Способ подготовки пылеугольного топлива для сжигания

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к технологии сжигания углеводородных топлив, в том числе низкого качества.

Углеподготовка для больших котлов зависит от типа топлива, и сама по себе является довольно трудозатратной. На стадии подготовки к сжиганию в топках энергетических и промышленных котлов уголь подвергается измельчению и сушке.

Тонкость помола значительно влияет на производительность мельниц, а также на удельный расход электроэнергии, затраченной на размол. Если руководствоваться только этими двумя характеристиками, то следовало бы всегда работать с грубым помолом. Однако нельзя забывать, что угольная пыль нужна для организации топочного процесса, а фракционный состав этой пыли влияет на устойчивость воспламенения, экономичность сжигания, шлакование и загрязнение поверхностей нагрева, а также на степень образования токсичных оксидов азота NO_x.

Большие частицы (порядка 100 мкм) являются основным материалом для горения в факеле, они составляют 40-60% от общего количества пылеугольного топлива, приготовляемого молотковыми дробилками, которые применяются для размельчения углей в системах с прямым вдувом для мощных котлов ТЭЦ. Более крупная (200 мкм -1000 мкм) и более мелкая (< 90 мкм) фракции составляют остальное.

При размоле на первоначальный кусок угля размером менее нескольких сантиметров происходит многократное мощное воздействие поверхностями размола. Известно, что при таких нагрузках уголь проходит через процесс резкого образований щелей (например, зарождающиеся в дислокационном росте). Которые в свою очередь порождают выброс мелких частиц угля (от нанометров до 1-2 мкм).

Высокодисперсные частицы (ВД) (около 1 мкм) могут иметь два явно выраженных источника - возникающие при размоле в мельнице (переносятся первичным воздухом) и возникающие уже в самом факеле в котле в момент прогрева частиц порядка 100 мкм с выделением летучих, что характерно для бурых углей.

В угле есть также первичные минеральные примеси очень малого размера (нанометры). Именно они при прогреве выбрасываются в щели, уносятся от частицы газовыми потоками, коагулируют и начинают расти до долей микрона и более.

Наличие большого числа ВД частиц приводит к ряду проблем:

Возникновению осадка на стенках котлов (отложений) и к большей скорости роста этого осадка (фрактально - дендритный рост осадка) именно из-за больших концентраций малых частиц. Особенность таких частиц - переход в вязкое состояние при более низких температурах, чем для больших частиц, Вязкие частицы начинают играть роль склеивающей слоев при росте осадков на стенке котла, при этом уплотняют сам осадок до состояния, когда даже паровая очистка может стать малоэффективной.

Отборы проб с котла показали следующий важный результат. Отложения на стенках можно разделить на мягкие и твердые. Твердые - трудно отделимые от стенок обычными методами, выдерживают большие ударные нагрузки и твердые отложения имеют большую намагниченность. Микрозондовый анализ таких образцов показал наличие большого количества железа. Выяснено, что это смесь, состоящая в основном из окислов железа, типа магнетит.

Магнитные частицы образуются при горении угольной пылевой частицы в высокотемпературных факелах больших котлов за счет раннего выброса из такой частицы летучих, с выносом частиц с содержанием железа из тела матрицы угля. Окисление железа происходит уже в оболочке горения вокруг такой частицы в зоне поступления внешнего окислителя - кислорода.

Кроме того, частицы порядка микронов - наиболее взрывоопасная фракция.

Важной характеристикой угольной пыли является ее влажность Wпл, %. Чем больше подсушена пыль, т.е. чем меньше Wпл, тем легче воспламеняется и лучше протекает процесс горения. В процессе размола уголь подсушивается за счет теплоты горячего воздуха или топочных газов до величины, близкой к аналитической (гигроскопической) влажности топлива, т.е. влажности топлива, получаемой при подсушке до равновесного состояния в воздушной среде при температуре 20°С и относительной влажности 65±5%. Более глубокая подсушка не допускается из условий взрывобезопасности и самовозгорания пыли.

