СПОСОБ СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
LIQUID COAL FUEL COMBUSTION METHOD

Изобретение относится к теплоэнергетике, к области сжигания ожиженных угольных топлив в топках котлов теплогенерирующих установок.
Технологии получения и использования угольных суспензий, которые представляют собой композиционную дисперсную систему, состоящую из твердой фазы в виде мелкодисперсного угля и жидкой фазы в виде воды, спирта, углеводородов, продуктов переработки нефти, широко освещены в научно-технической литературе. Наибольшее распространения получили угольные суспензии в виде ВУТ - водоугольного топлива (например, Мурко В.И., Федяев В.И., Дзюба Д.А. Водоугольное топливо // Уголь. - 2002. - №6, - с. 58-59).
Известно сложившееся мнение специалистов о том, что ВУТ является одним из альтернативных топлив для времени истощения запасов углеводородного сырья, но в настоящее время необходимо нивелировать его принципиальные недостатки, связанные с обеспечением стабильности горения и механическим и химическим недожогом топлива (Делягин Г.Н. Сжигание водоугольных суспензий - метод использования обводненных твердых топлив: Автореф. дисс… д-ра техн. наук. - М.: ИГИ, 1970. - 32 с.; Мурко В.И. Научные основы процессов получения и эффективного применения водоугольных суспензий: Автореф. дис… д-ра техн. наук. - М., 1999, - 48 с.).
Опыт сжигания топлива показал, что при распылении типового ВУТ пневмомеханической форсункой распыляемые струи образуют крупные дискреции угля, мелкие частицы угля в каплях воды и водяные капли, горение которых неоднородно, что снижает эффективность сжигания ВУТ. В патентных источниках известны технические решения, направленные на устранение указанных недостатков ВУТ путем коррекции состава топлива, его подготовки и подачи на форсунку, создания оптимальных условий его сжигания в камере сгорания.
Известны способы производства жидкого топлива из продуктов термического передела угля (RU 2110553; RU 2446202), которые позволяют получать более тонкодисперсные, более высококалорийные и слабоабразивные топлива, но сжигание которых с форсуночным распылом невозможно из-за их реологических свойств.
Известен способ постадийного сжигания топлива в горелке путем подачи топлива в различные зоны сгорания (RU 2468298). Известен способ растопки и поддержания стабильного горения в котлоагрегатах с применением ВУТ (RU 2505748).
Эти способы лишь частично, фрагментарно, нивелируют недостатки ВУТ, поскольку на разных стадиях сжигания и в разных зонах горения используется неоднородный топливный конгломерат из крупных угольных дискреций, мелких угольных частиц и капель воды.
Известны способы сжигания газомазутного топлива в топках паровых котлов со встроенной компоновкой газомазутных горелок (RU 2285200; RU 2406688), повышающие надежность паровых котлов посредством увеличения срока службы экранных поверхностей. Эти технические решения ориентированы на газожидкостное топливо и для использования ВУТ они должны быть усовершенствованы с учетом твердой фазы в жидком топливе. Известен способ сжигания жидкого топлива типа ВУТ (RU 2118750), выбранный за наиболее близкий аналог - прототип, повышающий стабильность горения и снижающий механический и химический недожог топлива.
Прототип характеризуется следующими существенными признаками:
- в качестве жидкого топлива используется типовое ВУТ с параметрами: содержанием угля 60-65% в составе частиц с размерами до 75 мкм - более 75%, с размерами более 300 мкм - от 0,5 до 0,80%; теплота сгорания низшая 3700-4700 ккал; содержание летучих 20-30%; вязкость - не более 1200 мПа/с;
- перед подачей на факел ВУТ разогревают динамическим способом, путем закрутки в цилиндрический слой, используя нагрев внутренним трением струй и тепло внешнего горячего газообразного агента;
- распыл ВУТ и вдувание смеси жидкого топлива и горячего газообразного агента в топку котла осуществляется за счет подачи высокоскоростного потока воздуха или смеси воздуха и возврата уноса через внутреннюю полость цилиндирического слоя смеси топлива и горячего агента.
В качестве недостатков прототипа можно отметить следующие.
