способ сжигания угля и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ сжигания угля, включающий ультратонкий помол угля, ввод пылеугольной смеси в камеру сгорания и инициирование, отличающийся тем, что тонину ультратонкого помола угля доводят до размера не более 10 мкм и сепарируют, а затем впрыскивают при помощи эжектора в камеру сгорания газовой турбины, при этом 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.

2. Способ сжигания угля по п.1, отличающийся тем, что инициирование пылеугольной смеси в камере сгорания газовой турбины осуществляют с помощью плазменного источника на парах воды, генерируемых за счет использования энтальпии выходящих газов.

3. Газотурбинная установка на твердом топливе, включающая устройство для ультратонкого помола угля, газовую турбину с камерой сгорания, котел-утилизатор тепла и дымосос с трубой, отличающаяся тем, что последняя ступень устройства ультратонкого помола угля, выполненная в виде тороидальной вихревой камеры с тангенциальными каналами для входа пылеугольной смеси, расположена в непосредственной близости от камеры сгорания и соединена с последней при помощи эжектора, а котел-утилизатор тепла расположен на выходе газовой турбины перед дымососом и внутри него установлен парогенератор.

4. Газотурбинная установка на твердом топливе по п.3, отличающаяся тем, что на камере сгорания газовой турбины установлен, как минимум, один плазменный источник на парах воды, гидравлически соединенный с парогенератором.

Описание изобретения к патенту

Предложенная группа изобретений относится к области теплоэнергетики, а именно к способу сжигания угля и устройству - газотурбинной установке на твердом топливе для реализации данного способа.

Данная группа изобретений может быть использована в стационарных и передвижных теплоэлектростанциях, а также в транспортных средствах, однако широкое применение в теплоэнергетике и на транспорте газотурбинные установки найдут после перевода их на твердое топливо - уголь, т.к. по себестоимости добычи и мировым запасам уголь вне конкуренции с другими видами топлива, включая нефть и газ.

Известны способ работы парогазовой электростанции на комбинированном топливе (твердом с газообразным или жидким) и парогазовая установка для его реализации [патент РФ №2230921, 2004 г., 7 F02С 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.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ сжигания угля [патент РФ №2230981, 2004 г., 7 F23В 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.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа сжигания угля, принятого за прототип, относится то, что в данном способе образуется уголь достаточно крупного помола, а получить его с более низкой тониной при данном способе невозможно. 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 устройству в заявляемой группе изобретений является устройство - комбинированная парогазовая установка с плазмотермической газификацией угля [патент РФ №2105040, 1998 г., 6 С10J 3/20]. Данная установка включает устройство для помола угля, плазмотермический газификатор, котел-утилизатор тепла, две паровые турбины с парогенераторами и газотурбинную установку с компрессором.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве уголь ультратонкого помола сначала газифицируют с помощью плазменных источников и только затем уже после многоступенчатой очистки в виде синтез-газа впрыскивают в камеру сгорания газовой турбины. Указанные операции осуществляют последовательно друг за другом с помощью специальных агрегатов, что в конечном результате усложняет схему выработки электроэнергии и делает конструкцию весьма громоздкой и малоэффективной для нужд малой энергетики, в том числе и для транспорта. К тому же переработка угля сначала в синтез-газ, а затем в тепловую и электрическую энергию термодинамически неоправданна в силу необратимых потерь, в то время как при прямом сжигании мелкодисперсного угля в камере сгорания газовой турбины данные проблемы решаются гораздо проще.

Задачей заявляемой группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа сжигания угля и нового устройства для сжигания угля.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении заявленной группы изобретений, заключающегося в получении нового способа сжигания угля и нового устройства для его реализации - газотурбинной установки на твердом топливе с улучшенными технологическими и эксплуатационными параметрами, включая высокую эффективность и минимальный выброс токсичных веществ в атмосферу.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается известным способом сжигания угля, включающим ультратонкий помол угля, ввод пылеугольной смеси в камеру сгорания и инициирование. Особенность предлагаемого способа заключается в том, что тонину ультратонкого помола угля доводят до размера не более 10 мкм и сепарируют, затем впрыскивают при помощи эжекции в камеру сгорания газовой турбины, при этом 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.

