Исследование электрических режимов электротехнологического газификатора

Литература

1. Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А. Анализ технологий газификация твердого топлива // Вестник Чувашского университета. 2010. № 3. С. 194-205.

2. Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А., Алексеев С.Н. Исследование возможностей использования синтез-газа для стабилизации горения факела пылеугольных котлов// Вестник Чувашского университета. 2012. № 3. С. 100-104.

3. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки / И.И Перелетов, Л.А. Бровкин, ИЮ. Розенгарт и др.; под ред. А.Д. Ключникова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 336 с.

4. Методические указания по определению распределения энергии в ваннах печей химической электротермии / Г.М. Жилов, З.А. Валькова и др. Л.: ЛенНИИГипрохим, 1985. 46 с.

5. Мизин В.Г., Серов Г.В. Углеродистые восстановители для ферросплавов. М.: Металлургия, 1976. 272 с.

6. Тарасов В.А., Ковалев В.Г., Лоскутов В.И. Газификация твердых видов топлива с применением электронагрева // Вестник Чувашского университета. 2007. № 2. С. 170-178.

7. Толстогузов Н.В. Теоретические основы восстановления кремния: учеб. пособие. Новокузнецк: Кузбас. политехи. ин-т, 1990. 100 с.

8. Электротермические процессы химической технологии / под ред. В.А. Ершова. Л.: Химия, 1984. 464 с.

АФАНАСЬЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ. См. с. 169.

КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ - кандидат технических наук, профессор, декан факультета энергетики и электротехники, заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (espp21@mail.ru).

KOVALEV VLADIMIR GENNADYEVICH - candidate of technical sciences, professor, dean of Energy and Electrical Engineering faculty, head of Industrial Power Supply Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (Vladimir_tarasov@inbox.ru).

TARASOV VLADIMIR ALEXANDROVICH - candidate of technical sciences, associate professor of Thermal Power Plants Chair, Chuvash state University, Russia, Cheboksary.

УДК 621.365, 534.22 ББК 31.35

В.В. АФАНАСЬЕВ, В.Г. КОВАЛЕВ,

В.А. ТАРАСОВ, В.В. ТАРАСОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ГАЗИФИКАТОРА

Ключевые слова: электротермическая газификация, электрические режимы, статистическая обработка данных.

Рассмотрены электрические режимы экспериментальной установки для исследования процессов электротермической газификации твердых видов топлива. Проведена статистическая обработка параметров электрического режима.

V.V. AFANASYEV, V.G. KOVALEV, V.A. TARASOV, V.V. TARASOVA INVESTIGATION OF THE ELECTRICAL MODES OF ELECTROTECHNOLOGICAL GASIFIER

Key words: electrothermal gasification, power modes, the statistical treatment of the data.

Considered electric modes of the experimental setup for the study ofprocesses in electrogasification of solid fuels. Statistical processing parameters of the electric mode.

Для исследования электрических режимов при термоэлектрической газификации твердого топлива и углевосстановительных процессах были проведены серии экспериментов по газификации измельченного каменного угля в одноэлектродной

печи постоянного тока. Для образования расплавленного шлака в рабочее пространство электрошлакового газификатора добавляли применяемый при электрошлаковом переплаве флюс АНФ-6, содержащий 70% СаР2 и 30% А1203. В качестве газифицирующего агента использовался воздух, который нагнетался компрессором. Для исследования возможности протекания углевосстановительных процессов в ванну добавлялся кварцевый песок. В экспериментах фиксировались ток электрода, напряжение на ванне и напряжение на выводах источника питания, в качестве которого использовался сварочный выпрямитель ВД-306 с падающей характеристикой.

В электродных установках для проведения восстановительных процессов напряжение между электродом и подиной (полезное фазное напряжение) исходя из теории подобия [4, 5] определяется по формуле

Цпол.ф = СРП ,

где Рэ - активная мощность ванны, приходящаяся на один электрод; С - электротех-нологический параметр, зависящий от вида технологического процесса и определяющий взаимосвязь между основными электрическими и геометрическими параметрами печи; п - показатель степени, зависящий от характера протекающих в рабочем пространстве процессов [5]. Для установок, в которых основное выделение тепловой энергии происходит за счет растекания электрического тока по твердым и

жидким материалам ванн по данным [4, 5], показатель степени п равен 1/3.

