двухступенчатый способ термической подготовки пылевидного топлива и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ термической подготовки углей к сжиганию путем реакции пылевидного топлива с газифицирующим агентом в присутствии низкотемпературной плазмы, отличающийся тем, что подготовку ведут в две стадии, причем на первой подают угольную пыль с перегретым паром в плазменный реактор с получением синтез-газа, имеющего температуру 1500 К, который на второй ступени подают в камеру разделения, где используют в качестве источника тепла для газификации основного потока пылеугольного топлива.

2. Установка для двухступенчатой термической подготовки к сжиганию пылевидного топлива, состоящая из систем пылепитания, парогенератора, плазменного реактора, верхней камеры разделения, крышки реактора с устройствами ввода угольной пыли и пара, с расположенным в ее центре стержневым электродом, электромагнитной катушки, горизонтальных частей, муфеля, компрессоров, нижней камеры разделения, шлакосборника, отличающаяся тем, что сочетает в себе две ступени газификации: первую ступень - плазменный реактор, в котором получается синтез-газ, используемый для получения теплоты, необходимой для газификации основного потока угольной пыли, и второй ступени - муфеля, где происходит газификация основного потока путем сжигания полученного в первой ступени синтез-газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для термической подготовки к сжиганию пылевидного топлива, и может быть использовано на тепловых электростанциях, котельных и т.п.

Известен процесс плазменной газификации угля и реактор для его осуществления, содержащий вертикальную цилиндрическую камеру с крышкой, расположенную вокруг камеры электромагнитную катушку, стержневые электроды, проходящие в камеру сквозь ее верхнюю крышку, патрубки ввода реагентов и вывода отходящих газов, диафрагму для вывода шлаков, расположенную в донной части камеры. Измельченный уголь с газифицирующим агентом (паром) подается через верхнюю крышку. Поступая в зону горения трехфазной дуги переменного тока, горящей между стержневыми электродами и стенками реактора, уголь и пар вступают в реакцию, образуют синтез-газ, который отводится через патрубки вывода отходящих газов. При этом патрубки вывода отходящих газов установлены в верхней части цилиндрической камеры напротив друг друга в плоскости, перпендикулярной к плоскости расположения патрубков ввода реагентов. Такое размещение обеспечивает максимальное смещение осей вышеуказанных патрубков друг относительно друга, что исключает искажение траектории части поступающих реагентов. При этом снижается вероятность выноса не прореагировавших реагентов (угля и пара) вместе с полученным синтез-газом. Шлак удаляется через нижнюю часть реактора (см. RU N 2031553, МПК H 05 B 7/22, 7/18, опубл. 20.03.95, БИ N 8).

Однако вероятность уноса не прореагировавших реагентов возрастает при увеличении скорости отвода синтез-газа. Кроме того, возможен унос поступающих реагентов до момента поступления последних в зону горения дуги вместе с синтез-газом.

Известен способ газификации углей в плазменном реакторе, содержащем камеру с электромагнитной катушкой, стержневой и кольцевой электроды и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции. Патрубки для ввода реагентов выполнены в виде размещенных на крышке реактора концентрических каналов - сечений, причем каждый канал снабжен вертикальной трубкой для ввода угля и тангенциальным патрубком для подачи газифицирующего агента - дымовых газов. На внутренней поверхности реактора выполнен кольцевой паз, равный высоте электромагнитной катушки. Дуга горит между центральным и кольцевым электродами. Такая конструкция обеспечивает равномерное поступление угля и дымовых газов в высокотемпературную зону (зону горения дуги) и исключает вероятность перегрева, либо недогрева части реактора, и как следствие, дает возможность достичь высокой степени газификации угля. Применение в качестве газифицирующего агента дымовых газов с высоким содержанием диоксида углерода и пониженным содержанием паров воды и кислорода намного снижает эрозию электродов по сравнению со способами, в которых в качестве газифицирующего агента используются кислород, водяной пар, воздух. На уменьшение эрозии электродов направлено и выполнение на внутренней поверхности реактора кольцевого паза, расположенного в зоне расположения опорных пятен дуги. Кольцевой паз позволяет замедлить стекание расплава по стенке реактора, в результате дуга горит на защищенной расплавом поверхности кольцевого электрода (см. RU N 2087525, МПК C 10 J 3/18, опубл. 20.08.97, БИ N 23).

К недостаткам данного способа следует отнести применение в качестве газифицирующего агента дымовых газов. Это может вызвать затруднения в случае разнесения во времени процесса получения и потребления синтез-газа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ газификации и установка для его осуществления, в котором согласно описанию (см. RU N 2062287, МПК C 10 J 3/18, H 05 B 7/18, опубл. 20.06.96, БИ N 17) осуществляют электротермохимическую подготовку части топлива путем пропускания пылевоздушной смеси через подготовительные камеры, где генерируется поток низкотемпературной плазмы. Продукты сгорания направляют в реакционную камеру, куда тангенциально вводят основной поток пылевидного топлива и газифицирующий агент и осуществляют полную газификацию топлива. Установка для осуществления этого способа содержит вертикально расположенную камеру, футерованную изнутри огнеупорным материалом. Нижняя часть камеры соединена по крайней мере с двумя подготовительными камерами, расположенными диаметрально. Подготовительные камеры выполнены в виде муфеля со встроенным плазмотроном. Муфели соединены с реакционной камерой тангенциально, средства для ввода основного потока и газифицирующего агента также соединены с реакционной камерой тангенциально и расположены диаметрально. Образующийся в процессе газификации газ отводится из реакционной камеры сверху, а жидкий шлак направляется в шлакосборник, расположенный под реакционной камерой.

