УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
UNIT FOR SOLID FUEL POWER GENERATION

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к устройствам получения тепловой и электрической энергии путем сжигания твердого углеродсодержащего топлива, например угля, шлаковых отвалов теплоэлектростанций, работающих на угле, древесины и т.п. Это изобретение может быть использовано в стационарных и передвижных теплоэлектростанциях малой энергетики, а также в транспортных средствах, однако широкое применение в теплоэнергетике и на транспорте оно найдет после перевода их на твердое топливо, например уголь или шлаки, т.к. по себестоимости они вне конкуренции с другими видами топлива, включая нефть и газ.
Известно устройство для сжигания твердых органических отходов при повышенном давлении [патент РФ №2479792, 14.11.2011 г., 6 F02G 5/04], включающее камеру сгорания, соединенную на входе с источником воздуха высокого давления и блоком подачи горючего и на выходе соединенную с камерой дожигания, которая снабжена устройством для подачи воздуха высокого давления, камеру дожигания, заканчивающуюся звуковым соплом, размещенным в эжекторе, при этом центральное тело сопла имеет устройство для подачи воды под давлением в дозвуковую часть сопла, а эжектор по потоку газа соединен с газовой турбиной, выходом сообщающейся с атмосферой, и газовая турбина механически соединена с турбокомпрессором, вход которого соединен с атмосферой, а выход соединен с входом камеры сгорания и устройством для подачи воздуха высокого давления в камеру дожигания.
Это устройство позволяет сжигать твердые органические отходы при повышенном давлении в виде колец из прессованных отсортированных твердых органических отходов, которые собирают в блок, имеющий высоту, равную высоте зоны сгорания. Однако это устройство не позволяет перерабатывать сыпучие твердые углеродсодержащие отходы, например шлаковые отвалы теплоэлектростанций.
Известно устройство - комбинированная парогазовая установка с плазмотермической газификацией угля [патент РФ №2105040, 1998 г., 6 C10J 3/20]. Данная установка включает блок помола угля, плазмотермический газификатор, котел-утилизатор тепла, две паровые турбины с парогенераторами и газотурбинную установку с компрессором.
В известном устройстве уголь ультратонкого помола сначала газифицируют с помощью плазменных источников и только затем уже после многоступенчатой очистки в виде синтез-газа впрыскивают в камеру сгорания газовой турбины. Указанные операции осуществляют последовательно друг за другом с помощью специальных агрегатов, что в конечном результате усложняет схему выработки электроэнергии и делает конструкцию весьма громоздкой и малоэффективной для нужд малой энергетики, в том числе и для транспорта. К тому же переработка угля сначала в синтез-газ, а затем в тепловую и электрическую энергию термодинамически неоправданна в силу необратимых потерь, в то время как при прямом сжигании мелкодисперсного угля в камере сгорания газовой турбины данные проблемы решаются гораздо проще.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является устройство для сжигания угля [патент РФ №2327889, 27.09.2006 г., 6 F02G 5/04]. Оно содержит блок для ультратонкого помола угля, газовую турбину с камерой сгорания, котел-утилизатор тепла и дымосос с трубой, Последняя ступень устройства ультратонкого помола угля, выполненная в виде тороидальной вихревой камеры с тангенциальными каналами для входа пылеугольной смеси, расположена в непосредственной близости от камеры сгорания и соединена с последней при помощи эжектора, а котел-утилизатор тепла расположен на выходе газовой турбины перед дымососом и внутри него установлен парогенератор. На камере сгорания газовой турбины установлен как минимум один плазменный источник на парах воды, гидравлически соединенный с парогенератором.
