СПОСОБ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ НИЗКОСОРТНЫХ УГЛЕЙ В КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ
METHOD OF FLARING OF LOW-GRADE COALS IN BOILER INSTALLATIONS

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для сжигания низкосортных углей и отходов их переработки в энергетических пылеугольных котлах.
Низкосортные угольные топлива - это топлива с высокой зольностью и низкой теплотворной способностью. Обычно их сжигают в псевдоожиженном слое на инертном материале, в частности на катализаторе.
Известен способ розжига и стабилизации горения низкосортных углей (патент РФ №98122200, 1998 г., Н05Н 1/00), в котором в качестве плазмообразующего газа используют дымовые газы, а для создания окислительной среды применяют смесь воздуха с водяным паром. Горючими газами служит смесь оксида углерода и водорода, которые подаются для дожигания в котельный агрегат.
Недостатки данного способа:
- сложная реализация управления водяным паром, при использовании дымовых газов, как плазмообразующего агента;
- способ малоэнергоэффективен в силу сопутствующих восстановительных эндотермических реакций;
- использование плазматрона в пылеугольной горелке требует значительных энергозатрат.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ плазменно-угольной растопки пылеугольного котла и стабилизации горения факела в нем (патент US 5156100 А, F23C 1/04, F23D 1/00, F23Q 13/00, F23N 1/02, 1992 г.), включающий подачу в первую ступень камеры термохимической подготовка (ТХП) части потока, поступающего в данную горелку, пылеугольной аэросмеси, генерирование низкотемпературной плазмы в плазматроне, подачу струи плазмы на вход 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 этой топливной смесью, 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 содержанием кислорода таким, 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 сопутствующего вида топлива.
Недостатками данного способа являются:
- поддерживать требующую концентрацию кислорода в аэросмеси (8-10%) с газами, уходящими из второй ступени камеры ТХП, практически реализовать 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);
- использование плазматрона в пылеугольной горелки требует значительных энергозатрат.
Задачей настоящего изобретения является создание нового более эффективного и надежного способа с улучшенными технико-экономическими и эксплуатационными показателями.
Поставленная задача решается тем, что в способе факельного сжигания низкосортных углей в котельных установках, при котором уголь подвергают механической активации, воспламенению и сжиганию, согласно изобретению, низкосортный уголь предварительно измельчают до размера частиц 5 мм и менее, подвергают механической активации в мельнице-активаторе дезинтеграторного типа с доизмельчением до размера частиц 40 мкм и менее, затем механоактивированный уголь микропомола инжектируют воздухом, вводя через электрохимический генератор (ЭХГ), в первую ступень подачи и сжигания механо- и электроактивированного угля микропомола горелочного устройства улиточного типа с полным выгоранием угля микропомола в окислительной среде, затем продукты сгорания угля микропомола из первой ступени и основную фракцию низкосортного угля вводят во вторую ступень подачи и сжигания основной фракции низкосортного угля, пылеугольную смесь воспламеняют с помощью продуктов сгорания угля микропомола в первой ступени, используя его теплоту сгорания.
При использовании сильно забалластированных низкосортных углей, в первую ступень подачи и сжигания механо- и электроактивированного угля микропомола горелочного устройства улиточного типа подают механоактивированный высокореакционных уголь, проходящий через ЭХГ.
Для повышения производительности горелочного устройства, продукты сгорания пылеугольного топлива из первой ступени в противотоке подаются на вторую ступень, интенсивно смешиваются (встречные потоки в первой и второй ступени формируются геометрией улиточной формы).
Для повышения устойчивости горения и производительности горелки, работающей на сильно забалластированных углях, в первую ступень горелки целесообразно подавать механоактивированный высокореакционный уголь микропомола, с прохождением его через устройство электрохимической активации.
Сущность изобретения поясняется рисунками (фиг. 1 и 2), где:
1 - раздаточный бункер;
2 - мельница-активатор дезинтеграторного типа;
3 - инжектор;
4 - электрохимический генератор (ЭХГ);
5 - первая ступень подачи и сжигания механо- и электроактивированного угля микропомола;
6 - вторая ступень подачи и сжигания основной фракции низкосортного угля;
7 - предтопок;
8 - топка котла.
Сведения, подтверждающие возможность существование заявленного изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.
