Проектирование системы управления процессом сжигания органоводоугольных композиций в котельном агрегате

В последние годы уголь занимает одну из лидирующих позиций в
мировом энергетическом балансе. Сохраняющиеся на сегодняшний день
значительные запасы и доступность угля во многих регионах мира
способствовали увеличению добычи твердого топлива. Большая часть
добываемого объёма угля обогащается. К примеру, в мире в среднем
обогащается 70–90% добываемого угля, в Австралии и ЮАР обогащается весь
добываемый уголь, а в Кузбассе – более половины. В результате переработки
угля образуются отходы углеобогащения (фильтр-кеки). Ежегодно в
угледобывающих регионах формируются миллионы тонн фильтр-кеков [1–7].
Например, углеперерабатывающие предприятия Кузбасса ежегодно
производят свыше 2 млрд. тонн таких отходов. Как правило, отходы
углеобогащения складируются в бункерах, гидроотвалах и прудах-
накопителях, которые, в свою очередь, ухудшают экологическое состояние
окружающей среды и занимают значительные площади. По этим причинам
задача масштабной утилизации отходов переработки угля имеет мировое
значение.
Большой интерес отходы флотации угля, представляют для
энергетической промышленности, так как обладают конкурентоспособными
экологическими и экономическими показателями. Применение горючих
отходов в составе композиционного топлива позволяет произвести их
утилизацию с минимальными затратами. Использование таких отходов
позволит расширить ресурсную базу энергопредприятий и получить
альтернативное топливо.
Мировое научное сообщество разработало группу технологий
утилизации отходов углеобогащения (основными направлениями считаются
строительство, изготовление композитных материалов, сжигание). Главным
способом утилизации отходов углеобогащения, является их сжигание с
последующим получением тепловой энергии. Этот способ утилизации
является достаточно безопасным и ресурсоэффективным [8–22]. Для
улучшения экологических показателей и минимизации затрат на сжигание
целесообразно создавать топливные композиции на базе отходов
углеобогащения: органоводоугольное топливо (ОВУТ) и водоугольное
топливо (ВУТ). Одним из преимуществ суспензий ОВУТ является
возможность использования в их составе компонентов нефтяного
происхождения. В этой связи обоснованный интерес вызывает перспектива
вовлечения в энергетический сектор невостребованных продуктов
нефтепереработки и отработанных масел (машинных, турбинных, моторных,
трансформаторных), формирующихся ежегодно в объеме сотен миллионов
тонн.
На сегодняшний день выполнено достаточно большое число
исследований (например, [8–22]) процессов приготовления и сжигания
органоводоугольных композиций на основе фильтров-кеков. Например,
перспективные исследования особенностей использования водоугольных
топливных композиций провела группа ученых из Института теплофизики СО
РАН, ООО «ПРОТЭН», г. Новосибирск, ОАО «СКЭК», г. Кемерово (Мальцев
Л.И., Кравченко И.В., Лазарев С.И., Лапин Д.А.). В поселке Барзас
Кемеровской области работает в тестовом режиме АСУ котельного агрегата,
использующего ВУТ, активные исследования в этой области ведутся и в
Китае. Вопросами зажигания и горения ОВУТ также занимается научно-
исследовательская группа Томского политехнического университета в
лаборатории моделирования процессов тепломассопереноса.
Результаты экспериментов [8–22] дают представление о
закономерностях и характеристиках процессов зажигания ОВУТ. В работах
[8–22] экспериментально получены данные об основных характеристиках и
закономерностях процессов зажигания и горения ОВУТ, а также представлены
результаты численных исследований зажигания композиционных жидких
топлив (КЖТ). Следует, однако, отметить, что существует недостаток
экспериментальных данных о влиянии компонентного состава ОВУТ на
характеристики его горения (особенно топлив, приготовленных на основе
отходов угле- и нефтепереработки) при сравнительно низких температурах
окислителя. Получение экспериментальной базы характеристик ОВУТ в
широком диапазоне варьирования значимых факторов (температуры в камере
сгорания, вида и концентраций компонентов топлива, размеров капель и др.),
является перспективной задачей, так как такие топлива позволяют улучшить
экологические и экономические показатели работы энергетической установки.
Результаты исследования будут интересны в сфере образования для
студентов и аспирантов:
 для изучения процессов тепломассопереноса при горении группы
распыленных капель ОВУТ;
 для изучения влияния свойств угля (или отхода его обогащения)
на параметры процесса зажигания и горения топлива (пороговая температура
зажигания, время задержки зажигания и полного сгорания ОВУТ);
 для определения влияния способа и длительности приготовления
топлива на перечисленные параметры;
 для определения влияния концентрации и свойств органической
составляющей топлива на характеристики зажигания и горения ОВУТ;
 для исследования систем автоматического управления
энергоустановок по сжиганию топлива.
Экспериментальная информационная база интегральных характеристик
и условий низкотемпературного зажигания органоводоугольных топливных
композиций будет востребована в научной сфере при разработке технологий
сжигания таких топлив, создании математических моделей зажигания и
горения, получении новых знаний о процессах тепломассопереноса и фазовых
превращениях, протекающих при горении капель композиционных
суспензионных топлив. Развитие исследований в этом направлении позволит
разработать эффективные автоматизированные технологии
топливоприготовления и сжигания в энергоустановках отходов
углеобогащения и нефтепереработки.
Возможности утилизации широкой группы промышленных отходов,
сокращения площадей отвалов, расширения сырьевой энергетической базы,
получения суспензионных топлив с низкой стоимостью обуславливает
интерес промышленных предприятий (как энергетических, так и
углеперерабатывающих) в результатах исследований различных
характеристик ОВУТ и ВУТ.
В последние несколько лет выполнены экспериментальные
исследования (например, [23–28]) сжигания органоводоугольных суспензий
базирующихся на углях разных марок, отработанной масляной продукции
обеспечения производственной техники и смесях нефти с водой. Группой
авторов показано [23–28], что применение ОВУТ в котлоагрегатах в качестве
основного топлива является перспективным. Однако в качестве основных
компонентов ОВУТ в экспериментах [23–28] использованы высокосортные
угли разной степени метаморфизма. Так как большая часть таких углей
активно экспортируется развитыми государствами (например, Китаем, США,
Индией, Россией), то целесообразно при приготовлении ОВУТ использовать
отходы переработки и обогащения этих углей (например, фильтр-кеки).
Объемы последних к 2020 году могут вырасти в несколько раз [7]. Актуальна
задача создания ОВУТ на основе фильтр-кеков с добавлением отработанных
масел разного происхождения. Важно определить, как могут влиять наиболее
типичные компоненты таких топливных суспензий на их основные
характеристики (стабильность, вязкость, теплота сгорания, инерционность
зажигания, длительность горения и другие). Процессы зажигания и горения
ВУТ и ОВУТ пока мало изучены (для условий низкотемпературного (менее
900 К) [23–28] зажигания нет данных), то целесообразно для получения
соответствующей базы данных провести эксперименты с разными фильтр-
кеками и отходами нефтехимического происхождения. При этом для
расширения возможных приложений результатов исследований, условия
нагрева топлив следует рассмотреть от низкотемпературных [26–28] до
соответствующих (более 1200 К) современным энергетическим установкам,
блокам и агрегатам.
При использовании ОВУТ в котлоагрегате возникают некоторые
проблемы, одна из них – это подача топлива в котел. При непрерывной подаче
композиционного жидкого топлива с помощью форсунки необходимо
регулировать количество воздуха, смешивающегося с ОВУТ для
предотвращения выхода форсунки из строя. Кроме этого, для обеспечения
жидкого шлакоудаления необходимо поддерживать в топке котельного
агрегата высокие температуры (свыше 1300 °C).
Система управления процессом сжигания топлива называется АСУ
топливоподачи.
Цель настоящей работы – экспериментальное исследование
характеристик ОВУТ, полученных на основе фильтр-кеков каменных углей и
отработанных масел, а также проектирование автоматизированной системы
сжигания органоводоугольной топливной композиции в котлоагрегате.
1 Исследовательские изыскания