В данном устройстве уголь ультратонкого помола вводят в камеру сгорания и инициируют процесс сгорания его. При этом тонину ультратонкого помола угля доводят до размера не более 10 мкм и сепарируют, а затем впрыскивают при помощи эжектора в камеру сгорания газовой турбины. Вышеуказанный размер помола и выделение мелкой фракции угля осуществляют с помощью центробежного поля внутри тороидальной вихревой камеры, которую располагают непосредственно перед камерой сгорания газовой турбины. Инициирование процесс сгорания пылеугольной смеси в камере сгорания газовой турбины осуществляют с помощью плазменного источника на парах воды, генерируемых за счет использования энтальпии выходящих газов.
При этом в данном устройстве эжектор выполняет функции средства подачи пылеугольной смеси (тонины помола угля) в камеру сгорания, а плазменный источник на парах воды, гидравлически соединенный с парогенератором, функции блока инициализации горения в ней.
Однако практический опыт авторов изобретения показал, что при помоле частиц угля до 10 мкм и при использовании способа впрыска воздухом (газовый эжектор) происходит обгорание сопла эжекторов. Каналы эжекторов подвержены воздействию абразивных частиц угля и быстро изнашиваются, т.к. подача частиц в топку осуществляется воздухом. Содержащиеся абразивные частицы в угле будут истирать стенки торроидалной вихревой камеры. Это значительно снижает надежность работы установки в целом, межремонтную наработку ее и себестоимость вырабатываемой энергии.
Кроме того, наличие в прототипе и аналогах требования предварительной сушки угля увеличивает энергозатраты и снижает экономическую эффективность процесса выработки энергии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности, эффективности работы ее за счет снижения износа деталей установки и снижения затрат на подготовку топлива.
Заявленный результат достигается тем, что в известной установке для производства энергии на твердом топливе, включающей блок помола твердых углеродосодержащих топлив и/или отходов, средство преобразования тепловой энергии газового потока в электрическую энергию, вход которого соединен с выходом камеры сгорания, первый вход которой соединен с выходом блока инициализации горения в ней, а второй вход соединен с выходом средства подачи микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродосодержащих топлива и/или отходов с водой в камеру сгорания, котел-утилизатор тепла с установленным внутри него парогенератором и дымосос с трубой, при этом выход средства преобразования тепловой энергии газового потока в электрическую энергию соединен с входом котла-утилизатор тепла, выход которого соединен с входом дымососа, а выход парогенератора соединен с входом блока инициализации горения, дополнительно средство подачи микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой в камеру сгорания выполнено виде дозатора, выполненного с возможностью впрыскивания смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой в камеру сгорания виде аэрозоля, согласно изобретению последняя ступень блока помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов выполнена в виде кавитационного диспергатора, выход которого соединен с входом накопителя микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой, при этом камера сгорания через дозатор соединена с выходом накопителя.
При этом средство преобразования тепловой энергии газового потока в электрическую энергию выполнено в виде двигателя с внешним подводом тепла, вход горячей камеры которого соединен с выходом камеры сгорания, выход горячей камеры - с входом котла-утилизатора тепла, а привод двигателя - с электрогенератором, питающим нагрузку потребителя электрической энергии.
При этом средство преобразования тепловой энергии капельной печи в электрическую энергию выполнено в виде двигателя с внешним подводом тепла, вход горячей камеры которого соединен с выходом капельной печи, выход горячей камеры с дымососом, а привод двигателя с электрогенератором, питающим блок помола и нагрузку потребителя электрической энергии.
Выполнение средства подачи микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой в камеру сгорания в виде дозатора, а последней ступени блока помола твердых углеродосодержащих топлива и/или отходов в виде кавитационного диспергатора, выход которого соединен с входом накопителя микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой, позволяет снизить износ деталей блока помола, увеличить ресурс работы установки и снизить требования к процессу предварительной подготовки топлива.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1-4.
На фиг. 1 приведена общая блок схема установки.
На фиг. 2 приведен вариант исполнения кавитационного диспергатора, являющегося последней ступенью блока помола.
