Спосіб нвч-плазмової технології запалювання і стабілізації згоряння вугілля

Корисна модель відноситься до області енергетики і може бути використана в енергетичних і технологічних теплових установках для розпалювання і стабілізації горіння в пиловугільних пальниках і забезпечує стійкість і ефективність процесу зайняття пиловугільного палива незалежно від якості вугілля, що спалюється, потужності використовуваних пальникових пристроїв і теплоенергетичних установок, а також без додаткового використання мазуту чи природного газу. Якість вугілля, що надходить на теплові електростанції (ТЕС), з кожним роком погіршується (підвищена зольність, низький рівень виходу летучих і т.д.). У традиційних котлах ТЕС для забезпечення розпалювання і стабілізації процесів спалювання такого вугілля використовуються усе більш значні добавки мазуту (до 40% від теплової потужності котлоагрегату) чи природного газу, вартість яких постійно росте. Як відомо, при спільному спалюванні вугілля з мазутом зростають: механічний недопал палива (на 15% і більше), викиди оксидів азоту (на 40-50%), а також - викиди оксидів сірки і ванадію і канцерогенних вуглеводнів. Крім того, сучасні технології переробки нафти забезпечують різке зниження частки залишкового мазуту. Тому наростаючий дефіцит мазуту стимулює розробку без мазутних технологій розпалювання і стабілізації горіння пиловугільного факела, серед яких перспективними представляються методи попередньої термохімічної підготовки (ТХП) до спалювання пиловугільних палив. Суть ТХП полягає у високошвидкісному нагріванні (104-105К/с і більш) вугільного пилу (усієї чи її частини) високотемпературними продуктами згоряння мазуту чи газу, а також - потоками плазми. Одним з важливих напрямків у рішенні цієї проблеми є застосування плазмотермічної підготовки пилоподібного палива перед спалюванням. На даний час вже накопичений певний досвід розробки і застосування плазмових пальників (на основі дугових плазмотронів) для розпалювання і стабілізації горіння вугільного пилу. Разом з тим представляється більш перспективним використання в таких пальниках НВЧ-плазмотронів, оскільки вони не вимагають використання спеціальних вугільних електродів і дають можливість одержати однорідне і легко контрольоване утворення плазми практично в будь-якому місці пальника чи топки. НВЧ-енергія, що необхідна для підпалювання плазми, досить просто може бути введена в топковий об'єм пальника чи в канал транспортування вугільного пилу на існуючому устаткуванні ТЕС без внесення в нього істотних конструктивних змін. Застосування НВЧ-плазми, реалізованої в потоці пиловугільно-повітряної суміші, з високою концентрацією енергії і наявності в ній хімічно активних центрів (атомів, радикалів, іонів і електронного газу) сприяє енергетично більш ефективному, ніж у традиційних вогневих методах і при використанні повітряно-електродугової плазми, нагріванню і термохімічним перетворенням вугільних часток. При цьому вугільні частки у НВЧ-плазмі, температура нейтральних часток в якій досягає 5000К, зазнають тепловий удар, у результаті якого частки дробляться на десятки дрібних осколків, а мінеральні складові при цьому відшаровуються, що приводить до збільшення реакційної здатності палива. Тепловий вибух пиловугільних часток багаторазово прискорює вихід летучих за рахунок більш розвинутої поверхні реагування і появи дуже дрібних часток, які нагріваються до температури виділення летучих набагато швидше, ніж великі частки. Далі, на стадії газофазних реакцій, що помітно інтенсифікує вплив термоелектричної складової НВЧ-плазми, що виявляється в прискоренні хімічних перетворень за рахунок переходу до реакцій (з електронами й іонами) з більш низькими значеннями енергії активації. Наприклад, при переході від молекулярних до атомарних форм кисню зазначений параметр знижується на порядок і більш. Відомий спосіб розпалювання і стабілізації горіння пиловугільного факела в котлоагрегатах, який здійснюють шляхом генерування повітряної низькотемпературної плазми в дуговому плазмотроні, встановлюваному в охолоджуваному водою патрубку поза муфелем (камерою термохімічної підготовки палива), і запалювання струменем повітряної плазми пиловугільно-повітряної суміші, що подається в канал муфеля, і подачею нагрітої паливної суміші з муфеля в топку котлоагрегату [див. пат. RU 2230991 F2305/00, F23D1/00, 2004]. Недоліком цього рішення є низька ефективність використання низькотемпературної повітряної плазми, тому що через плазму не транспортуються вугільні частки, а тільки повітря, а також низька експлуатаційна надійність роботи дугових