Ток электрода

р

I э =-^-

э и

пол.ф

R =

Активное фазное сопротивление ванны

{п

I,

Из выражений (1-3) следует, что

С2

R =----.

рп 4 '

э

Технологический параметр С для действующих печей находится путем статической обработки данных по электрическим режимам. Технологический параметр С может быть также определен по параметрам, характеризующим работу электрода и свойства шихтовых материалов [2].

Использование технологического параметра С, определенного на «образцовых» печах, возможно лишь при значениях плотности тока в электродах проектируемой печи и удельного сопротивления шихтовых материалов, примерно равных этим значениям для «образцовых» печей. Для вновь создаваемых установок и новых технологических процессов параметр С и другие характеристики электротехнологических режимов нужно определять физическим и математическим моделированием.

При обработке результатов исследования электрических режимов экспериментальной установки технологический параметр С определялся по измеренным току электрода и напряжению на ванне

2

С = ^.

13

Были исследованы режимы резистивного нагрева измельченного углеродистого материала с добавлением измельченного флюса, когда при расплавлении флюса в реакционной зоне образовывалась смесь расплавленного шлака и измельченного угля, а также режим электрошлакового нагрева.

При резистивном нагреве измельченного углеродистого материала электрический режим характеризовался существенными колебаниями тока и напряжения на ванне, при добавлении флюса в реакционной зоне образовывалась смесь расплавленного шлака и измельченного угля, электрический режим несколько стабилизировался. В этом режиме в реакционной зоне ванны образовывался слой расплавленного шлака, по которому происходило растекание тока, вызывающее нагрев шлака до высокой температуры, которая превышает температуру расплавления стали, о чем свидетельствуют оплавление стального конца электрода. Поскольку удельная проводимость расплавленного шлака выше удельной проводимости углеродистых материалов, при расплавлении флюса активное сопротивление ванны снижалось. Образование сплошного слоя шлака вызывало существенное уменьшение активного сопротивления ванны, особенно при нахождении рабочего конца электрода в слое шлака.

При исследовании процесса полукоксования каменного угля через 7 мин начиналось выделение газа, содержащего метан, который фиксировался датчиком. Активное сопротивление ванны по мере нагрева снижалось вследствие увеличения удельной проводимости угля по мере нагрева и полукоксования. При исследовании процесса газификации полукокса через 20-25 мин начиналось интенсивное выделение синтез-газа, который воспламенялся при выходе из слоя углеродистого материала и на верхнем конце полого электрода.

Для исследования возможности протекания углевосстановительных процессов через 40 мин после начала нагрева добавлялся кварцевый песок, при этом резко возрастало активное сопротивление ванны, через 5 мин после добавления песка вблизи электрода начиналось интенсивное выделение синтез-газа, который воспламенялся при выходе из слоя углеродистого материала, что свидетельствует о протекании процессов восстановления кремния.

При окончании газификации углеродистого материала с добавлением кварцевого песка в ванне образовывался характерный для процессов производства углеродистых ферросплавов тигель (рис. 1).

В нижней части ванны при этом имелась шлакокарбидная настыль, характерная для процессов производства углеродистых ферросплавов (рис. 2).

1

Рис. 1. Тигель,

Рис. 2. Шлакокарбидная настыль,

образовавшийся при проведении газификации образовавшаяся при проведении газификации

с добавлением кварцевого песка

с добавлением кварцевого песка

По литературным данным [4], реакционные тигли и шлакокарбидные настыли имеются в ваннах печей для производства ферросилиция и кремния (рис. 3).

Поскольку электрические режимы при нагреве, газификации и восстановительных процессах характеризовались колебаниями тока и напряжения на ванне, электротех-нологический газификатор следует рассматривать как стохастический объект. Поэтому была проведена статистическая обработка результатов экспериментального исследования электрических режимов работы печи постоянного тока при нагреве, полукоксовании и

Рис. 3. Структура ванны печи для производства ферросилиция и кремния:

1 - гарнисаж; 2 - исходная шихта; 3 - горячая шихта; 4 - размягченная шихта; 5 - зона восстановления;

6 - металлокарбидная настыль;

7 - подэлектродная полость; 8 - расплав

газификации с протеканием углевосстановительных процессов с помощью интегрированной системы STATISTICA, предназначенной для комплексного статистического анализа и обработки данных в среде программы Windows [3].