Установка содержит бункер 1 подачи углеродосодержащих топлива и/или отходов в блок 2 помола, накопитель 3 микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродосодержащих топлива и/или отходов с водой, дозатор 4, камеру сгорания 5, средство 6 преобразования тепловой энергии газового потока в электрическую энергию, котел-утилизатор тепла 7, парогенератор 8, конденсатор пара 9, дымосос 10, блок нейтрализации газов 11 и дымовую трубу 12, блок 13 для сбора воды из конденсатора пара 9.
Блок помола 2 содержит шредер 14, выполняющий функции измельчителя грубого помола (не менее 1 мм) кусков углеродосодержащих топлива и/или отходов, например каменного угля, шлаковых отходов теплоэлетростанций и т.п., накопитель 15 и резервуар 16 с водой, из которого она подается в накопитель 15 для смешивания в нем с помолом из шредера 14, а также кавитационный диспергатор 17, например, в виде проточного ультразвукового кавитационного реактора. В блоке помола 2 сборка шредер 14, накопитель 15 и резервуар 16 выполняет функции первой ступени помола, а кавитационный диспергатор 17 функции второй - последней ступени блока 2 помола.
При этом выход 18 шредера 14 соединен с первым входом 19 накопителя 15, второй вход 20 которого соединен с выходом 21 резервуара 16 с водой, а выход 22 соединен с входом 23 кавитационного диспергатора 17.
Кавитационный диспергатор 17 (см. фиг. 2.) содержит цилиндрическую рабочую камеру 24 в технологическом объеме 25, выполненном в виде сферы, а также входной 26 и выходной 27 сквозные каналы, впрессованные в цилиндрическую камеру 24 технологического объема 25 с соосным расположением их относительно друг друга и оси камеры 24. Цилиндрическая рабочая камера 24 выполняет функции резонатора, а технологический объем 25 - функции волновода ультразвуковых колебаний от ультразвуковых преобразователей УЗП. Поверхность сферы технологического объема 25 (волновода) выполнена в виде объемного многогранника, а нормали к его граням ориентированы в центр сферы реактора (в центр цилиндрической рабочей камеры 24). Ультразвуковые преобразователи УЗП закреплены на гранях технологического объема 25 (волновода) и равноудалены от центра сферы (центра цилиндрической рабочей камеры 24). Кавитационный диспергатор 17 содержит также насос 28, вход 29 которого через входной канал 23 соединен с выходом 22 накопителя 15, а выход 30 с входным сквозным каналом 26 технологического объема 25. Выходной сквозной канал 27 технологического объема 25 через краны 31, 32 соединен соответственно с выходами 33, 34 кавитационного диспергатора 17.
При этом выход 34 соединен с входом 35 накопителя 15, а выход 33 соединен с входом 36 накопителя 3 готовой к употреблению микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой.
Краны 31, 32 имеют соответственно входы 37, 38 управления ими, позволяющие управлять направлением подачи микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой из выходного канала 22. Переключение кранов 31, 32 позволяет направлять микро-нанокомпозитную смесь помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой либо на повторный помол с целью дальнейшего уменьшения размера частиц помола (при открытом кране 32 и закрытом кране 31), либо направлять ее в накопитель 3, если она готова к употреблению (при закрытом кране 32 и открытом кране 31).
Данный кавитационный диспергатор позволяет получать частицы помола в интервале от 40 нм до 0.7 мкм при высокой производительности обработки технологических сред в режиме непрерывного потока [см., например, «Проточный ультразвуковой кавитационный реактор», патент РФ №2446874, 2010 г., B01J 19/10, http://www.rusnanonet.ru/equipment/molot/].
Накопитель 3 готовой к употреблению микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой выполнен в виде, например, стального бака объемом не менее 1000 литров.
