Микроволновое излучение в технологии сушки угля

УДК 620.9:662.642

МИКРОВОЛНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ УГЛЯ Н.П. Коновалов, П.Н. Коновалов, А.А. Хайдурова

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, i03@istu.edu

Проведён сравнительный анализ процесса сушки бурого угля Мугунского и Берёзовского месторождений традиционным конвективным методом и методом с применением микроволнового излучения. Предложен способ микроволнового нагрева в процессе подготовки бурого угля для сжигания на тепловых электрических централях (ТЭЦ) и котельных с целью снижения энергозатрат процесса и уменьшения вредных выбросов в атмосферу. Результаты экспериментов показали значительное повышение КПД процесса микроволновой сушки (до 85%) относительно традиционных (35%) методов. Также обнаружено удаление азота и снижение содержания серы в образцах бурого угля после воздействия на него микроволновым излучением. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 12 назв.

Ключевые слова: микроволновое излучение; микроволновый нагрев; конвективный метод; сушка; бурый уголь.

MICROWAVE RADIATION IN COAL DRYING TECHNOLOGY N.P. Konovalov, P.N. Konovalov, A.A. Khaidurova

Irkutsk national research technical university,

83, Lermontov St., 664074 Irkutsk, Russia, i03@istu.edu

The comparative analysis of the drying process of brown coal from the Mugunsky and Beryozovsky deposits by the traditional convective and microwave radiation methods is carried out. The microwave heating in the preparation process of brown coal for its burning in heat and power plants, and also heat boiler stations, is proposed in order to decrease the process power consumption and to reduce the harmful emissions in the Earth's atmosphere. The experimental results showed a significant increase in the process efficiency of the microwave drying (up to 85%) comparing to the traditional convective (35%) methods. It was also observed a removal of nitrogen and a reduction of sulfur in the samples of brown coal after the microwave processing. 4 figures. 1 table. 12 sources.

Key words: microwave radiation; microwave heating; convective method; drying brown coal. ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2020 года» структура топливно-энергетического баланса страны на долгосрочную перспективу предусматривает значительное увеличение использования угля. Изменение топливного баланса России в сторону увеличения доли угля в производстве энергии требует обеспечения конкурентоспособности угольного топлива в условиях насыщенности рынка альтернативными энергоресурсами, устойчивого и безопасного развития угольной отрасли на основе современных технологий, отвечающих экологическим нормам [5].

Развитие энергетики страны в значительной мере связано с использованием в основном углей низкой стадии метаморфизма (молодые окисленные угли). При их сжигании

образуется большое количество вредных газов, выбрасываемых в атмосферу, и твердый остаток в виде золы, высокое содержание которой сильно влияет на процесс горения угля. Для ее улавливания и очистки газов необходимо использовать высокоэффективные очистные сооружения. Поэтому большой интерес представляют новые экологически чистые, высокоэффективные способы и средства для решения этих проблем еще на стадии подготовки топлива к дальнейшему его использованию в технологическом процессе.

Одним из возможных способов улучшить качество угля на стадии подготовки является микроволновый (МВ) нагрев. Использование микроволновой энергии позволяет снизить вредные выбросы при сжигании низкосортных углей путем предварительного нагрева

угольной пыли перед ее сжиганием в котле, что способствует удалению молекулярного азота в виде N2 ещё до сжигания топлива. Это приведёт к уменьшению содержания оксидов азота в дымовых газах. Так, при температуре сжигания от 850 оС до 900 оС содержание оксидов азота в дымовых выбросах уменьшается в 4 раза [2].

Также экспериментально установлено, что при микроволновом нагреве из-за различия диэлектрических потерь в угле и зольной части происходит диспергирование только угольной (органической) компоненты, что очень важно с точки зрения повышения качества угольного топлива и снижения зольных примесей в нем [2]. Только использование микроволновой энергии позволяет получить такой результат.

