СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ ТОПЛИВ ИЛИ ОТХОДОВ
METHOD FOR SOLID CARBON-CONTAINING FUELS OR WASTES INCINERATION

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.
Известен способ сжигания твердых органических отходов при повышенном давлении [патент РФ №2479792, 14.11.2011 г., 6 F02G 5/04], включающий формирование колец из прессованных, отсортированных твердых органических отходах, которые собирают в блок, имеющий высоту, равную высоте зоны сгорания, помещение блока в зону сгорания при температуре (1450-1500)°C, сжигание блока с образованием потока продуктов сгорания, обеспечение в зоне дожигания полного сгорания твердых частиц с получением потока газов, снижение их температуры за время, меньшее, чем время каталитического образования диоксинов и рекуперацию энергии, в которой энергию потока передают потоку атмосферного воздуха, подаваемого в зону сгорания и на вход зоны дожигания, а выходящий поток сбрасывают в атмосферу.
Однако этот способ не позволяет перерабатывать сыпучие твердые углеродосодержащие отходы, например, шлаковые отвалы теплоэлектростанций.
Известен способ работы парогазовой электростанции на комбинированном топливе (твердом с газообразным или жидким) [патент РФ №2230921, 2004 г., 7 F02C 6/18], включающий процессы сжигания твердого топлива с образованием перегретого пара, смешения полученных продуктов сгорания с водяным паром, расширения газопаровой смеси с преобразованием ее потенциальной энергии в механическую с одновременным преобразованием последней в электрическую, утилизации теплоты отработавших газов, конденсации влаги и сжатия.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что он очень сложен в реализации, малоэффективен и требует больших затрат в процессе эксплуатации.
Известен способ сжигания угля [патент РФ №2230981, 2004 г., 7 F23B 7/00]. Данный способ включает диспергирование и впрыск угля в камеру сгорания, при этом в процессе диспергирования уголь дробят до размера частиц не более 20 мкм и одновременно активируют преимущественно с помощью механических мельниц, которые располагают в непосредственной близости от камеры сгорания.
В данном способе образуется уголь достаточно крупного помола, а получить его с более низкой тониной при данном способе невозможно. Это приводит к неполному сгоранию угля, часть его остается в шлаках. Следовательно, вышеуказанный способ сжигания угля в камерах сгорания газовых турбин практически неприемлем, в том числе из-за низкой эффективности сгорания угля и большого эрозийного износа лопаток турбин.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ сжигания угля [патент РФ №2327889, 2006 г., 7 F02C 3/26]. Данный способ включает ультратонкий помол угля, ввод пылеугольной смеси в камеру сгорания и инициирование. 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 сгорания пылеугольной смеси в камере сгорания газовой турбины осуществляют с помощью плазменного источника на парах воды, генерируемых за счет использования энтальпии выходящих газов.
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 тороидальной 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 и эффективности работы установки, реализующей предлагаемый способ, за счет снижения износа деталей ее и снижения затрат на подготовку топлива.
Заявленный результат достигается тем, что в известном способе сжигания твердого углеродосодержащего топлива и/или отходов включающем помол твердого углеродосодержащего топлива и/или отходов, ввод помола твердого углеродосодержащего топлива и/или отходов в камеру сгорания и инициирование, дополнительно тонину помола твердого углеродосодержащего топлива и/или отходов доводят до размера не более 1 мкм с образованием микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов с водой, а затем впрыскивают, образованную смесь при помощи капельного дозатора в камеру сгорания, при этом вышеуказанный размер частиц помола твердых углеродсодержащего отходов осуществляют в два этапа, на первом - осуществляют крупный помол, а на втором этапе с помощью кавитационного диспергатора доводят помол до размера не более 1 мкм.
При этом инициирование горения капель микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащего топлива и/или отходов с водой осуществляют с помощью топливоподающего узла за счет использования запаса энергии топлива, с помощью которого производят розжиг пламени в камере сгорания.
Выбор размера частиц помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов не более 1 мкм и создание с помощью кавитационного диспергатора микронанокомпозитной смеси помола твердого углеродосодержащего топлива и/или отходов с водой, а также дозированная подача ее в камеру сгорания позволяют снизить требования к процессу предварительной подготовки топлива, снизить износ деталей блока помола и таким образом увеличить ресурс работы устройства реализующего предлагаемый способ.