Выход 39 накопителя 3 соединен с входом 40 дозатора 4 (см. фиг. 1), который содержит нагнетающий насос 41 и электрогидравлическую форсунку 42. При этом вход 43 насоса 41 соединен с входом 40 дозатора 4, а выход 44 - с вводом 45 подачи топлива в электрогидравлическую форсунку 42, выход 46 которой находится в камере 5 сгорания. На камере 5 установлен также плазмотрон 47 на парах воды, вход 48 подачи газа (паров воды) которого соединен с выходом парогенератора 8. Выход 49 плазмотрона 47 находится в камере 5.
Выход 50 камеры 5 сгорания соединен входом 51 средства 6 преобразования тепловой энергии газового потока в электрическую энергию, выполненного, например, виде комбинации газовой турбины 52 с электрогенератором 53 и двигателя 54 с внешним подводом тепла, имеющего механический привод к электрогенератору 55. Вход 56 газовой турбины 52 соединен с входом 51 средства 6, а выход 57 - с входом 58 горячей камеры 59 двигателя 54 (см. фиг. 1), выход 60 которой соединен с выходом 61 средства 6 и входом 62 котла-утилизатора 7. Холодная камера 63 двигателя 54 с внешним подводом тепла соединена с холодильником (на фиг. 1 не показан). Электрогидравлическая форсунка 42 имеет вход управления 64 процессом дозированного микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой камеру 5 сгорания.
В бункере 1 находится углеродосодержащее топливо и/или отходы 63, например шлаковые отходы теплоэлектростанций или куски каменного угля.
В камере 5 рядом с выходом 46 электрогидравлической форсунки 42 имеются каналы 64 для эжекции воздуха в камеру 5 с целью интенсификации и поддержания процесса горения.
Выполнение средства 6 преобразования тепловой энергии газового потока в электрическую энергию в виде последовательно соединенных по газовому потоку газовой турбины 52 с электрогенератором 53 и двигателя 54 с внешним подводом тепла с электрогенератором 55 позволяет наиболее полно преобразовать тепловую энергию газового потока в электрическую, так как, например, коэффициент полезного действия газовой турбины (особенно газовой турбины малой мощности) составляет не более (40-50)%
Установка работает следующим образом.
Перед началом работы устройства в бункер 1 загружают углеродосодержащее топливо и/или отходы 63, например каменный уголь, резервуар 16 заполняют водой, а на входы 37 и 38 кранов 31 и 32 (см. фиг. 2) соответственно подают сигнал закрытия их и таким образом закрывают их.
Затем углеродосодержащее топливо и/или отходы 63, например каменный уголь, из бункера 1 направляют в шредер 14, в котором он перемалывается до размера частиц не более 1.5 мм. С выхода 18 шредера 14 помол каменного угля через вход 19 передается в накопитель 15, в котором он смешивается с водой, поступающей через вход 20 в накопитель 15 с выхода 21 резервуара 16. Смешение производится в пропорции 60% объемных воды и 40% объемных помола каменного угля.
Далее на вход 38 крана 32 подают сигнал открытия и таким образом открывают его. Смесь воды и помола с выхода 22 накопителя 15 через вход 23 диспергатора 17 поступает на вход 29 насоса 28 (см. фиг. 2). Насос 28 через входной канал 26 подает смесь помола с водой в рабочую камеру 24 технологического объема 25 диспергатора 17. При выходе из канала 26 в расширяющийся объем рабочей камеры 24 технологического объема 25 вода смеси кавитирует с образованием газовых пузырьков в рабочей камере 24. При подаче напряжения на пьезоэлектрические элементы ультразвуковых преобразователей УЗП электрические колебания преобразуются в ультразвуковые колебания. На резонансной частоте колебаний, осуществляется передача энергии колебаний с наибольшей интенсивностью по нормали к стенкам рабочей камеры 24. Под воздействием ультразвуковых колебаний кавитационные пузырьки с силой схлопываются. Энергия схлопывания разрушает частицы грубого помола, находящиеся с непосредственной близости от пузырька, а смесь помола с водой, подаваемая с небольшим напором насосом 28 в рабочую камеру 24, подвергается гомогенизации и уменьшению размера частиц помола до величины не более 1 мкм. В выходном канале 27 путем отбора проб (отбор проб на фиг. 2 не показан) осуществляют контроль размера частиц помола.
