Способ воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива в установках для утилизации высоковлажных отходов с использованием низкотемпературной неравновесной плазмы и устройство для его осуществления
METHOD FOR IGNITING AND STABILIZING THE COMBUSTION OF WATER-COAL FUEL IN INSTALLATIONS FOR THE DISPOSAL OF HIGH-MOISTURE WASTE USING LOW-TEMPERATURE NON-EQUILIBRIUM PLASMA AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области термического обеззараживания и утилизации отходов, а именно к процессам воспламенения и стабилизации горения (подсветки) топлива в котлах утилизаторах работающих на водоугольном топливе (ВУТ) и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, связанных с термическим способом утилизации и обеззараживания высоковлажных отходов.
Предпосылка создания изобретения, аналоги изобретения
Использование водоугольного топлива приготовленного на основе жидких отходов производства и отходов углеобогащения позволяет существенно снизить выбросы вредных веществ и опасных микроорганизмов в биосферу, [1]. Использование водоугольного топлива приводит к существенному повышению КПД котлоагрегата и резкому снижению выбросов вредных веществ образующихся при горении (рассматриваются системы теплоснабжения коммунально-бытовых и сельскохозяйственных потребителей, системы обеззараживания и утилизации отходов мощностью до 5 МВт), [2].
Разработанный способ термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов, находящихся в различных агрегатных состояниях (патент РФ 2718563, опубл. 08.04.2020) позволяет в энергоагрегатах котельной проводить комплексное обеззараживание и утилизацию биологических отходов, в том числе и наиболее значимых по воздействию на биосферу – отходов, находящиеся в жидком агрегатном состоянии.
Одной из основных проблем сжигания водоугольного топлива и высоковлажненных (W>75%) отходов в котлоагрегатах небольшой мощности, выявленные при испытании данного способа утилизации в СФНЦА РАН, является необходимость в использовании инициирующего высокореакционного топлива (мазут, дизельное топливо) для стабилизации горения водоугольной суспензии, обусловленной падением температуры в топке при подаче топлива, что отрицательно влияет на процесс газификации топлива, затрудняя тем самым запуска котла и поддержание стабильного горения топлива на низких нагрузках.
Стандартный режим розжига котла работающего на водоугольном топливе следующий [2]: включаются тягодутьевые устройства, к предтопку котла (форкамере) подключается инициирующая горелка на жидком топливе (мазут, дизельное топливо) осуществляющая разогрев топки до 600…650 гр. Цельсия. По достижению указанной температуры подключается водоугольная горелка и обеспечивается совместный режим горения водоугольного и инициирующего топлив. При достижении температуры 850…900 гр. Цельсия инициирующую горелку отключают и переходят на режим использования водоугольного топлива. В случае использования низкокачественного топлива инициирующая горелка используется для постоянной подсветки факела.
Для розжига и подсветки факела используются дорогостоящее жидкое топливо. Использование котлагрегата, работающего на водоугольном топливе для термической утилизации высоковлажных отходов существенно увеличивает расход качественного жидкого топлива. В настоящее время для уменьшения затрат предлагается использовать вместо качественного топлива различные электротехнологические методы обеспечивающие стабилизацию горения факела, в частности электродуговой разряд.
Известен способ (патент РФ №2210700) где воспламенение пылеугольного факела осуществляется путем генерирования струи низкотемпературной плазмы в плазмотроне однополярного тока с заземленным электродом, подключенном к преобразователю, который дает пульсирующий или прерывистый ток основной дуги, преобразователь подключают к магистральной сети, в плазмотроне предварительно создают вспомогательную слаботочную дугу постоянного тока с ее электропитанием от отдельного источника. Струю плазмы переменной мощности подают в камеру термохимподготовки топлива горелки, в эту же камеру подают пылеугольную аэросмесь, а воспламененную в камере топливную смесь из горелки подают в топку котла. Недостатком данного метода является использование дуги постоянного тока требующее использования мощного силового оборудования оборудования (блок питания, выпрямитель), быстрый износ электродов и значительный расход электроэнергии при электродуговом разряде.
Известен способ (патент РФ №2498159 опубл. 10.11.2013, бюл. №3) сжигания пылеугольного топлива заключающейся в том, что его воспламенение производят электродуговым разрядом, стабилизируют и интенсифицируют горение факела, воздействуя на зону пламеобразования переменным электрическим током высокой частоты, образуя в зоне пламеобразования диффузный электрический разряд. Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, заключается в воспламенении, стабилизации и усилении процесса горения при меньших затратах электрической энергии. Недостатком данного метода является использование на стадии воспламенения электродугового разряда, с присущими данному способу недостатками (быстрый износ и коррозия электродов, высокий расход электроэнергии).
