СПОСОБ СВЧ-ГРАДИЕНТНОЙ АКТИВАЦИИ УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
METHOD FOR MICROWAVE GRADIENT ACTIVATION OF COAL

Изобретение относится к технологии подготовки угольного топлива разных сортов к сжиганию в энергетических котлах разного типа.
Известен способ сжигания угольного топлива при дополнительном поджиге струи угольной пыли в котлах при пропускании этой струи через плазменные дуги. В результате чего угольные частицы струи, которые практически всегда меньше 1-2 мм, нагреваются и при дальнейшем движении внутри большого котла быстрее сгорают (Жуков М.Ф. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов В.С. и др. - Новосибирск: Наука, 1995. - 304 с. [1], (Иманкулов Э.Р. Плазменный розжиг и стабилизация горения факела донецкого АШ / Иманкулов Э.Р., Мессерле В.Е., Закипов З.Е., Сейтимов Т.М., Устименко А.Б. // Теплоэнергетика. - 1990. - №1. - С.51-53) [2].
Недостатки такого метода: 1 - высокая потребляемая мощность плазмотроном, иногда до 10% от вырабатываемой электроэнергии котлом ТЭЦ, 2 - внесение распыляемого материала плазменных электродов в струю горения и их 3 - быстрый износ, 4 - такая условно называемая активация топлива не позволяет применить ее к малым (менее 0.1 МВт) и обычным бытовым котлам. Так как плазмотроны сложные и дорогие технические устройства, то окупаться они могут только в определенных ситуациях и только на больших котлах с вбросом в факел только угля мелкого помола.
Известен способ активирования в высокочастотной СВЧ плазме угольного порошкового помола (Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. "СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом/" // Горение и плазмохимия, - т.4, №2, 2007, С.103-109) [3],
(Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. "СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом" // Сб. докл. VI Всероссийской конференции "Горение твердого топлива" 8-10 ноября 2006, Новосибирск: ИТ СО РАН, 2006 [4]; (Буров В..Ф., Стрижко Ю.В. "СВЧ-плазмотрон: для зажигания угольной пыли используем свободно парящий плазмоид" Оборудование. Разработки. Технологии, №2 (02), 2007, с.45-48) [5]. Патент РФ №2328095 от 23.06.2006. «СВЧ-плазмотрон», заявитель ЗАО «КОТЭС-Сибирь» (RU) [6].
В таком варианте СВЧ безэлектродная плазма зажигается также в основании струи угольного порошка, однако разряд плазмонного типа создается за счет ионизации несущего порошок газа носителя.
Недостатки этого метода: чрезвычайно низкий КПД - почти вся энергия СВЧ разряда уходит на нагрев газа и поддержание газового разряда, а частицы топлива меньше 1-2 мм поглощают только малую долю затрачиваемой энергии; СВЧ плазмон в основании струи очень нестабилен и требуются специальные сложные конструкции с газовыми потоками для его реализации, мощность и доступная рабочая частота СВЧ магнетронов широкого промышленного выпуска ограничены узкими диапазонами, что не позволяет варьировать возможности данного способа, угольные частицы малых размеров (менее 1-2 мм) в СВЧ полях таких частот (порядка 2.45 ГГц, длина волны около 13 см) оказывается фактически в безградиентном пространственном СВЧ поле, что не позволяет задействовать, как выяснено нами, эффективного градиента по температурам и по полям напряжений внутри угольной матрицы.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа с высокими энергетическими и экологическими характеристиками, обеспечивающего высокоэффективное сгорание широкого класса угольных топлив
Технический результат: КПД использования энергии именно на нагрев угля на 20-30 процентов выше обычного метода, конструктивная легкость исполнения различных технических вариантов осуществления данного способа, возможность использования легко регулируемых режимов накачки разных мощностей в разные формы активированных объемов угля позволяют осуществлять различные режимы воздействия на уголь или угольные брикеты - от их ударного развала на более мелкие куски и до плавного регулирования ламинарного факела горения из щелей с заданной интенсивностью горения.