Вода в угле является одним из его компонентов, и для различных углей ее количество колеблется в широких пределах. Обычно в бурых углях содержание влаги больше, чем в каменных и антрацитах. Влага в угле является балластом, отрицательно влияет на его поверхностные характеристики и реакционную способность органической массы. Поэтому сушка является основным этапом в подготовке угля в технологическом процессе. В традиционном конвективном методе сушки тепло, необходимое для испарения влаги из материала, передается обрабатываемому материалу от воздуха, дымовых газов или перегретого пара путем соприкосновения. Соприкасаясь с высушиваемым материалом и передавая ему тепло, теплоносители воспринимают удаляемую из материала влагу. Влага испаряется за счет разности давлений водяных паров на поверхности материала и в воздухе. Этот способ применяется для сушки углей на теплоэлектростанциях [4]. Сушилки с конвективным способом сушки различных конструкций получили в промышленности наибольшее распространение благодаря простоте устройства и эксплуатации, однако характеризуются большими затратами энергии, высокой металлоемкостью оборудования и взрыво-опасностью процесса сушки бурого угля [9]. К недостаткам конвективного способа сушки можно отнести и то, что движение влаги к поверхности материала идет только за счет перепада между влажностью во внутренних и поверхностных слоях. Градиент температуры ухудшает выход влаги к поверхности, т.к. температура в объеме материала ниже, чем во внешних слоях. В результате влажность на поверхности материала становится ниже гигроскопической и у многих материалов сопровождается началом явления усыхания. Последнее вызывает растяжение наружных и

сжатие внутренних слоев в начале сушки и обратное распределение напряжений в конце сушки. Поэтому между интенсивностью сушки и уровнем напряжений устанавливается невыгодная связь: чем интенсивнее сушка, тем выше уровень напряжения. Это приводит к внутренней деформации и разрушению материала, что отчетливо наблюдается при сушке бурого угля [8].

Физическая природа механизма поглощения электромагнитной энергии заключается в следующем. Молекулы любого вещества связаны друг с другом силами межмолекулярного взаимодействия. Под действием переменного электромагнитного поля на вещество внутримолекулярные заряды начинают смещаться. На перемещение заряженных частиц затрачивается работа, которая совершается против сил межмолекулярного взаимодействия, играющего роль внутреннего трения, и которая превращается в теплоту. Это явление называется «диэлектрическим нагревом». Эффективность преобразования энергии переменного электромагнитного поля в тепловую, пропорциональна значению коэффициента диэлектрических потерь (коэффициент поглощения энергии), частоте и квадрату напряженности электрического поля в веществе [3]. Поглощаемая материалом мощность пропорциональна частоте излучения, что определяется способностью высокочастотных электромагнитных волн передавать МВ энергию с большей эффективностью при небольших напряженностях поля. Важнейшим преимуществом МВ воздействия является способность электромагнитного поля проникать в материал на значительную глубину, создавая объемное распределение источников тепла, без необходимости создания какой-либо теплообменной среды. При обычных же методах нагрева возникает опасность перегре-ва поверхности нагреваемого материала до того, как глубинные слои еще не достигли нужной температуры [2].

МВ воздействие является свободно контролируемым и практически безинерци-онным процессом, что дает возможность мгновенно дозировать подачу тепла. Также одним из важнейших преимуществ МВ излучения является его избирательный характер, поэтому отдельные компоненты многокомпонентного материала нагреваются по-разному в зависимости от их коэффициента поглощения. Это свойство широко используется при МВ-сушке материалов, когда вода испаряется из материала, при этом материал сохраняет свои качества [1]. В пористых материалах в процессе МВ-сушки влага непрерывно движется от внутренних слоев к поверхности

материала и испаряется с поверхности, а образующийся пар диффундирует в окружающую среду. В сложных гетерогенных пористых материалах имеет место испарение влаги во внутренних слоях с перемещением влаги внутри материала в жидком и парообразном состояниях. Применение МВ излучения во многих случаях повышает экономичность процесса сушки. МВ установки с общим КПД использования электроэнергии, достигающим 85% за счет отсутствия промежуточных носителей тепла, значительно понижают потребление энергии [11].