Для технологического параметра С и активного сопротивления ванны R определены такие основные характеристики, как: mean - среднее значение; varianse - дисперсия; Std. Dev - стандартное отклонение.

При регрессионном анализе исследовалась взаимосвязь между технологическим параметром С и активным сопротивление ванны. Были определены: коэффициент

множественной корреляции; коэффициент детерминации; скорректированный коэффициент множественной корреляции; скорректированный коэффициент детерминации, а также свободный член уравнения; стандартная ошибка свободного члена уравнения; вероятность нулевой гипотезы для свободного члена уравнения; коэффициенты уравнения регрессии.

Результаты статистического анализа показали, что при добавлении кварцевого песка технологический параметр С и активное сопротивление ванны R существенно выше, чем при резистивном нагреве и газификации со шлаком, что объясняется изменением структуры ванны при протекании углевосстановительных процессов и образованием реакционного тигля и шлакокарбидной настыли.

Регрессионный анализ показывает, что корреляция между активным сопротивлением ванны R и технологическим параметром C высокая, взаимосвязь между этими величинами описывается выражением

R = a + bC2.

Уравнения регрессии имеют вид:

Начало газификации угля с добавлением песка

R = 0,061479 + 0,048249С2.

Это уравнение объясняет 65,3% испытаний.

Продолжение газификации угля с добавлением песка R = 0,034887 + 0,060405С2.

Это уравнение объясняет 65,2% испытаний.

Окончание газификации угля с добавлением песка R = 0,0095864 + 0,088862С2.

Это уравнение объясняет 97,1% испытаний.

Резистивный нагрев и газификация с шлаком

R = 0,012448 + 0,073246С2.

Это уравнение объясняет 95,1% испытаний.

На рис. 4 приведены зависимости активного сопротивления ванны от технологического параметра, построенные по уравнениям регрессии, а также теоретическая зависимость по формуле (4).

Экспериментальные исследования процессов электротермической газификации позволяют определять основные электрические параметры одноэлектродной установки термоэлектрической газификации мощностью до 150 кВт при работе в шлаковом режиме (рис. 5).

Таблица 1

Результаты статистической обработки результатов экспериментального исследования различных режимов работы печи постоянного тока

Параметры Газификация угля с добавлением песка Резистивный нагрев и газификация угля со шлаком

начало | продолжение | окончание

Сопротивление ванны

Среднее значение 0,23257 0,327 0,4827 0,1593

Дисперсия 0,0024 0,0041 0,0228 0,0109

Стандартное отклонение 0,043 0,064 0,151 0,1043

Технологический параметр С

Среднее значение 1,872 2,194 2,3 1,314

Дисперсия 0,0485 0,039 0,126 0,291

Стандартное отклонение 0,220 0,198 0,355 0,539

Таблица 2

Результаты регрессионного анализа результатов экспериментального исследования электрических режимов работы печи постоянного тока

Параметры Газификация угля с добавлением песка Резистивный нагрев и газификация угля со шлаком

начало продолжение окончание

Коэффициент множественной корреляции 0,808 0,8076 0,9854 0,975

Коэффициент детерминации 0,6528 0,6523 0,971 0,951

Скорректированный коэффициент детерминации 0,5834 0,565 0,967 0,948

Свободный член уравнения регрессии 0,061479 0,034887 0,009586 0,012448

Коэффициент уравнения регрессии 0,048 0,0604 0,08886 0,0732

Вероятность нулевой гипотезы для свободного члена уравнения 0,3305 0,7634 0,0218 0,18

Я, Ом 0,38 0,36 0,34 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0

\У

1 , V’

'"2 у /

• > •У 3 /

•У г <

* 4-у

ё *

✓

1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3

С, В/Вт1'

и, В Л102, А 60

50

Рис. 4. Зависимости активного сопротивления ванны от технологического параметра:

1 - теоретическая зависимость; 2 - начало газификации угля с добавлением песка;

3 - продолжение газификации угля с добавлением песка; 4 - резистивный нагрев и газификация с шлаком

Рис. 5. Зависимости полезного фазного напряжения, тока электрода и активного сопротивления ванны от активной мощности

При заданной тепловой мощности сгорания синтез-газа Ж-секундный расход газифицируемого твердого топлива О определяется из выражения

О = -^—,

ЄрЧ

где О - рабочая низшая теплота сгорания генераторного газа; уг - удельный выход газа, зависящий от технологии газификации [2].

