Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СЖИГАНИЯ УГЛЯ, ПОДВЕРГНУТОГО МЕХАНИЧЕСКОЙ И ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а более конкретно к способу сжигания угля, и может быть использовано в других областях промышленности, например, в устройствах по переработке угля в другие виды топлива.

Известен двухступенчатый способ плазмотермической подготовки кускового топлива к сжиганию и установка для его осуществления [патент RU 2366861, F23K 1/04, Н05Н 1/32, C10J 3/18, 2009 г.], предусматривающий подачу на первой ступени угольной пыли через поток низкотемпературной плазмы, сформированной вращающейся электрической дугой в поперечном сечении плазменного реактора, и последующее смешение на второй ступени пылевидного с основным потоком топлива и газифицирующим агентом, в результате реакции которых получают синтез-газ, используемый на второй ступени путем его сжигания в муфеле для газификации основного потока топлива, в качестве которого используют кусковое топливо, частично газифицированное в муфеле, оно затем забрасывается в горячем состоянии в котельный агрегат для дальнейшего дожигания.

К недостатку данного способа можно отнести то, что он весьма сложен в реализации, малоэффективен и ненадежен в процессе эксплуатации. Перемещение горячего, частично газифицированного, нагретого топлива из муфеля в котельный агрегат не только экономически неоправданно, но и весьма проблематично в процессе его реализации, не говоря уже о его надежности и простоты в процессе эксплуатации. В процессе его заброса в котельный агрегат, он не только будет спекаться и коагулироваться, но и существенно охлаждаться, что неминуемо приведет к снижению скорости сжигания.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ плазменно-угольной растопки пылеугольного котла и стабилизации горения факела в нем [патент US 5156100 A, F23C 1/04, F23D 1/00, F23Q 13/00, F23N 1/02, 1992 г.], включающий подачу в первую ступень камеры термохимической подготовки (ТХП) части потока пылеугольной аэросмеси, поступающей в данную горелку, генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подачу струи плазмы на входе в первую ступень камеры ТХП и воспламенение аэросмеси плазмой, получение топливной смеси в первой ступени камеры ТХП в результате горения части угля и нагрева аэросмеси до выхода из угля летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка, подачу полученной топливной смеси во вторую ступень камеры ТХП, подачу во вторую ступень камеры ТХП второй части аэросмеси и ее воспламенение топливной смесью, полученной в первой ступени камеры ТХП, нагрев этой второй аэросмеси до выхода летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка вследствие частичного горения угля, получение в результате этого топливной смеси из всей подаваемой в данную горелку аэросмеси, подачу полученной топливной смеси из плазменно-угольной горелки в топку котла, подачу вторичного воздуха из этой горелки в топку с образованием горячего факела, при этом во вторую ступень камеры ТХП подают аэросмесь с таким содержанием кислорода, чтобы в смеси с газами из первой ступени камеры ТХП его концентрация была в пределах 8-10%, что (по мнению автора) устраняет шлакование второй ступени камеры ТХП и обеспечивает надежную и безостановочную растопку котла и подсветку факела без использования второго вида топлива.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что реализовать поддержание требующейся концентрации кислорода в аэросмеси (8-10%) с газами, уходящими из второй ступени камеры ТХП, практически невозможно, ввиду многочисленных факторов, влияющих на данный процесс, например из-за непредсказуемости содержания влаги и самого кислорода в воздушном потоке, как и непостоянство этих составляющих в самом топливе. К тому же подача топлива в первую ступень без какой-либо предварительной подготовки делает сам процесс его поджига экономически невыгодным и весьма затратным, и неустойчивым.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков ранее известных способов.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в создании нового более эффективного и надежного способа с улучшенными технико-экологическими и эксплуатационными показателями.

Указанный технический результат достигается с помощью известного способа, включающего механическую активацию, воспламенение и сжигание угля.

Согласно изобретению, указанный технический результат достигается за счет предварительной механической и плазменной обработки угля, осуществляемой с помощью дезинтегратора и двух плазмотронов, а также за счет полного использования теплоты сгорания угля микропомола в двухступенчатом процессе его сжигания.

