ПЛАЗМЕННАЯ ПЕРЕРАБОТКА БУРОГО УГЛЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ

9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері  
Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 
жəне іргелі физикалық білім беру» 
______________________________________________________________________________________________________ 
 
151 
 
Ме
n
O
m
+
mC=nMe+mCO, 
 
 
 
 
 
 
 
(2) 
 
Ме
n
O
m
+2
mC=Me
n
C
m
+
mCO,  
 
 
 
 
 
 
(3) 
 
где – Ме – металл или металлоид, содержащийся в ММУ, 
nи m – стехиометрические коэф-
фициенты реакций. 
В результате реакции (1) органическая масса угля преобразуется в синтез-газ, а ММУ 
по реакциям (2) и (3) – в ценные компоненты. 
Термодинамический расчет плазменно-паровой комплексной переработки Тургайского 
бурого  угля  зольностью 28 % и  теплотой  сгорания 13180 кДж/кг  выполнен  по  программе 
TERRA [1] в диапазоне температур 300-4000 К и давлении 0.1 МПа. Газовая фаза продуктов 
переработки  представлена  в  основном  синтез-газом,  концентрация  которого  достигает 
99 об.%уже  при 1500 К.  Концентрация  водорода (50 – 60 %) выше  концентрации  СО (33 – 
48 %) во всем диапазоне температур (1000-4000 К). С увеличением температуры концентра-
ция моноксида углерода снижается с 46 % при 1500 К до 35 % при 4000 К. Степень газифи-
кации угля достигает 100% при Т=1800 К. Большая часть компонентов ММУ начинает пере-
ходить из конденсированной фазы в газовую при температуре выше 1500 К и полностью пе-
реходят  в  газовую  фазу  при  температуре  выше 2600 К.  При  температурах,  превышающих 
3000 К,  в  газовой  фазе  присутствуют  в  основном Si, Al, Ca, Fe, Na и  соединения SiO, SiH, 
AlH  и SiS. Удельные  энергозатраты  на  процесс  в  интервале  температур 1000-4000 К  моно-
тонно возрастают от 1.1 до 6.6 кВт ч/кг. 
Плазменная комплексная переработка углей для получения синтез–газа и ценных ком-
понентов  из  углей  исследовалась  на  универсальной  экспериментальной  установке  (рис.1), 
подробно описанной в [2].Экспериментальная установка предназначена для работы в диапа-
зоне мощности 40-120 кВт, при среднемассовой температуре 1800-3500 K, расходе угольной 
пыли 3-10 кг/ч и расходе газифицирующего агента (водяного пара) 0.5-10 кг/ч. 
На основе сведения материального и теплового балансов были найдены интегральные 
показатели процессаплазменно-паровой комплексной переработки Тургайского бурого угля. 
Мощность плазменного реактора составляла 60 кВт при расходах угля и пара 7.1 и 4.5 кг/ч 
соответственно. При удельных энергозатратах на процесс 5.17 кВт ч/кг среднемассоваятем-
пература  реагентов  достигала 3100 К,  выход  синтез-газа  составил 95.2% (CO-45.8%, H
2
-
49.4%), степень газификации угля – 92.3 %,а степень обессеривания– 95.2 %.  
Пробы твердого остатка для определения степени восстановления оксидов ММУ отби-
рались из различных узлов установки.Рентгенофазовый анализ проб показал, что восстанов-
ленный материал обнаружен в шлаке и представлен в виде ферросилиция, карбидов кремния 
и  железа.Максимальная  степень  восстановления  оксидов  ММУ(47 %)  выявлена  в  шлаке  со 
стенок плазменного реактора в зоне максимальных температур. 

The 9
th
 Interna
achievements 
____________
 
1 – п
и шлака; 4
газа; 7 – п
пыли. 
Благ
Рабо
сийской Ф
тор  проек
стан (3078
 
Лите
[1]  М
// Извести
[2] M
sification: 
 
