Плазматрон көмегімен қатты отындары жағу

Өнеркәсіп қазандарда көмірді жағу екі мәселені тудырады, бірінші – ол қазанды жіберу үшін аса қымбат мазутты пайдалану қажеттілігі және екінші – бірнеше жобалық емес көмірлерді жағу. Әлемдік жылуэнергетикада шаң-көмірлі қазандарды жағу үшін және шаң-көмірлі шырақтың жануын тұрақтандыру үшін табиғи газды немесе жағылатын мазутты пайдаланады. Бұл мақсаттарға жылына 50 млн т мазут жұмсалады. Ресейде шаң-көмірлі жылу электр станцияларында (ЖЭС) жылына 5 млн т мазут жағылады. Энергетикалық көмірлердің сапасының жаппай төмендеуі (күлділігінің және ылғалдылығының артуы, ұшқыш заттардың шығуының төмендеуі) ЖЭС-да жағылатын мазуттың шығынын арттырады.

Осы мәселелердің әр қайсысы қоршаған ортаға кері әсер етеді. Қазандардан тұратын агрегатты жандыруға қажет мазутты жағу атмосфераға зарарлы газ және күйенің шығаруын асырады. Төмен сортты көмірлерді жағудың екі кемшілігі бар: тозаңды көмірлік алауды тұрақтандыру үшін жандыру мазутты қажет ететін жанудың қалыпты күйінің төмендеуі, оның салдары тозаң газды шығарулар мен шығындардың көбеюі және сонымен қатар отынды механикалық түрде жандыру керек болғандықтан көмірдің жану тиімділігі төмендеуі болып табылады. Нәтижесінде электрлік қуаттың белгіленген кВт-ң бағасының өсуі байқалады. Көмірдің плазмалық жағуы жаңа тиімді және экологиялық таза әдіс. ЖЭС жылулық балансындағы қатты отынды қолдану тиімділігін жоғарылатып, мазут пен табиғи газдың үлесін сондай ақ, зиянды шаңгазды бөлінулерді азайту үшін оларды электротермохимиялық жағуға дайындауға (ЭТХЖД) негізделген көмірлердің тұтануының плазмалық технологиясы құрылған. ЭТХЖД ЖЭС-ларында плазмалы-отынды жүйелерді (ПОЖ) қолданумен жүзеге асырылады. Бұл технология бойынша отындарды тұтандыру мен шаңкөмірлі факелдің жануын тұрақтандыруда дәстүрлі түрде қолданылатын қосымша отын, мазут немесе табиғи газ ПОЖ негізгі элементі болып табылатын электрдоғалы плазматрондардың қолданылуымен ЭТХЖД шаңкөмірлі жану көлеміндегі негізгі отын – көмір шаңымен алмастырылады (сурет 2).

ЭТХЖД технологиясы аэроқоспа (көмір шаңы – біріншілік ауа) бөлігі 3 плазматроннан 1 ұшқыш көмір бөлінетін және кокс қалдығының газификация температурасына дейін электрдоғалы плазмамен қыздырылуға негізделген. Бастапқы көмірден негізгі аэроқоспамен 6 араласу кезінде термохимиялық дайындықты жүзеге асыра отырып, біріншілік ауада тотығатын екікомпонентті жоғары реакционды отын (жанатын газ-кокс қалдығы) алынады. Екіншілік ауамен 12 араласу кезінде, алынған жоғары реакционды екі компонентті отын пеште 11 өздігінен тұтанады және қосымша отынды қолданусыз тұрақты түрде жанады.

Қазанды мазутсыз жағуды, шаң-көмірлі шырақтың жануын тұрақтандыруды қамтамасыз ететін жалғыз белгілі технология – көмірлердің тұтануының плазмалық технологиясы. Көмірді тұтандырудың плазмалық технологиясын дамыту мен тарату үшін физикалық моделіне негізделген бұл үрдістің егжей-тегжейлі математикалық моделдеуін құрастыру қажет. Көмірлердің плазмалық тұтануы мен екі компонентті жоғары реакционды отынмен бірге жандыру бойынша толыққанды эксперименттік нәтижелердің болмауы мұндай математикалық және физикалық моделдерді құруды қиындатады. Физикалық моделдерді құру үрдістің негізгі параметрлерін – температура аймағы, газтәріздес және конденсирленген компоненттердің жылдамдығы мен концентрациясын білуді қажет етеді. Бұл технологияны жүзеге асыру үшін плазмалық-отын жүйелері (ПОЖ) құрылған, олар электрдоғалы плазмотронмен жабдықталған шаң-көмірлі жанарғы түрінде болады (сурет 3).

Сурет 3. Құйынды плазмалық-отын жүйесі:

1 – оттық; 2 – екіншілік ауа; 3 – плазмотрон; 4 – шибер; 5 – аэроқоспа

Моделдеу дегеніміз – үш өлшемді графикада бағдарламалардың көмегімен обьектілерді құру процесі. Үш өлшемді графиканы қолдану кеңістігі өте жоғары. Үш өлшемді моделдеу мен анимация архитектура кеңістігінде танымал. Өнеркәсіптік дизайнмен айналысатын компанияларда үш өлшемді моделдеу жиі қолданады, әртүрлі обьектілердің моделін компьютер экранында көрсетеді және қолданушының қалау бойынша өзгерте алады. Өз бетімен дайындаған 3ds пакеттерінің жарнама агенттігінде немесе т.б. архитектуралық компанияларда қалай қолдану ерекшеліктері туралы мәліметтер дайындалады.

ЭТХЖД және жану үрдістерінің қажетті параметрлерін алуда сандық эксперимент толыққанды талдау жүргізу мен табиғи үрдістерге жақын күрделі физикалық және химиялық үрдістерді тереңінен түсіну үшін экономикалық тиімді және қолайлы әдістердің бірі болып табылады.

Осыған орай, ЭТХЖД және жану үрдісінің физикалық механизмін толық түсіну үшін, сондай ақ, Cinar ICE компьютерлік бағдарламасын тексеру мақсатында көмірді плазма-отынды жүйемен жабдықталған пеште 3 МВт қуаттылықпен жағу бойынша зерттеулер жүргізілді (сурет 4).

Сурет 4. Эксперименталды жандырудың жалпы сызбасы

1 - вихрлі шаңкөмірлі қыздырғыш, 2 – пеш

ПОЖ-нің жұмыс істеу принципі: салқын аэроқоспа (көмір шаңының ауамен қоспасы) төменгі сұрыпты көмірден жоғары реакциялы екі компонентті отын (ЖЕО) түзе отырып, плазмалық шырақ аймағында қызады. Бұл отын заманауи экологиялық-экономикалық талаптарды қанағаттандырады және ол жанғыш газ бен кокс қалдығынан тұрады, олар екіншілік ауамен араласқанда қазанның оттығында белсенді түрде тұтанады және қосымша жоғары реакциялық отынды (мазут немесе газ) өртеусіз тұрақты жанады. Сандық моделдеу мен өлшеулер арқылы ПОЖ-ді шаң-көмірлі қазандарда пайдалану энергетикалық көмірлердің жануының эффективтілігін арттыратыны көрсетілді.

Аэроқоспаны алдын ала плазмалық дайындықпен жандыру үрдісін теориялық тұрғыдан зерттеу үшін екі компьютерлік бағдарлама қолданылды: екіфазалы ағындағы плазма көзімен қамтылған отынның термохимиялық айналу кинетикасының толыққанды механизмі ескерілген бірөлшемді PLASMA-COAL бағдарламасы және қысқартылған кинетикалық сызбаға сәйкес көмір бөлшектерінің жану үрдісінің кинетакасы мен нақты геометриясы ескерілген үшөлшемді Cinar ICE бағдарламасы. Бірінші бағдарламаның көмегімен ЭТХЖД камерасында жүретін үрдістер сандық түрде есептелген, ал екінші бағдарлама көмегімен көмірмен қоса жоғары реакционды екі компонентті отынның бірге жану үрдісінің моделі жүзеге асырылған. PLASMA-COAL бағдарламасы іске қосылған ПОЖ мен плазмалы газификаторларда алынған эксперименттік нәтижелер бойынша тексерілген. Cinar ICE бағдарламасы дәстүрлі жандыру үрдістерінің үшөлшемді есебімен тексерілген.