Анотація до роботи:

Провалов О.Ю. Спалювання відходів вуглезбагачення у циркулюючому киплячому шарі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика – Національний університет харчових технологій, Київ, 2008 р.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню фізико-хімічних та кінетичних властивостей відходів вуглезбагачення, розробці технологій паливопідготовки, визначенню основних закономірностей термічної переробки палив з відходів вуглезбагачення з метою використання їх в якості палива для ЦКШ-котлоагрегатів.

Були створені або модифіковані установки для дослідження спалювання та термічної переробки відходів вуглезбагачення у ЦКШ, дослідження аеродинамічних властивостей палива зі шламів та його пористої структури. Розроблено методику експериментального дослідження процесу спалювання відходів вуглезбагачення у ЦКШ. Проведено серію експериментів по спалюванню відходів вуглезбагачення на лабораторних та дослідно-експериментальних установках на основі яких визначено режими спалювання шламів та сухих відходів в ЦКШ при яких забезпечується ступінь конверсії вуглецю більше 90%, ступінь зв’язування сірки більше 95% при викидах NO_x та SO₂ менше 200–250 мг/нм³. Розроблено рекомендації по використанню відходів вуглезбагачення у якості палива для ТЕС з ЦКШ-котлоагрегатами. Обґрунтовано економічну доцільність використання відходів вуглезбагачення для спалювання у ЦКШ.

1. В дисертаційній роботі на основі результатів лабораторних та технологічних експериментів визначено основні закономірності термічної переробки низькосортних палив, а також відходів вуглезбагачення енергетичного вугілля різного ступеня метаморфізму з находженням їх кінетичних, фізико-хімічних характеристик в циркулюючому киплячому шарі, розроблені рекомендації по підготовці та спалюванню відходів вуглезбагачення у ЦКШ-котлоагрегатах, що забезпечує вирішення важливої науково-технічної задачі – розробки високоефективних методів спалювання відходів вуглезбагачення для енергетики України.

2. Створено нові та модернізовано існуючі лабораторні установки для дослідження кінетики горіння твердого палива у КШ, визначення питомої поверхні та об’єму пор твердого палива, дослідження аеродинамічних властивостей частинок вугілля та агломерованих частинок шламів. Модернізовано дослідно-технологічний стенд ЦКС-0,02 для спалювання шламів та сухих відходів збагачення в циркулюючому киплячому шарі, розроблено методику розрахунку матеріального балансу при проведенні дослідного спалювання шламу у ЦКШ.

3. Встановлено, що в процесі висушування шламів відбувається агломерація шламових частинок завдяки глинистому зв’язуючому, в результаті чого утворюється паливо зі значною (більше 20%) кількістю великих (1-5 мм) частинок, що здатні створювати киплячий шар та циркулюючий потік в апараті ЦКШ без додавання подрібненого вугілля. Показано, що кількість агломерованих частинок збільшується із зростанням зольності шламу (кількістю глинистих включень).

4. Визначено та порівняно питомі поверхні та об’єми пор частинок вугілля та шламових агломератів. Показано, що при однаковій зольності та розміру шламові агломерати мають на 18–43% більшу питому поверхню та на 27–60% більший об’єм пор у порівнянні з частинками вугілля тих же марок.

5. Експериментально встановлено швидкості початку виносу з киплячого шару для частинок вугілля та шламових агломератів в залежності від їх розміру. Показано, що швидкість початку виносу для шламових агломератів менша на 18-25%, ніж для частинок вугілля, завдяки їх меншій уявній густині, що узгоджується з підвищеною пористістю шламових агломератів.