Указанный технический результат по объекту - способу достигается также тем, что инициирование пылеугольной смеси в камере сгорания газовой турбины осуществляют с помощью плазменного источника на парах воды, генерируемых за счет использования энтальпии выходящих газов.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа сжигания угля не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся доводки тонины ультратонкого помола до размера частиц не более 10 мкм, как не выявлено и то, что эту операцию и отделение мелкой фракции помола угля от крупной осуществляют с помощью центробежного поля в тороидальной вихревой камере, а также и то, что пылеугольную смесь впрыскивают в камеру сгорания газовой турбины при помощи эжектора и инициируют затем с помощью плазменного источника на парах воды.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается известным устройством - газотурбинной установкой на твердом топливе, включающей устройство для ультратонкого помола угля, газовую турбину с камерой сгорания, котел-утилизатор тепла и дымосос с трубой. Особенностью данной газотурбинной установки на твердом топливе является то, что последняя ступень ультратонкого помола угля, выполненная в виде тороидальной вихревой камеры с тангенциальными каналами для входа пылеугольной смеси, расположена в непосредственной близости от камеры сгорания газовой турбины и соединена с последней при помощи эжектора, при этом котел-утилизатор тепла расположен на выходе газовой турбины перед дымососом и внутри него установлен парогенератор.

Указанный технический результат по объекту - устройству достигается также тем, что на камере сгорания газовой турбины установлен, как минимум, один плазменный источник на парах воды, гидравлически соединенный с парогенератором.

При исследовании отличительных признаков описываемого устройства - газотурбинной установки на твердом топливе не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся конструктивного исполнения последней ступени устройства ультратонкого помола угля, как не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся расположения ее отдельных элементов в конструкции газовой турбины, включая установку на камере плазменного источника на парах воды, и его подсоединения к парогенератору. Следует отметить, что впрыск угля ультратонкого помола непосредственно в камеру сгорания газовой турбины долгое время оставался проблематичным из-за большого эрозийного износа турбинных лопаток и неполного сгорания пылеугольной смеси в камере сгорания газовой турбины, однако с появлением новых технологий по изготовлению турбинных лопаток и освоением новых технологий помола (получение микронных частиц угля) эта проблема была решена и из ряда исследовательских перешла в стадию внедрения в промышленность.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой группы изобретений как для объекта - способа, так и для объекта - устройства, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналогии для способа и устройства заявляемой группы изобретений, характеризующихся признаками, тождественными всем существенными признакам как способа, так и устройства заявляемой группы изобретений. Определение из перечня выявленных документов как для способа, так и для устройства наиболее близких по совокупности признаков аналогов позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый объект группы изобретений соответствует условию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемой группы изобретений условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявляемой группы. Результаты анализа показали, что каждый объект заявляемой группы изобретений не вытекает явным образом для специалиста из известного уровня техники, поскольку не вытекает из него логически и мог быть получен только при глубоком и всестороннем изучении вопроса. Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

На чертеже изображена схема устройства - газотурбинной установки на твердом топливе (узлы показаны условно).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявляемой группы изобретений с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.

Заявленный способ сжигания угля предусматривает предварительный помол угля известным способом [патент РФ №2273521, 2004 г., В02С 19/18] и дальнейшую доводку тонины помола до размера частиц не более 10 мкм уже с помощью центробежного поля в тороидальной вихревой камере, расположенной в непосредственной близости от камеры сгорания газовой турбины. Под воздействием центробежного поля частицы угля занимают определенный радиус их витания внутри тороидальной вихревой камеры. При этом более крупная фракция помола из-за воздействия на нее центробежного поля отбрасывается к внешнему диаметру тороидальной вихревой камеры и остается там до тех пор, пока ее частицы не размелются до нужного размера, в то время как более мелкая фракция помола угля скапливается ближе к внутреннему диаметру тороидальной вихревой камеры, откуда она с помощью эжектора забирается и впрыскивается в камеру сгорания. Следует отметить, что, располагая соответствующим образом входной и выходной патрубки тороидальной вихревой камеры, можно получить любую фракцию помольных частиц угля, так как зона витания (Архимедова сила всплытия) и расположения частиц угля прямо пропорциональны их массе. В данном случае центробежное поле не только сепарирует частицы угля (отделяет мелкую фракцию от крупной), но и достаточно эффективно размалывает крупные частицы угля из-за их многократного соударения друг с другом и внешней стенкой тороидальной вихревой камеры. В камере сгорания пылеугольная смесь поджигается с помощью плазменного источника на парах воды. При этом ее дальнейшее сгорание происходит уже в присутствии водяного пара, что существенно улучшает все энергетические параметры процесса в целом, включая снижение токсичных и вредных с точки зрения экологии газов, например NO _x, SO_x, CO_x и др. Далее высокоэнтальпийный поток срабатывает в газовой турбине, генерируя на пути следования водяной пар для плазменного источника, и выбрасывается в атмосферу.

