Спосіб вимірювання механічного недопалу палива

Изобретение относится к области контроля процессов горения, в частности, пылеугольного топлива, в котлоагрегатах тепловых электростанций, и может найти применение в теплоэнергетике для измерения механического недожога топлива. Известен также способ измерения механического недожога топлива, который включает газификацию углерода золы путем ее нагрева в реакционной камере в кипящем слое в присутствии реагента - атмосферного воздуха, и измерение концентрации монооксида углерода в продуктах газификации. Согласно данному способу анализируемую пробу золы с помощью дозатора подают в газификационный реактор, нагретый до температуры 700 ... 750°C, в который непрерывно подают также окислитель - атмосферный воздух, причем расход окислителя выбирают из условия получения в реакторе кипящего (псевдоожиженного) слоя золы. При заданной температуре реактора содержащийся в золе углерод газифицируется до монооксида углерода С помощью побудителя расхода часть продуктов реакции газификации отбирают из реактора, фильтруют и подают в термохимический датчик для измерения объемной концентрации монооксида углерода. Для оценки механического недожога топлива в известном способе измеряют интегральную концентрацию монооксида углерода в продуктах полной газификации углерода золы: где - текущее значение концентрации в продуктах газификации, а - время. Исследования показывают (см. Тарасевич В.Н., Баринов В.В. Методы и инструментальные средства контроля механического недожога пылеугольного топлива // Пром. теплотехника. Т.13. - №4. - 1991. - С.82 - 93), что длительность процесса полной газификации углерода, содержащегося в золовых уносах тепловых электростанций, достигает 2 ... 2,5 часов. Поэтому недостатком прототипа является его низкое быстродействие, обусловленное необходимостью проведения процесса газификации до его полного завершения. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования "Способа измерения механического недожога топлива", в котором путем сокращения длительности процесса газификационно-метрического преобразования углерода золы обеспечивается повышение быстродействия и упрощение процесса измерения и за счет этого сокращается время анализа в 25 ... 30 раз, что, в свою очередь, позволит существенно снизить инерционность приборов для контроля механического недожога пылеугольного топлива. Поставленная задача решается тем, что в способе измерения механического недожога топлива, включающем газификацию углерода пробы золы путем нагрева ее в реакционной камере в кипящем слое в присутствии реагента, например, атмосферного воздуха, измеряют максимальную объемную концентрацию монооксида углерода в продуктах газификации, а весовую концентрацию углерода в анализируемой золе, определяющую механический недожог топлива, вычисляют по формуле где д.е.; - весовая концентрация углерода в золе, - константа скорости реакции газификации углерода, 1/с; - константа скорости реакции горения углерода, 1/с; - плотность углерода, г/см3; - объем реакционной смеси, см3; - масса пробы золы, г; - расход окислителя, см3/с; максимальная объемная концентрация монооксида углерода в продуктах газификации, д.е. Благодаря тому, что в предлагаемом способе измеряется максимальная концентрация монооксида углерода в продуктах газификации, время выхода которой существенно меньше продолжительности процесса полной газификации углерода золы, сокращается длительность процесса измерения механического недожога топлива и упрощается процедура процесса измерения, так как отпадает необходимость в интегрировании сигнала датчика по времени для определения интегральной концентрации монооксида углерода в продуктах газификации. Таким образом, измерение в продуктах газификации углерода золовых уносов обеспечивает достижение технического результата, выражающегося в повышении быстродействия и упрощении конструкции приборов для контроля механического недожога пылеугольного топлива. На фиг.1 показана схема системы для реализации способа измерения мехнедожога топлива. На фиг.2 представлена динамика во времени концентраций углерода и его монооксида в продуктах газификации; символами и обозначено время полной газификации углерода золы и время выхода максимальной концентрации монооксида углерода - начальная концентрация углерода в реакционной смеси при На фиг.3 проиллюстрирована динамика четырех последовательно выполненных экспериментально цикла измерения с золой, содержащей углерод с концентрациями 1,0 (опыт 1 - 1); 0,75 (опыт 1 - 2); 0,50 (опыт 1 - 3) и 0,25 (опыт 1 - 4) от реактора по массе, при температуре и массе пробы золы На фиг.4 приведена зависимость максимальной концентрации монооксида углерода в продуктах газификации (в объемных %) от относительной концентрации углерода в анализируемой золе где по массе. Приведенная на фиг.1 схема реализации способа содержит дозатор золы 1, газификационный реактор 2, электрический нагреватель 3, решетку 4, компрессор 5, газовый фильтр 6, датчик монооксида углерода 7, побудитель расхода 8 и регистратор 9. Согласно изобретению анализируемую пробу золы, отобранную из дымохода котлоагрегата, с помощью дозатора 1 подают в газификационный реактор 2. Реактор 2 