Еще одним фактором взрывоопасности является выход летучих. Чем больше выход летучих, тем больше опасность взрыва. Лишь при выходе летучих менее 8% топливо является взрывобезопасным.

Одна из задач предлагаемого изобретения предложить способ, как можно резче уменьшить выброс высокодисперсных частиц как на стадии размола, так и на стадии прогрева в факеле и, тем самым, уменьшить шлакообразование на стенках котла в особенности при работе на бурых углях.

В поставленной задаче необходимо заблокировать огромное количество микрощелей шириной в сотни нанометров, которые рождаются на частицах угля в сотни микрон размеров в процессе дробления. Поверхность между щелями обычно намного менее реакционоспособна и на ней затруднено образование выбросов и факелов горения летучих компонент из матрицы угля.

Вторая задача предлагаемого изобретения - ослабить критерии к просушке как в нижнем пределе (по взрывобезопасности, так как в способе предполагается резко уменьшить концентрацию частиц порядка микронов - наиболее взрывоопасная фракция), так и в верхнем - используя дополнительную влагу в частицах, сохраненную за счет закупорки нанощелей, Для генерации радикалов ОН в зоне факельного раскрытия «закупорок», для существенного изменения процесса горения, в первую очередь для уменьшения генерации окислов азота.

Третьей задачей предлагаемого изобретения является получение эффективного факела горения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение при его использовании эффективного сжигания пылеугольного топлива с образованием экологически более чистого высокотемпературного факела с уменьшением выбросов окислов азота, а также уменьшение пылеобразования, взрывоопасности и зашлакованности котлов.

Известен «Способ сжигания углеводородного топлива» [патент №2407947] направленный на уменьшение образования окислов азота, обеспечивающий при его использовании эффективное паросажевое горение с образованием экологически чистого высотемпературного пламени.

Недостаток способа. Данный тип горения реализуется на относительно небольших горелках, до 10-20 кВт мощности, и в основном на жидком топливе. Основной причиной, по которой его нельзя применить в больших котельных горелках является то, что обдувающая струя факела паровая «рубашка» требует ввода большого количества воды. Что для высоких КПД больших котлов неприемлемо.

Известен способ нанесения блокирующей высокотемпературной пленки на поверхность больших кусков угля (сантиметры) в сочетании с СВЧ нагревом [Способ создания термозависимой угольной пленочной оболочки патент РФ №2595344].

Однако этот метод предусматривает нанесение пленок значительных толщин - десятки и более микрон, так как рассчитывается как реактор высокого давления при СВЧ нагреве угля под пленкой.

Указанный способ может быть взят в качестве прототипа.

Общим с прототипом является идея нанесения блокирующей пленки

Указанный выше технический результат достигается в способе подготовки пылеугольного топлива для сжигания, с использованием дробления сырого угля, при этом, согласно изобретению, на этот уголь перед помолом наносят модифицированное жидкое стекло (МЖС), обладающее высоким коэффициентом смачивания поверхности угольной пыли, образующейся в процессе размола угля, причем степень заполнения пленкой поверхности частицы на выходе из мельницы должна составлять от 10% до 30% от общей поверхности этой частицы.

Основная физико-химическая задача способа - это ввести модифицированное жидкое стекло в щели приготовленной пылевой частицы. Нами показано, что это эффективнее всего можно сделать, используя два процесса. Первый - заставить пленку МЖС растекаться как можно шире по поверхности частицы угля, использую такое понятие, как угол смачивания. Для нашей задачи желательно угол смачивания иметь не более 10 градусов. Тогда это позволяет включить второй процесс - при растекании пленка МЖС касается щели, которая в силу малых размеров обладает большой капиллярной силой, и втягивает МЖС глубоко в микротрещину.

При этом на поверхности частицы угля, где нет трещин, практически не остается МЖС. То есть, при оптимальном сочетании параметров удается заполнить только трещины. При нагреве такой частицы в факеле на начальном этапе прогрева МЖС в трещине превращается в высокотемпературный гель окиси кремния, и препятствует выбросу летучих.

