двухступенчатый способ плазменно-термической подготовки кускового топлива к сжиганию и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Двухступенчатый способ плазменно-термической подготовки кускового топлива к сжиганию, предусматривающий подачу на первой ступени угольной пыли через поток низкотемпературной плазмы, сформированной вращающейся электрической дугой в поперечном сечении плазменного реактора, и последующее смешение на второй ступени пылевидного потока с основным потоком топлива и газифицирующим агентом, в результате реакции которых получают синтез-газ, используемый на второй ступени путем его сжигания в муфеле для газификации основного потока топлива, отличающийся тем, что на второй ступени в качестве основного потока топлива используют кусковое топливо, которое, частично газифицированное, выходит из муфеля и поступает в отопительный котел, где пылеобразные частицы угля при смешивании с окислителем сгорают и выпадают в виде золы, а термически подготовленное кусковое топливо вступает в реакцию горения.

2. Установка для двухступенчатой плазменно-термической подготовки кускового топлива к сжиганию, включающая системы пылепитания, плазменный реактор, соединенный с реакционной камерой, имеющей патрубок для ввода основного потока топлива и газифицирующего агента, крышку реактора с устройством ввода угольной пыли, муфель, отличающаяся тем, что имеет систему пылеподготовки, содержащую мельницу, соединенную с бункером кускового топлива и циклоном, пневмозабрасыватель, установленный в нижней части муфеля, соединенный с отопительным котлом.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для термической подготовки к сжиганию кускового топлива, и предназначено для использования на отопительных котельных с котлами, оборудованными пневмозабрасывателями.

Известны способ газификации углей и установка для его осуществления, согласно которым осуществляют электротермохимическую подготовку части топлива путем пропускания пылевоздушной смеси через подготовительные камеры, где генерируют 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 способа содержит вертикально расположенную реакционную камеру. 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 и направлены навстречу друг другу, средства для ввода основного потока угольной пыли и газифицирующего агента расположены диаметрально и тангенциально соединены с реакционной камерой (см. RU № 2062287, МПК C10J 3/18, Н05В 7/18, опубл. 20.06.1996 г.)

К недостаткам данного способа и установки для его осуществления можно отнести то, что через область горения плазменной дуги проходит достаточно большой объем пылевоздушной смеси, что приводит к снижению среднемассовой температуры в объеме реактора и к потере энергии электромагнитной дуги на нагрев этого объема смеси. Это снижает производительность электродугового реактора по количеству перерабатываемого твердого сырья и, как следствие, уменьшает количество получаемого синтез-газа. Кроме того, схемой данной установки предусмотрено наличие минимум двух подготовительных камер, внутри каждой из которых горит электрическая дуга, что также увеличивает затраты электроэнергии на газификацию угля. Также к недостаткам данной установки относится то, что она ориентирована только на получение одного конечного продукта - синтез-газа.

Известны способ и установка для подготовки углей к сжиганию методом газификации в плазменном реакторе, содержащем камеру с электромагнитной катушкой, стержневой и кольцевой электроды и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции. На внутренней поверхности реактора выполнен кольцевой паз, равный высоте электромагнитной катушки. Электрическая дуга горит между центральным и кольцевым электродами. Патрубки для ввода реагентов выполнены в виде размещенных на крышке канала концентрических каналов - сечений, причем каждый канал снабжен вертикальной трубкой для ввода угля и тангенциальным патрубком для подачи газифицирующего агента - дымовых газов. 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 большим содержанием диоксида углерода и пониженным содержанием паров воды и кислорода намного снижает эрозию электродов по сравнению со способами, в которых в качестве газифицирующего агента используют кислород, водяной пар, воздух. На уменьшение эрозии электродов направлено и выполнение на внутренней поверхности реактора кольцевого паза, расположенного в зоне размещения опорных пятен электрической дуги. Кольцевой паз позволяет замедлить стекание расплава по стенке реактора, в результате чего дуга горит на защищенной расплавом поверхности кольцевого электрода (см. RU № 2087525, МПК С10J 3/18, опубл. 20.08.97, БИ № 23).

К недостаткам известного технического решения можно отнести то, что через зону горения плазменной дуги пропускается весь объем угольной пыли и газифицирующего агента и установка ориентирована на получение только одного конечного продукта - синтез-газа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является двухступенчатый способ термической подготовки пылевидного топлива. Подготовка топлива происходит в два этапа: угольную пыль подают в плазменный реактор, где между стержневым электродом, проходящим через крышку реактора, и кольцевым электродом горит электрическая дуга. Электромагнитная катушка производит вращение дуги в горизонтальной плоскости, под воздействием высокой температуры уголь газифицируется, в результате образуется синтез-газ, который направляется в реакционную камеру, куда поступает основной поток угольной пыли и окислительный агент - пар. При смешивании аэросмеси и синтез-газа последний возгорается, в результате горения синтез-газа в муфеле выделяется теплота, необходимая для газификации основного потока угольной пыли. После муфеля, в камере разделения, происходит разделение полученного синтез-газа и шлака (см. RU № 2288408 С1, МПК F23K 1/04, Н05Н 1/32, C10J 3/18, опубл. 27.11.2006, Бюл. № 33).