В настоящее время появились работы по теории горения, где обосновывается использование низкотемпературной (средняя температура электронов менее 10 эВ), слабоионизированной (степень ионизации n/N<<1, где n и N - плотности заряженных и нейтральных частиц), неравновесной (электроны в холодной плазме перегреты, примерно в 100 раз, по отношению к ионам, а также к атомам и молекулам плазмообразующего газа) плазмы как источника свободных радикалов, определяющих кинетику процессов горения. В плазмообразующем газе возникает интенсивное ультрафиолетовое излучение, а также физически активные частицы (метастабильные атомы и молекулы, радикалы, озон и другие реакционные соединения) и колебательно-возбужденных молекул азота способствующие горению топлива при сравнительно малых удельных энергозатратах [3]-[8].
5
3
2
2
Отработаны газоразрядные способы создания неравновесной плазмы в воздухе, в частности с использованием барьерного разряда (стримерный разряд переменного тока, в котором ток проводимости в межэлектродном промежутке обеспечивается током смещения через диэлектрический барьер). Для создания неравновесной плазмы внутри электродной системы к электродам прикладывается синусоидальное или импульсно-периодическое напряжение с частотой от 50 до 10 Гц с амплитудой, как правило, до 10 кВ. При частоте переменного напряжения 50 Гц характерный уровень усредненной по времени и пространству удельной джоулевой мощности, выделяемой в межэлектродном промежутке барьерного разряда, составляет 1-3 Вт/см. Средняя плотность мощности барьерного разряда (БР), приведенная к 1 см поверхности электродов, невелика и соответствует 0,1-1 Вт/см. Малы также и типичные скорости прокачки обрабатываемого газа через щель барьерного разряда: V=0,1-1,0 м/с [3]. Существенным недостатком БР является его чувствительность к содержанию влаги в обрабатываемом потоке воздуха, что препятствует использованию БР для воспламенения и инициализации водоугольной суспензии высоковлажных отходов.
В отчете МФТИ [9] отмечается, что плазма дугового разряда является термически равновесной плазмой, в которой около половины всей энергии разряда уходит на нагрев газа, что в свою очередь приводит к существенной эрозии электродов. Более того, так как при дуговом разряде образуется лишь один плазменный канал, то энерговклад разряда в единицу объема существенно превышает необходимую энергию воспламенения топливно-воздушной смеси. Низкотемпературная плазма является неравновесной; при сравнительно низкой, практически комнатной, температуре ионов и молекул она имеет температуру электронов, сравнимую с температурой в дуговом разряде. Такие высокоэнергичные электроны, сталкиваясь с молекулами топлива и кислорода, образуют химически активные радикалы, которые приводят к возникновению и развитию цепных реакций горения.
Низкотемпературная неравновесная плазма имеет ряд преимуществ, включая низкую эрозию электродов за счет низкой температуры окружающего газа, увеличенный объем разряда за счет формирования многих разрядных каналов и относительно низкий (но достаточный для воспламенения) энерговклад в единицу объема. В работе обосновывается, что для ускорения воспламенения топливных смесей ниже порога самовоспламенения желательно организовать энерговклад в разных диапазонах приведенного электрического (электромагнитного) поля, чтобы добиться наработки не только атомов и радикалов, но и колебательно-возбужденных молекул азота. При этом в ускорении воспламенения может играть важную роль синергетический эффект, когда цепные реакции начинаются и продолжаются благодаря наработанным в разряде атомам и радикалам, а реакции обрыва цепей тормозятся из-за присутствия колебательно-возбужденных молекул азота, [7].
Известен способ растопки и поддержания стабильного горения в котлоагрегатах с применением водоугольного топлива (патент RU 2505748, опубл. 27.01.2014), принятый за прототип, в котором для поддержания горения на низких нагрузках подачу водоугольного топлива производят в разные места модуля подготовки топливной смеси, а именно в зону возле факела, образуемого высокотемпературным источником тепла, и в зону соединения указанного модуля с топкой, при этом в зону возле факела подают от 10 до 50% пропускного объема топливной линии, а в зону соединения модуля с топкой - от 0 до 100% пропускного объема топливной линии. Благодаря подаче ВУТ в малом объеме в область факела плазмотрона обеспечивается надежная газификация подаваемого топлива, все подаваемое топливо переходит в газовое состояние и начинает легко воспламеняться. Недостатком данного способа растопки и поддержания стабильного горения водоугольного топлива является использование электродугового разряда формируемого в плазмотроне, что приводит к существенным затратам электроэнергии в режиме стабилизации горения водоугольного топлива.