Сущность способа заключается в том, что часть топлива в составе пылевоздушной смеси, проходя через струю плазмы и предварительно нагретые плазмотронами муфели, в виде двух факелов тангенциально поступает в объем реакционной камеры. При достижении температуры, необходимой для газификации угля, в реакционную камеру тангенциально подают основной поток угольной пыли и газифицирующего агента, в качестве которого выступает перегретый пар. Поступающие из подготовительных камер продукты горения, имеющие высокую температуру (1300 К), нагревают пространство реакционной камеры, кроме того, вступая в реакцию с углеродом угля восстанавливаются до CO. Тангенциальная подача позволяет обеспечить время пребывания реагентов в зоне реакции, достаточное для полной газификации. Процесс по своей сути является автотермическим, то есть теплота, необходимая для газификации, получается за счет сжигания части топлива.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности процесса газификации, путем снижения доли топлива сжигаемого для получения тепла, необходимого для осуществления автотермической газификации.

Технический результат изобретения - совмещение процессов газификации топлива и получения теплоты для проведения автотермической газификации.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке, состоящей из плазменного реактора, двух камер разделения, двух горизонтальных камер, муфеля, шлакосборника, парогенератора, двух систем подачи угольной пыли, компрессоров процесс газификации протекает в две стадии. На первой стадии в плазменный реактор, представляющий собой цилиндрическую камеру с расположенным внутри кольцевым электродом, имеющий крышку с устройствами для подачи угольной пыли и газифицирующего агента, с проходящим через крышку стержневым электродом, с расположенной вокруг камеры электромагнитной катушкой, с диафрагмой, находящейся в донной части реактора; подается системой подачи угольная пыль и перегретый пар. Проходя через дугу, горящую между стержневым и кольцевым электродами, уголь в присутствии пара подвергается газификации. Негорючая часть в виде шлака стекает по стенкам реактора вниз. На второй стадии полученный синтез-газ подается в верхнюю камеру разделения, расположенную под реактором. Также в камеру разделения подается системой пылепитания угольная пыль и окислительный агент - воздух. Смесь синтез-газа с температурой до 1500 К, и угольной пыли поступает в предварительно нагретый муфель, где происходит процесс газификации основной части топлива. В результате присутствия определенного количества воздуха горение синтез-газа. В результате в муфеле создается температура до 1500 К необходимая для осуществления процесса газификации. Образующийся синтез-газ поступает в нижнюю камеру разделения и далее отсасывается через горизонтальную часть компрессором. Негорючая часть стекает по стенкам в шлакосборник.

Отличительным существенным признаком заявленного изобретения является использование полученного в первой ступени синтез-газа с температурой до 1500 К в качестве источника получения теплоты, необходимой для осуществления газификации основного потока аэросмеси. Смешение пылеугольной смеси с синтез-газом и последующее горение последнего во второй ступени позволяет увеличить скорость протекания реакций, и как следствие, полноту газификации, по сравнению с существующими способами автотермической газификации.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям "новизна" и "изобретательский уровень".

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом фиг. 1. Установка состоит из систем пылепитания 1 и 8, парогенератора 2, плазменного реактора 3, верхней камеры разделения 4, крышки реактора 5 с устройствами ввода угольной пыли и пара, с расположенным в ее центре стержневым электродом, электромагнитной катушки 6, горизонтальной части 7 и 12, муфеля 9, компрессоров 10 и 14, нижней камеры разделения 11, шлакосборника 13.

Установка работает следующим образом. Система пылепитания 1 подает угольную пыль в плазменный реактор 3, туда же подается пар из парогенератора 2. Угольная пыль и пар поступают в зону дуги, горящей между стержневым электродом, проходящим через крышку реактора 5, и кольцевым электродом. Электромагнитная катушка 6 производит вращение дуги в горизонтальной плоскости. Под воздействием высокой температуры, в присутствии газифицирующего агента - пара, уголь газифицируется, в результате образуется синтез-газ, состоящий преимущественно из оксида углерода и водорода. Негорючая часть угля в виде шлака стекает вниз, в камеру разделения, муфель и далее в шлакосборник. Синтез-газ, полученный в первой ступени, направляется в верхнюю камеру разделения 4, куда из системы пылепитания 8 через горизонтальную часть 7 поступает угольная пыль и подается компрессором 10 окислительный агент - воздух. При смешении угольной пыли и синтез-газа последний возгорается. В результате горения синтез-газа в муфеле 9 выделяется теплота, необходимая для газификации угольной пыли, подаваемой системой пылепитания 8. Процесс разделения полученного синтез-газа и шлака происходит в нижней камере разделения 11, откуда синтез-газ отсасывается через горизонтальную часть 12 компрессором 14. Шлак поступает в шлакосборник 13.