плазмотронів. Відомий спосіб НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля, що включає подачу пиловугільно-повітряної суміші в камеру НВЧплазмо-термохімічної підготовки палива пальникового пристрою, генерування плазми при пропущенні НВЧ-хвилі і повітря в плазмотроні, подачу струменя повітряної плазми в камеру термохімічної підготовки палива [див. пат. RU 2201554 F23Q5/0, 2003, прототип]. Недолік цього рішення полягає в тому, що до плазмотрона підводиться тільки НВЧ-хвиля і повітря, а за ним формується вузький плазмовий шнур, до якого ззовні здійснюють бічне підведення частини пиловугільно-повітряної суміші, що не забезпечує високої ефективності взаємодії плазмового шнура з потоком пиловугільно-повітряної суміші за рахунок малого часу і площі взаємодії вугільних часток з повітряною плазмою. тому що плазмовий шнур за плазмотроном тонкий і короткий. Крім того, слабка реакційна здатність стартового факела обумовлена тим. що у відомому способі відношення повітря/паливо дорівнює 1. Однак, необхідно, щоб потік, що виходить з камери термохімічної підготовки, підпалював основний потік вугілля, тобто, щоб у ньому збереглися активні елементи для підпалу основного палива, - оксид вуглецю. незгорілі вуглеводні, водень, активний кокс. Відомий пальниковий пристрій НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля, що містить камеру НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки пиловугільно-повітряної суміші, канали підведення пиловугільноповітряної суміші і плазмотрон з каналами підведення НВЧ-хвилі і повітря [див. пат. RU 2201554 F23Q5/0, 2003, прототип]. Недоліком відомого пристрою є те, що в ньому передбачені тільки бічні канали підведення палива у вигляді пиловугільно-повітряної суміші, тобто, пропущення пиловугільно-повітряної суміші через плазмотрон не передбачено. У відомому пристрої слабка ефективність взаємодії НВЧплазмоповітряного стартового факела у вигляді тонкого шнура з вугляними частками при їхній бічній подачі, а, отже і слабка реакційна здатність стартового факела при відношенні повітря/паливо рівному 1. В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечення в способі і пальниковому пристрої НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля стійкості і високої ефективності процесу НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки частини пиловугільного потоку, за допомогою якого запалюється і стійко спалюється основна частка пиловугільно-повітряної суміші в котельних установках без використання мазуту чи газу при мінімально можливому споживанні електроенергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля, що включає подачу пиловугільноповітряної суміші в камеру НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива пальникового пристрою, генерування плазми при пропущенні НВЧ-хвилі в плазмотроні і подачу струменя плазми в камеру термохімічної підготовки палива, згідно з корисною моделлю, через плазмотрон пропускають одночасно НВЧ-хвилю, пиловугільно-повітряну суміш і формують стартовий НВЧ-плазмо-пиловугільно-повітряний факел на виході з плазмотрона. У камері НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива створюють співвідношення повітря/паливо меншим одиниці, при цьому температуру потоку на виході з цієї камери підтримують у межах 1100-1200К, а співвідношення повітря/паливо підтримують у межах 0,2-0,4. Подачу пиловугільно-повітряної суміші в камеру НВЧ-плазмотермохімічної підготовки палива здійснюють ступінчасте з декількома проміжними потоками пиловугільно-повітряної суміші, причому частка пиловугільно-повітряної суміші, що проходить через НВЧ-плазмотрон, складає 20-40% від сумарної суміші, що подається в камеру НВЧтермохімічної підготовки палива. Частку вугільного пилу, що проходить через камеру НВЧ-плазмотермохімічної підготовки палива, частку вугільного пилу і повітря, що проходять через стартовий факел, а також потужність НВЧ-генератора регулюють в залежності від марки вугілля. дисперсності вугільного пилу, температури транспортуючого повітря і знижують зазначені показники: зі зменшенням розміру вугільних часток, зі збільшенням частки виходу летучих, а також при підвищенні температури транспортуючого повітря. При НВЧ-плазмо-термохімічній підготовці палива використовують попередньо нагріте повітря. Потоки пиловугільно-повітряної суміші подають у камеру НВЧ-плазмотермохімічної підготовки палива з закрученням. У зону стартового факела додатково підводять реагенти, що сприяють підвищенню ефективності окислювання вуглецю чи зниженню рівнів утворення шкідливих речовин. На виході первинного потоку пиловугільно-повітряної