 
 
ational Confere
of physics and f
_____________
плазменный
4 – шлакос
предохрани
Рисунок 
годарности
ота выполн
Федерации 
кта RFMEF
8/ГФ4 и 348
ература 
Мессерле В
ия вузов. Хи
Messerle V.
Simulation 
ence «Modern  
fundamental ph
_____________
й газифика
сборник; 5 –
ительный к
1 – Устано
и 
нена при фи
по Соглаш
FI61314X00
83/ГФ4). 
В.Е., Устим
имияихими
E., Ustimen
and experim
 
hysical educatio
_____________
атор; 2 – эл
– подъемн
клапан; 8 –
овка для пл
инансовой 
шению о су
005)  и  Мин
менко А.Б.П
ическаятехн
nko A.B., L
ment // Fuel
on»  
_____________
152 
ектромагни
ик шлакосб
– камера вы
лазменной п
поддержке
убсидии № 
нистерства 
Плазмохим
нология. 20
Lavrichshev
l. 2016. V. 
October , 
_____________
итная катуш
борника; 6
ывода газа
переработк
е Министер
14.613.21.0
образован
мические т
012. Т. 55. 
v O.A. Com
164. P. 172
12-14, 2016, K
____________
 
шка, 3 – ка
6 – секции о
; 9 – пылеп
ки твердого
рства образ
0005 (уник
ния  и  науки
технологии
№ 4. С. 30-
mparative stu
2-179. 
Kazakhstan, Alm
_____________
амера разде
отбора и ох
питатель; 6
о топлива 
зования и н
кальный ид
и  Республи
 переработ
-34. 
udy of coal 
maty 
________
 
еления газа
хлаждения
6 – бункер
науки Рос-
дентифика-
ики  Казах-
тки топлив
plasma ga-
а 
я 
р 
-
-
-
в 
-

9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері  
Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 
жəне іргелі физикалық білім беру» 
______________________________________________________________________________________________________ 
 
153 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ 
ХАРАКТЕРИСТИК КАМЕРЫ СГОРАНИЯ РЕАЛЬНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО 
ОБЪЕКТА  
 
А.С.Аскарова, С.А.Болегенова, Х.И.Бейсенов, А.Г.Турбекова  
 
НИИЭТФ, КазНУ имени аль-Фараби, Алматы, Казахстан 
 
Настоящая работа посвящена исследованию тепловых характеристик процесса при горении 
твердого топлива в пылевидном состоянии в камере сгорания котла БКЗ-160. На рисунках 1-
3 приведены результаты 3Dчисленного моделирования и вычислительных экспериментов по 
определению полей температуры в камере сгорания. Мы видим, что наибольшие изменения в 
распределении  температур  наблюдаются  в  центральной  части  камеры  сгорания  в  области 
подачи топливной аэросмеси и окислителя (воздух) через отверстия горелок. 
На рисунке 1 приведены распределения максимальных, средних и минимальных в по-
перечном сечении значений температур по высоте камеры сгорания. Анализ температурных 
кривых  показывает,  что  в  зоне  пояса  горелок  имеются  области  максимумов  и  минимумов 
значений  температуры,  что  можно  объяснить  технологией  сжигания  топлива.  Максимумы 
температуры  связаны  с  зоной  реакции  горения - это  ядро  пылегазового  факела.  Здесь  же 
приведены  данные  натурного  эксперимента [1], которые  подтверждают  правильный  ход 
температурной кривой и неплохое качественное совпадение. 
 
 
1 - максимальные; 2 - средние; 3 - минимальные  в  поперечном  сечении  камеры 
сгорания значения температуры; линия - расчетные данные; - 
эксперимент  
 
Рисунок 1–Распределение температуры Т по высоте камеры сгорания 
 
Когда  топливо  и  окислитель  встречаются  происходят  воспламенение  и  химические 
реакции горения с большим выделением тепла. Здесь же имеем и минимумы значений тем-
пературы,  которые  связаны  с  низкой  температурой  топливной  аэросмеси  и  воздуха,  посту-
пающих  через  горелки  в  камеру  сгорания.  Эти  графики  позволяют  определить  по  цветной 
шкале значения температур в любой точке камеры сгорания и на выходе из нее.  
 