На стадии подготовки угля для его дальнейшего сжигания на тепловых электрических централях (ТЭЦ) и котельных, а также других промышленных предприятиях использование микроволнового излучения позволяет улучшить его технологические качества. Данный метод дает возможность, во-первых, контролировать необходимый процент влажности угля, исключая локальный перегрев, тем самым не допуская его возгорания, и, во-вторых, обеспечивает равномерный процесс сушки с минимальными потерями МВ энергии, благодаря чему на выходе можно получить качественный продукт с сохранением его физических свойств. Кроме того процесс МВ-сушки бурого угля является наиболее экологически чистым.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для осуществления предложенной технологии была разработана и построена пилотная установка с использованием МВ излучения частотой 2,45 ГГц при длине электромагнитной волны 12,24 см (рис. 1). Эта длина волны является достаточной для проникновения МВ энергии по всей толщине высушиваемого материала. Эксперимент

проводился с бурым углем Мугунского (фракция 0,5 мм < d < 1 мм - уголь 1) месторождения Иркутского угольного бассейна и Березовского (фракция 0,25 мм < d < 0,5 мм - уголь 2) месторождения угольного бассейна.

Уголь распределяется фиксированной толщиной на транспортерной ленте, по которой он подается в зону нагрева. Под действием микроволнового излучения влага, находящаяся в порах угольного вещества, резко нагревается и переходит в пар, который начинает перемещаться по порам к поверхности, выталкивая из пор сорбированную влагу. Поверхностный слой обрабатываемого материала обдувается потоком воздуха, что повышает скорость удаления влаги [6]. Таким образом, можно говорить о комбинированной сушке, которая совмещает одновременную конвективную и микроволновую термообработку бурого угля.

Бурый угль относится к классу несовершенных диэлектриков и содержит в себе большое количество воды, которая хорошо поглощает микроволновую энергию. Благодаря высокой восприимчивости к МВ излучению, молекулы воды, под воздействием микроволновой энергии, приходят в движение за счет дипольной и релаксационной поляризаций. Вода резко разогревается и переходит в пар. Сам материал угля нагревается меньше, поскольку молекулы более жестко связаны и для их разрушения требуется больше времени и энергии. Время пребывания бурого угля в зоне нагрева не велико, и температура его не превышает 90 °С, поэтому деструкции органической массы не наблюдается. Данный факт также исключает воспламенение и окисление высушиваемого угля.

Проведенные экспериментальные исследования по определению скорости сушки

' 9 А Д

4 . г\т \

Рис. 1. Устройство для сушки буроугольного концентрата повышенной влажности: 1 - корпус; защищающий персонал от микроволнового излучения; 2 - транспортерная лента;

3 - электропривод; 4 - загрузочное устройство; 5 - регулируемый шиберный затвор; 6 - МВ излучатели; 7 - рупорные антенны; 8 - вентилятор; 9 - буроугольный концентрат; 10 - разгрузочное устройство; 11 - циклон; 12 - запредельный волновод

л -

г х

£ я

---------Г--------- ! 1 --------- --------- --------- --------- --------- --------- --------- ---------1

\ 1

—•—Конвекционная сушка Я МВ сушка

ДI

1 1

1 1

1 ^ 1

- - - - - - 1 1 I 1 1 -1-1-1-1

О

1

8

10

2 3 4 5 6 7 Время, мин

Рис. 2. Зависимость потери влаги бурым углем от времени при сушке

МВ излучением и конвекцией

бурого угля конвекционным методом и методом микроволнового воздействия показали, что микроволновое излучение позволяет снизить время сушки угля при малой затраченной мощности и пребывания материала в зоне нагрева в 3,3 раза, а потребление электроэнергии снижается в 4,6 раза на единицу продукта [10]. Сравнение эффективности конвекционного процесса сушки и микроволновой сушки бурого угля 1 показаны на графике (рис. 2).