Уголь, предназначенный для сжигания, подготавливают до определенного размера известным, например, ШБМ (шаровая барабанная мельница) способом. После сепарации крупную фракцию домалывают возвратом на ШБМ (на рисунке система условно не показана). Подготовленный таким образом уголь из раздаточного бункера 1 направляют в мельницу-активатор дезинтеграторного типа 2, которую устанавливают вблизи первой ступени 5. В дезинтеграторе уголь механоактивируют, доводя одновременно его тонину до размера частиц не более 40 мкм, а затем инжектируют 3 первичным воздухом (избыток воздуха α≤1) в первую ступень 5 по касательной (улиточно) к ее продольной оси, т.е. тангенциально. Ввод пылевоздушной механоактивированной пылеугольной смеси в первую ступень осуществляют прямоточно через высоковольтный высокочастотный электрохимический генератор (ЭХГ) 4. Электрохимический генератор 4 создает высокоокисляющую озонную среду с температурой выше температуры воспламенения частиц угля. При этом ЭХГ позволяет активировать пылеугольную смесь со стороны окислителя. Одновременное повышение механохимической активности угольного вещества и окислителя позволяет осуществлять воспламенение и устойчивое горение пылеугольного факела.
Ввод угля микропомола с тангенциальным впрыском струи, выходящей из ЭХГ 4, дает возможность оценить и обеспечить необходимое время пребывания для воспламенения частиц, гарантирует эффективность, надежность воспламенения и сжигания угля микропомола внутри первой ступени 5.
Основной же поток низкореакционного угля из раздаточный бункера 1 вводят совместно с воздушным потоком тангенциально во вторую ступень 6, точнее в ее вихревой смеситель, куда одновременно тангенциально в противотоке вводятся продукты сгорания угля микропомола из первой ступени 5. Это обстоятельство способствует их интенсивному перемешиванию, образованию устойчивого вихря внутри смесителя второй ступени. Продукты сгорания угля микропомола и основная фракция низкореакционного угля с воздухом (пылеугольная смесь) далее движутся поступательно и вращательно вдоль продольной оси предтопка 7, вплоть до камеры котла 8.
Следует отметить, что уголь микропомола сгорает в первой ступени при максимальной для данной марки угля температуре и с полной отдачей теплотворной способности. Под воздействием высокой температуры и при интенсивном перемешивании пылеугльная смесь во второй ступени быстро прогревается и воспламеняется, поглощая полностью все теплоту сгорания угля микропомола. При сжигании очень низкореакционного основного топлива, вводимого во вторую ступень, представляется возможным подавать в первую ступень механоактивированный высокореакционный уголь микропомола с использованием электрохимического генератора для его химической активации и поджига.
3
Технический эффект от использования предложенного изобретения состоит в следующем. Предложенный способ был апробирован на стенде тепловой мощностью 5 МВт (в ИТФ СО РАН, г. Новосибирск) при сжигании высокореакционного (Кузнецкого, марки Д) и низкореакционного спекающего угля марки СС. Опыты проведены с расходом воздуха в диапазоне 207-373 м/ч, расходом топлива 50-220 кг/ч, коэффициент избытка воздуха а варьировался от 0.18 до 0.81. Исследован температурный режим и проведен газовый анализ продуктов горения в камерах первой и второй ступени, предтопка, камеры дожигания (котла) при сжигании углей с использованием механохимической и электрохимической активации. После камеры дожигания производился отбор летучей золы - уносов по изокинетическому методу отбора, а также анализ состава дымовых газов с помощью газоанализатора TESTO-340. Значительное внимание в опытах было уделено изменению геометрической компоновки электродов ЭХГ, для создания устойчивой дуги при исследуемых скоростях (до 20 м/с) пылеугольной смеси угля микропомола. Потребляемая мощность ЭХГ при этом не превышала 3,5 кВт, что существенно ниже потребляемой мощности макетного плазматрона. Сравнительное энергопотребление плазматрона - 15-25 кВт.
x
Результаты исследований позволили выявить приемлемые технико-экологические показатели: через 100 секунд реализовался автотермический режим горения при температуре в диапазоне 1200-1400°С. Анализ газа показал, что в конце камеры реагирования (предтопка) происходит практически полное выгорание кислорода. Анализ опытных данных показал, что при использовании двухступенчатой схемы сжигания механо-электроактивированных углей микропомола можно снизить выброс токсичных газов типа NO на 30% и уменьшить механический недожог на 35% по сравнению с существующими предельно допустимыми нормами.