В составе типового ВУТ содержится около 20% угольных частиц с размерами 100-300 мкм, а это значит, что такая суспензия агрегативно и седиментационно неустойчива - это положение требует перемешивания топлива перед подачей на сжигание. ВУТ содержит до 35-40% воды, что требует значительных затрат энергии на фазовый переход из жидкого состояния в газообразное - на каждые 10% влаги тратится 1% теплотворной способности угля. Например, если исходный уголь содержит влаги 15%, а полученное ВУТ имеет влажность 38%, то при сжигании такого ВУТ требуется дополнительно испарить 38%-15%=23% влаги. Имеющаяся абразивность ВУТ при данном способе сжигания увеличивается кратно за счет увеличения времени и траектории взаимодействия угольных частиц с металлической поверхностью форсунки при закрутке ВУТ в цилиндрический слой, что приведет к быстрому увеличению диаметра сопла и выходу форсунки из строя в течение 1-2 суток работы (исходя из опыта Новосибирской ТЭЦ-5 в 1985-1995 гг.).
Потребность в горячем газообразном агенте тоже может быть отнесена к недостаткам, даже если используется возврат уноса, что косвенно означает наличие недожога топлива и неэффективного теплосъема в топки котла. Поставлена задача - использовать для сжигания среднекалорийное ожиженное угольное топливо, обладающее тонкодисперсной твердой фазой, большей агрегативной и седиментационной устойчивостью, меньшей абразивностью и меньшей обводненностью, розжиг производить с использованием более калорийного топочного газа, а процесс горения вести по зонам с зональным теплосъемом, обеспечивая стабильность процесса и минимизируя механический и химический недожог топлива. Поставленная задача реализована следующим образом.
Способ сжигания жидкого угольного топлива включает подготовку твердого углеродсодержащего вещества в качестве дисперсной фазы в жидкой дисперсной среде к сжиганию, подачу топливной дисперсной системы в пневмомеханические форсунки, газовое вдувание и распыление ее на факелах в камере сгорания и съем тепловой нагрузки теплоносителем в виде нагретого водяного пара. Согласно изобретению, в качестве топливной дисперсной системы используют бинарную суспензионно-эмульсионную смесь продуктов пиролиза бурого угля, в которой твердая дисперсная фаза представлена микрочастицами полукокса, заключенными в микрокапли смольной фракции, а жидкая дисперсная среда представлена подсмольной водой, розжиг производят путем факельного сжигания газа пиролиза или смеси газа пиролиза и воздуха, после разогрева камеры сгорания в высокоскоростной поток газа пиролиза эжектируется жидкое угольное топливо, затем газожидкостная смесь путем дросселирования выдается из сопел пневмомеханических форсунок на факела в камеру сгорания, причем форсуночный распыл производят на встречных факелах в направлении оси симметрии камеры сгорания сферической, цилиндрической или тороидальной формы, образуя три температурных зоны топочного пространства, центральную - высокотемпературную, среднюю - среднетемпературную и периферийную - низкотемпературную, за счет последовательного сгорания газовой, жидких и твердой фаз топлива на факелах, а съем тепловой нагрузки производят тремя различными системами теплосъемных элементов - высокотемпературной, среднетемпературной и низкотемпературной, с использованием теплоносителей по соответствующему их свойствам назначению: острый пар из высокотемпературной системы теплосъемных элементов - для генерации электроэнергии в паровой турбине, перегретый пар из среднетемпературной системы теплосъемных элементов - для отопления зданий и сооружений, низкотемпературный пар из низкотемпературной системы теплосъемных элементов - в качестве технологического пара.
Перед подачей на сжигание жидкое угольное топливо газируют газом пиролиза.
В периферийной низкотемпературной зоне топочного пространства в радиальном направлении от сопла форсунок к оси симметрии камеры сгорания обеспечивается перепад температур от 80 до 200°C.
В средней среднетемпературной зоне топочного пространства в радиальном направлении от сопла форсунки к оси симметрии камеры сгорания обеспечивается перепад температур от 200 до 800°C.
В центральной высокотемпературной зоне топочного пространства в радиальном направлении от сопла форсунки к оси симметрии камеры сгорания обеспечивается перепад температур от 800 до 1150°C.
В предложенном изобретении используют для сжигания в качестве ожиженного угольного топлива бинарную суспензионно-эмульсионную систему из продуктов пиролиза бурого угля - полукокса, смольной фракции и подсмольной воды, а в качестве топочного газа - газ пиролиза. Розжиг производят посредством факельного сжигания газа пиролиза или смеси газа пиролиза с воздухом, после разогрева камеры сгорания в высокосортной поток газа пиролиза эжектируется жидкое угольное топливо, затем газожидкостная смесь путем дросселирования выдается из сопел пневмомеханических форсунок на факела в камеру сгорания. При этом форсуночный распыл производят на встречных факелах в радиальных направлениях к оси симметрии камеры сгорания сферической, цилиндрической или тороидальной формы, образуя три температурных зоны топочного пространства, центральную - высокотемпературную, среднюю - среднетемпературную и периферийную - низкотемпературную за счет последовательного сгорания газовой, жидких и твердой фаз топлива на факелах, а съем тепловой нагрузки производят тремя различными системами теплосъемных элементов - высокотемпературной, среднетемпературной и низкотемпературной, с использованием теплоносителей по различному назначению, например, острый пар из высокотемпературной системы - для генерации электроэнергии в паровой турбине, перегретый пар из среднетемпературной системы - для отопления зданий, низкотемпературный пар из низкотемпературной системы - в качестве технологического пара.
Поясним более подробно техническую сущность изобретения.
3
3
3
ВУТ
ЖУТ
ВУТ
ЖУТ
Для сжигания применяют не типовое ВУТ, как в прототипе, а усовершенствованное жидкое угольное топливо (ЖУТ), полученное из продуктов пиролиза бурого угля в виде бинарной суспензионно-эмульсионной системы, в которой жидкая микрокапельная (6-10 мкм) смольная фракция эмульсии включает суспендированные твердые микрочастицы (3-5 мкм) полукокса, а жидкая фракция эмульсии представлена подсмольной водой. Содержание воды в ЖУТ более чем в два раза меньше жидкой фазы ВУТ, но подсмольная вода содержит в своем составе водорастворимые легкокипящие низкомолекулярные фенолы из гуминовых кислот, выкипающие при температурах до 210°C. Дисперсная фаза эмульсии - микрокапельки смолы - аналогична топочному мазуту и содержит не растворимые в воде высокомолекулярные углеводороды, кипящие при более высоких температурах. Дисперсная фаза суспензии - микрочастицы полукокса - представлена твердыми частицами, объем которых меньше в r /r ≈6×10 раз, где r и r - эффективные радиусы частиц угля в ВУТ и частиц полукокса в ЖУТ, что исключает образование крупных дискреций твердых частиц.
Механизмы дробления и испарения распыляемого форсункой ЖУТ позволяют сформировать три зоны горения с различными температурными градиентами, в которых газообразование, жидкие и твердый компоненты топлива смешиваются с горячими продуктами горения, обеспечивающими выделение, излучение, рассеивание и конвекцию тепла.
k
r
r
r
k
r
k
r
k
2
2
3
В периферийной низкотемпературной зоне горения (80-210°C) происходит дегазация топливной смеси, испарение подсмольной воды и низкокипящих соединений с воспламенением некоторых из них, а также дробление водных капель до величин радиусов, определяемых по формуле: r=2σ/ψρV , где ψ, ρ - коэффициент сопротивления и плотность газовой среды в периферийной зоне камеры сгорания ЖУТ; V - относительная скорость капли (по отношению к газовой среде); σ - коэффициент поверхностного натяжения капли (Хзмалян Д.М. Теория топочных процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.). Для подходящих значений σ=0,060 кг/с; ψ=0,2; S=1,0 кг/м; V=50 м/с получается величина радиуса капель, равная r=140 мкм. Если ЖУТ перед подачей на сжигание был газирован газом пиролиза, то в процессе распыления относительная скорость может возрасти, например, до величины V′=70 м/с, что из-за обратно квадратичной зависимости r=f(V) приводит к более мелкому дроблению, до размеров капель с радиусом r′=70 мкм.
k
0
k
0
1/2
В средней зоне горения (200-800°С) основные изменения происходят с суспензионной частью ЖУТ, а именно с ее дисперсной средой - смольными микрокаплями, включающими твердую дисперсную фазу в виде микрочастиц полукокса. Движение твердых частиц полукокса, покрытых в микрокапле слоем смолы, будет сопровождаться интенсивным циркуляционным движением смолы вокруг частиц, при этом происходит уменьшение градиента скоростей во внешнем потоке и, как следствие, уменьшение диссипации энергии во внешнем потоке и уменьшение сопротивления по сравнению с сопротивлением твердых частиц (Корсунов Ю.А. Экспериментальные исследования дробления капель жидкости при низких значениях чисел Рейнольдса. // Механика жидкости и газа. - 1971. - №2. - С. 182-186). Убыль массы смольной жидкости с поверхности капли можно оценить по формуле: dm/dt=4πrD(C-C)[1+α(Re)] где dm/dt - скорость убыли массы смольной жидкости; z-радиус капли; D - коэффициент диффузии; С - концентрация пара в окружающей среде; C - концентрация пара на поверхности пленки смольной жидкости, покрывающей микрочастицы полукокса; α - константа [Грин X., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы, туманы (перевод с англ.). - Л., 1969. - 426 с.].
Установлено, теоретически и экспериментально, что твердые частицы размером менее 80 мкм в средней зоне будут полностью «высыхать» - освобождаться от жидкой оболочки с последующим выгоранием высокомолекулярных углеводородов.
В центральной высокотемпературной зоне (800-1150°С) сгорает твердая фаза ЖУТ - полукокс, который воспламеняется при температурах 800-850°С и устойчиво горит при температуре 950-1150°С. При этом температурном интервале (750-850°С) в центральной зоне может происходить паровая конверсия метана (дегазированного в периферийной и средней зоне из смольной жидкости и подсмольной воды и вдутого в составе пиролизного газа) на горючие водород и монооксид углерода.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлены поясняющие изображения.
Области последовательной активации при сгорании компонентов ЖУТ представлены на Фиг. 1а: в направлении распыла факела обозначены: 1 - область активации дисперсной среды эмульсии (подсмольной воды); 2 - область активации дисперсной фазы эмульсии (микрокапли смольной фракции); 3 - область активации дисперсной фазы суспензии (микрочастицы полукокса). Под процессом активации компонентов ЖУТ в данном контексте понимается дробление, испарение и горение частиц, приводящее к активному тепловыделению.
На Фиг. 1б представлено температурное зонирование камеры сгорания, соответствующее топологической последовательности областей активации при сгорании компонентов ЖУТ, а именно здесь обозначены: 4 - периферийная низкотемпературная зона сгорания; 5 - средняя среднетемпературная зона сгорания; 6 - центральная высокотемпературная зона сгорания; ⇒ - направление факелов.
Для камер сгорания, обладающих центральной симметрией, например, с формой шара, цилиндра, тора, целесообразно сжигание ЖУТ осуществлять на встречных факелах в радиальном направлении от сопла форсунок к оси симметрии камеры сгорания. Этот прием существенно повышает эффективность процессов сжигания, концентрации тепла и съема тепловой нагрузки. На Фиг. 1в показано вертикальное сечение зон сгорания ЖУТ на встречных факелах в цилиндрической камере сгорания.
2
2
На Фиг. 2 проиллюстрирован съем тепловой нагрузки тремя различными системами теплосъемных элементов (указатели обозначают направление факелов) - поз. 7, высокотемпературной, среднетемпературной и низкотемпературной, с использованием теплоносителей по различному назначению. Например, система теплосъема в высокотемпературной зоне 6 обеспечивает острым паром паровую турбину, генерирующую электроэнергию; система теплосъема в среднетемпературной зоне 5 производит перегретый пар для отопления зданий, а система теплосъема в низкотемпературной зоне 4 обеспечивает потребителей технологическим паром. Здесь, в данном контексте, под острым (свежим) паром понимается сухой пар, перегретый до температуры выше температуры конденсации при данном давлении (например, до 550°С при 250 кг/см); под перегретым паром понимается пар с температурой выше температуры насыщения при данном давлении (например, 350°С при 250 кг/см), а под технологическим паром понимается пар, нагретый до температуры менее 200°С при том же давлении.
Дифференцированный теплосъем из различных температурных зон камеры сгорания позволяет получить большую выгоду, чем теплосъем из одной, усредненной по объему камеры сгорания, температурной зоны (t°С=300) за счет получения трех видов товарных продуктов: электрической энергии, тепловой энергии и конечной продукции технологических процессов. Кроме того, мятый пар, получаемый после прохождения острого пара через лопатки трубки, может быть использован для парового отопления и/или в качестве технологического пара.
Следует отметить, что более 95% промышленных предприятий используют технологический пар в технологических процессах, это обусловлено целым рядом преимуществ этого теплоносителя перед другими, а именно высоким удельным теплосодержанием; высоким коэффициентом теплоотдачи; простотой регулировки; отсутствием циркуляционных насосов; гибким регулированием парового котла на изменение нагрузок.
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа.
1. В процессе сжигания ожиженного угольного топлива используется вместо типового ВУТ усовершенствованное топливо - ЖУТ в виде бинарной суспензионно-эмульсионной системы, полученной из продуктов пиролиза бурого угля (полукокса, смольной фракции и подсмольной воды).
2. ЖУТ перед подачей на сжигание газируют газом пиродиза, продуктом полукоксования того же твердого топлива.
3. Распыл и вдувание ЖУТ в камеру сгорания производят газом пиролиза или смесью газа пиролиза с воздухом.
4. ЖУТ подают в пневмомеханические форсунки посредством эжектирования, а в камеру сгорания посредством дросселирования.