6. В результаті проведення кінетичних експериментів у внутрішньо дифузійній області реагування на зразках агломерованих шламів та вугілля з розміром частинок d=0,4–0,63 мм встановлено характерну схожість кривих вигоряння з наявністю квазістаціонарної ділянки в межах від Х_min=0,04–0,08 до Х_max=0,6–0,7 у всіх досліджених марок вугілля. Встановлено, що питомі швидкості вигоряння у шламів в 1,75–2,5 рази вищі, ніж у вугілля відповідних марок. Для внутрішньодифузійної області реагування, що характерна для умов спалювання у ЦКШ, встановлено кінетичні характеристики горіння агломерованих шламів в арреніусівському наближенні та показано, що енергія активації Е_а приблизно відповідає енергії активації для вугілля тих же марок, а передекспоненціальний множник k₀ (що відповідає за реагуючу поверхню) майже вдвічі вищий.

7. Визначено оптимальні режими спалювання сухих відходів антрациту та газового вугілля в ЦКШ. Експериментально доведено, що при зольності більше 73–75% сухі відходи можуть бути використані як паливо для ЦКШ тільки в суміші з вугіллям або шламом. При зольності 70–73% сухі відходи можуть спалюватись у ЦКШ без підмішування вугілля, але тільки при базовому навантаженні. Збагачення у важкій рідині дозволяє отримати з сухих відходів антрациту паливну компоненту з зольністю нижче 40% з виходом вуглецю до 80% від його складу у відходах, а метод відсіву дрібної фракції, що містить вуглець 0-13 або 0-25 мм - паливну компоненту з зольністю 44-65% з виходом вуглецю 30-70% від його вмісту у відходах. Таке паливо може спалюватись у ЦКШ без додавання вугілля, а при зольності 40% та нижче оптимальні режими, технологічні та екологічні показники його спалювання не відрізняються від відомих для високозольного антрациту, а саме: середньотопочна температура Т_c=1153–1173 К, ступінь конверсії вугілля більше 98%, ступінь зв’язування сірки більше 95%, викиди SO₂ 200 мг/нм³, NO_х 200 мг/м³.

8. Встановлено, що найкращі режимні параметри при спалюванні агломерованих шламів розміром 0-5 мм у ЦКШ наступні: для шламів антрациту Т_c=1153–1173 К, при цьому слід очікувати ступінь конверсії вуглецю більше 95%, ступінь зв’язування сірки більше 95%, викиди SO₂ 200 мг/нм³, NO_х 200 мг/м³; для шламів вугілля газової групи Донецького та Львівсько-Волинського басейнів Т_c=1123–1153 К, при цьому слід очікувати ступінь конверсії вуглецю більше 95%, ступінь зв’язування сірки більше 95%, викиди SO₂ 300 мг/нм³, NO_х 200 мг/м³.

9. Розроблено рекомендації з підготовки та спалювання у ЦКШ-котлоагрегатах відходів вуглезбагачення, оцінено вартість підготовки палива з відходів для використання на ТЕС України. Результати та рекомендації використані при розробці ЦКШ-енергоустановок та систем підготовки палива з вугільних відходів слідуючими організаціями: Філією Харківського Центрального Конструкторського бюро ”Енергопрогрес“, ЗАТ ”Техенерго“, Старобешівською ТЕС, Зміївською ТЕС.

10. Достовірність та обґрунтованість отриманих результатів забезпечена використанням сучасних даних літературного аналізу, коректністю експериментальних методів, підтверджується співпадінням основних результатів, що отримані на установках лабораторного та дослідно-технологічного масштабу.

Публікації автора:

1. Характер взаимодействия коксов энергетических углей с СО₂ в кипящем слое / Т.Н. Монастырева, А.Ю. Провалов // Экотехнологии и ресурсосбережение. –2002.– №5. – С. 14–18.

2. Технологічні, екологічні та економічні аспекти використання відходів вуглезбагачення для спалювання на ТЕС / М.В. Чернявський, Н.І. Дунаєвська, І.Л. Голенко, О.Ю. Провалов // Энергетика и электрификация. – 2002. – №7. – С.19–26.