На рис. 3 и зображены графики зависимостей потери влаги от времени в двух разных образцах бурого угля 1 и 2. Начальное значение влаги в угле 30%. Эксперимент показывает, что микроволновая сушка позволяет за короткий промежуток времени (150 секунд) снизить количество влаги в угле до 10-15%.

В литературе описаны различные исследования по взаимодействию угля с микроволновой энергией. Проводились исследования

влияния частоты излучения на диэлектрические свойства угля, а также исследования по предварительному подогреву угля с целью выделения молекулярного азота в виде N [2,7,12]. Наша разработка позволила подтвердить эти данные экспериментальным путем.

При исследовании бурого угля после микроволновой сушки было также отмечено, что при удалении влаги происходит также полное удаление азота из образцов. Эти наблюдения были подтверждены на различных образцах угля исследуемых месторождений.

В табл. 1 приведены физико-химические характеристики бурого угля до и после сушки в микроволновом поле.

Элементный анализ бурого угля, проведенный до и после сушки микроволновым излучением, показал, что произошло снижение содержания серы в обоих образцах бурого угля Мугунского и Берёзовского месторождений (рис. 4).

го

35

30

25

20

15

10

0

о

ш уголь 1 Ш уголь 2

20

40

60

80

100 120 140 160

Время, мин

Рис. 3. Зависимость между влагосодержанием угля и временем сушки

Таблица

Влияние МВ излучения на основные физико-химические характеристики бурого угля Мугунского и Берёзовского месторождений_

% Мугунский Берёзовский

Исходный После МВ-сушки Исходный После МВ-сушки

Wa 28,70 7,50 32,90 11,30

Vм 51,14 51,43 49,00 30,15

Ad 22,17 21,64 8,00 7,44

С* 70,74 68,87 82,5 84,06

5,19 5,16 5,07 3,98

2,06 1,37 0,89 0,69

1,39 0 2,51 0

Oddaf 20,62 24,59 9,02 11,27

Рис. 4. Содержание серы в буром угле до и после воздействия МВ излучением

Изменение в структурном составе угля объясняется тем, что микроволновая энергия увеличивает скорость химических реакций разложения NOx и SOx. Эти вещества вступают в реакцию с углеродом, вследствие которой разлагаются на азот и диоксид углерода, и на элементарную серу и диоксид углерода соответственно:

2Шх + хС ^ хСО + N2 28Ох + хС ^ хСО + 28

Из обеих реакций видно, что при воздействии микроволновой энергией на уголь, основным элементом которого является углерод С, происходит разложение вредных газов NOx и SOx. Диоксид углерода С02 и азот N уходят в атмосферу, а сера может далее использоваться как продукт.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В результате проведенных экспериментальных исследований по сушке буроугольного концентрата микроволновым излучением был выявлен ряд преимуществ, таких как сокращение времени сушки по сравнению с традиционным конвекционным методом, уменьшение содержания азота и серы в угле, взрывобезопас-ность, снижение энергоемкости и металлоемкости оборудования.

ВЫВОДЫ

Данный процесс сушки угля обеспечивает эффективный метод контроля влажности, которая необходима для использования угля на производстве с сохранением максимальной ценности продукта. Это позволяет увеличить использование буроугольных ресурсов путем обеспечения более полного сгорания угля за счет сохранения термической эффективности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Брандт Л.А. Исследование диэлектриков 2. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика: теория и

на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963. практика. М.: Наука, 2003. 446 с. 404 с. 3. Коломейцев В.А., Комаров В.В. Микро-

волновые системы с равномерным объемным нагревом. Саратов: Изд-во СГТУ, 1998. 160 с.

4. Лейкин В.З. Технология, оборудование, совершенствование подготовки и сжигания твердого топлива на ТЭЦ и котельных: учеб. пособие. Спб.: ПЭИпк, 2005. 223 с.