Поставленная задача решается заявляемым способом СВЧ-градиентной активации угольного топлива, в котором согласно изобретению производят СВЧ-градиентную активацию в высокоградиентном СВЧ поле в режиме управления скоростью нарастания СВЧ поля до возникновения в куске угля трещин глубокого разлома, не приводящих к его полному разрушению, а показателем окончания активации служит возникновение незатухающего факела активированных летучих углеводородов, при этом границы куска угля размещаются в нулевых или близких к ним напряженностей СВЧ поля
При продолжении активации выше порога возникновения факелов горения легких углеводородов минеральные включения, имеющиеся в каждом природном угле, начинают быстро коагулировать (сливаться) в размеры до микронов и выше. В таком состоянии эффективность активации угля падает, так как большие частицы изменяют коэффициент поглощения СВЧ в объеме и не обладают нужными каталитическими свойствами для разложения тяжелых углеводородов до более простых и горючих.
При совмещении СВЧ активатора с объемом котла сжигания в одной конструкции, максимум СВЧ градиентного поля совмещают с фронтом насыпки свежих угольных кусков.
Осуществление изобретения
Процесс активации углей в высокоградиентном СВЧ поле является многопараметрическим, при этом исходные определяющие факторы эффективной активации - это согласование размеров градиентного СВЧ объема и размеров куска угля и угольной матрицы.
Важнейшим условием, как показывают наши эксперименты и численные расчеты, является условие размещения границ куска угля в зонах нулевых или близких к ним напряженностей СВЧ поля. При несоблюдении этих условий, когда кусок угля значительно больше размеров неоднородностей СВЧ поля, получаемого в резонаторном методе его возбуждения, процесс резко теряет интенсивность перекачки энергии в образец даже в тех же локально неоднородных СВЧ объемах. Скорость закачки при этом энергии в матрицу угля падает в 5-15 раз в зависимости от типа углей и их конкретной геометрии.
Пример 1. Образец угля цилиндрической формы размером в несколько сантиметров устанавливался так, чтобы максимум СВЧ поля находился в его центре или близко к центру.
На фигуре 1 представлена серия ИК теплограмма куска угля цилиндрической формы под действием СВЧ излучения с локальным фокусом вне резонатора. Белые изолинии очерчивают в черно-белом варианте данного рисунка области максимального внутреннего нагрева образцов угля в максимумах напряженностей СВЧ полей.
Результаты исследования для области максимального градиента 3,2 см времени активации по порогу разложения углеводородов в образце угля приведены в таблице 1 (Кемеровский разрез) и таблице 2 (Усть-Искитимский разрез).
Таблица 1
Диаметр образца (см)
1
2,2
3
5
8
14
Время активации (сек)
33
16
3
19
38
120
Таблица 2
Диаметр образца (см)
1,5
2,1
3,3
6
9
12
Время активации (сек)
17
9
1,5
9
21
82
При оптимальных условиях согласования полей и загрузки углем объема активации, особенно в режиме углового расширения СВЧ поля от головки магнетрона, нами было показано методом калориметрических измерений в термостатах, что можно закачать в кусок угля размером в несколько сантиметров более 85% мощности от магнетрона. Для сравнения - в этом режиме вспышка первых летучих начинается менее чем за 10 секунд активации на магнетронах относительно небольшой мощности в 800 ватт и со скважностью срабатывания 25-50 Гц.
Пример 2.
На фигуре 2 представлены результаты активации угля большого размера (25-30 см) в резонаторном объеме, возбуждаемом магнетроном в 1 кВт мощностью, зона неоднородности СВЧ поля 3,2 см. Из-за возникновения в матрице большого куска угля нескольких зон нагрева мощность магнетрона распределилась между ними, причем это распределение все время меняется во время процесса активации из-за изменения диэлектрических констант поглощения СВЧ волны в зависимости от температуры и свойств прогреваемого угля, что в результате приводит к резкому увеличению времени активации всего куска более 30 минут для кемеровских образцов. КПД процесса оказывается ниже 20-25%.
Для целей практического применения способа, при условии согласования загрузки углей по размерам и градиента неоднородности СВЧ поля, как показано нами в экспериментальных исследованиях, необходимо и достаточно иметь один параметр контроля процесса - изменение температуры образца во времени.
Точки измерения температур могут быть разными и определяться геометрией установки. Например, осредненный ИК контроль с 5-10 точек поверхности угля, термопарный как с поверхности, так и с глубины угля, с помощью изготовления микрошурфа в матрице угля (термопара выполняется в модели СВЧ компенсации наводок). И, наконец, наиболее важный, ИК тепловизорный метод контроля с присоединенной видеокамерой и с выходом на компьютер.
Основной задачей оптимальной активации является создание на начальном этапе процесса (часто это первые секунды) не менее двух трещин в разных плоскостях относительно основного направления «скольности» данного конкретного куска угля.