Уголь предварительно дробят и разделяют в зависимости от теплотворной способности, зольности, влажности и других энергетических характеристик на мелкодисперсную и крупнодисперсную фракции.

Мелкодисперсную фракцию используют для приготовления угля микропомола, для чего ее направляют в дезинтегратор для активации и доводки тонины до размера частиц зерна 40 мкм и менее, а затем полученный уголь микропомола вводят в первую газификационную ступень и воспламеняют с помощью стартового воздушного плазмотрона.

Крупнодисперсную фракцию угля, продукты сгорания угля микропомола из первой газификационной ступени и воздух одновременно вводят во вторую газификационную ступень, где полученную пылеугольную смесь воспламеняют с помощью продуктов сгорания угля микропомола, используя теплоту сгорания угля микропомола.

Эффективность процесса газификации и сжигания пылеугольной смеси во второй газификационной ступени обеспечивают за счет импульсного включения дополнительного управляющего плазмотрона с регулируемым источником питания, в котором в качестве плазмообразующего газа используют пары воды. Сигналом для включения плазмотрона являются показания оптического газоанализатора.

Указанный технический эффект достигается также тем, что уголь микропомола из дезинтегратора за счет инжекции вводят в первую газификационную ступень по касательной к ее оси в направлении, противоположном направлению впрыска плазменной струи из стартового воздушного плазмотрона.

Указанный технический эффект достигается также тем, что продукты сгорания из первой газификационной ступени, крупнодисперсную фракцию угля и воздух вводят во вторую газификационную ступень по касательной к ее продольной оси и в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси второй газификационной ступени, в то время как впрыск в нее плазменной струи из дополнительного управляющего плазмотрона осуществляют вдоль продольной оси второй газификационной ступени, перпендикулярно плоскости ввода пылеугольной смеси, в направлении, совпадающем с направлением осевого перемещения пылеугольной смеси внутри второй газификационной ступени.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображены первая 1 и вторая 2 газификационные ступени и вводы угля, мелкодисперсной фракции угля 3, крупнодисперсной фракции угля 4, воздуха 5, вывод продуктов сгорания пылеугольной смеси 6, а также впрыск плазменных струй из стартового 7 и управляющего плазмотронов 8 внутрь газификационных ступеней.

Сведения, подтверждающие возможность о существование заявленного изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.

Уголь, предназначенный для сжигания, подготавливают на первом этапе обычным известным способом, а затем дробят его, преимущественно, с помощью двухступенчатой шаровой мельницы и разделяют на две части: мелкодисперсную и крупнодисперсную фракции. Разделение на фракции осуществляют в зависимости от теплотворной способности, зольности, влажности и других энергетических характеристик угля, например, в соотношении 1:10 или 5:10. После разделения мелкодисперсную фракцию угля направляют в накопительный бункер дезинтегратора, а крупнодисперсную фракцию угля в раздаточный бункер для прямого сжигания. В дезинтеграторе, который устанавливают непосредственно вблизи первой газификационной ступени, мелкодисперсную фракцию угля подвергают механоактивации и доводят ее тонину до размера частиц зерна не более 40 мкм, а затем инжектируют в первую газификационную ступень. При этом ввод полученного угля микропомола осуществляют по касательной к продольной оси первой газификационной ступени, т.е. тангенциально. Такой ввод угля микропомола и направленный встречный тангенциальный впрыск плазменной струи из стартового воздушного плазмотрона гарантирует эффективность и надежность безаварийного воспламенения угля микропомола внутри первой газификационной ступени.