The 9
th
 International Conference «Modern  
achievements of physics and fundamental physical education»  
 
October , 12-14, 2016, Kazakhstan, Almaty 
______________________________________________________________________________________________________
 
 
154 
 
 
Рисунок 2–Распределение температуры Т в 
поперечном сечении камеры сгорания в зоне 
горелок нижнего яруса (h=4.81м) 
 
 
Рисунок 3 – Распределение температуры 
Т на выходе 
из камеры сгорания (h=20.96м) 
Видно, что в области расположения горелок (рисунок 2) имеем как максимальное зна-
чения температур (~1681
0
С), так и минимальное их значение (~43
0
С). На трехмерном графи-
ке распределения температуры на выходе из камеры сгорания мы уже не наблюдаем такого 
сильного различия в значениях температур (T
max
=1152
0
C, T
min
=879
0
C). При движении к вы-
ходу из топки, химические реакции ослабевают, температура падает и на выходе из камеры 
сгорания (k=102, h=20,96м) мы имеем максимальное значение температуры, равное 1152
0
С, и 
среднее значение температуры, равное 1092.9
0
С (рисунок 3), что соответствует измеренным 
значениям температуры непосредственно на ТЭЦ (Т
эксп
≈1200
0
С).  
 
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Комитета науки МОН РК 
(грант №3481/ГФ4). 
 
Литература 
1.  Askarova A., Bolegenova S., Bekmukhamet A., Maximov V., Beketayeva M., Ospanova 
Sh. Gabitova Z.K. Investigation of turbulence characteristics of burning process of the solid fuel in 
BKZ 420 combustion chamber // WSEAS Transactions on Heat and Mass Transfer, Volume 9, 
2014. P. 39-50 
2.  A. S. Askarova, S. A. Bolegenova, V. Yu. Maximov, A. Bekmukhamet, M.T. Beketayeva 
and Z. Kh. Gabitova. Computational Method for Investigation of Solid Fuel Combustion in Com-
bustion Chambers of a Heat Power Plant // High temperature. – 2015. - Vol. 53, issue 5. – P. 792-
798. 
 
 
 

9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері  
Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 
жəне іргелі физикалық білім беру» 
______________________________________________________________________________________________________ 
 
155 
 
ПЛАЗМЕННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ НА ТЭС КАЗАХСТАНА 
 
В.Е. Мессерле
1,2
, А.Б. Устименко
3,4
, К.А. Умбеткалиев
1
,  
В.Г. Лукьященко
1
, Ц.Ц. Дамбиев
5 
 
1
 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск, Россия 
2
 Институт проблем горения, Алматы, Казахстан 
3
 НТО Плазмотехника ТОО, Алматы, Казахстан 
4
 Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазНУ 
им.аль-Фараби, Алматы, Казахстан 
5
 Восточно-Сибирский Государственный Университет Технологий и Управления,  
Улан-Удэ, Россия 
 
В основе технологии плазменного воспламенения угля и реализующих ее ПТС лежит элек-
тротермохимическая подготовка топлива к сжиганию (ЭТХПТ). Суть ЭТХПТ заключается в 
нагреве плазменным факелом при дефиците кислорода потока пылеугольной смеси в специ-
альной камере до температуры, превышающей температуру самовоспламенения данного уг-
ля.  При  этом  происходит  практически  полный  выход  летучих  и  частичное  сгорание  и/или 
газификация углерода угля. В результате в топке полученная топливная смесь или высокоре-
акционное двухкомпонентное топливо (ВДТ), состоящее из горючего газа и коксового остат-
ка, воспламеняется при смешении с вторичным воздухом и устойчиво горит без использова-
ния  для  стабилизации  факела  второго  вида  высокореакционного  топлива  (газа  или  мазута) 
даже в холодной топке. Процесс ЭТХПТ осуществляется в ПТС. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
а  
 
 
 
 
 
б 
Рис. 1. Общий вид топки котла БКЗ-75 (а) и ПТС (б): 1 – амбразуры для установки пыле-
угольных горелок, 2 – сечение поворотной камеры котла 
 
Рассмотрим  процесс  ЭТХПТ  на  примере  оснащенного  вихревой  ПТС  котла  БКЗ-75 
Шахтинской ТЭЦ (рис. 1). Четыре горелки установлены по две с фронта и с тыла в один ярус 
(рис. 1 а). В котле сжигается каменный уголь зольностью 30 % с расходом через горелку (или 
ПТС) 3200 кг/ч. Расход первичного воздуха через горелку – 6400 кг/ч, мощность плазмотро-
на – 200 кВт и длина ПТС (рис. 1 б) – 2,3 м. Численное моделирование процесса ЭТХПТ в 
ПТС  выполнено  с  помощью  одномерной  математической  модели Plasma-Coal. Результаты 
расчетов  по  модели  позволили  определить  геометрические  размеры  ПТС,  необходимую 
мощность плазмотрона, температуру, скорость и состав продуктов ЭТХПТ (табл. 1). Они ис-
пользовались в качестве начальных условий для трехмерного численного моделирования го-
рения ВДТ в топке котла БКЗ-75 с использованием программы CinarICE. Результаты 3D мо-
делирования  показали,  что  приработающих  ПТС  воспламенение  пылеугольного  факела  на-