5. ЖУТ сжигают на встречных факелах в камерах сгорания, обладающих осевой центральной симметрией, например, в форме шара, цилиндра, тора.
6. Состав ЖУТ (дисперсная фаза суспензии в виде микрочастиц полукокса размером 3-5 мкм; дисперсная фаза эмульсии в виде микрокапель смольной фракции размером 6-10 мкм; дисперсная среда эмульсии в виде подсмольной воды); подготовка его к сжиганию, распыл и вдувание, организация процесса сжигания позволяют организовать три температурных градиента в объеме камеры сгорания и сформировать три зоны горения.
7. Осуществляется дифференцированный теплосъем из трех зон горения с получением теплоносителя (пара) для использования по разному функциональному назначению.
8. Затрачивается меньшее количество тепла на фазовый переход воды в пар.
9. Осуществляется дожиг всех компонентов ЖУТ.
10. Обеспечено стабильное горение ЖУТ.
В качестве иллюстрации примера возможной реализации изобретения можно рассмотреть сжигание ЖУТ, полученного из продуктов пиролиза бурых углей Таловского месторождения Томской области РФ.
Пиролизная установка производит термическую переработку бурых углей низкой степени углефикации (независимо от влажности и зольности) путем высокотемпературного нагрева (350-550°С) без доступа воздуха. Стандартный модуль НИИ «БИОТОП» перерабатывает в год 10 или 20 тыс. т сырья на компоненты (в пересчете на 1 т абсолютно сухого бурого угля): полукокс 44%; смольная фракция 20%; подсмольная вода 16%; газ пиролиза 11,4%; потери 8,6%. Опытная пиролизная переработка бурого угля показала следующие характеристики продуктов пиролиза (усредненные):
- полукокс имеет калорийность 4500-5500ккал/кг;
2
2
2
4
2
4
2
3
- смольная фракция является аналогом топочного мазута марки М40 с калорийностью 5000-10000 ккал/кг имеет состав: Н - 13,8%; N - 13,2%; СН - 3,5%; O - 1,2%; СН - 17%; СО - 7,9%; (HS+CO) - 43,4%;
- подсмольная вода содержит водорастворимые смольные вещества в количествах: легкокипящих фенолов от 2 до 6 г/л; высококипящих многоатомных фенолов от 8 до 16 г/л.
Из продуктов пиролиза таловского бурого угля по технологии, предложенной авторами в заявке на изобретение «Способ получения жидкого угольного топлива», получают ЖУТ - предложенное авторами в заявке на изобретение «Жидкое угольное топливо», которое перед подачей на сжигание газируют пиролизным газом согласно предложенной авторами заявке на изобретение «Способ хранения жидкого угольного топлива». Розжиг ЖУТ осуществляют газом пиролиза путем разогрева камеры сгорания до температур 950-1150°С, затем подают ЖУТ на сжигание насосами из емкости хранения посредством эжектирования (втягивания ЖУТ в высокоскоростной - 30-70 м/с поток газа пиролиза).
Вдувание ЖУТ в пневмомеханические форсунки и распыление топлива на встречных факелах в камере сгорания производят посредством подачи компрессором сжатого газа пиролиза или его смеси с воздухом при дросселировании горючей смеси на соплах форсунок.
Стабильное, с дожигом компонентов, горение ЖУТ происходит трехстадийно: сначала в периферийной низкотемпературной зоне - испаряется влага, выкипают и частично выгорают легкокипящие водорастворимые смольные вещества, частично испаряется высококипящие смольные вещества, сгорают компоненты газа пиролиза; затем в среднетемпературной зоне - испаряются и сгорают смольные вещества и несгоревшие компоненты газа пиролиза и, наконец, в высокотемпературной зоне - сгорают твердые частицы полукокса.
2
Дифференцированный теплосъем их трех зон горения производят трубными системами, аналогичными ширмовым пароперегревателям, изготовленными из труб с внутренним диаметром 20-60 мм из стали, обычно применяемой в котло- и турбостроении, допускающей перегрев пара до температуры 570°С при давлении до 250 кг/см. Полученные теплоносители используются для получения электроэнергии, отопления зданий и проведения различных технологических процессов.
Достигнутый технический результат соответствует полученным решениям поставленной задачи в части усовершенствования процесса сжигания ожиженного угольного топлива с минимизацией таких недостатков сжигания типового ВУТ, как невысокая технологичность процесса (необходимость перемешивания и подогрева топлива, быстрый износ форсунок, недожог угля) и значительные энергозатраты на испарение воды (до 1/3 объема ВУТ).