Спосіб термічної обробки пиловидного палива

Изобретение относится к области энергетики и может быть применено при газификации пылевидного топлива с целью получения синтезгаза и при переработке пылевидного топлива с целью использования газообразных продуктов для стабилизации пылеугольного факела при сжигании низкореакционных углей. Наиболее близким по технической сущности является способ термической обработки пылевидного топлива, включающий подачу потоков топлива и газифицирующего агента в зону дугового разряда и область плазменной струи и газификацию газотопливной смеси. Основной поток газотопливной смеси вводят в область дугового разряда [1]. Известный способ характеризуется высокими энергетическими затратами. В известном способе топливо перерабатывается в двух ступенях по разным технологическим схемам. Основная часть топлива подается в область дугового разряда. Для осуществления эффективного процесса газификации угольных частиц необходимо обеспечить достаточно продолжительное время высокую температуру, более 2600К. В этой связи, количество тепла, затраченное на процессе газификации угля, доста точно высоко и требует применения мощного плазменнодугового разряда. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа термической обработки пылевидного топлива за счет проведения дополнительных операций и новых режимов выполнения способа так, чтобы обеспечить развитие ступенчатого термохимического процесса газификации топлива, при котором достигается эффект минимизации затрат энергии на инициирование физикохимических превращений в каждой из последующих стадий ступенчатого процесса, что в целом приводит к значительному снижению энергетических затрат на процесс переработки пылевидного топлива. Поставленная задача решается тем, что в способе термической обработки пылевидного топлива, включающем подачу потоков топлива и газифицирующего агента в зону дугового разряда и область плазменной струи и газификацию газотопливной смеси, согласно изобретению, новым является то, что количество топлива, вводимого в зону дугового разряда составляет 0,01 - 0,10 от общего расхода обрабатываемого топлива, а остальное топливо подают вдоль плазменной струи последовательные ступени с наращиванием массы вводимого топлива от ступени к ступени. Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом объясняется следующим. Введение в зону дугового разряда 0,01 - 0,10 от общего расхода топлива позволит провести процесс плазмохимической обработки топлива при значительно более низких значениях фиксированной мощности дугового разряда. Благодаря наличию высоких температур в области дугового разряда (порядка 2500 - 3000°К) осуществляется высокоэффективный процесс газификации топлива с получением высококалорийных продуктов газификации. Подача основной части топлива вдоль плазменной струи в последовательные ступени позволяет перераспределить обрабатываемое топливо в зону действия струи низкотемпературной плазмы и организовать процесс ступенчатой переработки топлива с наращиванием его массы от ступени к ступени. При этом происходит дополнительная активация физико-химических процессов в каждой последующей ступени за счет энтальпии продуктов переработки топлива в предшествующей ступени, а также наличия активных элементарных центров в них. Инициирование и активация процессов в первой ступени осуществляется за счет высококалорийных продуктов переработки топлива, поступающих из зоны дугового разряда. В результате реализуется возможность ступенчатого развития термохимических процессов газификации пылевидного топлива, при котором осуществляется принцип минимизации затрат энергии на инициирование и развитие физикохимических превращений в каждой из последующих ступеней. Таким образом, благодаря использованию преимущества данного принципа резко сокращается доля энергии плазменно-дугового разряда на осуществление процесса газификации топлива, что в целом позволяет снизить энергетические затраты на переработку пылевидного топлива. При введении в зону дугового разряда менее 0,01 от общего расхода топлива наблюдается резкое увеличение количества ступеней, когда развитие процесса газификации приближается к цепному непрерывному. Это затрудняет осуществление способа из-за необходимости сложного аппаратурного оформления. При введении в зону дугового разряда более 0,10 от общего расхода топлива ступенчатая газификация топлива происходит в условиях, когда нарушается принцип минимизации энергии на инициирование и развитие физико-химических процессов в каждой из последующей ступени. Для обеспечения эффективного процесса газификации необходимо увеличить мощность плазменнодугового разряда, что приводит к неоправданным повышенным энергетическим затратам. Способ термической обработки пылевидного топлива осуществляется следующим образом. Поток пылегазовой смеси, состоящей из пылевидного угля, в количестве равном 0,01 - 0,10 от общего расхода топлива и газифицирующего агента, например воздуха, водяного пара, кислорода или их смеси, в количестве соответствующем сте хиометрическому количеству топлива в потоке, подают в зону дугового разряда плазмохимического реактора. Затем остальную часть обрабатываемого топлива, равную 0,99 0,90 от общего расхода топлива, порционно подают вдоль плазменной струи в последовательные ступени. Массу вводимого