The 9
th
 International Conference «Modern  
achievements of physics and fundamental physical education»  
 
October , 12-14, 2016, Kazakhstan, Almaty 
______________________________________________________________________________________________________
 
 
156 
чинается раньше, фронт горения смещается к месту установки ПТС в топке котла, что при-
водит к снижению температуры отходящих газов, концентрации в них оксидов азота и мех-
недожога  топлива,  по  сравнению  с  традиционным  режимом  сжигания  угля  без  плазменной 
активации горения. По результатам моделирования котла БКЗ-75 выполнен проект его осна-
щения ПТС для безмазутной растопки и стабилизации горения пылеугольного факела. 
Котел ЦКТИ-75 Усть-Каменогорской ТЭЦ оснащен тремя основными турбулентными 
пылеугольными горелками и двумя растопочными муфельными горелками, в которые были 
встроены ПТС. На котле сжигался Кузнецкий каменный уголь зольностью 17,7 % и теплотой 
сгорания 4878 ккал/кг. Расход угольной пыли через каждую ПТС составлял 1,5 т/ч, а первич-
ного  воздуха – 2,6 т/ч.  Расход  угольной  пыли  через  основные  горелки  составлял 11,5 т/ч. 
Мощность плазмотрона варьировалась от 60 до 70 кВт, а его тепловой КПД составлял 85–86 
%. Температура факела ВДТ на выходе из ПТС изменялась в интервале 1040-1240
О
С. Отно-
сительные  энергозатраты на плазмотрон составляли 0,5 – 0,7 % от тепловой  мощности му-
фельной горелки, концентрация NOx на выходе из ПТС не превышала 20 мг/нм
3
 при выходе 
синтез-газа (СО+Н
2
) более 60 %. Через 35 мин. работы плазмотрона был достигнут стацио-
нарный тепловой режим муфельной горелки, после чего плазмотроны были отключены и го-
рение  факелов  поддерживалось  разогретыми  муфелями.  Длина  факелов,  выходящих  из  му-
фельных горелок достигала 3 м. Безмазутная растопка котла продолжалась 3,25 ч, после чего 
котел был подключен к главному паропроводу ТЭЦ. 
Таблица 1 - Состав продуктов ЭТХПТ 
Состав газовой фазы (об.% и кг/ч) 
A
C
, 
кг/ч
 
C
C
, 
кг/ч
 
H
2 
CO CH
4
 
C
6
H
6
 CO
2
 
H
2
O N
2
O
2
14.2 18.4 0.3 0.6 6.8 2.9 56.4 0.3 
1123.2 816.0 
88.5 1599.0 14.0  133.8 931.2 162.8  4911  31.0 
Температура газа (
О
С) 
Температура частиц (
О
С)  
Скорость потока (м/с) 
1000 1000 189.4 
Котел БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3 оборудован четырьмя блоками двухъярусных ще-
левых пылеугольных горелок. Расход Экибастузского угля зольностью 45 % и теплотой сго-
рания 3800 ккал/кг составлял 4 т/ч через каждую горелку. Две ПТС с плазмотронами мощно-
стью 120-140 кВт были установлены в нижнем ярусе горелок по диагонали. Воспламенение 
факелов в топке наблюдалось через 2-3 секунды после подачи угольной пыли с расходом до 
3  т/ч  через каждую  ПТС.  Температура  пылеугольного  факела  на  выходе  из  ПТС  достигала 
1200-1300 
о
С, а его длина - 5-6 м. При этих параметрах наблюдалось образование ядра факе-
ла  ярко  желтого  цвета  в  центре  топки.  Через 3,5 часа  от  начала  растопки  параметры  котла 
достигли  рабочих  значений,  и  он  был  подключен  к  главному  паропроводу.  Относительные 
затраты электроэнергии на плазмотроны составили менее 1,4 %.  
Котел БКЗ-420 паропроизводительностью 420 т/ч Алматинской ТЭЦ-2 оснащен 6 пы-
леугольными вихревыми горелками. Двухпоточные как по первичному, так и по вторичному 
воздуху горелки расположены с фронта котла в два яруса. Номинальный расход Экибастуз-
ского угля зольностью 40 % и теплотой сгорания 4000 ккал/кг составляет 11 т/ч через горел-
ку. 3 ПТС устанавливались треугольником вверх вместо основных горелок. 
Был получен устойчивый пылеугольный факел от ПТС в холодной топке. По достиже-
нию необходимой концентрации пыли в аэросмеси наблюдалось воспламенение пылеуголь-
ного факела на выходе из ПТС. Сразу после воспламенения измеренная температура факелов 
составляла 700-800 
0
С,  повышаясь  до 1050-1070
0
С.  В  начале  воспламенения  наблюдались 
пульсации горящих факелов в топке, стабилизирующихся по мере ее прогрева и подачи 30-
40 % вторичного воздуха на горелки № 2, 4, 6. Скорость повышения температуры горячего 
воздуха  составляла  около 1,5 град./мин,  что  соответствует  таковой  при  мазутной  растоп-
ке.Моделирование  и  испытания  ПТС  на  действующих  пылеугольных  котлах  ТЭС  подтвер-

