Characteristics and conditions of ignition of wet coal particles during high-temperature heating

Full Text

Введение

К настоящему времени установлено, что нетрадиционные возобновляемые источники энергии (ветрогенераторы [1–6] и солнечные электростанции [7–11]) не могут даже в среднесрочной перспективе заменить тепловые электростанции. Установлено, что необходимость использования угля в качестве одного из основных энергоносителей сохраниться не только в настоящем, но и в будущем (по крайней мере, до 2040–2050 гг., по оценкам экспертов различных фондов и энергетических компаний). Но уголь является самым, образно говоря, «грязным» топливом – при его сжигании образуется много антропогенных веществ (самыми вредными для живой природы являются оксиды серы, азота, углерода, а также летучая зола) [12–14]. Поэтому актуальнейшей задачей современности является кардинальное снижение негативного воздействия угольных электростанций на окружающую среду [15–20]. Пока эта задача не решена. Одним из перспективных вариантов существенного снижения выбросов антропогенных оксидов в атмосферу при горении углей является сжигание последних в составе водоугольных суспензий, которые принято называть водоугольным топливом (ВУТ) [21–26]. Установлено, что при сжигании таких топлив существенно снижаются выбросы антропогенных оксидов на единицу массы угля [27]. Сформулирована гипотеза о механизме снижения NO_x в результате взаимодействия паров воды с газообразными и твёрдыми продуктами термического разложения углей. При взаимодействии оксидов азота, образующихся при пиролизе углей, с парами воды образуются пары азотной кислоты, которые взаимодействуют с оксидами металлов минеральной части углей [28]. В результате образуются сульфаты металлов, которые выпадают совместно с золой, – происходит существенное снижение доли оксидов азота в дымовых газах угольных электростанций. Но при сжигании водоугольных топлив теплотворная способность такого топлива существенно ниже теплотворной способности обычного угля [29]. Поэтому высокозначимой для науки и практики является задача перехода от водоугольных суспензий к влажным углям. В этом случае при влажности 10–15 % возможно достижение существенно более высокой теплотворной способности топлива по сравнению с ВУТ, при сохранении таким топливом способности подавлять антропогенные оксиды. Использование влажных углей вместо ВУТ также может существенно упростить технологический процесс сжигания топлив. Но для обоснования эффективности использования в качестве топлива угольных электростанций влажных углей необходимо решить группу важных задач. Одной из таких задач является определение характеристик и условий зажигания, но пока основные закономерности таких процессов не установлены. Целью настоящей работы является экспериментальное обоснование возможности использования умеренно увлажненного угля в качестве основного топлива на объектах энергетики с целью снижения вредного воздействия последних на окружающую среду. Реализация технологии снижения антропогенных выбросов с использованием водяного пара может быть реализован тремя способами. Первый – ввод в топку мелкодисперсного угля и распыленной воды через разные устройства для распыления. Угольная пыль вводится через обычные горелочные условия, а вода – через дополнительные форсунки, установленные так, чтобы сразу после ввода частиц угля они увлажнялись в результате взаимодействия на начальном участке топки с каплями воды. Второй, более сложный, – ввод через одно горелочное устройство и частиц угля, и капель воды аналогично вводу горючего и окислителя в жидкостных ракетных двигателях – вода вводится вблизи стенок горелки, а угольная пыль – в ядре потока. Третий – сжигание умеренно влажных углей с программируемой влажностью в поточном устройстве.

Методика экспериментальных исследований

В экспериментах исследовались угольные частицы четырех разных марок (бурый (2Б), длиннопламенный (Д), тощий (Т), антрацит (А)) сухие и увлажненные. На первом этапе процедуры подготовки экспериментальных образцов куски угля больших размеров измельчались с помощью щековой дробилки до характерного размера одиночных частиц δ=1,5–2 мм, масса которых составляла m=0,015±0,005 г. Далее часть частиц угля выдерживалась в дистиллированной воде в течение 24 часов. После чего влажность вымоченных (увлажненных) и сухих (с естественной влажностью) частиц угля разных марок определялась с помощью высокоточного анализатора влажности «Эвлас-2М», систематическая погрешность которого не превышала 0,2 %. Влажности топливных частиц, использовавшихся в экспериментах, приведены в таблице.