Для осуществления заявляемого способа сжигания твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов предлагается установка для производства энергии на твердом топливе.
На фиг. 1 приведена общая блок схема установки, позволяющей реализовать предлагаемый способ.
На фиг. 2 приведен вариант исполнения кавитационного диспергатора, позволяющего на втором этапе довести размер частиц помола до размера не более 1 мкм.
На фиг. 3 приведен вариант исполнения капельного дозатора и накопителя готовой микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой, а также соединений между ними.
На фиг. 4 приведен вариант исполнения капельной печи и блока инициализации горения капель микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащего топлива и/или отходов с водой, осуществляемого за счет использования запаса энергии топлива, с помощью которого производят розжиг пламени в камере сгорания.
Установка для осуществления способа содержит бункер 1 подачи твердого углеродосодержащего топлива и/или отходов в блок 2 помола, накопитель 3 микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой, дозатор 4, камеру сгорания, выполненную в виде капельной печи 5, двигатель 6 с внешним подводом тепла, имеющий механический привод к электрогенератору ЭГ, дымосос 7 и дымовую трубу 8.
Блок помола 2 содержит шредер 9, выполняющий функции измельчителя грубого помола (не менее 1 мм) кусков углеродосодержащего топлива и/или отходов, например, каменного угля, шлаковых отходов теплоэлетростанций и т.п., накопитель 10 и резервуар 11 с водой, из которого она подается в накопитель 10 для смешивания в нем с помолом из шредера 9, а также кавитационный диспергатор 12, например, в виде проточного ультразвукового кавитационного реактора. В блоке помола 2 сборка шредер 9, накопитель 10 и резервуар 11 выполняет первый этап помола, а кавитационный диспергатор 12 второй этап помола.
При этом выход 13 шредера 9 соединен с первым входом 14 накопителя 10, второй вход 15 которого соединен с выходом 16 резервуара 11 с водой, а выход 17 соединен с входом 18 кавитационного диспергатора 12.
Кавитационный диспергатор 12 (см. фиг. 2.) содержит цилиндрическую рабочую камеру 19 в технологическом объеме 20, выполненном в виде сферы, а также входной 21 и выходной 22 сквозные каналы, впрессованные в цилиндрическую камеру 19 технологического объема 20 с соосным расположением их относительно друг друга и оси камеры 19. Цилиндрическая рабочая камера 19 выполняет функции резонатора, а технологический объем 20 функции волновода ультразвуковых колебаний от ультразвуковых преобразователей УЗП. Поверхность сферы технологического объема 20 (волновода) выполнена в виде объемного многогранника, а нормали к его граням ориентированы в центр сферы реактора (в центр цилиндрической рабочей камеры 19). Ультразвуковые преобразователи УЗП закреплены на гранях технологического объема 20 (волновода) и равноудалены от центра сферы (центра цилиндрической рабочей камеры 19). Кавитационный диспергатор 12 содержит также насос 23, вход 24 которого через входной канал 18 соединен с выходом 17 накопителя 10, а выход 25 с входным сквозным каналом 21 технологического объема 20. Выходной сквозной канал 22 технологического объема 20 через краны 26, 27 соединен соответственно с выходами 28, 29 кавитационного диспергатора 12.
При этом выход 29 соединен с входом 30 накопителя 10, а выход 28 соединен с входом 31 накопителя 3 готовой к употреблению микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой (см. фиг. 1).
Краны 26, 27 имеют соответственно входы 32, 33 управления ими, позволяющие управлять направлением подачи микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой из выходного канала 22. Переключение кранов 26, 27 позволяет направлять микронанокомпозитную смесь помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой либо на повторный помол с целью дальнейшего уменьшения размера частиц помола (при открытом кране 27 и закрытом кране 26), либо направлять ее в накопитель 3 если она готова к употреблению (при закрытом кране 27 и открытом кране 26).
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 микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой выполнен в виде, например, стального бака объемом не менее 1000 литров.
Выход 34 накопителя 3 соединен с входом 35 дозатора 4 (см. фиг. 1, 3), который содержит нагнетающий насос 36, мерную трубку 37, входной патрубок 38, выходной патрубок 39, обратный патрубок 40, регулировочный стержень 41, установленный в заглушке 42 с возможностью вращения и перемещения вдоль оси мерной трубки 37. В дозаторе 4 имеется также воронка 43 для сбора капель и гидравлический затвор 45.
