Теплофизические основы процессов переработки низкосортных углей в барботиремных шлаковых расплавах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ргв оа

з ^ ^вг да

На правах рукописи

ПРОШКИН

Александр Владимирович

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ В БАРБОТИРУЕМЫХ ШЛАКОВЫХ РАСПЛАВАХ

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск -1998

Работа выполнена в Красноярской государственной академии цветных металлов и золота

Научный консуаьташ:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: Сибирски й теплотехнический инсппуг-

( филиал ВТИ) г.Красноярск

Защита состоится «18« сентября 1998 г. в 14 часов в аудитории Г2-22 на заседании диссертационного совета Д.064.54.02 в Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26.

Тел.(8-3912) 49-79-90, 49-76-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя и заверенный гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «14» августа 1998 г.

Журавлев Ю.А.

Славин В.С. Детков С.П. Саломатов В.В.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент П.Н.Сильчснко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Современная энергополитическая ситуация диктует необходимость использования все более низкокачественных углей для нужд теплоэнергетики. Однако масштабы энергетического применения этих углей ограничиваются свойствами их минеральной части. При этом возникают проблемы эксплуатационного (шлакование поверхностей нагрева, прекращение выхода жидкого шлака, необходимость транспортировки золошлаковых отходов (ЗШО)) и экологического (безопасное хранение ЗШО и отчуждение земельных угодий под золоотвалы) характера.

Вторичное использование ЗШО в различных отраслях народного хозяйства ограничивается нестабильностью, а также высокой химической активностью их состава. Одной из наиболее веских причин, обуславливающих малый объем использования ЗШО, является низкая экономическая эффективность предлагаемых методов утилизации. В то же время ЗШО содержат черные, цветные металлы, ряд других промышленно-ценных элементов и являются колоссальным источником минерального сырья. Однако прямое извлечение этих металлов и использование силикатной составляющей ЗШО не всегда возможно по соображениям экономического и экологического характера.

Выходом из создавшейся ситуации является поиск новых технологий переработки низкосортных углей. В основу таких технологий должен быть положен принцип комплексного использования углей, заключающийся в получении тепловой, электрической энергии и полным попутным использованием минеральной части с извлечением промышленно ценных металлов, за счет переработки углей в барботируемых шлаковых расплавах (БШР). Реализация этого нового направления переработки низкосортных углей в высокотемпературных условиях вызывает необходимость исследования тегаюфизических основ процессов с целью последующей разработки высокоэффективной техники и технолога!! комплексного использования углей.

Работа выполнялась в рамках программы ГКНТ СССР по проблеме «Исследование и освоение сжигания канско-ачинских углей на электростанциях КАТЭКа на 1981 -1985 г.г. (пункт 3.5.16 задания 03.05.09, Н29 подпрограммы 0.01.01 Д программы 0.Ц.002), а также в соответствии с государственной целевой научно-технической программой ГКНТ СССР «Экологически

чистая эффективная тепловая электростанция на твердом топливе».

Цель диссертационной работы состоит в разработке тепло-физических основ процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, включая минеральную и органическую части.

Методы исследования. Для достижения поставленной дели использован комплексный метод, включающий математическое, физическое моделирование и натурные наблюдения. При проведении расчетно-теоретичсских исследований использовалась усовершенствованная трехмерная математическая многозонная модель теплообмена в высокотемпературных агрегатах, а также фундаментальные положения теории подобия. Расчеты выполнялись с привлечением современных средств вычислительной техники.

Исследование поведения угольных частиц в шлаковых расплавах проводилось по оригинальным методикам с использованием дериватографа С|-150(Ш. Содержание малых элементов в золошлаковых отходах и продуктах их пирометаллургической переработки определялось на приборах ДФС-8, ИСП-28 методом просыпки и с помощью масс-спектрометра «ЭМАЛ-2». Измерения падающих радиационных потоков производились датчиком тина РАПП-3, спроектированным в ИТТФ АН Украины. Анализ и обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований теплофизических процессов осуществлялся с привлечением методов математической статистики.

Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием современных методов исследований в области теплообмена, достаточным по статистическим критериям объемом лабораторных и натурных данных, подтверждается удовлетворительной (5-15 %) сходимостью расчетных и экспериментальных исследований, проведением сопоставительного анализа с результатами, полученными разными методами, а также широким опробованием рекомендаций на предприятиях, их внедрением с экономическим эффектом.

Положения, выносимые на защиту

1. Теплофизические основы процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, включающие в себя:

* методы и результаты исследований поведения бурых углей и составляющих их компонентов в высокотемпературных шлаковых расплавах;

* методики и результаты теплофизического обоснования

оптимальных размеров установок с БШР, компоновочных схем и способов работы энерготехнологических агрегатов (ЭТА);

* результаты математического моделирования теплообмена в ЭТА и выявленные закономерности изменения основных показателей тепловой работы в зависимости от режимных параметров и свойств углей;

* результаты теплофизических исследований и промышленного освоения техники и технологии переработки минеральных компонентов бурых углей в новейший материал - пеносиликат;

* новые способы малоотходного производства электрической и тепловой энергии и конструкции энерготехнологических агрегатов для их реализации;

* результаты исследований потребительских свойств продуктов, получаемых из углей, и определение областей их эффективного применения.

2. Трехмерная многозонная математическая модель теплообмена в энерготехнологических агрегатах и топках с ЖШУ, учитывающая течение жидкого шлака и газификацию низкосортного топлива.

3. Результаты расчетных и экспериментальных исследований теплообмена в топках паровых котлов с ЖШУ, выявленные закономерности процессов формирования и удаления шлака в топочных камерах различных размеров.

Научная новизпа.

1. Впервые исследованы теплофизические закономерности поведения бурых углей в высокотемпературных шлаковых расплавах. Установлено, что:

* при подаче угля в шлаковый расплав на крупных кусках угля (более 100 мм) формируется оболочка из пористого шлакового расплава, обеспечивающая замед ленный его прогрев;

* мелкодисперсные частицы топлива (менее 1 мм) при попадании в шлаковый расплав подвергаются газификации с уменьшением массы частиц по экспоненциальной зависимости от времени, вид которой определяется размерами и свойствами угольных частиц, температурой шлакового расплава и условиями теплообмена;

* в первоначальный момент времени (до 5 с.) мелкодисперсные частицы теряют более 70 % своей массы в виде летучих соединений.

2. Впервые получены экспериментальные данные о распределении компонентов бурых углей между шлаковой, металлической и газовой фазами в процессе их переработки в высокотемпературных БШР. Выявлено, что:

* в газообразных продуктах переработки бородинских углей в

БШР имеются ценные летучие элементы (Оа, Се, Бе, Мо) в концентрациях, превышающих минимально необходимые для промышленного изшгечения;

* в отходящих газах содержатся незначительные количества экологически вредных компонентов - оксидов азота и серы (до 50 и 10 мг/м3 соответственно);

* металлическая фаза представляет собой сплав железа с углеродом, содержащий примеси Сг, Си, N1 и др.

3. Предложены методики тешгофизического обоснования выбора размеров установок с БШР, предназначенных для переработки низкосортных углей, включающие в себя:

* расчетные соотношения для нахождения оптимальных размеров установок с БШР при различных режимных параметрах и теплофизических свойствах шлакового расплава;

* критерий теплотехнической оценки агрегатов с БШР различной длины, который определяет производительность по выходу шлака агрегата-аналога по известным значениям производительности, потерь со шлаком, с охлаждением кессонов базового агрегата.

^Усовершенствована трехмерная многозональная математическая модель теплообмена в энерготехнологических агрегатах (ЭТА), позволяющая наряду с процессами сложного теплообмена учесть следующие особенности тепловой работы ЭТА для переработки углей:

* формирование н движение жидкого шлака по поверхностям нагрева;

* разложение флюсов, газификацию угля и восстановление железа его минеральной части в расплаве шлака.

5. Выявлены теплофизические закономерности процесса плавки мелкодисперсной золы-уноса при производстве пеносиликатов, заключающиеся в явлениях флотации частиц железа на поверхность расплава и последующего их осаждения в местах контакта с углеродистой футеровкой печей, вспенивания шлака в конечной стадии процесса.

6. Установлено, что пеносиликаты, получаемые при переработке ЗШО с помощью разработанной техники и технологам, очищают газы от экологически опасных компонентов (N0^ СБГ Н28) и мелкодисперсной пыли, содержащей как промышленно-ценные, так и вредные элементы.

Практическая значимость работы

1. Разработано теплотехническое оборудование и внедрена в промышленное производство технология комплексной переработки

золошлаковых отходов от сжигания низкосортных углей. Это позволило уменьшить затраты на транспортировку и хранение золы, а также сократить вредное воздействие ЗШО на окружающую среду. На Красноярской ГРЭС-2 в течение 4 лет действует комплекс по переработке ЗШО с получением ежесуточно до 150 м3 пеносиликата и до 450 кг сплава на основе Fe, легированного Си, Сг, Ni, Si, С.

2. На Сосновоборском литейном заводе под руководством и при творческом участии автора проведена реконструкция промышленной сталеплавильной печи ДСП-12Н2 с целью использования ее для получения пеносиликатов из золы от сжигания бурых углей. Модернизированная печь и технология переработки золошлаковых отходов прошла промышленную проверку и принята к внедрению.

3. Предложен энерготсхнолотческий агрегат на базе топки котла БКЗ-320 -140ПТ с расположенной под камерой горения установкой БШР. Проведены исследования теплообмена при различных режимных и конструктивных параметрах указанного ЭТА. Получены номограммы для выбора наиболее рациональных тепловых режимов его работы.

4. Результаты проведенных теплофизических исследований использованы при подготовке технологического регламента для рабочего проектирования ЭТА, предназначенного для переработки ЗШО на Красноярской ГРЭС-2.

5. Разработан ряд конструкций и способов энергетической переработки твердого топлива в БШР, а также способ переработки летучей золы от сжигания углей, сочетающий создание кипящего слоя и последующую форсированную плавку глубокопог-руженными электродами; сформулированы и обоснованы рекомендации по расположению закладных кессонов к шпуров для выпуска шлакового расплава, конструкциям одноэлектродных малогабаритных поворотных печей, работающих на постоянном токе, водоохлаждаемых сводов, зернистых фильтров на основе пеносиликатов; подготовлены предложения по использованию пеносиликатов для улавливания возгонов из электропечных установок и очистки промышленных газов от сероводорода, сероуглерода и оксидов азота, получен патент на состав вяжущего на основе плавленых ЗШО.

