СПОСОБ СВЧ-ГРАДИЕНТНОЙ АКТИВАЦИИ УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАЩИТНОЙ ПЛЕНКИ
MICROWAVE-GRADIENT ACTIVATION OF COAL FUEL WITH HELP OF PROTECTIVE FILM

Изобретение относится к технологии подготовки угольного топлива из различных сортов угля, включая и уголь из окисленных отвалов, к сжиганию в энергетических котлах ТЭЦ, перевозки угольного топлива на дальние расстояния, особенно в условиях низких температур, к технологии углеобогащения, получения из угля углеводородных продуктов для различных отраслей промышленности, включая в первую очередь металлургическую и химическую промышленности.
Известен способ сжигания угольного топлива при дополнительном поджоге струи угольной пыли в котлах при пропускании этой струи через плазменные дуги, формируемые плазмотроном с электродами. В результате частицы угольной пыли нагреваются и при дальнейшем движении внутри большого энергетического котла быстрее сгорают (Жуков М.Ф. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука, 1995. - 304 с.; Иманкулов Э.Р. и др. Плазменный розжиг и стабилизация горения факела донецкого АШ // Теплоэнергетика. - 1990. - №1. - С.51-53).
Недостатки такого метода: высокое потребление электроэнергии плазмотроном, иногда до 10% от вырабатываемой электроэнергии котлом ТЭЦ, загрязнение струи угольной пыли частицами материала электродов плазмотрона, быстрый износ электродов плазмотрона, метод не может быть применен к малым по мощности (менее 0,1 МВт) энергетическим котлам, так как плазмотроны - это сложные и дорогие технические устройства и окупаться они могут только при работе на больших электростанциях и на пылеугольных котлах мощностью более 30 МВт.
Известен способ сжигания угольного топлива в виде угольной пыли в высокочастотной СВЧ-плазме (Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом // Горение и плазмохимия, - т.4, №2, 2007, С.103-109; Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом // Сб. докл. VI Всероссийской конференции "Горение твердого топлива" 8-10 ноября 2006, Новосибирск: ИТ СО РАН, 2006; Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. СВЧ-плазмотрон: для зажигания угольной пыли используем свободно парящий плазмоид. Оборудование. Разработки. Технологии, №2 (02), 2007, с.45-48; Патент РФ №2328095, дата подачи заявки: 23.06.2006). В этом способе СВЧ-плазма, формируемая безэлектродным плазмотроном, зажигается также в основании струи угольного порошка, поступающего в топку котла, однако разряд плазменного типа создается за счет ионизации газа, несущего угольный порошок.
Недостатки этого метода: низкий, менее 10-15%, КПД, т.к. почти вся энергия СВЧ-разряда уходит на нагрев плазмообразующего газа и поддержание газового разряда, а частицы угольного топлива поглощают только малую долю затрачиваемой энергии (менее 10-15%); СВЧ-плазма в основании струи очень нестабильна и требуются специальные сложные конструкции с газовыми потоками для реализации метода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу СВЧ-градиентной активации угольного топлива с использованием защитной пленки является «Способ СВЧ-градиентной активации угольного топлива» (патент РФ №2458107, дата подачи заявки: 10.11.2010). В этом способе активации угольного топлива, включающем СВЧ-воздействие на угольное топливо, производят СВЧ-градиентную активацию в высокоградиентном СВЧ-поле в режиме управления скоростью нарастания СВЧ-поля до возникновения в куске угля трещин глубокого разлома, не приводящих к его полному разрушению.
Недостатком данного способа является то, что при СВЧ-градиентной внутренней активации происходит СВЧ-нагрев внутреннего объема угольного куска, образование и нагрев паров воды, что приводит к резкому образованию щелей в угольном куске от центра до самой ее поверхности. Через щели начинают выделяться летучие углеводороды, как легкие, так и тяжелые, легкие углеводороды преимущественно воспламеняются над поверхностью угля, а тяжелые углеводороды преимущественно образуют аэрозоль из углеводородов в атмосфере над поверхностью угля, что не позволяет уменьшить температуру воспламенения топлива до 500-600 С° и увеличить полноту сгорания топлива до 98% по содержанию углеводородов в первичном угле.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение температуры воспламенения летучих до 500 С°, увеличение выхода летучих углеводородов, разложение тяжелых углеводородов внутри куска угля, включая гетерогенное разложение на минеральной составляющей угля, что обеспечит высокоэффективное сгорание угольных топлив всех промышленных сортов горючего, увеличит полноту сгорания топлива до 98% по содержанию углеводородов в первичном угле.
