Пылеугольная ТЭЦ, работающая на низкосортных углях, страница 26

          Рассмотрим особенности взаимодействия ЭП с А., учитывая введенные выше энергетические составляющие. При контакте потока “холодной” А. (Т_а = 350-400 К) с плазменным потоком из сопла ПЛ, одновременно нагреваются угольные частицы и воздух. При этом в зону взаимодействия первоначально попадают лишь 3-5 % А., что предопределяется естественными теплофизическими границами компактного “плазменного факела”, горящего в объеме горелочного устройства. И если воздух А. только нагревается от плазменного источника, то угольные частицы размером до 250 мкм при темпах нагрева 10³-10⁴ град/сек из-за возникающих термических напряжений в их объеме претерпевают тепловой удар, в результате которого частицы угля дробятся на 8-10 осколков за время 0,01-0,05 сек. Это явление приводит к резкому возрастанию площади поверхности раздела газовой и твердой фаз, а следовательно, к соответствующему увеличению реакционной способности топлива. На рис. 3 представлена физическая схема безмазутного воспламенения А. (угольная пыль + воздух) в муфельной камере с ПЛ, используемой на пылеугольных котлах России (Гусиноозерская, Черепетская и Нерюнгринская ГРЭС), Украины (Кураховская ГРЭС), Монголии (Улан-Баторская ТЭЦ-4 и Эрдэнэтская ТЭЦ) и др.

          Из рис. 3 видно, что в зоне взаимодействия “плазменного факела” с “холодной” А. (Т_а = 75 °С) угольные частицы размером 50-100 мкм раскалываются на несколько осколков размером 5-10 мкм. Из этих осколков исходных частиц выходят летучие угля (СО, СО₂, СН₄, С₆Н₆, N₂, Н₂О) и азотосодержащие компоненты - пиридин (C₅H₅N) и пиррол (C₄H₅N). Затем в газовой фазе образуются атомарные формы (О, Н, N, С, S) включая элементы минеральной части угля (Si, Al, Ca) и радикалы (NH, CH, CN, ОН и др.). Кроме того в газовой фазе присутствуют электронный газ (е), положительные (С⁺, Н⁺, N⁺, CO⁺, O⁺, Si⁺, К⁺ и др.) и отрицательные (О^-, Н^-, ) ионы.

          Тепловой взрыв пылеугольных частиц многократно убыстряет выход летучих за счет более развитой поверхности реагирования и появления очень мелких частиц (меньше 5 мкм), которые нагреваются до температуры выделения летучих гораздо быстрее, чем крупные (50-100 мкм) частицы. На этой стадии плазменного процесса в основном “работает” термическая составляющая плазмы. С повышением температуры газа и частиц начинаются гетерогенные термохимические превращения топлива (выделение летучих, газификация КО) с участием электрически нейтральных, но химически активных центров (радикалов и продуктов диссоциации молекул), т.е. за эту стадию ответственна термохимическая составляющая ЭП.

          С переходом летучих (СО, Н₂, СН₄, Н₂О, С₆Н₆ и др.) в газовую фазу (вместе с продуктами частичной газификации КО) начинается их химическое взаимодействие с окислителями (воздух, пары воды) и между собой. Именно, на стадии газофазных реакций может быть заметно интенсифицирующее воздействие термоэлектрической составляющей плазмы, проявляющееся в ускорении химических превращений за счет перехода к реакциям (с электронами и ионами) с более низкими значениями энергии активации (E_акт). При сравнении реакций (1-6) и (8-15), E_акт уже при переходе от молекулярных к атомарным формам кислорода снижается в 10-15 раз. Многократное ускорение реакций окисления летучих приводит к более быстрому выделению тепла, что в свою очередь интенсифицирует нагрев КО и убыстряет перевод углерода в газовую фазу, где происходит дальнейшая активация его превращений за счет термохимической и термоэлектрической составляющих.

          Таким образом, термическая составляющая ответственна за перевод ОМУ в газовую фазу, включая тепловой взрыв угольных частиц и выделения летучих, а термохимическая и электронно-ионная составляющие интенсифицируют преимущественно твердых топлив. На рис. 4 приведена зависимость полной энтальпии воздуха от температуры для трех указанных на графике случаев. Из хода кривых 1-3 видно, что в рассматриваемом диапазоне температур (1000-10000 К) характерном для НП, затраты на диссоциацию молекул O₂ и N₂ проявляются лишь при Т > 2500 К. При Т > 4500 К заметная доля подведенной на нагрев воздуха энергии затрачивается на ионизацию молекул и атомов кислорода и азота. В интервале температур 3000-10000 К доли составляющих таковы: термическая - 15-57 %; термохимическая - 40-85 %; термоэлектрическая - 0,3-2,5 %.