Если угол смачиваний МЖС и угольной поверхности большой, процесс втягивания в трещины не происходит, или он будет идти очень долго, десятки минут. Мы получили эти данные для реального угля из Бородинского разреза, который используется на ТЭЦ-5 города Новосибирска. Для условия работы котлов с прямой подачей угольной пыли в факел это недопустимо долго. Для углов меньше 10 градусов, весь процесс смачивания происходит за десятые доли секунды и менее. Такие эксперименты также были проведены для этого угля с помолом в молотковой мельнице ТЭЦ-5.

Были исследованы режимы работы молотковой и шаровой мельницы. После прогрева частиц до 200-300 градусов были определены зоны появления выделений окиси кремния. Белые выделения и полосы на фотографиях. При усреднении данных показано, что удается закрыть все щели, когда степень заполнения пленкой поверхности частицы на выходе из молотковой мельницы должна составлять от 10% до 30% от общей поверхности этой частицы.

Другими словами - надо подобрать добавки -модификаторы к ЖС такие, чтобы раствор получился смачивающий поверхность угля и нанести его с эффективной степенью заполнения от 10 и до 30% от поверхности пылевых угольных частиц. Нанесение более 30% приводит как к удорожанию способа в целом, так и появлению больших сплошных покрытий окиси кремния на всей частицы, что мешает развитию нормального процесса горения и большой степени недогорания частиц угля в пределах котла.

Пример 1 - на частицы помола бурого угля нанесли МЖС с эквивалентным заполнением 40%. При вбросе таких частиц в газовый факел малой угольной горелки частицы угля не смогли догореть на расстоянии падения в 150 см.

Пример 2 - на частицы помола бурого угля нанесли МЖС с эквивалентным заполнением 30%. При вбросе таких частиц в газовый факел малой угольной горелки частицы угля сгорели в среднем на 80-95% по органической массе.

Пример 3 - Заполнение 10%. Частицы угля догорели полностью уже на 80-100 см падения.

Модификатор должен резко уменьшать значение поверхностного натяжения ЖС, чтобы ЖС на свежей поверхности частиц затекало в основном в нанощели.

Модификаторами могут служить поверхностно - активные вещества (ПАВ) Можно использовать, например, стеарат натрия C17H35COONa - этот компонент дешев и нетоксичен. Концентрация ввода модификаторов подбирается экспериментально в модельных экспериментах с МЖС по его растеканию на поверхности данного типа угля (микроскопные измерения)

Нанесение МЖС на поверхность угольной частицы оптимально для поставленных задач, если защитная высокотемпературная пленка образуется только на указанных дефектах, стабилизируя их дальнейшее развитие и перекрывая выброс как газовых компонент через щели, так и минеральных частиц.

Капля МЖС растекается широко и БЫСТРО (в особенности необходимо для Молотковых Мельниц) по поверхности угля, повышая вероятность коснуться одной из трещин на поверхности. Как только она касается начала трещины, под действием физики капилляров и малого угла смачивания, практически вся масс МЖС этой капли втягивается в трещину чуть меняя модуль ЖС, При попадании в зону прогрева факела запускается процесс полного остекловывания внутри трещины пузырьковой фазой окиси кремния. Что и меняет режимы начала горения всей угольной частицы в факеле котла.

Ввод МЖС может уменьшить долю частиц с диаметром менее 1 мкм (аэрозолей), при оценке взрывоопасности этот размер чрезвычайно важен.

Например, добавление МЖС в количестве 200 кг на 20 тонн\час (рабочая производительность молотковой мельницы ТЭЦ-5 (Новосибирск) позволит уменьшить образование высокодисперсной фракции угольной пыли размером менее 1 мкм в 30-200 раз в зависимости от режимов ударного крошения частиц в мельнице.

При добавлении МЖС взрывоопасная фракция частиц (около 1 мкм и меньше) оказывается связанной с поверхностью крупных частиц угля и с металлическими деталями мельницы. Что резко снижает пороги взрывоопасности в таких объемах даже при повышении температуры в мельницах. Повышение температуры важно для снижения влаги в молотом угле (процесс сушки при углеподготовке становится более глубоким, для наших модельных шаровых мельниц можно убрать еще 3-4% влажности из угольного помола).

Предлагаемое нанесение оболочек на угольные пылевые частицы в сотни микрон меняет механизмы горения такой частицы в факеле - нет почти факела выброса, окисление (горение) во многом происходит гетерогенно, на поверхности угля. При этом железо не успевает перейти в формы магнитных частиц, что резко сокращает процесс коагуляции в факеле. (Магнитные частицы в виде доменов намагниченности существуют до 50-60 нм по размерам и их константа коагуляции в 30-90 раз выше обычной броуновской константы коагуляции.)

Пример использования способа

Нами проведены модельные эксперименты на стенде НГУ - Ключи для углей с МЖС и без (помол в лабораторных мельницах ударного и шарового типов).

Крупность помола варьировалась для бурых углей от 1-2 мкм и до 150 мкм, средний размер от 30 и до 80 мкм, причем более детальное распределение частиц по размерам определяется как временем помола, так и скоростью вращения барабанов.

В качестве модификатора жидкого стекла использовали C17H35COONa. Предварительно определяли краевой угол смачивания на примере бурого угля Бородинского угольного карьера (Красноярский край). Результаты представлены в Таблице 1.

Таким образом, для данного типа модификатора при его введении в количестве 0.1% от массы первичного жидкого стекла, получаем угол смачивания, удовлетворяющий необходимым условиям, описанным выше.

Важно в режимах помола в высокопроизводительных молотковых мельницах, чтобы растекание МЖС по поверхности угля и затекание его в щели за счет капиллярного эффекта происходило очень быстро, т.е. за короткое время. Это время в наших экспериментах составляет около 0.05-0.15 секунды и менее. То есть полученные растворы должны быть не вязкими.

В этих экспериментах - степень заполнения пленкой поверхности частицы - на выходе из молотковой мельницы составляла от 10% до 30% от общей поверхности этой частицы.

Исследования показали, что при помоле за счет механических разрушений угольных частиц на поверхность выходят щели размером от 50 нм и до 1500 нм (так называемые новые щели).

Начальная стадия механического размола большой (5 мм) частицы угля с добавками МЖ представлена на Фиг. 1. Появляется несколько типов щелей. Большие - ширина десятки микрон, по которым уголь распадается на следующие куски. Малые классические - типа дислокационных щелей по плоскостям спайности угля. И новый тип, обнаруженный нами, - кратеры во фронте ударной волны, которые выбрасывают включения с высоким содержанием минеральной фракции с поверхности угля с размерами микрометра и менее.

При нанесении МЖС на поверхность угольной частицы Фиг. 2,3, - защитная высокотемпературная пленка образуется только на этих мини-щелях и дефектах, стабилизируя их дальнейшее развитие и перекрывая выброс как газовых компонент через щели, так и минеральных частиц.

При добавлении МЖС взрывоопасная фракция частиц (около 1 мкм и меньше) оказывается связанной с поверхностью крупных частиц угля и с металлическими деталями мельницы Фиг. 4.

Отметим, что мы провели экспериментальные работы на углях не только свежедобытых (менее 1 месяца), на которых процесс трещинообразования еще только начинается. Но и на углях, выдержанных по три года хранения на открытом складе.

Обычно такие угли считаются уже не пригодными для стандартного молоткового процесса приготовления топлива. Однако наши эксперименты по «залечиванию» трещин с помощью высокотемпературной пленки показали, что воспламенения угольных частиц в факеле такого топлива (модельные эксперименты на стенда НГУ - Ключи) практически совпадают с температурами поджигания факела «свежего» топлива.

Важным свойством нанесения оболочки является повышение эффективной высшей теплоты сгорания углей с оболочкой и с большим содержанием минеральной фракции. Для Прокопьевских образцов эта величина увеличилась на 10-15%. Для остальных образцов эта величина не измерялась в Аттестованной Заводской Лаборатории.