 

Таблица. Влажность частиц угля

Table. Humidity content of coal particles

Марка угля Coal grade	насыщенная влагой частица угля wet coal particle	сухая частица угля dry coal particle
	%
Антрацит (А) Anthracite	3,82	0,07
Бурый (Б)/Brown	26,07	7,07
Длиннопламенный (Д) Long flame	12,36	4,12
Тощий (Т)/Lean	5,48	0,23

 

Для установления достоверных значений времен задержки зажигания число экспериментов составляло не менее 15 в идентичных условиях нагрева. Обработка результатов проводилась с использованием современного аппарата статистической обработки результатов эксперимента. Значение случайной погрешности составляло менее 10 %. Обработка полученных результатов осуществлялась по аналогии [30].

Одной из основных характеристик угольного топлива является время термической подготовки (t_ign). Экспериментальный стенд для определения значений t_ign углей разных марок и влажностей, приведен на рис. 1. Обработка результатов проводилась с использованием метода статистической обработки. Значение относительной случайной погрешности составляло менее 12 %. Систематическая погрешность была менее 4 %. Число экспериментов могло варьироваться, но составляло не менее 15 для каждой серии экспериментов.

 

Рис. 1. Схема экспериментального стенда для исследования процессов воспламенения частиц угольного топлива [21, 22]: 1 – подставка для держателя; 2 – металлический держатель частицы топлива; 3 – панель управления; 4 – высокотемпературная печь; 5 –платформа; 6 – скоростная видеокамера; 7 – направляющие; 8 – система воздухообмена; 9 – микроскоп; 10 – компьютер

Fig. 1. Scheme of an experimental stand for studying ignition of coal fuel particles [21, 22]: 1 – stand for the holder; 2 – metal holder of fuel particles; 3 – control panel; 4 – high-temperature furnace; 5 – platform; 6 – high-speed video camera; 7 – guides; 8 – air exchange system; 9 – microscope; 10 – computer

 

Основная часть экспериментального стенда [21, 22] представляет собой полую цилиндрическую камеру сгорания, заполненную воздухом (диапазон температур окислителя T_g=873–1273 K), на внешнюю поверхность цилиндра крепился электрический нагреватель (нихромовая проволока). Последний представлял собой систему из трех автономных нагревательных секций. Температура в камере горения измерялась тремя хромель-алюмелевыми термопарами. Контроль и автоматизированное управление тепловым режимом камеры горения осуществлялись системой, состоящей из трех подсистем «нагреватель–регулятор–термопара», соединенных через пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор. Такая конструкция позволяет формировать по всему объему камеры сгорания в начальный период времени (перед проведением каждого отдельного эксперимента) стационарное и однородные температурное поле.

Нагревательный комплекс совместно с камерой сгорания устанавливался в теплоизолированном кожухе. На оси симметрии цилиндра на расстоянии ~0,5 м от его торца на металлической подложке закреплялась частица угольного топлива. С другой стороны печи располагалась высокоскоростная видеокамера FASTCAM Phantom 5 (скорость видеосъемки 10000 кад/сек). В начальный момент времени вся нагревательно-регистрационная система начинала двигаться по направлению к частице топлив. Перед вводом последней в печь торцевые заслонки нагревательного цилиндра открывались. При этом частицы топлива попадали в фокус объектива высокоскоростной видеокамеры. Момент попадания частицы угля в фокус видеокамеры считался началом теплового воздействия, появление первого пламени вблизи частицы считалось моментом зажигания.

На рис. 2 приведена принципиальная схема экспериментального стенда для анализа компонентного состава продуктов сгорания топлива. Основной частью экспериментальной установки является высокотемпературная печь, схема которой описана выше и показана на рис. 1. Отличие заключается в том, что экспериментальный стенд дополнен комплексом газового анализа газообразных продуктов сгорания ТЕСТ-1. Последний состоит из высокотемпературного пробоотборника с водяным охлаждением, отбирающего продукты сгорания из зоны прямой реакции топлива с окислителем. В пробоотборнике газы охлаждаются до температуры ≈300 К. После этого проба через специальный гибкий соединительный канал попадает в холодильник-сушилку, где проходит через систему теплообменников и охлаждается до температуры ≈278 К. В результате такого экстремального охлаждения образца конденсируются пары воды и кислоты (азотной и серной). Конденсат стекает в колбу. После осушителя охлажденные продукты сгорания поступают в газоанализатор, где определяется содержание оксидов азота (NO_x). Перед каждой серией экспериментов газоанализатор калибровали (по воздуху) и очищали тракт пробоотборника от осажденных частиц золы и сажи.