6. Получены данные о влиянии конструктивных изменений топочных камер с ЖШУ на теплообмен и условия формирования шлакового покрытия в камерах горения при сжигании углей различной зольности.

7. Результаты исследований используются в учебном процессе КГАЦМиЗ по программам курсов «Тепловая работа и конструкции печей», «Основы безотходных технологий», часть материалов включена в два учебных пособия.

Реализация результатов

Работа внедрена на КГРЭС-2 с экономическим эффектом 2282 тыс. руб./год (в ценах 1998 г.), в настоящее время ведутся работы по реализации технологии в больших промышленных масштабах на Сосновоборском литейном заводе с ожидаемым экономическим эффектом 8182 тыс. руб./год, на Абаканском сталелитейном заводе с общим эффектом - 4050 тыс. руб./год; проведены пробные плавки на Рубцовском АО Селъмаш, на Красноярском опытно-ремонтном заводе.

Личный вклад автора в разработку проблемы:

Все основные положения, результаты и выводы получены лично автором. Автору принадлежит постановка проблемы и задач исследований, анализ и обобщение результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях.

При решении отдельных задач принимали участие к.ф.-м.н Павлов В.Ф. и работавший под научным руководством автора аспирант Федоров В.А. По всем без исключения вышеупомянутым работам имеются совместные публикации, ссылки на соответствующие работы даны в тексте диссертации.

Совокупность результатов диссертационной работы может быть квалифицирована как решение крупной научной проблемы, имеющей важное значение для современной теплоэнергетики и заключающейся в разработке теплофизических основ процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, включая их минеральную и органическую части.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных (5), всесоюзных (7) конференциях, совещаниях и семинарах:

IV Всесоюз. конф., Таллинн, 1986; VI Всесоюз. научн.-техн. конф., Каунас, 1987; Всесоюз. конф., Новосибирск, 1988; Всесоюз. научн.-пракгич. конф., Кемерово, 1990; Всесоюз. научн.-практич. конф., Челябинск, 1990; VII Всесоюз. конф. по радиационному теплообмену, Ташкент, 1991; Всесоюз. научн.-техн. конф., Красноярск. 1991; Междунар. научн.-техн. конф. « Экотехнология», Иркутск , 1996; Междунар. научн.- практ. конф., Красноярск, 1996; Межгосударст. научн.-техн. конф., Магнитогорск, 1996;

Междунар. научн.-практ. конф. «Алюминий Сибири-96», Красноярск, 1996; Междунар. научн.-техн. конф., Магнитогорск, 1997; выездном заседании президиума СО РАН, Красноярск, 1998. Кроме того, материалы докладывались на технических совещаниях Барнаульского котельного завода, Казахского НИИ энергетики, Рязанского научно-исследовательского отделения института Гинцветмет, Харьковской ГРЭС-2, Красноярской ТЭЦ-1 и ГРЭС-2 и др.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 58 печатных работ, в том числе получено 15 авторских свидетельств и патентов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 232 наименований и приложения. Работа изложена на 292 стр. машинописного текста, включая 134 рисунка и 25 таблиц.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность и благодарность д.т.н., проф. Мечеву В.В., оказавшему методическую, практическую помощь и поддержку при выполнении работы, группе сотрудников Рязанского НИО института Гинцветмет под руководством к.т.н. В.В.Иванова, персоналу АО НТСМ КГРЭС-2 и Сосновоборского литейного завода, а также коллегам по кафедре ИТФ КГАЦМиЗ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель работы и приводится краткое описание структуры диссертации.

В первом разделе приводится общая характеристика ресурсной базы отечественной теплоэнергетики, описаны проблемы, связанные с энергетической переработкой углей и необходимостью повышения эффективности использования низкосортных углей. Показано, что одним из наиболее перспективных направлений организации безотходной переработки низкосортных углей является их сжигание или газификация в барботируемых шлаковых расплавах (БШР) в модифицированной печи Ванюкова, широко применяемой в металлургии. Однако к настоящему времени практически отсутствует опыт промышленной реализации этой технологии применительно к низкосортным углям. Нет обоснованных рекомендаций по аппаратурному оформлению процесса в виде энерготехнологических агрегатов (ЭТА),

практически не исследованы теплофизические явления процессов переработки высоковлажных бурых углей в барботируемых шлаковых расплавах, недостаточно проработаны вопросы технически и экономически эффективных путей последующего использования образующихся шлаков.

Показано, что одним из наиболее перспективных материалов, производимых из расплавов минеральной части углей, является пеносиликат (впервые этот материал получен в лаборатории стеклокристаллических материалов КНЦ СО РАН Павловым В.Ф). Отсутствие промышленного опыта его производства определяет необходимость исследования теплофизических явлений при его получении, выявления основных технико-экономических показателей тепловой работы оборудования и нахождения наиболее целесообразных конструктивных и режимных параметров процесса.

На этапе создания новых энерготехнологических агрегатов, при отсутствии работающих аналогов, математическое моделирование процессов теплообмена в ЭТА, позволяющее проводить расчеты локального и суммарного теплообмена, приобретает особую значимость. В настоящее время наибольшее распространение получили зональные методы, развитые в работах Суринова Ю.А., Невского A.C., Адрианова В.Н., Деткова С.П., Клекля А.Э., Журавлева Ю.А., Лисиенко В.Г. и др.

Исходя из цели диссертации и учитывая вышеизложенное, были поставлены следующие взаимосвязанные задачи:

* разработать методики и оборудование для исследования поведения углей в высокотемпературных шлаковых расплавах и выявить распределение промышленно ценных и экологически опасных компонентов по продуктам переработки низкосортных углей в БШР;

* исследовать поведение бурого угля в шлаковых расплавах;

* обосновать компоновочные схемы и оптимальные конфигурации энерготехнологических агрегатов для переработки низкосортных углей в БШР;

* усовершенствовать трехмерную многозонную математическую модель теплообмена и исследовать тепловую работу энерготехнологических агрегатов различных конструкций и назначений, а также топок с жидким шлакоудалением (ЖШУ) при использовании низкосортных канско-ачинских углей;

* определить наиболее рациональные конструкции и режимы работы энерготехнологических агрегатов и топочных камер с ЖШУ;

* выявить основные теплофизические закономерности

процесса, разработать теплотехническое оборудование и освоить в промышленных условиях технологию комплексной переработки минеральной части низкосортных углей в новейший материал -пеносиликат;

* усовершенствовать конструкции и способы работы электропечных установок применительно к указанной технологии;

* выявить номенклатуру материалов для попутного извлечения в процессе получения пеносиликатов, определить эколопгческие характеристики производства, провести исследования потребительских свойств получаемых продуктов;

* разработать новые способы энергетической переработки углей, конструкции и устройства для указанной переработки, а также способы получения промышленно ценных продуктов из шлаковых расплавов.

Второй раздел посвящен разработке и совершенствованию методов моделирования теплообмена в ЭТА и топках с ЖШУ. В качестве основы для математического описания процессов радиационного теплообмена была использована трехмерная многозональная модель в сером приближении. Для моделирования теплообмена в энерготехнологическом комплексе эта модель была дополнена уравнениями, описывающими процессы в барботируемом шлаковом расплаве. Расчетные соотношения математической модели газификации твердого топлива в БШР включали в себя уравнения сохранения массы элементов, соотношения для констант равновесия и уравнение нормировки. Для определения температурь: в агрегате с БШР представленные уравнения замыкались уравнением теплового баланса.

В данной работе применена методика учета гарнисажа и его расплавленной пленки в зависимости от физических свойств минеральной части углей и внешних тепловых условий. При использовании уравнений зонального метода, записанных для поверхностных зон, представляющих собой кессоны или экраны, покрытые пленкой стекающего шлака:

ш+п п

£ а..Т"(1- §..) - а..Т.4+2 а..Р,.(Т-Т.) - Л.^. (Т.-Т.') = 0, (1)

Ч 1 у >Г Л I Ч 4х « Г I 11 J )

1=1 ¡=1

тепловое сопротивление пленки жидкого шлака в]-той зоне является функцией температуры наружной поверхности шлака в этой зоне и теплофизических характеристик шлака.

Функциональная зависимость определяется уравнениями движения жидкого шлака под действием силы тяжести и при тепловом и динамическом воздействии двухфазного потока на поверхность пленки жидкого шлака. Эти уравнения и результаты их решения в общем виде с использованием допущений об одномерности движения и ламинарном режиме движения пленки жидкого шлака впервые получены Маршаком ЮЛ. Решение этих уравнений для толщины пленки S жидкого шлака, ее теплового сопротивления и средней скорости движения применительно к зональному методу принимает следующий вид:

5 « m . Lt°"

UUl,} Ш.1 UU.j " н*

R г-=-(Т.. T-J (-(2)

}v«,j Pjgsh" Y¡ A¡

Для оценки надежности удаления шлака необходимо также определять среднюю скорость движения шлака в жидком состоянии, которая может быть найдена по следующему уравнению:

1 m 2 g sin у. А.

ШЛ) Ь ÍJ j

' ШЛ j

vv =-- (--)«, (3)

ф (Т.-Тшл ) и2 р а0"'

Тщл * i ил/ i Г „и Г- йж

а параметр А, определялся выражением:

А. = 2(ехр(ф»(Т.г'Р«та))-1)-2фац{Т.-Т-иж)- (фш1 (Т.-Т^»2. (4)

Массовый расход шлака шшл для поверхностной зоны ] вычислялся в результате решения системы уравнений материального баланса шлака:

m -£К.ш

UWJ Ц 1Ш11

1=1

m

= 0, j = I.....n*.

(5)

Совместное решение вышеперечислен них уравнений ч исленным методом позволяло определить температуры зон трехмерной многозональной модели, а также характеристики движущейся пленки шлака - толщину и среднюю скорость движения. По полученным в результате решения системы уравнений среднезональным температурам рассчитывались различного рода

радиационные потоки и теплотехнические показатели. Сопряжение математических моделей, т.е. определение результирующего теплового потока на поверхность БШР, с одной стороны, температуры и состава газов, поступающих из БШР в надслоевое пространство, с другой стороны, проводилось методом последовательных приближений.

В третьем разделе приведены результаты расчетно-теоретических исследований, закономерностей формирования и удаления жидкого шлака в топках с ЖШУ различных конструкций. Были рассмотрены модели топочных камер БК.3-320-140 ПТ-2 и БКЗ-640-140 ПТ-2, в которых центральные грани пережимов были образованы четырьмя ширмовыми панелями, а ядро горения смещено к поду. Как показали результаты расчетно-теоретического исследования, такая конструкция позволит расширить границы диапазона зольности сжигаемых бородинских углей с 16 до 19 %.

С целью практической проверки математической модели на реконструированном котле БКЗ-Э20-140 ПТ-2 были проведены измерения падающих радиационных потоков на поверхности бокового и фронтового экранов датчиком радиационного потока типа РАПП-3. Относительная погрешность измерений плотности падающего радиационного потока при 95 %-ном доверительном интервале составляла 6-8 % для результатов, полученных в камере горения, и 13-15 % - в камере охлаждения. Установлено, что расчетные значения находятся в пределах доверительного интервала.

Показано, что вышеописанные мероприятия более эффективны для топки, отличающейся большими размерами и более высокой теплонапряженностью. Это позволит расширить диапазон сжигаемых углей с плавкостными свойствами минеральной части до 1НЛ£= 1605°С при сохранении маневренных характеристик до 60 % от номинальной тепловой нагрузки или до 1675 °С при постоянной номинальной нагрузке. Однако расчетные значения температур в ядре горения и в вышерасположенных областях топки указанного агрегата свидетельствуют о вероятности шлакования и интенсивной генерации 1ЧОк.

В четвертом разделе излагаются результаты расчетных и экспериментальных теплофизических исследований процессов переработки низкосортных углей в шлаковых расплавах.

Расчетная методика основана на моделировании нестационарного процесса нахрева угольных частиц, определении максимальных градиентов температур и дальнейшем нахождении возникающих

напряжений. Установлено, что расчетные напряжения в центре и на поверхности частиц различных размеров превышают предел прочности угля. Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных, так и полупромышленных условиях путем погружения образцов угля в высокотемпературные (I = 1350-1500°С) шлаковые расплавы. Установлено, что крупные куски бородинского угля (более 150-200 мм) при их подаче в высокотемпературный шлаковый расплав не подвергались терморазрушению из-за образования на поверхности вследствие выхода летучих пористой оболочки гарнисажа, из-за чего газификация замедлялась. При подаче на поверхность шлакового расплава самого мелкого угля его газификация протекала очень интенсивно.

Для исследования поведения мелкодисперсного угля (размерами менее 5мм) в расплавах шлака была разработана экспериментальная установка (ркс.1). Она состояла из трехосновных частей: селитовой печи специальной конструкции,

Рис.1. Принципиальная схема экспериментальной установки

1- керамический стержень; 2 - держатель; 3 - печь селитовая; 4 -программатор; 5 - усилитель; 6 - постоянный магнит; 7 - магнитная катушка; 8 - весы; 9 - дифференциальный трансформатор; 10 -усилитель; 11 - потенциометр; 12 - усилитель; 13-15 - тигли; 16 -шпильки стяжные; 17 - карбидкремнмевые нагреватели; 18 -токоподводы; 19 - термостойкий диэлектрик; 20 - огнеупор; 21 -контакт - радиатор; 22 - рабочее пространство

имеющей посадочную пластину для установки на весовую часть дериватографа С? -15000, источника питания со стабилизацией температуры и собственно весовой и измерительной части прибора, позволяющей определять изменение массы образцов угольных частиц при попадании в расплав шлака.

Установлено, что за первые 5с после попадания частиц в расплав

самые мелкие из них теряют свыше 70, а самые крупные - до 50% своей массы. Для выявления поведения угольных частиц в сходственные моменты времени была проведена обработка этих

результатов в безразмерной форме X*— т/т (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость относительной массы частиц различных размеров от времени их газификации в шлаковом расплаве при I = 1350»С.

С уменьшением размеров частиц увеличивается «прошб» кривой убыли массы и все большая доля летучих компонентов выделяется в первоначальный момент времени 0 < т < 0,05. Полученные результаты позволяют осуществлять обоснованный выбор крупности частиц загружаемого угля для его равномерного распределения по продольному сечению барботируемой ванны.

При значительном количестве мелких частиц угля необходимо перераспределение кислородсодержащего дутья в продольном направлении ванны. Для этого рекомендуется увеличить содержание кислорода в зоне загрузки на 10 - 30 % и равномерно ступенчато уменьшать его содержание на ту же величину в остальной части ванны шлакового расплава. Найдены оптимальные значения отношения площадей зоны с повышенным содержанием кислорода к общей площади ванны, а также количество ступеней в остальной части ванны, которые предопределены свойствами перерабатываемого угля и характером процесса. Данное предложение запатентовано (Пат. 2049958) и рекомендуется к использованию.

Далее рассмотрено влияние барботажа высокотемпературного шлакового расплава на процессы газификации и разделения микроэлементов, содержащихся в бородинских углях, с помощью специальной лабораторной установки. Она состояла из закрытой печи с регулятором температуры, углепитатсля, узла дутьевой фурмы, системы улавливания пыле - и брызгоуноса, системы подачи и смешения воздуха и кислорода. Для подачи дутья под

Газификация угля в шлаковом расплаве

расплав была сконструирована неохлаждаемая погружная фурма с малым внутренним диаметром и большой скоростью движения внутри фурмы газовой смеси, подаваемой под расплав. В результате интенсивного теплоотвода на поверхности дутьевой фурмы формировался гарнисаж, предохранявший погружную часть фурмы от расплавления.

Установлено, что при переработке угля в БШР содержание оксидов азота в отходящих газах изменялось в пределах от 28 до 90 мг/м3, а концентрация Б02 не превышала 10 мг/м3. В металлической фазе, состоящей в основном из железа с большим содержанием углерода, обнаружено содержание никеля и хрома. Выявлено, что возгоны содержат более 20 элементов, промышленное значение из которых имеют Се, Оа, Бе, Мо и Ъп. Установлено, что содержание германия (до 400 г/т) в полученных возгонах превышает минимально необходимую концентрацию для промышленного извлечения в 15-40, галлия (до 500 г/т) - более чем в 20, а молибдена (до 500 г/т) - в 10 раз.

Пятый раздел посвящен теплофизическим вопросам оптимизации геометрических параметров энерготехнологических агрегатов и расчетно - теоретическому исследованию теплообмена в них.

Как показали проведенные исследования, особенностью энерготехнологических агрегатов, в отличие от печей ПВ, является газификация топлива, в результате чего имеется возможность возврата части энергии в БШР из области дожигания посредством радиационного потока. Это возможно в том случае, если температура в зоне дожигания будет выше, чем в шлаковом расплаве, а факел будет обладать высокими коэффициентами поглощения. Поэтому при работе ЭТА в режиме газификации целесообразна компоновочная схема с центральным расположением камеры дожигания (рис.З.а)

] с У У 3 1

1

V

а) б) в) г)

Рис. 3. Компоновочные схемы энерготехнологических агрегатов

Эта схема обеспечивает равномерную загрузку угля, низкие

тепловые потери с водой, охлаждающей кессоны, в зоне загрузки и возврат энергии излучением из зоны дожигания в барбогируемый шлаковый расплав. При работе ЭТА в режиме переработки ЗШО целесообразно использование схемы «б», поскольку при этом появляется возможность улавливания дисперсной золы на всем пространстве от узла загрузки до выхода в аптейк. При большой запыленности газов целесообразно использование примыкающего котла утилизатора.

В случае работы ЭТА на мелкодисперсном угле с высоким содержанием летучих веществ целесообразно применение схемы «в». Схема «г>> может быть использована при комбинированной переработке углей с высокими температурами истинно жидкого состояния - в барботируемом шлаковом расплаве и в циклонной камере горения. Как показали результаты исследований тепловой работы агрегатов с жидким шлакоудалением гл.З, диаметр циклона должен быть достаточно большим для обеспечения жидкого шлакоудаления и перемешивания с горючими газами из БШР. Наличие восстановительных газов из БШР будет способствовать снижению оксидов азота в зоне горения пылеугольного топлива.

Ширина установки с БШР зависит от свойств расплава и возможностей тягодутъевых устройств и, как правило, изменяется в ограниченных пределах от 2 до 3 м. Поэтому увеличение производительности ЭТА при ограничении по брызгоуносу возможно только за счет изменения длины агрегата. Однако это влечет за собой изменение соотношения тепловых потерь конвекцией и излучением.

Анализ выражения дая суммарных тепловых потерь установок с БШР показал, что существует экстремум (минимум) этой функции, который соответствует оптимальной длине агрегата «а»:

а-=(( 2<хк( Т - Твж)У)/ (е а Г Ь))в-\ (6)

Оптимальная длина агрегата зависит от интенсивности конвективной теплоотдачи, объема шлака, удельной газовой нагрузки, температуры и теплофизических свойств шлакового расплава и перерабатываемого материала. На основе выведенных теплофизических зависимостей, известных свойств ЗШО и значений коэффициентов теплоотдачи проведены расчеты тепловых потерь для установок БШР в широком интервале изменения вышеуказанных параметров. Результаты некоторых из этих расчетов приведены на рис.4. По мере роста объема шлакогазовой эмульсии в надфурменой зоне (зависящей от объема шлака и

Тепповые потерн установки с БШР

2.4 ,.......- -----, ----г-

1 3 5 7 9 11 13 15 17 Длина, м

Рис.4. Зависимость суммарных относительных тепловых потерь через бортовые ограждения и с зеркала расплава при различных объемах БШР и при коэффициенте теплоотдачи а = 1500 Вт/(м2К)

удельной газовой нагрузки) оптимальная длина установки с БШР увеличивается. При работе ЭТА в режиме газификации в отличие от печи ПВ целесообразно иметь не только минимально возможную высоту подфурменной зоны (по условиям застывания металла), но и минимальную (по условиям брызгоуноса) высоту надфурменной зоны, в спокойном состоянии составляющую 200400 мм.

При работе ЭТА в режиме шлакогрануляции эта высота будет определяться условиями коалесценции частиц железа и должна быть значительно большей (до 1500 мм). На основе исследования массообмена в газонасыщенном барботируемом слое предложена конструкция установки с БШР переменного поперечного сечения (Пат. 2031310). Для этого продольные стены установки выше пояса фурм выполнены под углом от 5 до 40 0 в наружную сторону. Исследованиями на гидравлической модели выявлено, что увеличение указанного угла выше указанных пределов нецелесообразно по причине вибрации, а его уменьшение приводит к снижению эффективности процесса.

С использованием масштабных соотношений получено выражение, связывающее между собой производительности аналогичных агрегатов различной длины при одинаковой высоте надфурменной зоны.

а,„, М *а + Ь

^кес а

Вш.' = ВшлЧ[»--С --1)1, (7)

Ма(а+-Ь)

Установлено, что зависимость удельной производительности от длины агрегата имеет особенность, заключающуюся в том,

что, начиная с некоторой длины, резкий рост удельной производительности агрегата замедляется, и она асимптотически приближается к своему предельному значению (рис.5).

Рис. 5. Зависимость производительности установки с БШР от ее длины

1,2 - производительность установки; 3,4 - удельная производительность; 1,3,5 - воздушное дутье; 2,4,6 - дутье, обогащенное кислородом до 40 %; 5,6 - предельные значения ( - результаты, полученные с использованием зональной математической модели

Полученные уравнения позволяют решать практические задачи выбора длины агрегата. Задаваясь каким-либо конкретным значением удельной производительности, незначительно отличающейся от ее предельной величины, можно получить значение длины агрегата из следующего выражения:

(Ч^ОМа+Ъ])

а-=--___---( (8)

1-Ф 1+(ЧкгА,л)(Ь/[а+Ь])

Например, при ср = 0,90 для агрегата, работающего на воздушном дутье, длина должна быть равна а'=36,3 м, а для агрегата с использованием дутья, обогащенного кислородом до 40 %, а'=4,9 м. Ценность полученных результатов заключается в выявлении критерия, отражающего теплотехнические характеристики агрегата. Однако при отсутствии кислорода и ограниченных габаритах существующего здания этот критерий практически не может быть удовлетворен и для решения вопроса о выборе длины агрегата следует привлекать другие критерии,

вытекающие, например, из технико-экономических расчетов.

Далее рассмотрены особенности теплообмена в энерготехнологическом агрегате, состоящем из топки парового котла БКЭ-320-140ПТ-2 и установленной под ним модифицированной печи Ванкжова - установки с БШР (рис. 6) . Были рассмотрены два принципиально различных режима: режим газификации и режим переработки ЗШО. В первом режиме производится газификация топлива в БШР с последующим дожиганием образующегося горючего газа в объеме

Рис. 6. Схема энерготехнологического комплекса на базе котла БКЗ-320-140ПТ 2 (а) и расчетная сетка его зональной модели (б):

1 - топка котла; 2 - кессонированная шахта; 3- фурмы для подачи кислородсодержащего газа; 4 - барботируемый шлаковый расплав (БШР); железосодержащий расплав; 6 - футерованная подина; 7-система подачи перерабатываемого материала; В - основные горелки котла.

топки котла ЭТА с существенным уменьшением количества избыточного воздуха. Второй режим характеризуется близким к стехиометрическим условиям сжиганием топлива, подаваемого в БШР с целью переработки максимально возможного количества ЗШО, поступающих извне. Режим работы газификатора задавался расходом угля Ву, расходом дутья V. и степенью обогащения дутъя кислородом Р02. Сочетания этих параметров определяли ряд выходных величин: температуру расплава Т , количество Уш и состав образующегося газа, потери теплоты с охлаждением кессонов и связанных с ними показателей (К.П.Д. газификации т)г, термический К.П.Д. г|т, тепловое напряжение сечения ),

которые могут служить критериями качества работы агрегата. Для агрегата с БШР ограничениями, обеспечивающими его надежную и безопасную работу, являются температура расплава и газовая нагрузка сечения.

Выбор режима работы агрегата плавки в расплаве при газификации сводился к анализу системы с тремя входными воздействиями В , V , Р..,, двумя выходными величинами Т , V

у7 Д' К)17 ' Р7 п г

и ограничениями на выходные величины. Для устаноанения связей между входными и выходными параметрами использованы методы планирования эксперимента, которые были применены к математической модели. Для этого составлялась матрица планирования «эксперимента», определяющая количество «экспериментов» и сочетания входных воздействий. Затем путем расчетов на ЭВМ по математической модели определялись значения выходных параметров и критерии качества работй/ агрегата. Результаты расчетов аппроксимировались методом НК полиномами второго порядка:

3 3

+ ¡= 5 (9)

]=1 ],к=1

где у. - выходные данные (Тр,Упг, г]т, пг, яР); х - входные величины (Ву, Уд ,РШ).

По установленным зависимостям разработана/номограммы, которые дают возможность выбирать необходимый режим работы при газификации ирша-бородинского угля. Показано, что в зависимости от содержания кислорода в дутье и влажности топлива, поступающего в шлаковый расплав, может быть получен газ различной энергоценности от 0,311 (на воздушное дутье и при рабочей влажности топлива) до 10,5 МДж/м3(на кислородном дутье и 6% влажности топлива). Выявлена принципиальная возможность работы ЭТА на воздушном дутье применительно к бородинским углям, однако для повышения эффективности процессов газификации топливо необходимо подвергать сушке с последующим сбросом сушильного агента вне шлакового расплава. Установлено, что величина коэффициента полезного действия газификации также, как и состав продуктов газификации, зависит от степени обогащения дутья кислородом и при Рш = 1,0 достигает 0,8. Для оценки влияния устройства с БШР, работающего в режиме газификации, на теплообмен в вышерасположенной топочной камере ЭТА была проведена серия расчетов теплообмена с

различной степенью обогащения дутья кислородом, подаваемого в барботируемый шлаковой расплав, и постоянным удельным тепловым напряжением топочного объема.

Установлено, что суммарные потери в установке с БШР при работе на воздушном дутье, включающие в себя потери с охлаждающей кессоны водой, со шлаком и через под, равны 15,68 МВт, что составляет 6 % от общей энергии химического тепловыделения при сжигании топлива, поступающего в ЭТА. По мере обогащения дутья кислородом происходит последовательное увеличение энергоценности продуктов газификации, поступающих из БШР. Это позволяет снижать расход топлива на основные горелки. При этом дожигание смеси продуктов газификации и подаваемого топлива может быть проведено при уменьшенных коэффициентах избытка воздуха, что приводит к сокращению расхода уходящих газов из ЭТА.

Однако обогащение дутья кислородом приводит к перераспределению тепловосприятия между радиационными и конвективными поверхностями нагрева, что потребует реконструкции поверхностей нагрева. Выявлено, что этого можно избежать в случае подачи в БШР дутья, обогащенного кислородом до 24 %. Значения других показателей теплообмена: толщины гарнисажа и пленки жидкого шлака, температуры топочных газов, поверхностей нагрева и шипов в этих вариантах практически не различаются. При этом на горелочные устройства в топке необходимо подать 67 % от номинального расхода угля.

Далее рассмотрен вариант ЭТА, работающий в режиме шлакогранулятора. В результате многовариантных расчетов получена номограмма для определения режимов работы шлакогранулятора при переработке ирша-бородинских углей и ЗШО от их сжигания. Установлено, что величина удельного расхода топлива Ву/В1Ш! наиболее сильно уменьшается при относительно небольших значениях Р02= 0,25-0,27. Дальнейшее обогащение дутья кислородом слабо влияет на показатель В^В^, и он асимптотически приближается к постоянному значению (рис.7). Полученные зависимости при различной влажности топлива дают возможность выбирать экономически целесообразную степень обогащения дутья

кг^кг

4,0

3,0 2,0

««

•м

• »

♦♦VI

И

_1_

.»ц»

ми

4

0,2 0,25 0,3 0,35 р 2

Рис. 7. Зависимость удельного расхода угля (Вув^) от степени обогащения дутья кислородом при различной влажности бородинских углей: 1 -33 %; 2 -23 %; 3 -13 %; 4 -3 %

кислородом, обеспечивающую минимально возможный расход угая.

Характерной чертой распределения тепловых показателей в ЭТА является наличие результирующего радиационного потока из ядра горения на поверхность шлакового расплава, величина которого достигает 2,9 МВт, что обуславливает достаточно большую величину поглощенного шлаковым расплавом излучения (1,2 МВт). С охлаждающей водой кессонов установки с БШР теряется 6,4 МВт. Таким образом, тепловой поток из ядра горения компенсирует почти 20 % тепловых потерь с охлаждающей водой на кессонах, что позволяет осуществить переработку ЗШО с использованием необогащенного воздушного дутья. В целом, проведенный анализ показывает, что работа установки с БШР в режиме шлакогрануляции несколько ухудшает условия формирования и эвакуации жидкого шлака, снижает эффективность теплообмена в топке. Поэтому для целей переработки золошлаковых отходов применительно к условиям КГРЭС-2 был разработан специатьный энерготехнологический агрегат.

Расчеты теплообмена в надслоевом пространстве агрегата с БШР и в примыкающей к нему топки котла - утилизатора при температуре шлакового расплава 1400°С показали, что в этом случае нарушаются условия формирования жидкого шлака в верхней части соединительной шахты, что будет способствовать интенсивному шлакованию поверхностей нагрева и образованию настылей, препятствующих нормальной работе комплекса.

При повышении температуры шлакового расплава до 1500°С температуры шлакозоловых отложений на всех кессонированных поверхностях агрегата с БШР превышают I нж, что способствует образованию пленки жидкого шлака, а следовательно, улавливанию тонкодисперсной загружаемой шихты и ее стеканию в БШР. Таким образом, компоновочная схема с расположением топки когла непосредственно над установкой с БШР более предпочтительна как вследствие возврата части энергии излучением из ядра дожигания, так и за счет повышения излучательных характеристик этого ядра при подаче части твердого топлива в горелки.

Проведены детальные расчеты процессов газификации и теплообмена в БШР в широком диапазоне изменения входных и выходных параметров. Зависимости параметров ^ и Ую от входных параметров определялись вышеописанным методом «численного эксперимента». В результате вышеуказанных операций получены следующие зависимости для ^ и Упг:

11И= 1180+ 301рО2- 180уд- 130В - 24,8В,+ 802уд>о,

+ 36,1Вд + 11,6В/; (10)

Упг = 23,5-О,15рог6,33уа-6,53ВУ + 2,27ВЛ + 0,52В/. (11)

Соотношения (10) и (11) получены при изменении входных параметров в пределах: 0,3< рте < 0,5; 1,35 < V < 2,85; 2,0 < В < 7,0; 0 < Вз < 12,0.

Результаты расчета локального теплообмена в ЭТА позволили выявить основные причины неудовлетворительной тепловой работы агрегата и предложить варианты различных мероприятий, направленных на их ликвидацию, некоторые из которых обладают технической новизной (Пат. 2049959).

Аналогичный (по кругу рассмотренных вопросов) объем исследований выполнен для низкосортных донецких углей. Выявлено, что при переработке донецких углей номинальный режим агрегата на базе котла ТП-150 достигается при Ро2=0,37.Потери теплоты с охлаждением кессонов, контактирующих с шлаковым расплавом составляют 8,23 % от располагаемой теплоты топлива. Аналогичная величина для кессонов, расположенных выше шлакового расплава, равна 1,24 %. Потери теплоты с расплавленным шлаком достигали 4,8 %, а на диссоциацию известняка, необходимого для обеспечения

вязкостных характеристик шлакового расплава, - 4,4 % . Вследствие более высокой зольности донецкого угля, дополнительных тепловых затрат при использовании СаСОЗ, К.П.Д. газификации таких углей в БШР составляет всего 65%, что существенно (на 15 %) ниже, чем для бородинских углей. Кривая отношения Ву/Взшо при переработке золы от сжигания донецких углей в барботи-руемых шлаковых расплавах более полога и указанная величина наиболее сильно уменьшается при обогащении дутья кислородом - до 45 -50%.

Результаты многовариантных расчетов теплообмена в рабочем объеме ЭТА представлены в виде уравнений оптимизации и диаграмм, позволяющих осуществлять выбор рациональных режимов работы знерготехнологического агрегата, обеспечивающих максимально возможную энергоценность продуктов газификации при заданных ограничениях по газовой нагрузке поперечного сечения шлакового расплава, его температуре для различной степени обогащения дутья кислородом:

^ = 1390 - 27,8р02 - 17,6У - 79,9Ву + 178,0УрО2; (12)

V г = 0,46 - 0,87рО2 + 0,95У + 1,57Ву - 1,04УдРо2; (13)

1у= 0,43 + 0,16р02 - 0,016>/д + 0,028Ву. (14)

Математическое моделирование теплообмена в ЭТА позволило выявить основные источники неудовлетворительной тепловой работы агрегата (наклон бокового экрана, футеровка нижней части камеры горения, высокие температуры в зоне дожигания) и предложить варианты различных мероприятий, направленных на их ликвидацию. Некоторые из этих предложений обладают технической новизной (Пат.2049959, А.с.1041802, А.с. 1016627).

Шестой раздел посвящен исследованию теплофизических процессов при получении пеносиликатов и разработке на этой основе техники и технологии для переработки минеральной части низкосортных канско-ачинских углей в пеносиликат. Сущность метода получения пеносиликата состояла в восстановительной плавке золы в электропечной установке с последующим вспениванием специально подготовленного расплава в водной среде. Разработана конструкция установки для переработки ЗШО Красноярской ГРЭС-2 производительностью 10-15 т/сут. с целью получения пеносиликата на основе стационарной трехэлектродной

электрической плавильной печи периодического действия.

В работе выявлены основные теплофизические закономерности протекания процесса. Установлено, что в период подготовки шлакового расплава к последующему вспениванию в водной среде наблюдаются явления подъема частиц восстановленного железа на поверхность расплава и последующее их осаждение в местах контакта с углерод содержащей футеровкой (рис.8).

В конечной стадии процесса отмечалось вспенивание расплава, сопровождавшееся изменением теплофизических свойств шлака, давления в печи и появлением в отходящих газах мелкодисперсных частиц. Раскрыт механизм этого явления и показано влияние соотношения концентраций основных золообразуюших

Рис.8. Поверхность графитизированной футеровки (стрелками показаны капли восстановленного из золы металла

компонентов в перерабатываемой золе, величины подводимой мощности на его протекание. Многочисленными экспериментами установлено, что наиболее интенсивно этот процесс протекает при величине удельной подводимой мощности более 300 кВт/ м3 и отношении основных золообразующих компонентов 1,1<5Ю2/ СаО < 1,4. Определены временные и температурные условия проведения заключительной стадии процесса, в течение которой образуются компоненты, взаимодействующие затем с водной средой и формирующие пеносиликат.

Проведен анализ потерь теплоты с охлаждающей водой на основе экспериментальных замеров ее параметров. Выявлено, что в конечной стадии процесса особенно велики тепловые потери

через свод электропечной установки. Удельные энергозатраты до появления зеркала расплава в среднем составляли 630-700 кВт*ч/ т при общих энергозатратах 2200-2400 кВт*ч/т. Себестоимость 1м3 пеносиликата изменялась от 120 до 180 руб., причем доля электроэнергии в статьях затрат составляла от 30 до 50 %. Цена на аналогичные теплоизоляционные материалы в настоящее время колеблется в пределах 350 - 1000 руб./м3.

В результате проведенного анализа и многочисленных экспериментов на опытно-промышленной установке был предложен способ переработки ЗШО в пеносиликат, в результате чего энергозатраты на получение 1 тонны расплава (зарегистрированные штатными контрольными приборами) в разработанном способе оказались более чем в 2 раза ниже, чем при обычном режиме.

Для повышения эффективности технологии получения пеносиликата были проведены исследования возможности попутного извлечения промышленно-ценных элементов, а также проведена оценка экологических характеристик указанной технологии. Определены концентрации микрокомпонентов в исходной летучей золе, образующейся от сжигания бородинских углей в топках КТЦ №2 КГРЭС-2. Отбор осуществлялся периодически в течение года, а их анализ проводили на приборах ИСП-28 и ДФС-8 методом просыпки.

Установлено, что постоянно присутствуют в исходной золе при стабильной концентрации такие элементы как Ga, Pb, Со, Си , в то время как содержание Ni, Сг, V существенно изменяется. Из промышленно-ценных элементов в бородинских золах постоянно присутствует галлий, конципрация которого достигает 10-15 г/т.

Проведен анализ перераспределения микрокомпонентов в процессе производства пеносиликатов на КГРЭС-2. Анализ проб металлической фазы показал, что получаемый попутно металл на основе железа обогащался Си, Ni, Cr, V. Отмечалось наличие Ga и Ge, что свидетельствовало о переходе этих элементов во флотируемые частицы железа, оседающие затем в донную фазу. В результате анализа полученных возгонов установлено, что при переработке бородинских углей и их золошлаковых отходов целесообразно попутное получение галлия. Однако для повышения эффективности процесса необходимо проведение мероприятий по снижению пылевыноса из электропечной установки.

Для извлечения ПЦЭ разработана конструкция зернистого фильтра из получаемых пеносиликатов. По сравнению с

традиционными фильтрами он обладает способностью работать при высоких (вплоть до 1000°С) температурах, малым гидравлическим сопротивлением, невысокой стоимостью, простотой изготовления и утилизации. В этом фильтре осуществляли отбор возгонов, выделяющихся из расплава при его барботаже. Концентрация Ga в них достигала 120 - 180 г/т, что в 6 - 9 раз превышает минимально необходимый уровень для последующего извлечения галлия, но несколько ниже величин, полученных в лабораторных условиях. Выявлены причины снижения эффективности извлечения промышленно-ценного компонента по сравнению с лабораторными результатами и разработаны мероприятия по повышению степени его извлечения.

Далее приведено описание опыгно-промышленного комплекса и результаты освоения технологии переработке ЗШО на Сосновоборском литейном заводе на базе серийной дуговой электрической печи ДСП-12Н2. Установлено, что увеличение размеров печи оказывает негативное влияние на качество получаемого продукта и надежность работы печи. Выявлены причины и разработаны рекомендации по изменению конфигурации печного пространства. Проведены исследования токораспредеяений на лабораторной экспериментальной установке, представляющей собой электролитическую ванну.

Полз'ченные результаты легли в основу разработанной конструкции поворотной одноэлектродной пилотной электропечной установки производительностью до 10 м3/сут., созданной на Красноярском опытно-ремонтном механическом заводе. Работа печи осуществлялась на постоянном токе. Электрод служил анодом, а углеродистая футеровка тигля - катодом. Особенностью работы этой печи являлась то, что она сопровождалась интенсивным барботажем шлакового расплава в приэлектродной зоне выделяющимися при электролизе газами. Значение максимальной мощности в конечной стадии процесса достигало 100 кВт, а удельной объемной мощности - qv= 2250 кВг/м3-

Установлено, что указанная печь выгодно отличается тем, что уменьшаются потери излучением с зеркала расплава, усиливается конвективный теплообмен как за счет увеличения высоты расплава, так и за счет вышеупомянутого барботажа. Последнее особенно важно для повышения эффективности извлечения галлия. Удельные энергозатраты составили 1,6-1,9 кВт*ч/кг. Выявлены оптимальные размеры указанных установок.

Проведенные исследования позволили сформулировать

основные требования к технике и технологии для получения пеносиликатов из минеральной части низкосортных углей, основными из которых являются требования поддержания равномерного поля высоких (вплоть до 1700"С) температур по всему объему перерабатываемого материала и рекомендуемых соотношений основных золообразующих компонентов в исходной золе.

Футеровка электропечных установок должна выполняться из углеродистых материалов, а в нижней части ванны, в месте постоянного контакта восстанавливаемого из минеральной части углей железа с бортовой футеровкой необходима установка закладных кессонов, выполняемых из массивных медных труб. Получаемый пеносиликат должен быть немедленно удален сразу после своего формирования в водной среде (рис.9). Для повышения эффективности процесса

Рис.9. Конечная стадия получения пеносиликата. Показан конвейер и процесс формирования пеносиликата

переработки летучей золы целесообразно попутное извлечение возгонов Са для чего необходимо осуществлять как можно более тщательный отбор золы для плавления, включая самую мелкую фракцию, а в процессе плавки регулировать тепловую нагрузку печи, не допуская большого пылевыноса золы, который снижает концентрацию галлия в уловленных продуктах. Отходящие газы в обязательном порядке должны дожигаться и подвергаться очистке.

Дальнейшее совершенствование технологии автор связывает с комбинированием установок с барботируемым шлаковым расплавом и электродных печей и переходом от периодического процесса к непрерывному. Это позволит снизить энергозатраты

на получение пеносиликата и повысить экономическую эффективность его производства. В связи с этим рекомендована совместная переработка углей и ЗШО в агрегатах с ВШР (А.с. 1828206) и печь непрерывного действия специальной конструкции.

В седьмом разделе содержатся описания разработанных технических решений, на которые получены патенты и авторские свидетельства, приводятся общие сведения о внедрениях и экономической эффективности научных разработок, а также рекомендации по использованию пеносиликатов и гранулированных шлаков. Пеносиликат имеет низкие коэффициенты теплопроводности (от 0,05 до 0,1 Вт/(мК)) и успешно используется для теплоизоляции зданий, как в составе стеновых панелей, так и в составе кирпичей и просто засыпок. На КГРЭС-2 пеносиликатом утеплена крыша котельно-турбинного цеха.

Анализ особенностей строения получаемого пеносиликата, а также условий его формирования позволил предложить его использование в технике защиты окружающей среды. Приведены результаты лабораторных и промышленных испытаний очистки газовоздушной смеси от сероводорода (ПО Химволокно,г. Красноярск) и исследований по снижению содержания оксидов азота в топочных газах котла ПК-10Ш ст. № 7 Красноярской ТЭЦ-1.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны тепл©физические основы процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, с использованием горючей и минеральной части топлив, включающие в себя:

* выбор и обоснование типов углей, пригодных для комплексной переработки в БШР;

* установленные закономерности газификации бурых бородинских углей в шлаковых расплавах;

* разработанные методики выбора и результаты определения оптимальных размеров энерготехнологических агрегатов, реализующих указанные процессы переработки углей в БШР, их режимных параметров и компоновочных схем;

* предложенный критерий теплотехнической оценки агрегатов с БШР различных размеров;

* выявленные теплофизические закономерности получения

пеносиликатов из минеральной части низкосортных углей;

* данные о распределении компонентов указанных углей при их переработке в высокотемпературных барботируемых шлаковых расплавах;

* предложенное совмещение процессов переработки в ЭТА низкосортных углей с последующим получением из образующегося шлакового расплава пеносиликата в электропечных установках специальных конструкций, работающих в непрерывном режиме.

2. Впервые на основе теплофизических исследований разработаны и внедрены в промышленных условиях теплотехническое оборудование и технологии комплексной переработки золошлаковых отходов. Это позволило получить пеносиликат, легированный металл на основе железа и возгоны, богатые галлием, уменьшить затраты на транспортировку и хранение золы, а также сократить воздействие золошлаковых отвалов на окружающую среду. Установлены основные технико-экономические и экологические показатели процесса.

3. Усовершенствована зональная трехмерная модель теплообмена в теплотехнологических установках с жидким удалением шлака за счет учета закономерностей движения шлака по футерованным поверхностям нагрева, газификации топлива, диссоциации флюсов и восстановления железа в расплаве.

4. С помощью многозонных моделей теплообмена выявлено, что:

* энерготехнологические агрегаты на основе топочных камер ЖШУ, с расположенными под ними установками БШР, позволяют проводить комплексную переработку бородинских углей, без применения обогащенного кислородом дутья;

* повышению эффективности работы ЭТА способствует предварительная сушка угля, а также радиационный поток, падающий из ядра горения топочной камеры на поверхность шлакового расплава, который компенсирует до 20 % тепловых потерь в установке БШР;

* полученные модели пригодны для управления ЭТА в стационарных режимах, а разработанные номограммы позволяют осуществлять обоснованный выбор режимов тепловой работы указанных агрегатов;

* использование примыкающего котла-утилизатора к установке БШР б энерготехнологическом комплексе по переработке золошлаковых отходов (ЭТКПЗ) ухудшает условия тепловой работы установки. Это сокращает долю радиационного потока из ядра дожигания продуктов газификации на поверхность шлака и

ухудшает условия формирования и удаления жидкого шлака на поверхностях, расположенных в верхней части шахты, соединяющей установку БШР и топку котла-утилизатора;

* организация всестороннего пережима и увеличение размеров камер горения топок с ЖШУ улучшает условия формирования и удаления жидкого шлака. Однако, непрерывное ухудшение качества углей, поставляемых для сжигания, ограничивает область возможного использования данного технического предложения.

5. Определены области применения получаемых продуктов, проведены испытания их потребительских свойств и получены акты испытаний, подтверждающие возможность их промышленного потребления.

6. Техническая новизна полученных результатов подтверждена 15-ю патентами и авторскими свидетельствами.

7. Реализация разработанной техники и технологии переработки летучей золы на Красноярской ГРЭС-2 обеспечила утилизацию золошлаковых отходов с получением пеносиликата и металлов с общим экономическим эффектом (в ценах 1998 г.) в 2 282 тыс. руб./год. Технология прошла опробование на Сосновоборском литейном заводе, обеспечила достижение положительных результатов и внедрена в производство. Ожидаемый экономический эффект составляет 8 182 тыс. руб./год. (в ценах 1998 г.). Переработка золошлаковых отходов от сжигания углей с попутным извлечением галлия и германия на Абаканском сталелитейном заводе обеспечит общий экономический эффект в 4 050 тыс. руб./год. Доля автора в разработке и внедрении техники и технологии переработки летучей золы составляет более 1000 тыс. руб./год {в ценах 1998 г.).

Основные публикации автора по теме диссертащш:

1. Исследование лучистого теплообмена в топке котла при вводе дымовых газов в ядро горения/ А.В. Прошкин, М.Я. Процайло, Ю.А. Журавлев, В.В. Мечев// Электр, станции. - 1983. -№2.- С. 11-14.

2. Исследование особенностей теплообмена в топке котла БКЗ-210-140 Ф при сжигании березовского угля/ А.В. Прошкин, Ю.А. Журавлев, М.Я. Процайло // Промышленная теплотехника. - Киев: Наукова думка, 1985.- № 3.- С. 97 -102.

3. Совершенствование теплообмена в топке котла БКЭ-320-140 ПТ/ А.В Прошкин, И.А. Максимов, В.М. Иванников и др. -Теплообмен в парогенераторах// Тез. докл. Всес. конф. -

Новосибирск: Изд. ИТФ АН СССР, 1988.- С.31-32.

4. Перспективы применения эмульсионных процессов для энерготехнологической переработки канско-ачинских углей/ A.B. Прошкин, В.В.Мечев, В.М. Иванников и др.// В кн.: Теплообмен в парогенераторах: Тез. докл. II Всес. научн.-технич. конф. -Новосибирск, 1990. - С. 33-34.

5. Влияние размеров топочной камеры с жидким шлакоудалением на условия формирования шлакового покрытия/

A.B. Прошкин, В.А. Федоров, Ю.А. Журавлев, И.А. Максимов// Теплообмен в парогенераторах: Тез. докл. II Всес. конф. -Новосибирск: Изд. ИТФ СО АН СССР, 1990.- С.160-161.

6. Результаты математического моделирования теплообмена в энерготехнологическом агрегате с барботируемым шлаковым расплавом/ A.B. Прошкин, В.А. Федоров, В.В. Мечев//Там же. - С. 207 - 208.

7. Новая технология комплексной переработки твердых горючих ископаемых/АВ. Прошкин, В.В. Мечев идр.// В кн.: Комплексное освоение техногенных месторождений: Тез. докл. Всес. научн,-практич. конф. - Челябинск, 1990. - С. 28 - 29.

8. Низкоуглеродистое сырье - ресурс теплоэнергетики цветной и черной подотраслей металлургии СССР/ В.В. Иванов, В.В. Мечев,

B.Н. Демихов, A.B. Прошкин и др.//Цветные металлы. - 1991. - № 10. - С. 10-11.

9. Перспективы использования установок с барботируемым шлаковым расплавом при переработке канско-ачинских углей / В.В. Мечев, A.B. Прошкин, В.А. Федоров и др.// Сибирский физико-технический журнал. - 1991. - Вып. 5. - С. 10 - 13.

10.Математическая модель теплообмена в энерготехнологическом агрегате для переработки твердого топлива в расплаве шлака/A.B. Прошкин, В.А. Федоров, В.В. Мечев и др.// Теория и практика комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании органических топлив в энергетике и промышленности: Тез. докл. VII Всес. конф. по радиационному теплообмену. - Ташкент: Изд. Кампании промышл. предприятий АИР, 1991.- С. 120-121.

11. Об огневом моделировании топок с жидким шлакоудалением/ В.А. Федоров, A.B. Прошкин, Ю.А. Журавлев и др./ Сибирский физико-техн. журнал. - 1991.- №5. - С. 4-7.

12. Гидродинамика барботируемой ванны в продольном сечении плавильной печи/В.В. Иванов, В.Н. Демихов, A.B. Прошкин и др.// Изв. вузов. Цв. металлургия. - 1993. - № 4. - С. 4-7.

13. Прошкин A.B. Исследование поведения угля в шлаковых

расплавах. - В кн.: Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды.// Междунар. научн.-техн. конф. « Экотехнология». - Иркутск, 1996. - С. 219 -220.

14. Прошкин A.B. Влияние длины печи Ванюкова на ее удельную производительность// В кн.: Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века: Сб. научн. трудов. -Магнитогорск: МГМА, 1996. - Т.4. - С. 160 - 166.

15. Прошкин A.B., Павлов В.Ф. Освоение процесса пирометаллургической утилизации золошлаковых отходов от сжигания углей// Актуальные проблемы ресурсосбережения при добыче и переработке полезных ископаемых: Сб. трудов Международной научн.-практ. конф. - Красноярск, 1996 .- С. 3741.

16. Proshkin А.V., Pavlov V.F. Reprocessing of Brick Aluminium Cell Lining in a Heat Insulation Material. In Siberian Aluminium-96: Proceedings of the technical sessions/ Editor Р.У. Polyakov.- Krasnoyarsk State University, 1997. - P. 257 - 261.

17. Прошкин A.B. Комплексная пирометаллургическая утилизация золы// В кн.: Экологические проблемы промышленных зон Урала: Сб. научн. трудов.- Магнитогорск: МГМА, 1998.- С. 25-31.