Недостатком данного способа является то, что он предусматривает термическую подготовку лишь пылевидного, а не кускового топлива с получением только одного конечного продукта - синтез-газа.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой установке является установка для двухступенчатой термической подготовки пылевидного топлива, содержащая системы пылепитания, плазменный реактор, кольцевой и стержневой электроды, электромагнитную катушку, крышку с каналами для ввода реагентов, реакционную камеру, графитовую диафрагму, муфель, камеру разделения, компрессоры и шлакосборник (см. RU № 2288408 С1, МПК F23K 1/04, Н05Н 1/32, C10J 3/18, опубл. 27.11.2006, Бюл. № 33).

Недостатком данной установки является то, что в ее схеме не предусмотрено использование крупных фракций топливных частиц.

Заявляемая группа изобретений направлена на решение единой задачи, заключающейся в повышении реакционной способности кускового топлива путем его предварительной подготовки к сжиганию и повышении технико-экономических и экологических показателей отопительных котельных.

Технический результат заявляемой группы изобретений - повышение технико-экономических и экологических показателей отопительных котлов путем сжигания предварительно подогретого и подсушенного высокореакционного топлива и синтез-газа, снижение механического недожога пылевидных частиц топлива в топках со слоевым сжиганием вследствие их моментального вступления в реакцию горения еще в топочном объеме, повышение срока службы основного котельного оборудования.

Для достижения обеспечиваемого группой изобретений технического результата в известном двухступенчатом способе плазменно-термической подготовки кускового топлива к сжиганию, предусматривающем подачу на первой ступени угольной пыли через поток низкотемпературной плазмы, сформированной вращающейся электрической дугой в поперечном сечении плазменного реактора, и последующее смешение на второй ступени пылеугольного потока с основным потоком топлива и газифицирующим агентом, в результате реакции которых получают синтез-газ, используемый на второй ступени путем его сжигания в муфеле для газификации основного потока топлива, согласно изобретению на второй ступени в качестве основного потока топлива используют кусковое топливо, которое частично газифицированное выходит из муфеля и поступает в отопительный котел, где пылеобразные частицы угля при смешивании с окислителем сгорают и выпадают в виде золы, а термически подготовленное кусковое топливо вступает в реакцию горения.

Достижение обеспечиваемого технического результата стало также возможным благодаря установке для двухступенчатой плазменно-термической подготовки кускового топлива к сжиганию, включающей системы пылепитания, плазменный реактор, соединенный с реакционной камерой, имеющей патрубок для ввода основного потока топлива и газифицирующего агента, крышку плазменного реактора с устройством для ввода угольной пыли, муфель, согласно изобретению установка имеет систему пылеподготовки, содержащую мельницу, соединенную с бункером кускового топлива и циклоном, пневмозабрасыватель, установленный в нижней части муфеля, соединенный с отопительным котлом.

На сегодняшний день на отопительных и производственных котельных, использующих в качестве топлива уголь, применяется стандартная схема подготовки и подачи угля. Так, от угля, транспортируемого с топливного склада с помощью грохотов, отделяют мелкие фракции топлива с целью уменьшения расхода энергии на дробление и измельчают в дробилках, а затем подают в бункер сырого угля, откуда без какой-либо дополнительной подготовки топливо подают в отопительный котел. Это снижает технико-экономические и экологические показатели отопительных котельных.

Отличительной особенностью предлагаемой группы изобретений являются новые условия подготовки кускового топлива для слоевого сжигания, а именно смешение его в реакционной камере с нагретым газифицированным пылеугольным потоком и перегретым паром или воздухом. В результате экзо- и эндотермических реакций получают синтез-газ и термически подготовленный уголь. Таким образом, из муфеля выходит частично газифицированное кусковое топливо, которое подают непосредственно в отопительный котел, где оно вступает в реакцию горения, а не лежит без горения в течение некоторого времени, необходимого для прогрева угольных кусков и начала выделения из них летучих. Кроме того, влага, содержащаяся в угле, вследствие длительного хранения угля на открытых площадках, разлагаясь на водород и кислород, вступает в реакции, образуя основную долю горючих компонентов (СО, Н ₂, СН₄):