9-ші Халықаралық ғылыми конференция «Физиканың заманауи жетістіктері  
Алматы, Қазақстан, 12-14 қазан,2016 
жəне іргелі физикалық білім беру» 
______________________________________________________________________________________________________ 
 
157 
дили  техническую  реализуемость,  экологическую  и  энергетическую  эффективность  безма-
зутной  растопки  котлов  и  стабилизации  горения  пылеугольного  факела  с  использованием 
ПТС. 
Благодарности 
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Рос-
сийской Федерации по Соглашению о субсидии № 14.613.21.0005 (уникальный идентифика-
тор  проекта RFMEFI61314X0005) и  Министерства  образования  и  науки  Республики  Казах-
стан (3078/ГФ4 и 3483/ГФ4). 
 
 
 
 
 
INFRARED SPECTROSCOPY OF ETHANOL FORMED BY ITS 
RECONDENSATION FROM NITROGEN CRYOMATRIX 
 
A. Aldiyarov, B. Rakhat, A. Baurzhan 
 
Al-Farabi Kazakh National University, Thermal physics and technical physics 
 
The unique properties have long solid ethanol they are the object of scientific attention commands 
from different countries. Without paying deep attention on such groups' studies, we go on the main 
articles.At the same time, we note that most of the work were conducted 20-30 years ago devoted to 
the study of solid ethanol are obtained by ultra-rapid cooling(quenching) of the liquid phase. This 
fact was noted by us earlier and provided us the impetus for comprehensive studies of the properties 
of thin films of solid ethanol obtained during cryovacuum condensation from the gas phase on 
substrates with different temperatures cryoprecipitated.In recent years, the majority of our study 
consist of cryomatrix ethanol with condensing gas, in particular, ethanol condensed species with 
nitrogen. Our main objective is not to study ethanol molecules, the goal is to deeply study the 
process of building ethanol molecules cluster during the condensation with the matrix gas. The 
processes of formation and the properties of ethanol recondensates formed from the nitrogen cryo-
matrix during nitrogen evaporation were studied. The methanol molecules in the process of conden-
sation with nitrogen form matrix-isolated polyaggregates. The evaporation of the nitrogen matrix at 
35K is accompanied by the process of recondensation of ethanol from the matrix onto a substrate. 
When temperature increases, nitrogen evaporates, so the question is what properties should be 
shown when implementation of ethanol with low temperature in a nitrogen matrix.Which properties 
appear in the formation phase? 
This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Republic 
of Kazakhstan, grant ЭП5-2015.  
1. M. Oki and H. Iwamura, Bull. Chem. Soc. Jpn. 32, 950 (1959). 
2 O. Haida, H. Suga, and S. Seki, J. Chem. Termodyn. 9, 1133 (1977). 
3. А. Аldiyarov, S. Kadylbek, S. Zhumabayeva. // KazNU Bulletin. Physicsseries. №1 (48). 
2014, p. 4.
 

жүктеу/скачать 11,53 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: