УСТРОЙСТВО ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГОМОГЕННОЙ УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ ВОДОУГОЛЬНОЙ ТОПЛИВНОЙ СУСПЕНЗИИ

Полезная модель относится к приготовлению водосодержащих топливных суспензий для последующего сжигания в тепловых установках с целью повышения их энергетической эффективности и улучшения экологических параметров.
Использование водосодержащих углеводородных топлив ископаемого происхождения позволяет существенно повысить полноту сгорания и, следовательно, КПД тепловых установок при одновременном снижении вредных выбросов в атмосферу.
Известны технологические комплексы, эксплуатируемые в США, для смешивания с водой добытого и измельченного угля и транспортировки его по трубопроводу к месту потребления. Далее его обезвоживают и подают в тепловые установки для сжигания. Принципиальный недостаток таких систем состоит в необходимости затрачивать энергию на обезвоживание топлива.
Известно устройство приготовления водоугольного топлива (Зайденварг В.Е. и др. Производство и использование водоугольного топлива, изд. Академии горных наук. 2001 г.), в котором водоугольную суспензию, не подвергая сушке, подают на сжигание в котел тепловой установки. Для этого суспензию готовят путем мокрого помола до размера частиц ~200 мкм с добавлением стабилизирующей добавки, препятствующей выпадению твердых частиц и добавления воды в соотношении 40-45% воды на 55-60% угля с последующим смешиванием до образования суспензии. Основным недостатком известного способа является относительно низкая степень измельчения твердого компонента топлива, из-за чего стабилизацию взвеси приходится осуществлять добавлением поверхностно-активных веществ, что приводит к увеличению себестоимости процесса и конечного продукта. Кроме того, при этом трудно выдержать заданные реологические параметры продукта в типовом случае, когда механические (дисперсность и макроструктура) и физико-химические (элементный и компонентный состав, адсорбционная способность и т.п.) свойства в значительной степени варьируют для разных партий исходного ископаемого сырья.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство одностадийного приготовления водоугольного топлива из углешламов, (патент РФ №2214446 от 20.10.2003 г., C10L 1/32), в котором уголь в виде частиц размером не более 1 мм, смешанные с водой и реагентом обрабатывают в вибрационно-волновом смесителе-гомогенизаторе.
Известное устройство не обеспечивает достаточной степени измельчения твердого компонента топлива, из-за чего водоугольная взвесь подвержена быстрому расслоению в процессе транспортировки к горелочному устройству и требует специальных технических решений и дополнительного оборудования для достижения более полного сгорания углеводородного компонента.
Задачей предлагаемой полезной модели является улучшение реологических характеристик водоугольной топливной суспензии, обеспечивающих стабильность и полноту сгорания углеводородного компонента, в частности увеличение дисперсности измельчения угольной фракции и улучшение гомогенности двухфазной системы при ее приготовлении.
В результате использования предлагаемой полезной модели обеспечивается приготовление стабильной гомогенной ультрадисперсной водоугольной топливной суспензии за счет ограничения зоны кавитационной обработки и соответственно повышение плотности ультразвуковой мощности, что позволяет повысить стабильность водоугольной топливной суспензии при ее транспортировке до горелочного устройства.
1
2
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве приготовления гомогенной ультрадисперсной водоугольной топливной суспензии, содержащем цилиндрический герметичный кожух, снабженный входным патрубком на одной из его торцевых стенок и, по крайней мере, одним выходным патрубком в периферийной части его противоположной торцевой стенки, кожух разделен на два герметичных отсека перегородкой в виде шайбы, имеющей одно центральное отверстие диаметром d и n центросимметрично расположенных периферийных сквозных отверстий диаметром d, при этом , где r удовлетворяет условию: 7<r<12, через центральные сквозные отверстия торцевой стенки кожуха и перегородки, со стороны выходных патрубков, в кожух своим фронтальным срезом вставлен цилиндрический ультразвуковой излучатель, тыльный срез которого находится в механическом (акустическом) контакте с магнитострикционным ультразвуковым преобразователем, оси симметрии входного патрубка, перегородки и ультразвукового излучателя совпадают с осью симметрии кожуха, а расстояние между фронтальным срезом ультразвукового излучателя и торцевой стенкой со стороны входного патрубка в 2-3 раза меньше диаметра ультразвукового излучателя, магнитострикционный ультразвуковой преобразователь электрически соединен с ультразвуковым генератором.
Техническая сущность изобретения раскрывается с помощью чертежа, на котором представлена общая схема устройства для приготовления гомогенной ультрадисперсной водоугольной топливной суспензии.
2
1
а
Устройство содержит цилиндрический герметичный кожух 1, снабженный входным патрубком 3 на одной из его торцевых стенок и, по крайней мере, одним выходным патрубком 4 в периферийной части его противоположной торцевой стенки. Кожух разделен на два герметичных отсека 9 и 11 перегородкой 2 в виде шайбы, имеющей одно центральное отверстие 14 диаметром d; и n центросимметрично расположенных периферийных сквозных отверстий 10 диаметром d, при этом , где r удовлетворяет условию: 7<r<12, через центральное сквозное отверстие 15 торцевой стенки 13 кожуха и центральное сквозное отверстие 14 перегородки, со стороны выходных патрубков, в кожух своим фронтальным срезом 8 вставлен цилиндрический ультразвуковой излучатель 5, тыльный срез 12 которого находится в механическом (акустическом) контакте с магнитострикционным ультразвуковым преобразователем 6, оси симметрии входного патрубка, перегородки и ультразвукового излучателя совпадают с осью симметрии кожуха, а расстояние  между фронтальным срезом ультразвукового излучателя и торцевой стенкой со стороны входного патрубка в 2-3 раза меньше диаметра d ультразвукового излучателя, магнитострикционный ультразвуковой преобразователь электрически соединен с ультразвуковым генератором 7.
Работу устройства на примере процесса приготовления ультрадисперсной водоугольной топливной суспензии организуют следующим образом.
При включенном ультразвуковом генераторе 7 водоугольную смесь с размером частиц угля не более 0,25 мм, полученную методом мокрого помола и содержащую 40÷70% воды, непрерывно подают через входной патрубок 3 в первый 9 герметичный отсек кожуха 1.
При необходимости получения более стабильной во времени топливной суспензии, перед подачей в первый герметичный отсек, в водоугольную смесь добавляют 1÷3% мазута или нефтешлама. Эти органические горючие вещества содержат поверхностно-активные компоненты, препятствующие выпадению угольных частиц в осадок, обеспечивая длительное хранение взвеси.
В результате кавитации, возникающей под действием ультразвукового поля, излучаемого поверхностью фронтального среза 8 цилиндрического ультразвукового излучателя 5 и направленного навстречу потоку обрабатываемой смеси, происходит дробление частиц угля.
а
3
За счет того, что расстояние  в 5÷7 меньше диаметра ультразвукового излучателя r и, следовательно, кавитационная обработка происходит в тонком слое, непосредственно примыкающем к фронтальному (рабочему) срезу 8, излучающему ультразвуковые волны навстречу набегающему потоку обрабатываемой водоугольной смеси, достигается высокая объемная плотность мощности ультразвукового поля (>1 Вт/см). Это условие обеспечивает высокую интенсивность деструкции частиц угля под действием кавитации. В результате обработки образуется ультрадисперсная водоугольная взвесь, в которой доля угольных частиц размером не более 0,05 мм составляет не менее 75%.
Полученную таким способом ультрадисперсную двухфазную композицию через отверстия 10 в перегородке 2 подают в отсек 11 кожуха, где осуществляют ее окончательную гомогенизацию, используя турбулентность потока за перегородкой, возникающую благодаря резкому перепаду давления. Для этого скорость прокачки водоугольной смеси через устройство подбирают таким образом, чтобы при указанном выше отношении суммарной площади сечения отверстий 10 к поперечному сечению второго отсека число Ренгольдса было выше его критическое значения, как минимум, в 10 раз.
Ультразвуковые колебания в ультразвуковом излучателе возбуждают с помощью механически присоединенного к его тыльному срезу 12 магнитострикционного преобразователя 6, для чего на преобразователь подают электрические колебания от ультразвукового генератора 7.
Готовую к применению гомогенную ультрадисперсную водоугольную суспензию через выходные патрубки 4 направляют непосредственно в горелочное устройство для сжигания на тепловой установке или в накопитель для хранения и последующего использования.
Срок хранения свежеприготовленной гомогенной ультрадисперсной водоугольной топливной суспензии с добавлением мазута, нефтешлама или веществ, обладающих аналогичной способностью активировать поверхностности раздела воды и угольной фракции, составляет не менее 22 суток. Суспензия, приготовленная без добавления таких веществ длительному хранению не подлежит и должна быть использована путем непосредственной подачи в горелочное устройство тепловой установки в течение периода времени, не превышающего 5 минут.