ВОДОУГОЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
COAL-WATER POWER PLANT

Изобретение относится к средствам генерации тепловой и электрической энергий.
Известно устройство для подготовки водоугольного горючего с применением в качестве наполнителя угля ультрадисперсного помола (US 8177867, опубл. 15.05.2012). Недостатком этого устройства является значительное содержание крупных микрочастиц углерода, замедляющих при сжигании горючего скорость реакции окисления. Известны устройства для подачи водоугольного топлива в зону горения при помощи пневмофорсунок (US 5163385, опубл. 17.11.1992, US 5513583, опубл. 05.07.1996). Недостатком этих устройств является отсутствие синхронизации подачи топлива со скоростями реакций окисления. Известны устройства для разложения водной части топлива на кислород и водород с помощью электродугового разряда (RU 2334914, опубл. 27.09.2008) или с помощью «языка» плазмогенератора (US 7281478, опубл. 16.10.2007). Недостатком этих устройств является отсутствие синхронизации мощности электрической дуги или «языка» плазмогенератора со скоростью подачи топлива в зону горения. Известно устройство синтеза метана при взаимодействии водяного пара с поверхностью угля (RU 2217477, опубл. 27.11.2003). Недостатком данного устройства является неиспользование тепловой энергии образования метана для практических целей. Известно устройство для сжигания водоугольного топлива, содержащее футерованную камеру сгорания цилиндрической формы, экранированную кипятильными трубами, форсунки для подачи топлива, золосборник для минеральной части угля (RU 2389948, опубл. 20.05.2010). Недостатком данного устройства является неравномерность температурных полей внутри камеры сгорания.
Наиболее близким аналогом является водоугольная электростанция, использующая тепловую обработку распыленной струи водоугольного топлива в форкамере у корня струи потоком термической плазмы, генерируемой электродуговым нагревателем газа, в предварительно разогретой потоком плазмы до 500-750°C форкамере, (RU 2145038, опубл. 27.01.2000). Недостатком данного устройства является неполное использование основных «агентов» тепловыделения: углерода, кислорода и метана.
Задачей изобретения является максимально технически возможное использование тепла реакций окисления углерода и образования метана при преобразовании этого тепла в полезную тепловую и электрическую энергии.
Техническим результатом изобретения является электростанция с небольшими по сравнению с существующими аналогами размерами для данной мощности, использующая исключительно доступное и дешевое сырье, - воду и уголь, в том числе высокозольный.
Технический результат достигается тем, что наполнитель водоугольного топлива - уголь, предварительно измельчается на коллайдерном измельчителе (RU 2397021, опубл. 20.08.2010, RU 2450861 опубл., 20.05.2012, RU 2457033, опубл. 27.07.2012, RU 2473389, опубл., 27.01.2013) до тонины в диапазоне 30-50 нм. Такая дисперсность и соответственно удельная поверхность наночастиц, позволяет за время пребывания в начальной зоне реактивного канала (0,02-0,04 с) полностью завершить реакции разложения воды и минеральных зольных продуктов угля, реакции образования метана и реакции окисления углерода. Также технический результат достигается тем, что плотность энергии «языка» плазмотрона применяется из расчета полного разложения воды на водород и кислород и синхронизируется со скоростью подачи водоугольного топлива в реактивный канал. Также технический результат достигается тем, что после «розжига» процесса (разложения воды и зольных продуктов угля) плазмотрон отключается, т.к. сумма энергий образования метана и окисления углерода превышает энергию розжига, а сама зона розжига смещается дальше по оси реактивного канала от входа горючего. Также технический результат достигается тем, что непосредственно за зоной образования метана в реактивный канал вводится воздух, кислород которого обеспечивает сгорание метана и выделяется дополнительное тепло. Также технический результат достигается тем, что реактивный канал выполняется в виде трубы, переходящей в зоне окончания сгорания метана в конструкцию в виде «подковы», левая часть которой с помощью фильтра служит также сборником остатков сгорания зольных продуктов угля, а правая часть служит сборником угольной кислоты.