С+Н₂О СО+Н₂

С+2Н₂О СО₂+2Н₂

СО+Н₂ О СО₂+Н₂

В результате предварительной подготовки топлива по заявляемому изобретению в котле можно сжигать угли с достаточно большим диапазоном влажности, хотя общеизвестно, что изменение содержания влаги в топливе на один процент приводит к изменению в обратную сторону примерно на ту же величину теплоты его сгорания. Так, для каменного угля с низшей теплотой сгорания 6000 ккал/кг увеличение содержания влаги в топливе на 1%, например с 10 до 11%, приводит к уменьшению теплоты сгорания на 66 ккал/кг, а это, в свою очередь, ведет к сжиганию дополнительного количества топлива (см. Опыт сжигания распространенных видов топлива в отопительных котлах на предприятиях коммунальной энергетики. Обзорная информация / А.А.Ахтырский, В.А.Штомпель. - М.: ЦБНТИ Минжилкомхоза РСФСР, 1984. - 63 с). Кроме того, в литературе и других информационных источниках нет сведений о предварительной подготовке для слоевого сжигания именно кускового угля, наряду с тем на подавляющем большинстве отопительных котельных стоят котлы, марки которых были разработаны в 60-80 гг. XX столетия, КПД которых в силу ряда причин (технических, технологических, организационных) находится на уровне 60% при заявленном значении не менее 82%.

Таким образом, реализация заявленного изобретения позволяет снизить механический недожог пылевидных частиц топлива в топках со слоевым сжиганием вследствие их моментального вступления в реакцию горения еще в топочном объеме, повысить технико-экономические и экологические показатели отопительных котлов.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - двухступенчатая установка для плазменно-термической подготовки кускового топлива к сжиганию - предназначена для использования в другом заявленном объекте группы - двухступенчатом способе плазменно-термической подготовки кускового топлива к сжиганию, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата и на дату подачи заявки могут быть использованы совместно.

Из уровня техники заявитель не обнаружил сведения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым.

Сущность изобретений поясняется чертежом, где схематично изображена заявляемая установка.

Заявляемая установка содержит бункер 1 кускового топлива, применяемый на отопительных котельных, системы углеподачи 2, 3 и системы пылеподачи 4, 5, 6 и 7. Установка имеет систему пылеподготовки, содержащую мельницу 8, соединенную с бункером 1 и циклоном 9. Циклон 9 соединен через систему 6 пылеподачи с бункером 10 угольной пыли. Бункер 10 угольной пыли соединен через систему 7 пылеподачи с плазменным ректором 11, на крышке 12 которого имеется патрубок для тангенциального ввода пылеугольной смеси. В центре плазменного реактора 11 расположен стержневой электрод 13, а снаружи электромагнитная катушка 14. Плазменный реактор 11 соединен с реакционной камерой 15, имеющей патрубок для ввода кускового топлива и газифицирующего агента. Установка также содержит модульные секции муфеля 16, в нижней части которого находится пневмозабрасыватель 17, соединенный с отопительным котлом 18. Отопительный котел 18 снабжен цепной или поворотной решеткой 19.

Предлагаемый двухступенчатый способ плазменно-термической подготовки кускового топлива к сжиганию осуществляют следующим образом.

В бункер 1 кускового топлива с топливного склада подают кусковой уголь. По системе 2 подачи кускового угля уголь подают в мельницу 8, где происходит его измельчение. Затем угольную пыль по системе 4 подают в циклон 9, где происходит сепарация угольной пыли. Слишком крупные частицы по системе 5 возвращают в мельницу 8 для повторного помола, а частицы, удовлетворяющие требованиям помола, по системе 6 подают в бункер 10 угольной пыли. Из бункера 10 угольная пыль с помощью небольшого количества воздуха или пара поступает по системе 7 и через патрубок, расположенный в крышке 12, в первую ступень - плазменный реактор 11, где между стержневым электродом 13 и кольцевым электродом горит электродуговая плазма. Электромагнитная катушка 14 производит вращение дуги в поперечном сечении плазменного реактора 11. Угольная пыль, проходя через поток низкотемпературной электродуговой плазмы, нагревается и газифицируется. На вторую ступень в реакционную камеру 15 газифицированный пылеугольный поток поступает в виде факела, туда же по системе 3 подают основной поток кускового угля с газифицирующим агентом (пар, воздух). Под воздействием высокой температуры в присутствии газифицирующего агента происходит газификация пылевидных частиц топлива с выделением синтез-газа, который, сгорая на второй ступени, выделяет тепло, необходимое для термической подготовки основного потока топлива, вследствие которой происходит прогрев верхних слоев кускового топлива и выделение летучих компонентов. В итоге на выходе из муфеля 16 выходят частицы топлива с множеством пор, высвободившихся вследствие частичной газификации угля, которые, в свою очередь, увеличивают поверхность реакции, в данном случае реакции горения. После муфеля 16 частично газифицированное кусковое топливо забрасывается пневмозабрасывателем 17 в топку отопительного котла 18, где пылеобразные угольные частицы при смешивании с окислителем (воздухом) моментально возгораются и, успев полностью выгореть, выпадают на цепную решетку 19 в виде золы, а крупные куски топлива практически сразу после падения на цепную решетку 19 воспламеняются, вступая в реакцию горения намного быстрее, нежели неподготовленное топливо.