Технический результат достигается тем, при осуществлении способа СВЧ-градиентной активации угольного топлива с использованием защитной пленки поверхность отдельного куска угля до начала активации покрывают пленкой, которая задерживает первичный выход летучих в течение СВЧ-активации, при этом давление внутри матрицы угля увеличивается и превышает 10 атмосфер без образования трещин и разрывов в нанесенной пленке.
Существует десятки способов создания защитной пленки из различных материалов. Тип пленки и способ ее получения зависит от конкретных условий активации угля и характеристик угля (например, размеров кусков угля, времени СВЧ-активации, сорта угля). Выполненная различными способами защитная пленка должна удовлетворять следующим требованиям: задерживать выход летучих в течение процесса активации, выдерживать давление внутри куска угля до 10 атмосфер, выдерживать температуру до 700°С без образования трещин и разрывов во время процесса активации.
2
3
2
Наличие защитной пленки на куске угля позволяет повышать температуру куска угля без его растрескивания до 600-700°С, поэтому при осуществлении предлагаемого способа скорость разложения летучих внутри куска угля, покрытого пленкой, под воздействием СВЧ-градиентного поля возрастает в 10-100 раз, в зависимости от сорта углей и как следствие в процессе активации до 5-20 раз в зависимости от параметров активации (мощность, время, скважность импульсов СВЧ-импульсов) увеличивается выход легких углеводородов, не способных к образованию видимых аэрозолей, химический состав продуктов выброса из угольного куска состоит из значительно более легких, а значит, и более летучих и горючих углеводородов, что в свою очередь приводит к снижению температуры воспламенения до 500°С, увеличению полноты сгорания топлива до 98% и уменьшению скорости зашлаковывания внутренних поверхностей котельного оборудования за счет уменьшения доли аэрозолей в отходящих дымовых газах. При дальнейшем горении активированного заявляемым способом угля в топках котлов горение происходит в режиме газового факела, без большого выброса сажи и несгоревших кусков угольных частиц, при этом оксидная (состоящая из окислов, например, AlO, SiO и др.) минеральная часть угольного топлива переходит не в аэрозольную фракцию, а в компактный осадок на дне топки, что в 3-8 раз в зависимости от конструкции котла уменьшает скорость зашлаковки конструкций котлов и экономайзеров.
Наличие защитной пленки предотвращает преждевременный выход летучих, что позволяет в 3-8 раз уменьшить потребление электроэнергии СВЧ-генераторами, так как теперь раскалывание куска угля на множество частей или появление в нем трещин не является недостатком способа, потому что внутренняя активация куска угля происходит за время от 1 до 5 с и успевает закончиться до начала разрыва пленки или раскалывания куска угля на отдельные части. Кроме того, наличие защитной пленки на поверхности угольной частицы позволяет осуществлять дополнительную экономию электроэнергии, затрачиваемую СВЧ-генераторами на нагрев угольной частицы, за счет уменьшения потерь тепла из угольной частицы.
Еще одно важное следствие применения заявляемого способа - в конце процесса внутренней активации происходит взрывной разлет активированного куска угля. Это явление является очень важным для горения в котлах различного типа, а особенно в котлах с кипящим нижним и кипящим объемным слоем, т.к. осколки куска угля попадают сразу же в кислородную среду кипящих слоев и продолжают интенсивное догорание уже как СВЧ активированные осколки угля.