18. Прошкин A.B., Павлов В.Ф. Переработка кирпичной футеровки электролизеров в теплоизоляционный материал// В кн.: Алюминий Сибири -96: Труды международного научного семинара,- Красноярск: КГУ, 1997.- С. 97 - 102.

19. Прошкин A.B., Журавлев Ю.А. Теплообмен в энерготехнологических агрегатах. Препринт. - Красноярск: СКТБ Наука СО РАН, 1997. - 66 с.

20. Прошкин A.B. Освоение процесса пирометаллургической утилизации золы// В кн.: Экологические проблемы промышленных зон Урала: Сб. научн. трудов,- Магнитогорск: МГМА, 1998,- С. 32 -38.

21. Прошкин AB., Джиоева H.H. Теплофизические особенности технологии пирометаллургической переработки летучей золы// В кн.: Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья// Междунар. научн.-техн. конф. - Иркутск, 1998. - С. 104.

22. Прошкин A.B. Комбинированная технология переработки золошлаковых отходов// В кн.: Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья// Междунар. научн.-техн. конф. - Иркутск, 1998. - С. 103.

23. Основы технологии получения теплоизоляционных материалов из зол энергетических углей / В.Ф. Павлов, А.М. Погодаев, A.B. Прошкин, В.Ф. Шабанов. Препринт КНЦ СО РАН - Красноярск, 1998. - 25 с.

24. A.c. 954700 СССР, МКИ5 F23 С 7/02. Способ сжигания высокореакционной сильношлакующей угольной пыли/ Процайло М.Я., Прошкин A.B., Журавлев Ю.А., Лобов Г.В., Мечев В.В./ / № 2913923. Заявл. 22.04.80; Опубл. 30.08.82, Бюлл. № 32.

25. Ас. 974042 СССР. Экранированная призматическая топочная камера/Журавлев Ю.А., Процайло М.Я, Прошкин A.B. и др.// № 3278392. Заявл. 6.03.81; Опубл. 15.11.82, Бюлл. № 42.

26. A.c. 987299 СССР. Вертикальная пылеугольная топка с жидким шлакоудалением / Процайло М.Я., Прошкин A.B., Журавлев Ю.А. идр.//№ 3336447 Заявл. 15.09.82; Опубл. 07.01.83, Бюлл. № 1.

27. A.c. 1041802 СССР. Топка/ Процайло М.Я., Журавлев IO.A, Прошкин A.B. и др.// № 3289033 Заявл. 8.05.81; Опубл. 15.09.83, Бюлл. № 34.

28. Ас. 1016627 СССР, МКИ5 F23 С 11/00. Топка для сжигания природного газа/ Журавлев Ю.А., Прошкин A.B., Процайло М.Я. и др.// № 3366350. Заявл. 15.09.81; Опубл. 07.05.83, Бюлл. № 17.

29. A.c. 1828206 СССР, МКИЗ F23 С 11/00. Способ сжигания твердого топлива/ Мечев В.В., Прошкин A.B., Иванов В.В.// № 4407271 Заявл. 11.04.88; не публикуется.

30. A.c. 1816926 СССР, МКИ5 F23 С 11/00. Способ сжигания высокосернистых углей/ Мечев В.В., Прошкин A.B., Иванов В.В. Федоров В.А.// № 4861606. Заявл. 1.06.90; Опубл. 23.05.93, Бюлл. №19.

31. Пат. 2049958 Россия, МКИ6 F23 С 11/00. Способ сжигания твердого топлива/ Иванов В.В., Ледяев B.C., Дьяков А.Ф., Прошкин A.B. и др.// № 5042054/06; Заявл. 14.05.92; Опубл. 10.12.95, Бюлл. № 34.

32. Пат. 2049959 Россия, МКИ6 F 23 С 11/00. Способ сжигания твердого топлива/ Иванов В.В., Ледяев B.C., Дьяков А.Ф., Прошкин A.B. и др.//№ 5042063/06. Заявл. 14.05.92; Опубл. 10.12.95, Бюлл. № 34

33. Пат. 2031310, Россия, МКИ6 F 23 С 11/00, F 23 G 1/08. Топка для сжигания твердого топлива в расплаве/ Иванов В.В., Демихов В.Н., Иванников В.М., Мечев В.В., Молодецкий В.Н., Бороденко A.B., Прошкин A.B., и др.// № 4936617/06; Заявл. 16.05.91. Опубл. 20.03.95, Бюл. № 8.

34. Фурма для загрузки твердого топлива в расплав. Пол. решение

по заявке № 50009610/ Иванов В.В., Демихов В.Н., Прошкин А.В. и др.

35. Пат. 2101244 Россия, МКИ6 С 04 В 7/153, 7/28. Вяжущее/ Т.Я. Гальперина, Л.В. Потетенко, В.В. Скородумов, А.В. Прошкин и др., № 94017677/03. Заяви. 11.05.94; Опубл. 10.01.98, Бюлл. № 1.

Основные обозначения

БШР - барботируемый шлаковый расплав; ЭТА -энерготехнологический агрегат; ЭТКПЗ - энерготехнологический агрегат для переработки золошлаковых отходов; 8.. - символ Кронекера; а - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/ (м2*К); Р - площадь, м2; В - расход, кг/с; И - тепловое сопротивление, (м2*К)/ Вт; - скорость, м/с; qv - тепловые напряжения поверхности, Вт/м2, и объема топки, Вт/м3, соответственно; 5 - толщина, м; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К); к. - коэффициенты относительного перетока шлака из зоны в зону.]", ф- характеристика шлака; т - массовый расход, кг/с; ц - вязкость, Па*с; р - плотность, кг/ м3; а - ширина .¡-той зоны, м; у - угол наклона поверхности к горизонту, рад; т - текущее время; т^- время, по истечении которого прекращается процесс; g - ускорение силы тяжести, м/ с2 ; Тр - температура шлакового расплава, К; Т^ - температура истинно жидкого состояния шлакового расплава, К; V - объем, м3; е- степень черноты шлакового расплава; ф = Ршл/Рци "акс -относительная удельная производительность агрегата.^постоянная Стефана - Больцмана, Вт/(м2К4); Ь - ширина агрегата с БШР,м.

Индексы:

шл - шлак; у - уголь; к - конвективный; кес - кессон; н.ж. -нормальное жидкое шлакоудаление; д - дутье; р - расплав; пг -продукты горения

Подписано к печати 5 августа 1998 г. Объем 2 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ТОО «РИО-Пресс» Заказ № 197

V с

р.№ $Ч9С/С£

' — / ; /// х' Ь "...... X

КРАСНОЯРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И ЗОЛОТА

] На правах рукописи

А

.9

4т>1

- --------------------------наук

ПРОЩКИН АЛЕКСАНДРРВЩдарНРОВ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ В БАРБОТИРУЕМЫХ ШЛАКОВЫХ

РАСПЛАВАХ

(Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Журавлев Ю.А.

Красноярск, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............................................................................6

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................8

1 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ МАЛООТХОДНЫХ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ......................................................................................12

1.1. Практика энергетической переработки низкосортных углей..................12

1.2. Современные теплотехнологии комплексной переработки углей и отходов от их сжигания в топках энергоблоков....................................................22

1.3. Методы моделирования теплообмена в энерготехнологических агрегатах и топках котлов с жидким шлакоудалением..........................................................45

1.4. Постановка задач исследования...................................................................52

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ И ТОПКАХ С ЖИДКИМ ШЛАКОУДАЛЕНИЕМ.....................................................................55

2.1. Разработка математической модели тепломассообмена в шлаковых расплавах энерготехнологических агрегатов.........................................................55

2.2. Разработка математической модели теплообмена в газовом пространстве энерготехнологических агрегатов...........................................................................58

2.3. Обобщенная математическая модель тепломассообмена в энерготехнологических агрегатах...........................................................................63

2.4. Уточнение методики огневого моделирования теплотехнологических устройств с жидким шлакоудалением..................................................................65

2.5. Выводы............................................................................................................75

3. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ В ШЛАКОВЫХ РАСПЛАВАХ.................................................................77

3.1. Особенности поведения углей в высокотемпературных шлаковых расплавах....................................................................................................................77

3.2. Экспериментальное исследование процессов переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах.....................................................97

3.3. Выводы..........................................................................................................101

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ И УДАЛЕНИЯ ЖИДКОГО ШЛАКА В ТОПОЧНЫХ КАМЕРАХ............................................103

4.1. Исследование теплообмена в топке котла БКЗ-320-140 ПТ-2 при различных вариантах реконструкции...................................................................103

4.1.1. Краткое описание объектов исследования и их зональных моделей

...............................................................................................................................103

4.1.2. Анализ теплообмена в топке котла БКЗ-320-140 ПТ-2 до и после предлагаемой реконструкции............................................................................105

4.1.3. Влияние уменьшения высоты расположения пережима на показатели теплообмена и условия формирования шлакового покрытия... 114

4.1.4. Экспериментальное исследование теплообмена в реконструированной топке котла БКЗ-320-140 ПТ-2.....................................115

4.2. Расчетно-теоретическое исследование теплообмена в топках котлов БКЗ-640-140 ПТ-1 при сжигании холбольджинских углей................................117

4.2.1. Краткое описание исходных данных, объектов исследования и

применяемых зональных моделей.....................................................................117

4.2.2. Сравнительный анализ теплообмена в топках с двугранным и восьмигранным пережимами.............................................................................118

4.2.3. Оценка предельных значений температур истинно жидкого состояния минеральной части низкосортных углей, пригодных для сжигания в топках с ЖШУ..................................................................................................125

4.3. Выводы..........................................................................................................129

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ С БАРБОТИРУЕМЫМ ШЛАКОВЫМ РАСПЛАВОМ..............131

5.1. Анализ тепловой работы энерготехнологического агрегата (ЭТА) на базе котла БКЗ -320 - 140 ПТ-1..............................................................................131

5.1.1. Энерготехнологический агрегат и зональная модель

теплообмена в его рабочем пространстве........................................................131

5.1.2. Исследование работы энерготехнологического агрегата в режиме шлакогранулятора...............................................................................................135

5.1.3. Анализ работы ЭТА в режиме газификации......................................145