 

Рис. 2. Схема экспериментального стенда для анализа компонентного состава газообразных продуктов сгорания частиц угля [22]: 1 – высокотемпературная печь; 2 – пробоотборник с водяным охлаждением; 3 – охладитель-осушитель пробы; 4 – газоанализатор; 5 – компьютер; 6 – проба, прошедшая первый этап охлаждения; 7 – высушенный образец; 8 – газоанализатор; 9 – высокоскоростная видеокамера; 10 – частица угля; 11 – внешний теплообменник; 12 – насос; 13 – канал отвода конденсата из блока «охладитель–осушитель» образца. Позиции 11, 12 представляют систему циркуляционного водяного охлаждения пробоотборника

Fig. 2. Scheme of the experimental stand for analyzing the component composition of gaseous combustion products of coal particles [22]: 1 – high-temperature furnace; 2 – water-cooled sampler; 3 – sample cooler-dryer; 4 – gas analyzer; 5 – computer; 6 – sample that has passed the first cooling stage; 7 – dried sample; 8 – gas analyzer; 9 – high-speed video camera; 10 – coal particle; 11 – external heat exchanger; 12 – pump; 13 – condensate drainage channel from the “cooler–dryer” block of the sample. Positions 11, 12 represent the circulating water cooling system of the sampler

 

Результаты экспериментальных исследований

На рис. 3 приведены кадры типичных видеограмм процесса воспламенения сухих и увлажненных угольных частиц четырёх марок при температуре окружающей среды T_g=1073 К. Как показывают эксперименты, процесс термической подготовки, зажигания и горения сухих и увлажненных частиц бурого и длиннопламенного (рис. 3, b, с) углей характеризует газофазное зажигание. Скорее всего, это связано с большим количеством летучих, которые прогреваются быстрее, достигая температуры горения, и начинают гореть раньше углерода частицы. Можно отметить, что зона воспламенения локализована в верхней полусфере частицы, которая по своим размерам, как правило, превышает размер самой частицы. Для сухих частиц антрацита и тощего угля (рис. 3, a, d) характерно гетерогенное зажигание. Также стоит отметить, что увлажненные частицы антрацита и тощего угля (рис. 3, b, III, с, III) при высокотемпературном нагревании (при T_g≥1073 К) диспергируются на множество мелких фрагментов до момента зажигания, в отличие от сухих частиц угля той же марки.

 

Рис. 3. Типичные кадры процесса воспламенения сухих и увлажненных топливных частиц угля при температуре внешней среды T_g=1053 К: a) антрацит; b) бурый; c) длиннопламенный; d) тощий

Fig. 3. Typical footage of ignition of dry and moistened coal fuel particles at an ambient temperature T_g=1053 K: a) anthracite; b) brown; c) long-flame; d) lean

 

Это можно объяснить тем, что вследствие интенсивного испарения воды, заполняющей поры угля в начальный момент времени, растёт давление паров в порах. Вследствие высоких фильтрационных напряжений, а также роста давления паров в замкнутых порах происходит разрушение приповерхностных слоёв частиц – диспергирование. Этот процесс благоприятно сказывается на условиях зажигания малых по размерам фрагментов, образовавшихся после разрушения приповерхностных слоёв частиц угля.

На рис. 4 приведены типичные кадры видеограмм процесса диспергирования увлажненных частиц угля двух марок: тощего и антрацит, для трех температур окружающей среды: 1070, 1173 и 1273 К. На кадрах хорошо видно, что в определенный момент времени (рис. 4, II) угольная частица за счет летучих слетает с держателя и, как правило, разрушается на 2–3 неравные части. После этого частицы с характерным размером от 0,3 до 1 мм зажигаются вблизи нижней стенки камеры сгорания.

 

Рис. 4. Типичные кадры процесса диспергирования увлажнённых углей (тощего и антрацита): 1 – металлический держатель, 2 – частица угля

Fig. 4. Typical footage of dispersing humidified coals of two grades (lean and anthracite): 1 – metal holder, 2 – coal particle

 

На рис. 5 приведены зависимости времен задержки зажигания сухих и увлажненных частиц угля четырех марок в условиях высокотемпературного нагрева. На основании анализа рис. 5 можно сделать вывод, что марка угля существенно влияет на время задержки зажигания угольного топлива. Времена термической подготовки антрацита при температуре окислителя T_g=1273 К почти в 5 раза превышают t_ign топливных частиц длиннопламенного и бурого угля. Экспериментально установлено, что зажигание не происходит для тощего сухого угля при температуре окислителя T_g<973 К, для тощего увлажненного угля T_g<1073 К и антрацита при T_g<1073 К.