Для осуществления заявляемого способа сжигания угля предлагается устройство - газотурбинная установка на твердом топливе. Данная установка включает устройство для ультратонкого помола угля 1, газовую турбину 2 с камерой сгорания 3, тороидальную вихревую камеру 4, газовый эжектор 5, плазменный источник 6, котел-утилизатор тепла 7, парогенератор 8, предварительный блок очистки газов (конденсатор пара) 9, дымосос 10, блок нейтрализации газов 11 и дымовую трубу 12. Следует отметить, что многие узлы, присущие обычной газовой турбине, на чертеже условно не показаны и не описаны, т.к. они не влияют на сущность заявляемого решения и могут быть выполнены традиционно.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Подготовленный и высушенный уголь предварительно размалывают в устройстве для ультратонкого помола угля 1, например в виброцентробежной мельнице 1, и подают в тороидальную вихревую камеру 4. В тороидальной вихревой камере 4 происходит его дальнейший помол и разделение на фракции. Крупная фракция отбрасывается к внешней стенке тороидальной вихревой камеры 4 и продолжается ее дальнейшее измельчение, а мелкая фракция распределяется ближе к внутренней стенке, откуда она с помощью эжектора 5 впрыскивается в камеру сгорания 3 газовой турбины 2. Одновременно с пылеугольной смесью в камеру сгорания 3 вводится плазменный поток из плазменного источника 6 на парах воды. Под воздействием высокой температуры пылеугольная смесь воспламеняется в камере сгорания 3 газовой турбины 2 и продолжает гореть уже в присутствии пара, поступающего в плазменный источник 6 из парогенератора 8. Образовавшийся в камере сгорания 3 высокоэнтальпийный поток газа направляется через сопловый аппарат в газовую турбину 2 и далее в котел-утилизатор тепла 7. В котле-утилизаторе тепла 7, проходя через теплообменники парогенератора 8, энтальпия газового потока понижается, и он, уже охлажденный, поступает в блок очистки 9. Из блока очистки 9 поток газа направляется в дымосос 10 и далее через блок нейтрализации 11 в дымовую трубу 12, из которой он выбрасывается уже в атмосферу. Вырабатываемый же в парогенераторе пар направляется в плазменный источник 6 и далее в камеру сгорания 3 газовой турбины 2. Следует отметить, что блок очистки 9 может быть установлен как перед дымососом 10, так и после него, в зависимости от температуры газов, выходящих из газовой турбины. Вышеуказанный блок очистки 9 целесообразно выполнить совместно с тепломассообменным блоком нейтрализации газов [патент РФ №2236890, 2004 г., В01D 47/00].

Предложенный способ сжигания угля позволяет сжигать уголь непосредственно в камере сгорания газовой турбины. Прямое сжигание угля дает возможность существенно сократить все виды затрат, связанных с его предварительной газификацией. К тому же при всех прочих равных условиях металлоемкость устройств для сжигания угля также может быть существенно уменьшена, а эффективность использования его горючих свойств повышена. С экологической точки зрения данный способ сжигания угля также более предпочтителен, т.к. чем меньше размер сжигаемой частицы угля, тем выше скорость ее сжигания и полнота сгорания. Очистка таких газов также не приносит дополнительных проблем.

Предложенное устройство - газотурбинная установка на твердом топливе весьма мало будет отличаться от традиционных газотурбинных установок на обычном топливе, за исключением ее отдельных узлов. Выгода же от использования таких устройств будут весьма значительна, т.к. они будут обладать малой металлоемкостью, повышенной энергоемкостью и большой мобильностью. К тому же вырабатываемая с их помощью электроэнергия будет, при всех прочих равных условиях, существенно дешевле, чем в газотурбинных установках на жидком или газообразном топливе, и со временем данный способ получения электроэнергии может оказаться безальтернативным в силу больших запасов угля на планете Земля.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемой группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно в области энергетики, в частности в стационарных и передвижных электростанциях и на транспорте, и допускают эксплуатацию этого оборудования в самых жестких условиях, включая использование в северных регионах и в местах добычи угля;

- для заявляемой группы изобретений в том виде как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущество заявляемой группы изобретений состоит в том, что использование упрощенного способа сжигания угля и устройства для осуществления данного способа существенно снижает все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокую эффективность в сочетании с низкой себестоимостью.

Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость» по действующему законодательству.