Капельная печь 5 (см. фиг. 1, 4) содержит горелку 46 и водогрейный котел 47. Горелка 46 содержит трубу 48, к которой приварено днище 49. На нем на стойках 50, 51 установлен испарительный диск 52, к которому по его периметру приварено кольцо 53. В пространство 54, образованное испарительным диском 52 и кольцом 53, подают топливо виде капель 55, которые на раскаленном диске 52 воспламеняются. В днище 50 встроена газовая горелка 56, которая через клапан 57 блока 58 инициализации горения подсоединена к газовому баллону 59. Рядом с газовой горелкой 56 в днище 49 на изоляторе 60 установлен поджигающий электрод 61. Поджог газа газовой горелки 56 производится с помощью электрического разряда, создаваемого между газовой горелкой 56 и поджигающим электродом 61 источником высокого напряжения 62 блока 58 инициализации горения.
Труба 48 горелки 46 помещена в кожух 63, в верхней части которого по периметру его расположен набор сквозных отверстий 64, необходимых для организации поддува воздуха в область испарительного диска 52 через набор сквозных отверстий 65, расположенных в нижней части трубы 48, рядом с испарительным диском 52. Трубка 66 для подачи капель 55 топлива (микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой) на испарительный диск 52 закреплена на кожухе 63 с помощью колец 67, 68, трубок 69, 70 и вставок 71, 72, сборка которых выполняет функции двухконтурного охладителя трубки 66. Последняя соединена с выходом 73 дозатора 4 (см. фиг 1).
Водогрейный котел 47 установлен на горелке 46 и содержит трубу 74 с газоходом 75, выход 76 которого соединен с горячей камерой 77 двигателя 5 (см. фиг. 1, 3), холодная камера 78 которого соединена с холодильником (на фиг.1 не показан). Труба 74 имеет рубашку 79, заполненную теплоносителем 80, например, водой. В рубашке 79 установлен входной 81 и выходной 82 штуцера для подачи воды в водогрейный котел 47 через штуцер 81 и отбора нагретой воды из водогрейного котла 47 через штуцер 82.
В бункере 1 находится углеродосодержащее топливо и/или отходы 83, например, шлаковые отходы теплоэлектростанций или куски каменного угля. В дозаторе 4 имеется капельница 84 с регулятором скорости капания капель 44 в воронку 43 для сбора капель и подачи их через колено 45 гидравлического затвора на выход 73 дозатора 4 и далее через трубку 6 на испарительный диск 52 печи 5.
Заявленный способ реализуется на этой установке следующим образом.
Перед началом работы устройства в бункер 1 загружают углеродосодержащее топливо и/или отходы 83, например, каменный уголь, резервуар 11 заполняют водой, а на входы 32 и 33 кранов 26 и 27 (см. фиг. 2) соответственно подают сигнал закрытия их и таким образом закрывают их.
Далее в горелке 46 капельной печи 5 (см. фиг. 4) с помощью газовой горелки 56 разогревают до красна (около 800-1100°С) испарительный диск 52. Для этого открывают клапан 57 блока 58 инициализации горения и подают в горелку 56 природный газ, а затем поджигают его с помощью электрического разряда, создаваемого источником высокого напряжения 62 между газовой горелкой 56 и поджигающим электродом 61.
Таким образом осуществляется инициирование горения капель микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащего топлива и/или отходов с водой за счет использования запаса энергии топлива (например, природного газа), с помощью которого производят розжиг пламени в камере сгорания.
Далее готовят микронанокомпозитную смесь помола твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов с водой. Для этого углеродосодержащее топливо и/или отходы 83, например, каменный уголь, из бункера 1 направляют в шредер 9, в котором он перемалывается до размера частиц не более 1.5 мм. Это первый этап помола. Затем с выхода 13 шредера 9 помол каменного угля через вход 14 передается в накопитель 10, в котором он смешивается с водой, поступающей через вход 15 в накопитель 10 с выхода 16 резервуара 11, в пропорции 60% объемных воды и 40% объемных помола каменного угля.