 

Рис. 5. Зависимости времен задержки зажигания частиц угля от температуры внешней среды: 1 – антрацит влажная частица; 2 – антрацит сухая частица; 3 – тощий влажная частица; 4 – тощий сухая частица; 5 – длиннопламенный влажная частица; 6 – длиннопламенный сухая частица; 7 – бурый влажная частица; 8 – бурый сухая частица

Fig. 5. Dependence of the ignition delay times of coal particles on the ambient temperature: 1 – anthracite wet particle; 2 – anthracite dry particle; 3 – lean wet particle; 4 – lean dry particle; 5 – long-flame wet particle; 6 – long-flame dry particle; 7 – brown wet particle; 8 – brown dry particle

 

Можно отметить, что увлажнение (на 3,75÷19 % в зависимости от марки) частиц угля несущественно влияет на времена термической подготовки угля (например, не более чем на 11 % для тощего угля) для всего исследуемого диапазона температур внешней среды (от 873 до 1273 К).

На рис. 6 приведена гистограмма, характеризующая среднее (по времени горения) значение концентраций одного из основных антропогенных газов – оксида азота (NO) – в продуктах сгорания одиночных частиц сухого и влажного длиннопламенного угля. Хорошо видно, что даже незначительное увлажнение сухой частицы длиннопламенного угля (таблица) – на 8,24 % – приводит к существенному снижению оксида азота в продуктах сгорания топливных частиц. Так, при температуре окислителя T_g=973 К концентрация NO_x в продуктах сгорания увлажненной частицы меньше на 26 % по сравнению с сухой частицей длиннопламенного угля.

 

Рис. 6. Средние по времени концентрации оксидов азота в газообразных продуктах горения в малой окрестности частиц длиннопламенного угля: 1 – сухая угольная частица; 2 – влажная угольная частица

Fig. 6. Time-average concentrations of nitrogen oxides in gaseous combustion products in a small vicinity of long-flame coal particles: 1 – dry coal particle; 2 – wet coal particle

 

На рис. 6 хорошо видно, что при горении частиц влажного угля формируется меньше оксидов азота. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что водяные пары, формирующиеся при испарении внутрипоровой влаги, выступают в роли компонента, связывающего NO_x. Образуется азотная кислота, которая вступает в термохимическое взаимодействие с железом минеральной части топлива. Необходимо отметить, что при зажигании влажного угля водяных паров образуется больше, чем при зажигании частиц сухого угля. Источником воды при горении сухого угля является только адсорбционно-связанная влага и продукты реакций горения углеводородсодержащих (C_nH_m) соединений в составе газообразных продуктов пиролиза. Соответственно, можно обоснованно предположить, что взаимодействие паров азотной кислоты с оксидами железа минеральной части угля при воспламенении влажного угля протекает интенсивнее, чем при зажигании сухого угля, вследствие более высокой концентрации окислителя (паров азотной кислоты).

Заключение

Результаты экспериментов показали, что сжигание умеренно (влажность от 3,82 до 26,7 %) увлажненных углей приводит к существенному (до 26 %) секвестированию оксидов азота, образующихся при горении угля. При этом установлено, что время термической подготовки увлажненных углей увеличивается незначительно (не более 11 %) по сравнению с подготовкой сухих частиц угля в идентичных условиях. Можно сделать вывод, что использование умеренно влажного угля в качестве топлива на объектах теплоэнергетики может привести к снижению выбросов оксида азота, времена задержки зажигания угля при этом увеличиваются незначительно. Установленные при проведении экспериментов закономерности иллюстрируют возможность реализации технологии сжигания умеренно увлажненных углей с меньшим выходом антропогенных оксидов в продуктах сгорания по сравнению с процессом сжигания сухих углей и более высокой теплотой сгорания топлива по сравнению с водоугольной суспензией.

About the authors

Zhanna A. Kostoreva

National Research Tomsk Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: zhanna.kostoreva@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0545-9211

Cand. Sc., Assistant

Russian Federation, Tomsk

Semen V. Syrodoy

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: ssyrodoy@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6924-8552

Dr. Sc., Professor

Russian Federation, Tomsk

Azimkhan A. Omarov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: aao35@tpu.ru

Postgraduate Student

Russian Federation, Tomsk

References

Supplementary files