По определенному из энергетического баланса удельному расходу электроэнергии ^эл и расходу твердого топлива О определяется активная мощность установки

Nw

р = ^гуэл

ОХ

Мощность, приходящая на один электрод:

а I эл

эа

где т - число электродов; ^эл - электрический КПД.

Полезное фазное напряжение электрод-подина

ир = СР%.

Энергетический потенциал синтез-газа Qg определяется как произведение низшей теплоты сгорания газа на удельный выход газа

ш=&г.

В табл. 3 приведены показатели газификации каменного угля в соответствии с известными автотермическими технологиями без пропускания электрического тока через электрошлаковый расплав и расчетные показатели термоэлектрической газификации в электродных установках.

Таблица 3

Показатели различных технологий газификации каменного угля

т

Показатели Способ газификации

автотермический (а. с. 1333686) [61 автотермический (патент 2422538)[11 парокислородный термоэлектрический

Расход уголь, т/ч 19,77 24,332 14,8

кислород, тыс. мз/ч 16,475 14,434 5,25

пар, т/ч 0,44 - 6,12

Выход синтез-газ, тыс. м3/ч 35,15 37,116 32,28

Содержание в синтез-газе оксида углерода и водорода, % объемные 90 79 98

Низшая теплота сгорания синтез-газа, МДж/м 10,242 9,7 11,54

Энергетический потенциал полученного в течение часа синтез-газа, ГДж 360 360 360

Из табл. 3 следует, что при термоэлектрической газификации твердое топливо и кислород используются более эффективно, чем при автотермической газификации, синтез-газ имеет более высокое содержание оксида углерода и водорода и более высокую теплоту сгорания.

В табл. 4, 5 приведены основные характеристики процессов термоэлектрической газификации каменного и бурого угля и электрические параметры электротермических установок, обеспечивающие получение синтез-газа с энергетическим потенциалом 360 ГДж.

Таблица 4

Основные характеристики процессов различных технологий термоэлектрической газификации каменного угля

Характеристики Технология газификации

парокислородная паровая кислородная

Расход твердого топлива, т/ч 14,8 12,37 19,98

Расход пара, т/ч 6,12 10,1 -

Расход кислорода, тыс. м3 /ч 5,25 - 14,44

Удельный расход электроэнергии, МДж/кг 2,356 7,23 0,23

Активная мощность, МВт 9,7 24,84 1,28

Ток электрода, кА 23,5 44 6,1

Выход генераторного газа, нм3/ч 31 200 31 200 31 200

Теплота сгорания газа, МДж/нм 3 11,54 11,54 11,54

Выход шлака, кг/ч 2200 1840 2970

Выход металлического сплава, кг/ч 330 275 400

Таблица 5

Основные характеристики процессов термоэлектрической газификации бурого угля

Характеристики Технология газификации

парокислородная паровая кислородная

Расход твердого топлива, т/ч 24,61 20,74 30,95

Расход пара, т/ч 5,27 8,73 -

Расход кислорода, тыс.м3/ч 4,53 - 7,99

Удельный расход электроэнергии, МДж/кг 2,83 5,08 0,1

Активная мощность, МВт 19,34 42 0,847

Ток электрода, кА 38,56 64,6 4,8

Выход генераторного газа, нм3/ч 31 200 31 200 31 200

Теплота сгорания газа, МДж/нм 3 11,54 11,54 11,54

Выход шлака, кг/ч 1796 1510 2225

Выход металлического сплава, кг/ч 270 230 335

Выводы. Исследованы процессы термоэлектрической газификации твердого топлива в лабораторной электропечи постоянного тока, определены параметры электро-технологических режимов. Проведена статистическая обработка экспериментальных данных по электрическим режимам. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований определены основные характеристики процессов термоэлектрической газификации твердых топлив и рассчитаны электрические режимы работы электротермических установок для переработки твердых топлив.

Литература

1. А.с. 1333686 СССР, С 10 I 3/08. Способ получения горючих газов из угля / В.А. Рома-нец, А.Б. Усачев, В.С. Валавин, В.Р. Гребенников. № 3926261/23-26; заявл. 10.07.1985; опубл. 30.08.1987, Бюл. № 32.

2. Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А. Определение параметров электрического режима установок электрошлаковой газификации // Вестник Чувашского университета. 2012. № 3. С. 93-100.

3. БоровиковВ.П. Популярное введение в систему БТАТІВТІСА. М.: Компьютер Пресс, 1998.

4. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. М.: Металлургия, 1988. 784 с.

5. Данцис Я.Б. Методы электротехнических расчетов мощных электропечей. Л.: Энерго-издат, 1982. 232 с.

6. Пат. 2422538 РФ, МПК С21В 13/00 (2006.01), С10І 3/00 (2006.01). Способ металлургической многоцелевой газификации твердого топлива / Баласанов А.В., Усачев А.Б., Роме-нец В.А. и др.; патентообладатель Ин-т тепловых металлургических агрегатов и технологий “Стальпроект”, Московский ин-т стали и сплавов. № 2009122960/02; заявл. 17.06.2009; опубл. 27.12.2010, Бюл. № 18.

АФАНАСЬЕВ ВЛАДИМИР ВАСИЛЬЕВИЧ. См. с. 169.

КОВАЛЕВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ. См. с. 177.

ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ. См. с. 177.

ТАРАСОВА ВАЛЕНТИНА ВЛАДИМИРОВНА - аспирантка кафедры теплоэнергетических установок, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (charming_cerl@rambler. ru).

TARASOVA VALENTINA VLADIMIROVNA - post-graduate student of Thermal Power Plants Chair, Chuvash state University, Russia, Cheboksary.

УДК 537.311.3, 537.622, 535.24.2, 538.945, 539.2 ББК 31.2

В.В. КАЗАКОВ, О.В. КАЗАКОВ, Г.А. НЕМЦЕВ

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВЕРХРЕШЕТОК ДАЛЬНЕГО ПОРЯДКА В ФОЛЬГОВЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБМОТКАХ

Ключевые слова: сверхрешетка, многослойные проводники, многослойные ферромагнетики, иерархические доменные группировки, магнитная проницаемость, гистерезис, магнитные группировки электронов, высокотемпературная гиперпроводимость, стержни-обмотки.

Представлены результаты исследований, в ходе которых авторами были обнаружены эффекты: структурная упорядоченность спонтанной намагниченности слоистых ферромагнетиков с толщиной слоев более 50 мкм и толщиной неферромагнитных прослоек более 4 мкм, имеющая вид магнитных сверхрешеток, а также гиперпроводимость слоистых ферромагнетиков, наблюдаемая при изменении температуры вплоть до температур Кюри этих сверхрешеток. Эксперименты проводились над стержнями-обмотками, основным активным элементом разработанного авторами сверхкомпактного силового трансформатора. Эксперименты подтвердили теоретические дополнения авторов к теориям ферромагнетиков и электропроводности. Эффекты применимы при разработке ферромагнитных сердечников с повышенной магнитной проницаемостью и без гистерезисных потерь, а также при разработке гиперпроводящих обмоток, проводов, кабелей и проводников печатных плат, работающих при температурах свыше 300°C.

V.V. KAZAKOV, O.V. KAZAKOV, G.A. NEMZEV RESEARCH OF MAGNETIC SUPERLATTICES OF A DISTANT ORDER IN THE FERROMAGNETIC FOIL WINDINGS

Key words: superlattice, multilayered conductors, multilayered ferromagnetic materials, hysteresis, hierarchical domain groupings, magnetic permeability, a magnetic groupings of electrons, high-temperature hyperconductivity, cores-windings.

In article the results of researches during which by authors had been found out an effects: the structure of the magnetic superlattices at spontaneous magnetization of the layered ferromagnetic metals having thickness of layers more than 50 microns and thickness of not ferromagnetic layers more than 4 microns, and the effect of hyperconductivity of the layered ferromagnetic metals which observed at the range of the temperature up to the Curie temperatures of these superlattices. Experiments were spent with the cores-windings, which are the basic active elements of the super compact power transformer designed by authors. Experiments have confirmed theoretical additions of authors to theories of the ferromagnetic materials and of the electrical conductivity. Effects may be applied at design of ferromagnetic cores with the raised magnetic permeability and without hysteresis losses, and at design of the hyperconducting windings, wires, cables and conductors of the printed-circuit-boards working at temperatures above than 300°C.

До настоящего времени было изучено единственное свойство слоистых ферромагнитных и антиферромагнитных материалов - высокое удельное электрическое сопротивление поперек плоскостям слоев этих материалов, возникающее под влиянием спонтанной намагниченности, значение которой в каждом слое материала соответствует намаг-