3. Особенности сжигания днепровского бурого угля в циркулирующем кипящем слое / А.Ю.Майстренко, Н.В.Чернявский, А.И.Топал, А.Ю.Провалов и др. // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2006. – №5. – С.15–21.

4. Экологические аспекты сжигания высокосернистых углей в пылеугольных топках и котлах с кипящим слоем. / В.П. Пацков, А.И. Топал, А.Ю. Провалов, А.В. Крицкий // Экотехнологии и ресурсосбережение. –2008.– №2. – С. 56–63.

5. Динаміка вигоряння лузги соняшника в киплячому шарі / А.І.Топал, М.В.Чернявський, С.Г.Дулієнко, О.Ю.Провалов // Мат. Міжнар. конф. по біомасі (Київ, 24-27.09.2002 р.).– Київ: ІТТФ НАНУ, 2002. – 2 с.

6. . Coal waste utilization by CFB-combustion at power plants / Chernyavskiy N., Provalov A., Golenko I // Proc.of 11^th Symposium «Energy efficient and ecologically acceptable processes in thermal, chemical and process engineering» (Zlatibor, Oct.1-4, 2003). – Beograd: BBN Congress, 2003. – 6 p.р.

7. Динамика горения углей в кипящем слое под давлением / Провалов А.Ю., Топал А.И. // Мат. 1-й научн. школы-конф. «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, 29.09-05.10.2003). – Алушта: НПВК «Триакон», 2003. – С.50-52.

8. Подготовка низкосортных топлив к пылевидному сжиганию / Косячков А.В., Провалов О.Ю., Бондзик Д.Л.// Труды 3 межд. конф. ”Проблемы и пути совершенствования угольной теплоэнергетики” (Киев, 9-10.12.2003). - Киев: НТУУ «КПИ», 2003. – С.12-13.

9. . Сжигание отходов углеобогащения в циркулирующем кипящем слое / Провалов А.Ю., Чернявский Н.В // Тез.докл. 1-й науч.-практ. конф. “Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и развития” (24-30 сентября 2004 г., Алушта). – Алушта: НПВК “Триакон”, 2004. – С.79-81.

10. Особенности сжигания сухих и влажных отходов углеобогащения в циркулирующем кипящем слое / Батрак А.А., Провалов А.Ю., Чернявский Н.В.// Тез. докл. 2-й научн.-практ. конф. “Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и развития” (15-18 сентября 2005 г., Алушта). – Киев: ИВЕ НАНУ, 2005. – С.53-55.

11. Сопоставительные исследования кинетических характеристик и пористой структуры антрацитов и каменных углей, а также их шламов / Батрак А.А., Монастырева Т.Н., Провалов А.Ю. // Енергетика: проблеми та перспективи. Погляд громадськості (збірка №4). – К.: НТСЕУ, ОЕП «ГРІФРЕ», 2007. – С.316–317.

12. Унификация свойств твердых топлив для сжигания в ЦКС / Чернявский Н.В. Провалов А.Ю.// Тез. Докл. Междунар. Научн-практ. Конф ”Энергоэффективность – 2007” (15–17.10.2007, г. Киев). – К.: ИГ НАН Украины, 2007. – С.33–34.

а б

Рис. 5. Вміст індивідуальних частинок у вихідному шламі за результатами мокрого (а) розсіву та у підготовленому шламовому паливі за результатами сухого (б) розсіву в залежності від зольності: шлам Г Луганська ЦЗФ (Ad=35,1%), шлам Г Селідівська ЦЗФ С (Ad=47,0%), шлам А Комендантська ЦЗФ (Ad=48,4%), шлам Г Червоноградська ЦЗФ (Ad=51,7%), шлам Г Луганська ЦЗФ (Ad=52,0%), шлам А Комендантська ЦЗФ (Ad=54,4%) шлам А Шахтарська ЦЗФ (Ad=58,1; 59,4%).

Рис. 8. Залежність швидкості взаємодії коксів шламів антрациту (а) та газового вугілля (б) з киснем повітря від зворотної температури.