Реакционный канал и приемный канал, выполненный в виде «подковы», охватываются трубами большего диаметра и в зазор между трубами подается теплоноситель, предпочтительно вода на входе и пар на выходе.
В таблице 1 приведены данные об энергиях связи атомов в молекулах для основных веществ, участвующих в процессе либо в качестве агентов, которые необходимо разложить, либо в качестве агентов, при образовании которых выделяется тепло.
Таблица 1
мол.
CO<sub>2</sub>
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MgO
CH<sub>4</sub>
CaO
H<sub>2</sub>O
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiO<sub>2</sub>
связь
C=O
P-O
Fe-P
Mg-O
C-H
Ca-O
H-O
Al-O
Si=O
эВ
8,34
3,48
4,26
4,29
4,32
4,39
4,82
5,80
6,61
Ниже приведены основные химические реакции, проходящие в реактивном канале, и тепло этих реакций в эВ.
Технический результат достигается тем, что водоугольное топливо приготавливается из нанопорошка угля и воды в необходимом для угля данной зольности стехиометрическом соотношении. Горючее подается в реактивный канал, в котором проходят процессы, указанные выше. Нагретый теплоноситель подается в теплоэлектрический контур, а продукты реакций утилизируются на выходе реактивного канала.
Сущность изобретения поясняется рисунком.
Водоугольное горючее из емкости 1 по трубе 2 под воздействием разрежения, создаваемого пневмофорсункой 3 в начальный момент, подается в область «языка» плазмогенератора 4 на входе в реакционный канал 5, который, с учетом перехода горючего из конденсированного состояния в газообразное, выполнен с расширением от входа. Разложение воды и зольных продуктов угля проходит в зоне I, в зоне II происходит окисление углерода и образование метана с выделением тепла. В зону III подается из компрессора 6 воздух в необходимом количестве и происходит горение метана с выделением тепла. После «зажигания» этих процессов плазмогенератор 4 отключается. Теплоноситель по каналу 7, охватывающему всю поверхность реакционной камеры 5 и приемной камеры 10, выполненной в форме «подковы», подается в теплоэлектрический контур 13 (теплообменник, турбина, холодильник, водоподготовка). Необходимое давление в контуре 7 поддерживается насосом 8. Турбина теплоэлектрического контура 13 соединена с электрогенератором 14. Несгоревшие продукты зольности угля, задержанные фильтром 9, утилизируются в емкости 11. Угольная кислота утилизируется в емкости 12.
2
2
3
2
3
Приведем расчет технических характеристик электростанции при использовании воды и угля Кузнецкого бассейна с зольностью 13%. Основные компоненты золы: оксид кремния SiO (6,3%), оксид алюминия AlO (3,3%), оксид железа FeO (2,1%) и оксид кальция CaO (1,1%). Остальные зольные продукты имеют малое содержание и не оказывают существенного влияния на процессы, происходящие в реактивном канале.
3
Для такого угля стехиометрическое соотношение вода:уголь в одном килограмме топлива: 718:282. При разрежении, создаваемом пневмофорсункой 3 в 0,2 бар, водоугольное топливо будет подаваться в реактивный канал со скоростью 1 кг/с, а генерируемая электрическая мощность при кпд использования тепла 33% будет равна 24 МВт. Для обеспечения сгорания метана потребуется компрессор 6 мощностью 188 м/мин.
Вышеописанную электростанцию можно идентифицировать как экологически безопасную, т.к. в данной технологии нет выбросов в атмосферу парниковых газов. Продуктами переработки являются смесь нанопорошков оксидов кремния и алюминия, металлического железа и кальций, а также угольная кислота. Все эти продукты можно применить в экономике.
С экономической точки зрения электростанция высокорентабельная и сроки окупаемости капитальных затрат в разы меньше сроков окупаемости существующего электрогенерирующего оборудования.