топлива наращивают от ступени к ступени в зависимости от калорийности топлива, характеризуемой теплотой сгорания (QHP), его зольности, назначения получаемых продуктов газификации. Коэффициент наращивания массы определяют экспериментальным путем. Количество газифицирующего агента в потоке пылегазовой смеси, вводимого в каждую из ступеней, соответствует стехиометрическому количеству топлива в соответствующей ступени. Пример 1 (табл.3). Термической обработке подвергали пылевидный уголь донецкого месторождения. Калорийность топлива - (QHP) составляет 4337ккал/кг, зольность 35%). Поток пылегазовой смеси, состоящей из низкореакционного угля донецкого месторождения (средний размер частиц 120 - 150мкм) в количестве 0,15кг/с, что составляет 0,05 от общего расхода угля в реакторе (3кг/с) и газифицирующего агента - воздуха в количестве 269нм 3/с, что соответствует стехиометрическому количеству топлива, подавали в зону дугового разряда плазмохимического реактора, где достигается температура свыше 2500К. При этом происходит интенсивный нагрев угля, его плавление, испарение углерода и газификация топлива с образованием высокореактивных газообразных продуктов газификации, увлекаемых потоком плазменной струи в реакционную камеру реактора. Затем вдоль сформировавшейся плазменной струи, в последовательные ступени I IV с помощью форсунок подавали остальную часть угля, равн ую 2,85кг/с. Уголь распределяли по четырем ступеням с коэффициентом наращивания его количества от предыдущей ступени к последующей, равным 2. Коэффициент наращивания выбирали в соответствии с термодинамикой процесса газификации угля донецкого месторождения с теплотворной способностью, равной 4337ккал/кг, зольность 35%. Количество газифицирующего агента - воздуха, подаваемого одновременно с топливом в каждую ступень, брали в соответствии со стехиометрическим количеством топлива в каждой ступени. Количество топлива поданного: в I ступень 0,3кг/с, при расходе воздуха 0,54нм 3/с, при этом количество топлива в I - й ступени рассчитывали по отношению к топливу, поданному в зону дугового разряда; во II ступень - 0,6кг/с, при расходе воздух 1,1нм 3/с; в III ступень - 1,2кг/с, при расходе воздуха 2,15нм 3/с; в IV ступень - 1,0кг/с, при расходе воздуха 1,79нм 3/с, в последней ступени количество обрабатываемого топлива равно разности между общим расходом и суммарным количеством топлива предыдущи х ступеней. В результате четырехступенчатой термической обработки топлива образуются газообразные продукты переработки, представляющие собой горючий газ состава: CO 28,6%; H2 - 36,1%; CO2 - 10,4%; N2 - 24,9% с примесью высокоактивных фрагментов углерода, и температурой 1600°C. Полученные газообразные продукты использовали в качестве "подсветочного" топлива для розжига и стабилизации горения пылеугольного факела при сжигании низкореакционных топлив в пылеугольной горелке в котлоагрегатах ТЭЦ. Проводили также испытания заявляемого способа при других значениях отношения количества топлива, вводимого в область дугового разряда, к общему расходу топлива, выбирая его равным 0,05, 0,01, 0,1, 0,15. Полученные данные представлены в таблице. Как видно из таблицы оптимальным отношением вышеуказанных величин являются их значения в промежутке 0,01 - 0,1. Пример 2. Аналогичным образом, описанным в примере 1 с целью получения синтез-газа, был реализован способ термической обработки пылевидного угля кузнецкого месторождения: средний размер частиц 120 150мкм, калорийность угля - (QHP) равна 4878ккал/кг, зольность - (AP) равна 17,7%. Общий расход угля составил 3,0кг/с при коэффициенте наращивания масс в газифицирующи х ступенях равном 1,8. Количество топлива, подаваемое в зону дугового разряда составило 0,15кг/с, что составляет 0,05 от общего расхода топлива в реакторе. Полученные результаты идентичны полученным в примере 1 и подтверждают правильность выбора интервала заявляемого соотношения. В результате четырехступенчатого процесса термохимической обработки топлива получен синтез-газ с содержанием в газовой фазе: окиси углерода - 42,1%, водорода - 50,8%. Удельный расход электроэнергии составил 0,75кВт ч/кг. Пример 3. Аналогичным образом, описанным в примере 1, с целью получения синтез-газа, был реализован способ термической обработки пылевидного угля Тургайского бассейна. Средний размер частиц 100 - 150мкм, калорийность - (QHP) равна 4570ккал/кг), зольность - (AP) равна 28,4%. Общий расход угля составил 3,0кг/с при коэффициенте наращивания масс в газифицирующи х ступенях равно 1,5. Количество топлива, подаваемого в зону дугового разряда составило 0,15кг/с, что составляет 0,05 от общего расхода топлива в реакторе. Полученные результаты идентичны, полученным в примере 1, и подтверждают правильность выбора интервала заявляемого соотношения. В результате пятиступенчатого процесса термохимической обработки топлива получен синтез-газ с содержанием в газовой фазе: окиси углерода - 40,5%, водорода - 49,6%. Удельный расход электроэнергии составил 0,60кВт ч/кг. Использование предлагаемого изобретения в различных технологических процессах термической переработки пылевидного топлива позволит снизить энергетические затраты в 2 - 5 раз, а возможность регулирования процесса газификации топлива позволит автоматизировать процесс, расширить его технологические возможности.