Основной поток, крупнодисперсную фракцию угля, направляют в раздаточный бункер, а затем тангенциально вводят с воздушным потоком во вторую газификационную ступень, точнее в ее вихревой смеситель, куда одновременно тангенциально вводят также продукты сгорания угля микропомола из первой газификационной ступени. Причем ввод всех перечисленных компонентов пылеугольной смеси осуществляют в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси второй газификационной ступени. Это способствует их интенсивному перемешиванию и образованию устойчивого вихря внутри смесителя второй газификационной ступени. Продукты сгорания угля микропомола и крупнодисперсная фракция угля с воздухом (пылеугольная смесь) движутся как поступательно вдоль продольной оси второй газификационной ступени, так и вращательно относительно вышеуказанной продольной оси. Следует особо отметить, что уголь микропомола по своим свойствам горения приближается к газу и его сгорание в первой газификационной ступени происходит практически мгновенно, т.е. в диффузионном режиме горения при максимальной для данной марки угля температуре и с полной отдачей теплотворной способности. Под воздействием высокой температуры и при интенсивном перемешивании пылеугольная смесь во второй газификационной ступени быстро прогревается и воспламеняется, поглощая полностью всю теплоту сгорания угля микропомола. При этом в процессе газификации и горения основной крупнодисперсной фракции угля присутствуют как экзотермические реакции, так и эндотермические реакции в образующихся газах. Однако их появление, протекание не всегда можно «просчитать» даже теоретически, не говоря уже о составлении эксплуатационной технологической карты. Если сгорание угля микропомола в первой газификационной ступени происходит практически мгновенно и в диффузионном режиме горения, то сгорание крупнодисперсной фракции угля во второй ступени происходит более плавно и в основном в кинетическом режиме горения. Это накладывает ряд дополнительных условий для организации ее успешного сгорания, особенно при сжигании низкосортного угля с большим содержанием влаги, зольности и малой плотностью горючих. Так, при сжигании концентрации горючих компонентов ниже предела, при котором возможен автотермический режим, необходимы дополнительные ресурсы и меры.

Поэтому для поддержания высокой эффективности процесса газификации и горения пылеугольной смеси во второй газификационной ступени применяют управляющий плазмотрон, в котором в качестве плазмообразующего газа используют водяной пар. Ввод высокоэнтальпийной водородно-кислородной плазмы во вторую газификационную ступень позволяет существенно увеличить скорость химических реакций, протекающих при данном процессе горения угля, а следовательно, повысить производительность и качество сжигания угля в целом. Вторым положительным моментом подключения управляющего плазмотрона является то, что с его помощью можно практически мгновенно изменять температуру и давление внутри второй газификационной ступени. Это позволяет контролировать и сжигать недожог и, как результат, существенно понизить образование оксидов азота и других экологически вредных для человека газов. А также с его помощью достаточно просто поддерживать автотермический режим сгорания пылеугольной смеси во второй газификационной ступени. Следует особенно отметить, что управляющий плазмотрон работает в основном в импульсном режиме и сигналом для его включения являются показания оптического газоанализатора, показывающие истинную (реальную) ситуацию процесса сжигания пылеугольной смеси, в том числе и во второй газификационной ступени.

Технический эффект от использования предложенного изобретения состоит в следующем. Предложенный способ был опробирован на укрупненном исследовательском стенде тепловой мощностью 5 МВт (в ИТФ СО РАН, г. Новосибирск). Используемый уголь имел следующие характеристики: влажность рабочая: W - 12,6%; зольность рабочая: А - 19,3%; выход летучих на горючую массу: V^daf - 42,9%; низшая рабочая теплота сгорания: 5015 ккал/кг.

Результаты исследований позволили выявить высокие технико-экологические показатели способа. Температура горения в первой ступени камеры достигала не менее 1600°C при коэффициенте избытка воздуха α=0,3. Процесс воспламенения и выхода на стационарный режим длился не более 100 сек, после чего реализовывался автотермический режим горения при температуре в диапазоне 1200-1400°C. Анализ газа показал, что в конце камеры реагирования происходит практически полное выгорание кислорода, а концентрация СО и Н₂ достигала 16% и 8%, соответственно, т.е. реализовывался процесс воздушной газификации.

Таким образом, данный способ позволяет повысить технико-экономические показатели процесса сжигания угольного топлива за счет предварительной механической и плазменной обработки, осуществляемой с помощью дезинтегратора и двух плазмотронов, в одном из которых в качестве плазмообразующего газа используются пары воды, а также за счет полного использования теплоты сгорания угля микропомола в двухступенчатом процессе его сжигания.