5.2. Расчетно-теоретическое исследование теплообмена в энерготехнологическом комплексе для переработки золошлаковых отходов (ЭТКПЗ)....................................................................................................................163

5.2.1. Краткое описание объекта исследования и исходные данные для

моделирования.....................................................................................................163

5.2.2. Результаты моделирования процессов в барботируемом шлаке.... 165

5.2.4. Исследования теплообмена в надслоевом пространстве ЭТКПЗ.... 168

5.3. Моделирование и анализ теплообмена в ЭТА при переработке низкосортных донецких углей...............................................................................173

5.3.1. Исследование возможности работы энерготехнологического агрегата

в режиме газификации........................................................................................173

5.3.2.Анализ теплообмена в энерготехнологическом агрегате

на базе котла ТП-150..........................................................................................176

5.4. Теплофизическое обоснование размеров, конфигурации энерготехнологических агрегатов для комплексной переработки низкосортных углей.........................................................................................................................189

5.4.1. Выбор рациональных компоновочных схем

энерготехнологических агрегатов.....................................................................189

5.4.2. Оптимизация установки с барботируемым шлаковым расплавом.. 191

5.5. Выводы..........................................................................................................201

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ........204

6.1. Аппаратурное оформление процесса.........................................................206

6.2. Освоение процесса получения пеносиликатов.........................................211

6.4. Совершенствование электропечных установок для реализации технологии получения пеносиликатов..................................................................222

6.4. Исследование возможностей попутного извлечения промышленно-ценных компонентов...............................................................................................234

6.5. Основные требования к технике и технологии получения пеносиликатов из минеральных компонентов низкосортных углей............................................242

6.6. Технико-экономическая оценка производства пеносиликатов..............243

6.7. Экологические аспекты процессов производства пеносиликатов.........245

6.8. Выводы..........................................................................................................247

7. РАЗРАБОТКА ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НИЗКОСОРТНЫХ ТОПЛИВ...................................................249

7.1. Технические решения, направленные на совершенствование техники и технологии энергетической переработки низкосортных углей........................249

7.2. Разработка технических предложений по использованию продуктов переработки золошлаковых отходов....................................................................259

7.3. Выводы..........................................................................................................263

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................265

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................271

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................295

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а.. - коэффициенты радиационного обмена между зонами { иВт/К ;

о

I, Т - температура, С и К; 5 - символ Кронекера;

з

V - объем, м ;

з

с - теплоемкость, Дж/(кг*К) или Дж/(м *К);

2

а - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м *К);

2

Р - площадь, м ;

%. - доля топлива, сгоревшего в }-тоя зоне;

В - расход топлива, кг/с; р

- низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг;

2

Я - тепловое сопротивление, (м *К) /Вт;

М - масштаб;

лу - скорость потока, м/с;

ё - диаметр частицы, м;

х - время пребывания частицы в топке, с;

\|/ - коэффициент эффективности экранов;

8 - степень черноты;

, 2 3 - тепловые напряжения поверхности, Вт/м , и объема топки, Вт/м , соот-

г v

ветственно; 5 - толщина, м;

X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К); ф - характеристика шлака; т - массовый расход, кг/с; ¡л - вязкость, Па*с;

з

р - плотность, кг/м ;

II. - ширина ]-той зоны, м;

у - угол наклона поверхности к горизонту, рад;

2

g - ускорение силы тяжести, м/с ;

Ус ср - средняя теплоемкость продуктов сгорания на 1 кг топлива, Вт/(кг*К);

2 4

ао - коэффициент излучения а.ч.т., Вт/(м *К ); ад - степень черноты шлакозоловых отложений;

т - относительная молекулярная масса;

з

V - молярный объем, м /моль;

3

V - расход газообразного компонента, м /с; г - объемная доля компонентов;

р - относительное парциальное давление.

Индексы

шл - шлак; у - уголь; к - компонент; кес - кессон; т - топка; ф - факел; м - модель; л - лучистый;

н.ж. - нормальное жидкое шлакоудаление; д - дутье;

пг - продукты горения (газификации); в - вода;

п - поверхность; н - натурный агрегат; а - адиабатическая; г - гарнисаж.

ВВЕДЕНИЕ

Задача устойчивого энергоснабжения народного хозяйства страны вызывает необходимость проведения энергосберегающей политики и повышения эффективности производства электрической и тепловой энергии. Доминирующая роль в производстве электроэнергии принадлежит теплоэнергетике на органическом топливе. Из всех видов органического топлива уголь занимает лидирующее положение, как из-за колоссальных запасов, так и рентабельности его добычи и использования, в частности низкосортного угля, добываемого открытым способом. Однако работа теплоэнергетического оборудования на пыле-угольном топливе (особенно ухудшенного качества) сопровождается образованием значительного количества золошлаковых отходов (ЗШО). Эти отходы вызывают затраты на транспортировку и безопасное хранение. Вторичное использование, особенно летучей золы, в различных отраслях народного хозяйства ограничено следующими основными причинами: высокой химической активностью, наличием несгоревшего углерода, нестабильностью состава. Наконец, одной из наиболее веских причин, обуславливающих малый объем использования ЗШО, является низкая экономическая эффективность предлагаемых методов утилизации.

С другой стороны, золошлаковые отходы содержат черные и цветные металлы, ряд других промышленно-ценных элементов и являются колоссальным источником минерального сырья. В связи с распадом СССР добыча или переработка редкометальных концентратов ряда важнейших элементов остались за пределами России. Их дефицит может нанести существенный урон промышленности и оборонной мощи. С учетом сложности освоения новых крупных и богатых месторождений считается, что в ближайшие 15-25 лет наиболее целесообразно освоение техногенных источников.

В частности, в последние годы все большее значение приобретает использование минеральной части углей для извлечения германия и галлия /39/, так как из-за устаревшего оборудования на коксохимических заводах, сокращения

объемов производимого кокса снизился и объем попутно извлекаемых металлов. Однако прямое извлечение этих металлов и использование силикатной составляющей не всегда возможно по соображениям экономического и экологического характера.

Выходом из создавшейся ситуации является поиск новых технологий переработки низкосортных углей. В основу таких технологий должен быть положен принцип комплексного использования углей при максимально возможной экономической эффективности.

Одним из перспективных направлений энергетического использования низкосортных углей является их переработка в высокотемпературных барботи-руемых шлаковых расплавах (БШР). Технологии, использующие БШР, нашли широкое использование в металлургии (процессы Ванюкова), где и доказали свою эффективность. Впервые о возможности сжигания углей в БШР было упомянуто в совместной работе A.B. Ванюкова и В.В. Мечева еще в 1987 г.

Последующие опытные сжигания низкосортных донецких углей на модифицированной малогабаритной печи Ванюкова Рязанского опытно-экспериментального завода (в которых принимал участие и автор данной работы) подтвердили принципиальную возможность переработки углей в высокотемпературных шлаковых расплавах.

Однако теплофизические особенности процессов переработки низкосортных углей в БШР до настоящего времени не исследованы. Нет обоснованных рекомендаций по выбору наиболее рациональные конструкций и тепловых режимов работы энерготехнологических агрегатов, реализующих данную технологию. Это затрудняет распространение данной технологии на другие угли, в частности, на канско-ачинские угли, являющиеся наиболее перспективным видом топлива для теплоэнергетики России.

Объектами исследования данной работы являются энерготехнологические агрегаты, топочные камеры, металлургические плавильные печи и процессы, протекающие в шлаковых расплавах. Разработка и создание энерготехнологических комплексов, изыскание их рациональных режимных и конструктивных

параметров являются трудоемкими и дорогостоящими мероприятиями, поэтому наиболее целесообразным средством решения этих задач являются методы математического и физического моделирования. Основным методом исследования послужил зональный метод расчета процессов теплообмена, большой вклад в развитие которого внесли Ю.А. Суринов, X. Хоттель, В.Н. Адрианов, С.П. Детков, A.C. Невский, А.Э. Клекль, В.Г. Лисиенко, Ю.А. Журавлев, Э.С. Кара-сина, Мастрюков Б.С. и др. Этот метод позволяет учесть при расчетах геометрию топочных камер, структуру выгорания и аэродинамических течений, неоднородность радиационных характеристик топочного объема и поверхностей нагрева, т.е наиболее значимые факторы при создании нового теплотехнологиче-ского оборудования. Однако использование указанных методов применительно к новым энерготехнологическим агрегатам потребовало их совершенствования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке теплофизических основ процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, включая минеральную и органическую части.

Предметом защиты являются следующие основные положения диссертационной работы, включающие результаты научных исследований, практические рекомендации и технические разработки:

1. Теплофизические основы процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, включающие в себя:

♦ методики и результаты исследований поведения бурых углей и составляющих их компонентов в высокотемпературных шлаковых расплавах;

♦ методы и результаты теплофизического обоснования оптимальных размеров установок с БШР, компоновочных схем и способов работы энерготехнологических агрегатов (ЭТА);

♦ результаты математического моделирования теплообмена в ЭТА и выявленные закономерности изменения основных показателей тепловой работы в зависимости от режимных параметров и свойств углей;

♦ результаты теплофизических исследований и промышленного освоения техники и технологии переработки минеральных компонентов бурых углей в

новейший материал - пеносиликат;

♦ новые способы малоотходного производства электрической и тепловой энергии и конструкции энерготехнологических агрегатов для их реализации;

♦ результаты исследований потребительских свойств продуктов, получаемых из углей и определение областей их эффективного применения.

2. Трехмерная многозонная математическая модель теплообмена в энерготехнологических агрегатах и топках с ЖШУ, учитывающая течение жидкого шлака и газификацию низкосортного топлива.

3. Результаты расчетных и экспериментальных исследований теплообмена в топках паровых котлов с ЖШУ, выявленные закономерности процессов формирования и удаления шлака в топочных камерах различных размеров.

4. Методика расчета основных режимных параметров огневых моделей топок с жидким шлакоудалением.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 236 наименований, принятых обозначений и приложений. Основное содержание работы изложено на 301 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц и 136 рисунков.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Мечеву В.В. за консультации и поддержку в работе.

1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ МАЛООТХОДНЫХ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ

НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ

1.1. Практика энергетической переработки низкосортных углей

Новая энергохозяйственная и энергополитическая ситуация предъявляет к отечественной теплоэнергетике, являющейся основой производства промышленной и сельскохозяйственной продукции, се