Целесообразно в нашем случае использовать не дуговой разряд, формирующий основной вклад в инфракрасной части спектра излучения, сопровождающийся большими затратами электроэнергии, а электроискровой разряд, формирующий низкотемпературную неравновесную плазму, обеспечивающую малую эрозию электродов, увеличенный объем разряда за счет формирования многих разрядных каналов и относительно низкий энерговклад в единицу объема путем генерации атомов, радикалов и колебательно-возбужденных молекул азота. При воспламенении топлива цепные реакции в данном случае начинаются и продолжаются благодаря наработанным в разряде атомам и радикалам, а реакции обрыва цепей тормозятся из-за присутствия колебательно-возбужденных молекул азота.
Техническим эффектом изобретения являются: повышение стабильности воспламенения и устойчивости горения водоугольного топлива при термической утилизации высоковлажных отходов.
Техническими результатами изобретения являются:
- снижение энергозатрат на воспламенение и стабилизацию горения водоугольного топлива в котлоагрегате, работающем в режиме утилизации отходов, путем использования низкотемпературной неравновесной плазмы для воспламенение пылеугольного топлива и стабилизацию горения водугольного топлива в топке котла;
- уменьшение износа электродов за счет использования электроискрового разряда на электродах специальной формы вместо электродугового разряда.
Указанные эффекты достигаются тем что, согласно изобретению, пылеугольное топливо от мельницы поступает первоначально в блок приготовления пылеугольной аэросмеси (ПУА) и системой транспортировки пылеугольной аэросмеси подается в электроискровую газоразрядную камеру. Поступающее в электроискровую камеру ПУА воспламеняется при электроискровом разряде. Режим горения поддерживается за счет образования низкотемпературной плазмы в электроискровом промежутке. Использование низкотемпературной плазмы обеспечивает малую эрозию электродов за счет низкой температуры окружающего газа, дугообразной формы электродов, увеличенного объема разряда за счет формирования многих разрядных каналов и относительно низкого энерговклада в единицу объема путем генерации атомов, радикалов и колебательно-возбужденных молекул азота. При воспламенении топлива цепные реакции в данном случае начинаются и продолжаются благодаря наработанным в разряде атомам и радикалам, а реакции обрыва цепей тормозятся из-за присутствия колебательно-возбужденных молекул азота. Продукты горения, образующиеся в электроискровой камере поступают в форкамеру и, далее, в топочное пространство, обеспечивая требуемую температуру в топке котлоагрегата для воспламенения и стабилизации горения водугольного топлива и отходов.
При переходе на рабочий режим основная часть пылеугольного топлива (до 80…90% по весу) идет на приготовление водоугольного топлива и последующего сжигания в топке котла (после достижения температуры 850…900°С). Оставшаяся доля топлива (от 10 до 20%) продолжает поступать в электроискровую камеру, обеспечивая необходимую подсветку факела горения водоугольного топлива и поступающих отходов, стабилизируя процесс горения.
Блок-схема предлагаемого способа воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива в установках для утилизации высоковлажных отходов, представлена на рисунке (фиг. 1).
Реализуется следующая последовательность выполнения операций:
При запуске пылеугольное топливо от мельницы (1) поступает на блок распределения и регулирования потоков пылеугольного топлива (2), направляющий поток пылеугольного топлива в блок приготовления пылеугольной аэросмеси (3) и транспортирования посредством блока транспортировки пылеугольной аэросмеси (4) с использованием сжатого воздуха компрессора (11), в газоразрядную электроискровую камеру (5) подключенную к высоковольтному блоку питания (6).
Система электродов электроискровой газоразрядной выполнена многофазной, по числу фаз питающей электрической сети, а электроискровой разряд осуществляется на нескольких группах электродов, причем каждая группа которых состоит из фазного и нулевого электродов, подключенным к разным фазам переменного электрического тока частотой 20 кГц. Электроды выполнены дугообразной формы (Фиг. 2) с переменным по ходу дуги расстоянием между фазным и нулевым электродами обеспечивающим возникновение нескольких разрядов из различных точек электрода, сводя износ электродов к минимуму.