выполнен в виде коническоцилиндрического пустотелого сосуда, на наружной поверхности которого смонтирован электрический нагреватель 3, питаемый от релейной системы регулирования (стабилизации) температуры реактора (на рисунке не показана); нагреватель обеспечивает подогрев реактора 2 до температуры, достаточной для проведения реакции газификации углерода, содержащегося в анализируемой пробе золы, например, до температуры 650°C. В нижней части реактора 2 установлена решетка 4 для создания кипящего (псевдоожиженного) слоя золы; для этого снизу в реактор 2 с помощью компрессора 5 непрерывно подают окислитель - атмосферный воздух, расход которого выбирают из условия витания частиц золы в полости реактора 2. Так как зола представляет собой смесь частиц, размер (и соответственно масса) которых колеблется в довольно широком пределе - от 5 до 200Å, нижняя часть реактора 2 - выше решетки 4 выполнена конической, причем конусность ее выбирают из условия витания самых легких частиц золы в верхней части конуса, а самых тяжелых - в нижней его части - непосредственно над решеткой 4. Продукты реакции отводят непрерывно через левый штуцер реактора 2 и сбрасывают часть этих продуктов с помощью побудителя расхода 8 отбирают из реактора 2, фильтруют от частиц золы в фильтре 6 и подают в термохимический датчик 7 для измерения в них объемной концентрации монооксида углерода Термохимический датчик 7 состоит из мостовой схемы, в смежные плечи которой включены измерительный и компенсационный элементы, изготовленные в виде нагреваемых электрическим током спиралей из платиновой проволоки. На спирали этих элементов нанесен оксид алюминия, причем на оксид алюминия измерительного преобразователя химическим путем нанесены мелкодисперсные металлы платиновой группы - платина и палладий, что обеспечивает беспламенное окисление монооксида углерода на его поверхности. Термоэффект реакции окисления, измеряемый мостовой схемой, служит мерилом объемной концентрации монооксида углерода в продуктах газификации, подаваемых на анализ в термохимический датчик 7. На выходе термохимического датчика 7 установлен регистратор 9 например, самопишущий потенциометр типа КСП-4, служащий для измерения и регистрации во времени сигнала термохимического датчика 7. По показаниям регистратора 9 измеряют максимальную концентрацию монооксида Первая из этих реакций описывает процесс собственно газификации углерода, т.е. преобразования его в газообразный продукт монооксид а вторая - процесс полного окисления углерода до Так как температура реактора 2 равна 650°C, очевидно, что преобладающую роль в процессе газификационного измерения будет иметь реакция (1). Принимая во внимание то, что обе реакции (1) (2)протекают в кипящем слое, можно заключить, что ключевым продуктом этих реакций, определяющим скорость их протекания, является углерод, так как второй реагент в исходных продуктах реакций (1) - (2) - кислород содержится в избытке. Тогда концентрация углерода в продуктах газификационно-метрического преобразования будет определяться уравнением где - концентрация углерода в продуктах газификации в момент времени д.е.; - то же, в начальный момент времени д.е.; - константа скорости реакции газификации углерода, 1/с; - то же, реакции окисления углерода, 1/с; - время, с. Уравнение (3) описывает экспоненциальный характер изменения концентрации углерода в процессе его газификационно-метрического преобразования, как это показано на фиг.2. Для концентрации монооксида углерода в продуктах газификации можно записать следующее уравнение где: - концентрация в газификации в момент времени , д.е.; продуктах - то же, в начальный момент времени д.е.; - расход окислителя, см3/с; - объем реакционной смеси, см3. Из (4) с учетом уравнения (3) и начального условия получаем равенство для описания динамики концентрации монооксида углерода в продуктах газификационнометрического преобразования углерода золы в таком виде углерода в продуктах газификации, служащую для расчета (как это будет показано ниже) весовой концентрации углерода в анализируемой золе - аналога механического недожога пылеугольного топлива. При подаче в реактор дозированной пробы золы, подлежащей анализу, в нем будут протекать следующие химические реакции углерода с окислителем - кислородом воздуха, подаваемым непрерывно в реактор, с одной стороны, в качестве исходного продукта, а с другой - в качестве ожижителя золы, обеспечивающего протекание реакции газификации в кипящем слое где Из уравнения (5) очевидно, что кинетическая кривая представляет собой разность двух экспонент с постоянными времени, определяемыми интенсивностью процесса газообмена в реакторе 2 и суммарной скоростью процессов преобразования углерода золы согласно уравнениям (1) - (2) Эта кривая (фиг.2) имеет максимум, причем время соответствующее экстремуму функции найденное из уравнения (5) при условии, что определяется по формуле Подстановка (6) в (5) дает формулу для вычисления максимальной концентрации в продуктах газификации следующего вида В формуле (7) символом обозначена объемная концентрация углерода в реакционных газах в начальный момент времени т.