5. Основные положения Энергетической стратегии России на период до 2020 года. М.: Институт энергетической стратегии, 1999. 68 с.

6. Пат. 2330225 РФ. Способ сушки сыпучих диэлектрических материалов и устройство для его осуществления / П.Н. Коновалов, А.А. Хай-дурова, Н.П. Коновалов; заявл. 24.01.07; опубл. 27.07.08, Бюл. № 21.

7. Создание новой технологии сжигания канско-ачинских и других бурых углей с обеспечением оптимальных экологических параметров // Материалы Всероссийской НПК «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов», 3-6 июня 2006 г., г. Красноярск.

8. Сполдинг Д.Б. Конвективный массопе-ренос. М.: Энергия, 1965. 384 с.

9. Филоненко Г.К., Лебедев П.Д. Сушильные установки. М.: Госэнергоиздат, 1952. 356 с.

10. Хайдурова А.А., Коновалов П.Н., Коновалов Н.П. Энергосберегающая технология сушки угольного концентрата для ТЭЦ // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». Иркутск, 2006. С. 419-421.

11. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны / А.Р. Хиппель. М.: Изд-во ИЛ,1960. 438 с.

12. James Graham, Senior Process Engineer. Microwaves for coal quality improvement: the DRYCOL Project. sacps/International Pittsbrugh Coal Conference 2007 Johannesburg, South Africa, September 10-14, 2007.

1. Brandt L.A. Research of dielectrics at high frequency. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1963, 404 p.

2. Didenko A.N. MW-power: theory and practice. Moscow, Nauka Publ., 2003, 446 p.

3. Kolomeitsev V.A., Komarov V.V. Microwave systems with uniform volumetric heating. Saratov, SGTU Publ.,1998, 160 p.

4. Leikin V.Z. Technology, equipment, improvement of preparation and burning solid fuel in heat and power plants and heat boiler stations: tutorial. Saint Petersburg, PEIpk Publ., 2005, 223 p.

5. The main provisions of the Russia's energy strategy for a period till 2020 year. Moscow, Institute of Energy Strategy Publ., 1999, 68 p.

6. Konovalov P.N., Khaydurova A.A., Konovalov N.P. A method for drying bulk dielectric solids and a device for its realization. Patent RF no. 2330225 RF. Submitted 24.001.2007, published 27.07.2008, ID no. 21.

7. Creation of new technology for firing of kansk-achinsk's and other brown coals with optimal environment-saving conditions. Materialy Vserossiiskoi Nauchno-Prakticheskoi Konferentsii "Dostizheniya nauki i tekhniki - razvitiyu Sibirskikh regionov" [Proceeding of the All-Russian theoreti-

cal and practical conference "Achievements in science and technology - development of the Siberian regions"]. Krasnoyarsk, 3-6 June 2006.

8. 8.Spolding D.B. Convective mass transport. Moscow, Energiya Publ., 1965, 384 p.

9. Filonenko G.K., Lebedev P.D. Drying equipment. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1952, 356 p.

10. Khaydurova A.A., Konovalov P.N., Konovalov N P. Energy-saving technology for drying a coal concentrate for heat power stations. Materialy Vserossiiskoi Nauchno-Prakticheskoi Konferentsii s Mezhdunarodnym Uchastiem "Povy-shenie effektivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v usloviyakh Sibiri [Proceeding of the All-Russian theoretical and practical conference with international participation "Increase of efficiency of energy production and utilization in Siberia's environmental conditions"]. Irkutsk, 2006. pp. 419-421.

11. Hippel, A.R. Dielectrics and waves. Moscow, IL Publ., 1960, 438 p.

12. James Graham, Senior Process Engineer. Microwaves for coal quality improvement: the DRYCOL Project. sacps/International Pittsbrugh Coal Conference 2007 Johannesburg, South Africa, September 10-14, 2007.

Поступила в редакцию 29 января 2015 г. После переработки 11 февраля 2015 г.