Создание трещин связано с необходимостью снятия в куске угля дислокационных напряжений, рост которых ведет обычно к неконтролируемому развалу всего угольного куска на гораздо более мелкие фрагменты, внутри которых невозможно уже осуществлять градиентную активацию. Вторая важнейшая задача создания трещин - это организация управляемого выхода паров внутренней воды как гигроскопичной, так и связанной, на более дальних стадиях активации.
Исследование роли трещин, возникающих при СВЧ воздействии и при механических нагрузках на куски углей разных размеров, для оптимизации процесса СВЧ активации угля в экологически чистом горении показано на Фигуре 3.
После сброса внутреннего давления водяного пара начинается выход летучих, углеводородов, который регистрировался методом анализа на переносном полевом хромотографе «ЭХО» в реальном времени эксперимента.
Именно этот критерий - скорость выхода летучих углеводородов, должен являться основным критерием стадии процессов активации при подготовке активационных углей разных марок в предлагаемом способе.
Возможные реализации заявленного способа проверены во многих модельных экспериментах с кусками угля разных марок и разных размеров. Было показано, что при оптимальном проведении процесса всегда можно добиться раскрываемости напряженной дислокационной матрицы в небольшое число разгрузочных трещин.
Контроль за степенью выхода как летучих углеводородов, так и воды осуществлялся нами в режиме наладки конкретного активатора с использованием различных методик (полевой хроматограф ЭХО, хроматомасс-спектрометр, аэрозольные счетчики типа АЗ-6, нефелометры разного типа, спектроскопические переносные призмы, вакуумные отборники аэрозолей разного типа и т.д.).
Использование для экспериментов различных современных высокочувствительных хроматографических приборов, лабораторных и экспедиционных, которые позволяют на начальных стадиях нагрева углей, в том числе и СВЧ методами, анализировать кинетику появления легких и средних углеводородов, позволило понять основы процессов происходящих при СВЧ внутреннем высокоградиентном нагреве и роль в них возникающих глубинных трещин.
При этом лабораторные хроматомасс-спектроскопические методы позволяют определять массу углеводородов, но требуют для анализа особых условий и времени не менее получаса на образец (Фигура 4а); тогда как откалиброванный по этим лабораторным методам полевой экспедиционный прибор ЭХО позволяет исследовать процессы активация углей с разрешением во времени менее минуты (Фигура 4б).
На приведенных графиках видно, что при оптимальных условиях активации угольных кусков, указанных в предлагаемой заявке, из трещин активированного угля, до температуры на их поверхности не более 100-120°С, выделяются в основном только легкие углеводороды, до массы не более 150 атомных единиц (Фигура 4а).
При этом процесс выделения таких углеводородов устойчив, то есть при увеличении концентрации их на 6 порядков, соотношение на предельные массы углеводородов почти не изменяется, что было установлено с применением быстрого масс-спектрометра ЭХО (Фигура 4б).
Нами были разработаны численные программы, позволяющие по данным ИК температуры на поверхности образца в динамическом режиме восстанавливать очаги выделения тепла внутри активированного угля и распространения фронта тепловой волны к поверхности угля в режиме до появления трещин Расчеты показывают, что при создании внутреннего давления водяного пара на уровне 40-50 атмосфер происходит раскол образца в неуправляемом режиме создания трещин и разлета осколков.
На Фигуре 5 приведен расчет выхода тепловой волны из глубины угольных кусков разного размера (на базе полученных экспериментальных данных по константам комплексной диэлектрической проницаемости при относительно небольших температур и по теплопроводности для кемеровского угля). Кривые различаются по времени и по условиям первичного СВЧ нагрева - как по размерам, так и по мощности.
СВЧ активатор может быть изготовлен на базе стандартных магнетронов, широко применяемых в быту для СВЧ бытовых печек при относительно небольшой мощности (менее 3 кВт, даже без применения водяного охлаждения), а изменяя их число и геометрию фокусировки СВЧ полей, можно добиться как требуемой градиентной неоднородности активационного СВЧ поля, так и его различных мощностей.
Геометрия активационной установки может быть весьма различной, как и система ввода кусков угля (стационарная, квазистационарная, непрерывно поточная). Например, для активации угля в небольших объемах - до 10 кг в час, для бытовых угольных котлов, мы использовали как базовые конструкции, так и электронику управления обычных бытовых печек, с небольшими модификациями. Эти модификации определяются уже конкретными требованиями к параметрам активационного угля.