Минимальный промежуток между фазным и нулевым электродом составляет 4 мм при напряжении питания источника высокого напряжения на холостом ходу 12 кВ. Расчетная приведенная напряженность электрического поля в искровом промежутке на электродах дугообразной формы составляет величину 25-100 Тд. При указанных конфигурации электродов, их геометрических размерах и указанных значениях напряженности электрического поля, формируется электроискровой разряд, создающий множество плазменных каналов генерирующих низкотемпературную неравновесную плазму, обеспечивающий воспламенение пылеугольной аэросмеси при температуре окружающего воздуха. В эксперименте воспламенение пылеугольной аэросмеси происходило без предварительной термохимической подготовки топлива при температуре пылеугольной аэросмеси 2-10°С. Возможный вариант объяснения полученного эффекта: высокоэнергетичные электроны, образующиеся при электроискровом разряде, при указанных значениях напряженности электрического поля и заданной геометрии электродов, сталкиваясь с молекулами топлива и кислорода, образуют химически активные радикалы, которые приводят к возникновению и развитию цепных реакций горения. Низкотемпературная неравновесная плазма имеет увеличенный объем разряда за счет формирования многих разрядных каналов и относительно низкий энерговклад в единицу объема, обеспечивая надежное воспламенение пылеугольной аэросмеси при небольших затратах энергии по сравнению с дуговым разрядом. Указанный диапазон значений приведенного электрического поля, обеспечивает наработки не только атомов и радикалов, но и колебательно-возбужденных молекул азота, обеспечивающих торможение реакции обрыва цепных реакций горения
При достижении температуры в топке котла 800-850°С система переходит из пускового в рабочий режим. Блок распределения и регулирования потоков пылеугольного топлива (2) переключается на рабочий режим - 10…20% пылеугольного топлива (ПУТ) подается в газоразрядную электроискровую камеру для поджига и стабилизации горения инициализирующего топлива, а 80…90% ПУТ поступает в блок приготовления водоугольного топлива (7), где в качестве водного компонента ВУТ используется жидкая часть отходов, поступающая из узла подачи жидких отходов (14). Дальнейшая транспортировка осуществляется с использованием блока транспортировки водоугольного топлива (8), на водоугольную горелку (9), премыкающую к предтопку (10) вихревой адиабатической топки (12), формирующей, с использованием воздуха поступающего от компрессора (11), пылеугольный факел.
Стабилизация горения факела осуществляется за счет высокой температуры в вихревой адиабатической топке и дополнительной подсветки продуктами горения, поступающими из газоразрядной электроискровой камеры (5).
Разделение пылеугольного топлива на два потока позволяет получить водоугольное топливо для сжигания высоковлажных отходов и пылеугольное топливо для воспламенения и стабилизацию горения водоугольного топлива в топке котлоагрегата. Исключается использование для розжига и подсветки качественного (жидкого) топлива либо дугового электрического разряда, что обеспечивает снижение затрат на розжиг и стабилизацию горения топлива. Замена электродугового электрического разряда на электроискровой разряд обеспечивает снижение расхода электроэнергии и износа электродов. Воспламенение и горение пылеугольного топлива осуществляется путем генерации при электроискровом разряде низкотемпературной неравновесной плазмы, сопровождающейся выработки свободных радикалов, и обеспечивающих воспламенение пылеугольного топлива без предварительной термохимической подготовки топлива. Горение пылеугольной аэросмеси в электроискровой газоразрядной камере на экспериментальном стенде показано на фиг. 3- 4.
Использованные источники
1. Патент 2718563 Российская Федерация,) МПК F23G 5/02 (2006.01);
Способ термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов, находящихся в различных агрегатных состояниях / Делягин В.Н.; заявитель и патентообладатель Сибирский федеральный центр агробиотехнологий РАН, заявл. 28.09.19; опубл. 08.04.20, Бюл. №10.
2. Делягин В.Н., Мурко В.И., Иванов Н.М., Ревякин Е.Л. Использование водоугольного топлива в энергообеспечении АПК. М.: ФГБНУ «Росинформагротех»,2013. - 92 с.
3. Акишев Ю.С. Низкотемпературная плазма при атмосферном давлении и ее возможности для приложений. Изв. вузов. Химия и хим. 60-технология. 2019. Т. 62. Вып. 8. С. 26 For citation: Akishev Yu.S. Nonthermal plasma at atmospheric pressure and its opportunities for applications. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. 60-Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. N 8. P. 26.
4. М.Ф. Жуков, Е.И. Карпенко, В.С. Перегудов и др. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. - 304 с. Низкотемпературная плазма. Т. 16, с. 102-178, см. Приложение №1.
5. Non-equilibrium air plasmas at atmospheric pressureio Edio by K.H. Becker, U. Kogelschatz, K.H. Schoenbach, R.J. Barker. Institute of Physics Publishing. 2005. 682 p.
6. Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. Ed. by B.M. Renetrante, S.E. Schultheis. Berlin Heidellerg: Springer-Verlag. 1993. NATO ASI Series. Ser. G: Ecolog. Sci. V. 34. Parts A and B.
7. Fridman A., Kennedy L.A. Plasma Physics and Engineering. New York, London: Taylor & Francis. 2004. 853 p.
8. Andrzej G., Dors M., Grosch H., Holub M., Pawelec A., Brandenburg R., Barankova H., Bardos L., Jogi I., Laan M., Mizeraczyk J., Stamate E. Plasma-Based Depollution of Exhausts: Principles, State of the Art and Future Prospects. Open Access Books. Published: 23 August 2011 by InTech in Monitoring, Control and Effects of Air Pollution. DOI: 10.5772/20351.
9. Отчет о научно-исследовательской работе Плазменно-стимулированное горение сверхбедных топливно-воздушных смесей для увеличения эффективности энергетических устройств шифр: 2011-1.9-519-008-064.