е. в момент подачи анализируемой пробы золы в газификационный реактор 2. Так как в реактор подается зола известной массы m с массовой концентрацией углерода подлежащей измерению в процессе газификационнометрического преобразования, то для вычисления можно записать такое выражение в котором плотность углерода, г/см3. Тогда для максимальной концентрации в продуктах газификации углерода имеем Из полученного уравнения (9) очевидно, что при постоянной температуре реактора, определяющей константы и скоростей реакций (1) и (2), и стабилизированном расходе окислителя v в реактор экстремальная концентрация в продуктах газификации углерода золы прямо пропорциональна массе пробы золы m, поданной в реактор 2 на анализ, и массовой концентрации углерода в анализируемой золе Поэтому, зная величину массы пробы золы m, поданной на анализ, и измерив по показаниям регистратора 9 величину максимальной объемной концентрации монооксида углерода в продуктах газификации, вычисляют массовую концентрацию углерода в анализируемой золе представляющую собой механический недожог топлива, по формуле Система измерения механического недожога пылеугольного топлива, приведенная на фиг.1, работает следующим образом. В реактор 2, нагретый до температуры, достаточной для протекания реакции газификации углерода например, до 650°C, и продуваемый постоянным потоком окислителя - атмосферным воздухом, с помощью дозатора 1 подают пробу анализируемой золы известной массы m, причем расход окислителя выбирают из условия витания всей гаммы частиц золы в конической части реактора 2. Тем самым углерод, содержащийся в анализируемой золе, подвергают газификации и непрерывно измеряют с помощью термохимического датчика 7 объемную концентрацию монооксида углерода в продуктах газификации. По данным записи показаний термохимического датчика 7, регистрируемых, например, с помощью самопишущего потенциометра-регистратора 9 типа КСП-4, находят максимальное значение концентрации монооксида углерода в продуктах газификации и по формуле (10) вычисляют весовую концентрацию углерода в анализируемой пробе золы представляющую механический недожог топлива. Процесс измерения прекращают после фиксации на ленте регистратора 9 амплитуды выходного сигнала датчика путем кратковременной продувки (в течение 5 ... 10с) реактора 2 повышенным в 2 ... 3 раза расходом окислителя, подаваемым компрессором 5; тем самым остатки золы предыдущего измерения удаляют из реактора 2 через его левый штуцер и подготавливают реактор для проведения следующего цикла измерения. Из данных фиг.2, где представлена динамика концентрации монооксида углерода в продуктах газификации, очевидно, что, так как время выхода максимальной концентрации в продуктах реакции существенно меньше продолжительности цикла полной газификации углерода золы предлагаемый способ позволяет значительно снизить длительность процесса измерения механического недожога топлива. На фиг.3 приведены экспериментальные данные газификационно-метрического преобразования углерода золы, полученные на макете системы для реализации предлагаемого метода измерения. Здесь показаны кривые динамики концентрации в продуктах газификации, записанные на ленте самопишущего потенциометра КСП-4, при стабилизированной температуре реактора и массе пробы золы стабилизированный расход окислителя воздуха составлял Для опытов использована зола, полученная при сжигании антрацитового штыба АШ Донецкого бассейна на котлоагрегатах ТПП-210А Трипольской ГРЭС, которая содержала углерод в количестве от массы золы. Для получения промежуточных - меньших значений исходная зола смешивалась в соответствующем весовом соотношении с той же золой, но предварительно отожженной в муфельной печи при температуре 850°C в течение 3 ... 4 часов - при этом весь углерод в золе выгорал. Таким образом получены концентрации углерода в анализируемой золе, равные 0,75; 0,5 и 0,25 от Из фиг.3 очевидно, что независимо от весового содержания углерода в золе длительность процесса полной газификации в то время как максимальная концентрация монооксида углерода выходит из реактора за время не более после подачи золы в реактор. Это дает возможность заключить, что предлагаемый метод измерения содержания углерода в золовых уносах ТЭС позволяет сократить время анализа в 25 ... 30 раз по сравнению с методом-прототипом, что, в свою очередь, позволит существенно снизить инерционность приборов для контроля механического недожога пылеугольного топлива, основанных на этом методе измерения. Из экспериментальных данных, приведенных на фиг.3, получена графическая зависимость максимальной концентрации монооксида углерода в продуктах газификации (в объемных %) от относительной концентрации углерода в анализируемой пробе золы которая приведена на фиг.4. Линейность этой зависимости подтверждает правомерность применения формулы (10) для расчета механического недожога пылеугольного топлива, представляемого в весовых долях углерода по максимальной объемной концентрации монооксида углерода в продуктах газификации, определяемой в процессе измерения. Предлагаемый способ может найти применение в приборах для контроля качества сжигания пылеугольного топлива в промышленных котлоагрегатах, обеспечивающих более высокое быстродействие, и более простых по своей конструкции.