Обработка СВЧ активацией угля в большом объеме является очень не оптимальным режимом по КПД перекачки СВЧ мощности в структурные изменения внутри угля даже в локальных зонах максимальной мощности, так как не соблюдены условия соответствия объема градиентного поля и размеров куска.
Любой природный уголь содержит минеральную составляющую от нескольких процентов и до 50. Эта минеральная составляющая содержит много компонентов, но обычно главными - десятки процентов - являются алюминиевые и кремниевые составляющие. Анализ литературы и наш анализ, выполненный на отражательных оптических и сканирующих микроскопах, показали, что в неактивированном угле минеральные составляющие включены в структуру угля весьма однородно. При активации СВЧ в данной однородной структуре начинают образовываться гомогенные включения кремниевых и алюминизированных образований. При продолжении активации выше порога возникновения факелов горения легких углеводородов эти образования достигают размера до 5 нм (Фигура 6а), после чего начинают быстро коагулировать (сливаться) в размеры до микронов и выше. На фигуре 6б видна поверхность угля с выделением больших частиц по всем микротрещинам. В таком состоянии эффективность активации угля падает, так как большие частицы изменяют коэффициент поглощения СВЧ в объеме и не обладают нужными каталитическими свойствами для разложения тяжелых углеводородов до более простых и горючих.
Существенным преимуществом предлагаемого нового способа в сравнении с аналогами является чрезвычайно высокий КПД перекачки энергии в образец при оптимальной конструкции с учетом вышеописанных особенностей всего процесса в целом.
Также большим преимуществом заявляемого способа является использование именно грубодисперсного угля (до 5-6 сантиметров по диаметру), а не угольного мелкого помола, размером менее 1-2 миллиметра, который традиционно используется на больших ТЭЦ и мощных котлах. Это позволяет применить способ для повышения эффективности использования в малых и бытовых котлах на таких котельных, которые обслуживают менее нескольких десятков тысяч жителей. Это значительно расширяет применимость нового метода для угольной энергетики.
Были проведены расчеты экономической целесообразности на основании модельных экспериментов на котлах от 0.1 и до 1 МВт мощности. При стоимости тонны угля от 1000 и до 2000 рублей за тонну и при эффективности процесса горения углей с активацией в 15% получено, что в Сибири (отопительный сезон более 200 дней) стоимость котла окупается при новом методе за 1-3 года в зависимости от типа котла малой и средней мощности. Гарантийный срок котлов обычно не менее 10 лет, таким образом, будет иметь место многократная окупаемость котлов такой мощности (расчеты проведены для оборудования Черепановского завода котлов Новосибирская область).
ЭКОЛОГИЧНОСТЬ. Активированный уголь отличается одной явно выделенной особенностью - его розжиг проходит в несколько секунд при верхнем пороге активации и идет практически без задымления и выброса вредных углеводородов в газовой и аэрозольной фазе. Это объясняется тем, что разложение углеводородов угольной матрицы при данном способе происходит не на поверхности угля при взаимодействии с окислителем - воздухом, как при обычном термическом розжиге. При СВЧ активации процессы деструктуризации происходят внутри закрытого объема угля. Нами были проведены измерения дымовой составляющей и газовой при разных способах активации и показано уменьшение интегрального выброса летучих компонент углеводородов во внешнюю атмосферу в десятки и сотни раз.
Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие преимущества:
1. Нагрев первичных углей происходит быстро и эффективно, в отличие от традиционных методов их разгорания в любом типе котлов.
2. КПД использования энергии именно на нагрев угля на 20-30 процентов выше обычного метода.
3. Конструктивная легкость исполнения различных технических вариантов осуществления данного способа.
4. Переработка сложных углеводородов в более простые (а значит более горючие) впервые происходит в глубине куска угля до начала горения, а не на поверхности или в газовом факеле горения, как в традиционных устройствах.
5. Возможность использования легко регулируемых режимов накачки разных мощностей в разные формы активированных объемов угля позволяют осуществлять различные режимы воздействия на уголь или угольные брикеты - от их ударного развала на более мелкие куски и до плавного регулирования ламинарного факела горения из трещин с заданной интенсивностью горения.
Нами проведены испытательные работы по применению данного метода активации на котлах завода котлов средней мощности в городе Черепанове Новосибирской области, подтвердившие его эффективность по целому ряду физико-химических параметров факелов горения и горения отдельных частиц угля в котельном пространстве.