунок 9 – Распределение температуры в области расположения горелочных устройств нижнего яруса топочной камеры котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3
Анализ рисунка 9 для котла БКЗ-160 также показывает, что по сравнению с использованием обычного пылеугольного потока среднее значение температуры в плоскости сечения горелок с термохимически активированными потоками увеличивается и составляет: без активации – 1234ºС, а при двух активированных потоках в области нижнего яруса горелок - 1272 ºС.
На основании вышесказанного, можно сделать вывод о том, что для всех исследуемых котлов процесс плазменной активации горения аэросмеси приводит к увеличению температуры в области установки горелочных устройств. При этом с увеличением числа установленных плазменно-топливных систем наблюдается смещение фронта горения к месту расположения систем плазменной активации угольных потоков

Рисунок 10 – Распределение концентрации оксидов азота NO по высоте топочных камер котлов БКЗ-420, ПК-39, БКЗ-160
максимальное; 2 – среднее;
3 – минимальное.
в) котел БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3 (2 плазменные горелки)

Рисунок 10 – Распределение концентрации оксидов азота NO по высоте топочных камер котлов БКЗ-420, ПК-39, БКЗ-160
Мы видим, что использование плазменных горелок приводит к снижению суммарной концентрации NO из топочного пространства и составляет:
для котла БКЗ-420 Алматинской ТЭЦ-2 – для обычного горения 507 mg/Nm3, для 3 и 6 термохимически активированных потоков 456 mg/Nm3 и 407 mg/Nm3 соответственно;
для котла ПК-39 Аксуйской ГРЭС – для обычного горения 932 mg/Nm3, а для 4, 6 и 12 плазменно-активированных потоков 785 mg/Nm3, 725 mg/Nm3 и 690 mg/Nm3 соответственно;
для котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3 – при 2 плазменно-активированных потоках – 444,5 mg/Nm3.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) для оксидов азота NO, принятая в РК к 2016 году, составляет 850 mg/Nm3. Таким образом, можно сделать вывод о том, что установка плазменно-топливных систем (ПТС) в топочных камерах энергетических котлов значительно улучшает экологические показатели ТЭС.