Нагрев СВЧ-излучением ведется непосредственно в топочном пространстве угольного котла до разрушения пленки силами внутреннего давления. При этом разрушение пленки происходит не по всей поверхности одновременно, а только в некоторых местах, часто даже в одном. Мощная струя легких углеводородов мгновенно вырывается из разрушенного места, и в месте перемешивания с внешним окислителем (воздухом) вспыхивает высокотемпературный факел (более 1600° С), что в свою очередь приводит к эффективному сгоранию отколовшихся от куска угля частиц угля микронных размеров. При таком режиме размеры отколовшихся частиц угля не бывают большими (до 100-300 мкм), поэтому они эффективно догорают почти во всех конструкциях котлов, включая кипящий слой. Отсюда следует, что заявленный способ не только повышает энергетическую эффективность и экологичность горения углей, но и его использование должно привести к уменьшению размеров котлов.
Пример 1
Образец из угля цилиндрической формы размером в 4,5 см устанавливался так, чтобы максимум СВЧ-поля находился в его центре или близко к центру. Без защитной пленки при воздействии мощным СВЧ-импульсом образец мгновенно разлетался на несколько кусков, выпадающих из СВЧ фокусного объема. Если в тех же условиях испытывался аналогичный образец, покрытый защитной пленкой, то образец не разрушался и его внутренняя активация происходила при повышении мощности СВЧ-генератора от 600 Вт и до 3500 Вт, а давление водяных паров внутри образца на момент окончания активации составляло 13 атм.
В этом примере защитная пленка создавалась методом погружения первичного куска угля в разбавленный бетонный раствор с добавлением некоторых солей (например, поваренной соли) для улучшения адгезионных свойств пленки. Высыхание защитной пленки происходило под действием тепла от СВЧ-активации. Влажная пленка полезна тем, что заполняет трещины куска угля, характерные для высокозольных низкосортных углей.
Пример 2
Были проведены эксперименты в модельных режимах горения угля в кипящем слое и горения угля на колоснике на малых котлах мощностью 0,8 и 0,3 МВт производства Черепановского завода (Новосибирская область). Эксперименты проводились при СВЧ-активации кусков угля, покрытых защитной пленкой.
В данном примере защитная пленка создавалась на основе применения готового материала, газобетонных блоков, механическим способом. Уголь помещался внутрь твердой формы из газобетона и плотно прижимался к поверхности газобетонных стенок формы прессом. Такой механический способ изготовления защитной пленки позволяет менять толщину и форму защитной пленки в широких пределах - от тысячных до сотых долей метра, в зависимости от технологической задачи и скорости проведения СВЧ-активации для энергетических котлов.
Анализ горения угольного топлива проводился методами инфракрасной съемки с инфракрасной дальнофокусной линзой и скоростной кинокамерой в оптическом диапазоне до 4000 кадров/с. Для отбора аэрозольной фракции из пламени использовались высокоскоростные вакуумные пробоотборники. Эксперименты показали, что вылетевшие из куска угля, покрытого защитной пленкой, активированные частицы угля имеют температуру не менее 1600°С и горят в режиме внешнего диффузионного факела. В то же время частицы угля от неактивированного куска угля, поднятые в объем горения воздушными потоками кипящего слоя (воздушной форсунки), горят в режиме гетерогенных поверхностных реакций с температурами ниже 950°С, что приводит к их неполному выгоранию, их уносу из котельного пространства и мехнедожогу.
Пример 3
Были проведены экспериментальные исследования СВЧ-активации угольных кусков, покрытых защитной пленкой для разных образцов угля (Кемеровские угли, Новосибирские, Красноярские). В данном примере применялся полимерно-клеющий способ изготовления защитной пленки. А именно, куски угля на несколько секунд погружались в смесь канцелярского клея и керамических частиц с размерами 1-10 мкм. После этого кусок угля сразу же подвергался СВЧ-активации. Высыхание защитной пленки, как и в примере 1, происходило под действием тепла от СВЧ-активации.
При этом выяснилось, что для СВЧ-активации угольных кусков, не покрытых защитной пленкой, сорт угля довольно сильно влияет на выбор режимов активации и подбор оптимальных режимов, а для активации угольных кусков, покрытых защитной пленкой, сорт угля практически не влияет на выбор режимов активации и подбор оптимальных режимов. Что, несомненно, является еще одним положительным свойством предлагаемого изобретения.