На втором этапе помола на вход 33 крана 27 подают сигнал открытия и таким образом открывают его. Смесь воды и помола с выхода 16 накопителя 10 через вход 18 диспергатора 12 поступает на вход 24 насоса 23 (см. фиг. 2). Насос 23 через входной канал 21 подает смесь помола с водой в рабочую камеру 19 технологического объема 20 диспергатора 12. При выходе из канала 21 в расширяющийся объем рабочей камеры 19 технологического объема 20 вода смеси кавитирует с образованием газовых пузырьков в рабочей камере 19. 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 19. 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 23 в рабочую камеру 19, подвергается гомогенизации и уменьшению размера частиц помола до величины не более 1 мкм. В выходном канале 22 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 27 с выхода 29 направляют на вход 30 накопителя 10. Таким образом, смесь помола с водой возвращается в накопитель 10, а из него насосом 23 диспергатора 12 закачивается в рабочую камеру 19 технологического объема 20 где частицы помола снова подвергаются разрушению за счет энергия схлопывания газовых пузырьков в рабочей камере 19 и затем через кран 27 снова подаются в накопитель 10 и т.д. Если размер частиц помола достиг величины меньше 1 мкм (находится в интервале от 40 нм до 0.7 мкм), то на вход 33 крана 27 подают сигнал закрытия и таким образом закрывают его, а на вход 32 крана 26 подают сигнал открытия и таким образом открывают его. При этом смесь помола с водой с выхода 28 диспергатора 12 через вход 31 поступает в накопитель 3 готовой к употреблению микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой.
С выхода 34 накопителя 3 микронанокомпозитная смесь помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой поступает на вход 35 дозатора 4 (см. фиг. 1, 3). При этом нагнетающий насос 36 закачивает микронанокомпозитную смесь помола с водой из накопителя 3 в мерную трубку 37 через входной патрубок 38. В мерной трубке 37 поток микронанокомпозитной смеси помола с водой разделяется на два: основной поток Ф1 и обратный поток Ф2. Перемещение регулировочного стержня 41, например, путем ввинчивания или вывинчивания его, позволяет регулировать зазор h между торцом стержня 41 и торцом выходного патрубка 39 и таким образом количество текучей смеси помола, проходящей в выходной патрубок 39 и далее в капельницу 84. Регулятором 85 устанавливают необходимую скорость подачи капель в на выход 73 дозатора 4 через воронку 43 и колено 45 гидравлического затвора.
Капли 44 с выхода 73 дозатора 4 поступают в трубку 66 капельной печи 5. Из трубки 66 они в виде капель 55 топлива (микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой) падают на испарительный диск 52 горелки 46 капельной печи 5.
2
В процессе сжигания топлива капли 55 вода капли на раскаленном диске 52 испаряется, превращаясь при этом перегретый пар. В присутствии углерода, а именно микронаночастиц 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 46 и внутри трубы 74 водогрейного котла 47 около 500-800°C сгорает с выделением тепла. Поддув воздуха в область испарительного диска 52 через набор сквозных отверстий 65, расположенных в нижней части трубы 48, рядом с испарительным диском 52 позволяет интенсифицировать процесс горения.
Далее высокоэнтальпийный поток газа с выхода 76 капельной печи 5 направляется на горячую камеру 77 двигателя 6 с вешним подводом тепла. В камере 77 поток газа проходя через теплообменники двигателя 6 (на фги. 1 теплообменники не показаны), энтальпия газового потока понижается (газ отдает тепло двигателю 6), и он, уже охлажденный, поступает в дымосос 7 и далее в дымовую трубу 8, из которой он выбрасывается уже в атмосферу. Электрогенератор ЭГ двигателя 6 при этом вырабатывают электроэнергию, которая передается потребителю.
Следует отметить, что реализация предлагаемого способа возможна и на других устройствах, позволяющих преобразовывать химическую энергию микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродсодержащих топлива и/или отходов с водой в тепловую и электрическую энергию путем сжигания смеси помола с водой в различного вида камерах сгорания, генерирующих при этом тепловую энергию, которая затем с помощью средств преобразования тепловой энергии газового потока может быть преобразована в электрическую энергию. Конкретный вид установки не влияет на сущность заявляемого решения.
Преимущество заявляемого способа состоит в том, что использование микронанокомпозитной смесь помола с водой существенно снижает износ деталей установки реализующей предлагаемый способ и, соответственно, все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокую эффективность и надежность процесса получения тепловой и электрической энергии в сочетании с низкой себестоимостью.