Если размер частиц помола не достиг величины меньше 1 мкм, то смесь воды и помола через открытый кран 32 с выхода 34 направляют на вход 35 накопителя 15. Таким образом смесь помола с водой возвращается в накопитель 15, а из него насосом 28 диспергатора 17 закачивается в рабочую камеру 24 технологического объема 25, где частицы помола снова подвергаются разрушению за счет энергия схлопывания газовых пузырьков в рабочей камере 24 и затем через кран 32 снова подаются в накопитель 15 и т.д.
Если размер частиц помола достиг величины меньше 1 мкм, то на вход 38 крана 32 подают сигнал закрытия и таким образом закрывают его, а на вход 37 крана 31 подают сигнал открытия и таким образом открывают его. При этом смесь помола с водой с выхода 33 диспергатора 17 через вход 36 поступает в накопитель 3 готовой к употреблению микро-нанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой.
С выхода 39 накопителя 3 микро-нанокомпозитная смесь помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой поступает на вход 40 дозатора 4 (см. фиг. 1). При этом нагнетающий насос 41 закачивает микро-нанокомпозитную смесь помола с водой из накопителя 3 в электрогидравлическую форсунку 42 через выходной патрубок 44.
Затем в плазматрон 47 с выхода 48 парогенератора 8 подают перегретый водяной пар и зажигают плазматрон 47 и плазменный поток 49 паров воды направляют в камеру 5 сгорания, в которой при этом создается температура газов в интервале (1000-1300)°C.
Далее на вход 64 управления электрогидравлической форсунки 42 периодически подают сигнал, по которому с выхода 46 форсунки 42 в плазменный поток 49 в виде аэрозоля впрыскивается порция микро-нанокомпозитной смеси помола с водой. При этом также через каналы 64 в камеру 5 эжектируется порция воздуха.
2
В процессе сжигания топлива вода испаряется, превращаясь при этом в перегретый пар. В присутствии углерода, а именно микро-наночастиц углеродсодержащих топлива - каменного угля, термически образуется смесь водорода H с оксидом углерода CO по реакции , т.е. синтез-газ. Этот газ при температуре в горелке камере 5 около 500-800°C сгорает с выделением тепла.
Далее высокоэнтальпийный поток газа с выхода 50 камеры 5 направляется на вход 51 средства 6 и через сопловый аппарат (аппарат на фиг. 1 не показан) на вход 56 газовой турбины 52, с выхода 57 которой поток газа через вход 58 в горячую камеру 59 двигателя 54 (см. фиг. 1) и далее через выход 60 на выход 61 средства 6. Затем через вход 62 поток газа поступает в котел-утилизатор тепла 7. В котле-утилизаторе тепла 7, проходя через теплообменники парогенератора 8, энтальпия газового потока понижается, и он, уже охлажденный, поступает в блок очистки 9. Из блока очистки 9 поток газа направляется в дымосос 10 и далее через блок нейтрализации 11 в дымовую трубу 12, из которой он выбрасывается уже в атмосферу. Вырабатываемый же в парогенераторе пар направляется в плазменный источник 6 и далее в камеру сгорания 3 газовой турбины 2. В средстве 6 электрогенераторы 53, 55 вырабатывают электроэнергию, которая передается потребителю.
Следует отметить, что многие узлы, присущие обычной газовой турбине 52 и двигателю 54 с внешним подводом тепла (например, двигателю Стерлинга), на чертежах показаны условно или не показаны и не описаны вообще, т.к. они не влияют на сущность заявляемого решения и могут быть выполнены традиционно.
Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что использование микро-нанокомпозитной смеси помола с водой существенно снижает все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокую эффективность в сочетании с низкой себестоимостью.