суміші утворюють імпульсну чи пульсуючу плазму. Поставлена задача вирішується також тим, що в пальниковому пристрої НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля, що містить камеру НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки пиловугільно-повітряної суміші, канали підведення пиловугільно-повітряної суміші і плазмотрон з каналами підведення НВЧ-хвилі і повітря, згідно з корисною моделлю, принаймні, один канал підведення пиловугільно-повітряної суміші розташований у плазмотроні. У плазмотроні додатково розташований канал підведення реагентів, наприклад, активаторів окислювання вуглецю чи інгібіторів утворення шкідливих речовин. Сутність НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива полягає в розділенні пиловугільного потоку на кілька східчастих потоків і проходженні першого потоку, що складає не більш 40%, через сформовану цим же потоком НВЧ-плазму. При цьому практично цілком виділяються летучі вугілля і частково газифікується коксовий залишок (30-40%). Отримане високореакційне двокомпонентне паливо (пальний газ + коксовий залишок) запалюється при змішуванні з наступним потоком пиловугільно-повітряної суміші і відбувається подальша послідовна термохімічна підготовка вугляної суміші, що проходить через камеру НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки, перед змішуванням з основним пиловугляним потоком на виході з пальникового пристрою. Частка суміші (не більш 40%), що пропускається через НВЧ-плазму, визначається для конкретного типу вугілля з порівнянь матеріального і теплового балансу таким чином, щоб тепла, яке виділяється при згорянні двокомпонентного палива, у сумі з енергією НВЧ-плазми, було достатньо для послідовної термохімічної підготовки решти потоків повітряної суміші до температури запалювання, у тому числі і на виході із НВЧ-плазмотермохімічної камери. Тим самим забезпечується підвищення реакційної здатності пиловугільного потоку за рахунок НВЧ-плазмо-термохімічної активації її меншої частини. Розрахунки показують, що процес НВЧ-плазмотермохімічної активації пиловугільно-повітряної суміші доцільно проводити при коефіцієнті надлишку повітря в діапазоні 0,2-0,4 (від теоретично необхідної кількості для стехіометричного спалювання вугілля) і температури 1100-1200К. При цьому питомі енерговитрати на процес будуть рівні чи менші 0,09-0,05кВтг на 1кг вугілля в залежності від його реакційної здатності. Технічний результат досягається тим, що на вході в камеру НВЧ-плазмотермохімічної підготовки палива формують стартовий НВЧ-плазмопиловугільно-повітряний факел, який використовують для подальшої термохімічної підготовки основної частини вугільного пилу, що подають ступінчасто по довжині камери термохімічної підготовки палива, при цьому повітря використовують у кількості недостатній для повного вигоряння газоподібних складових і коксового залишку, а температуру потоку на виході з камери термохімічної підготовки доводять переважно до рівня не нижче 1100К, після чого формують вогневий факел на виході з пальникового пристрою шляхом змішування основного потоку пиловугільно-повітряної суміші з високонагрітим потоком, який включає НВЧ-плазмо-термохімічно підготовлене двофазне паливо, що містить пальні гази і високореакційні коксові частки. НВЧ-плазма, яка реалізована в потоці пиловугільно-повітряної суміші, забезпечує практично всі ефекти, що досягаються іншими способами активації палив, крім того, її використання дає цілий ряд додаткових переваг. Висока температура нейтральних часток (~5000К) і велика концентрація енергії в одиниці об'єму, значна кількість збуджених часток (атомів, радикалів, іонів), простота автоматизації керування процесом у силу невисокої інерційності плазми. Усе це робить такий вид НВЧ-плазми дуже перспективною для рішення розглянутої проблеми. Експериментально підтверджено, що енергетична ефективність НВЧ-плазмового розпалювання пиловугільного факела більш ніж у 6 разів вища, ніж аналогічний показник при традиційному розпалюванні мазутом. При формуванні пиловугільно-повітряної плазми одержують об'ємний факел, вугільні частки в цьому факелі дробляться на більш дрібні, відшаровується мінеральна частина від органічної, різко збільшується кількість атомарного кисню, що приводить до істотного підвищення швидкості виділення летучих речовин і активації вуглеводню. Запропонована корисна модель дозволяє знизити потужність, що споживається НВЧ-генератором, і забезпечує можливість регулювання параметрів процесу розпалювання і стабілізації процесу спалювання низькореакційного вугілля у широкому діапазоні умов: по потужності котельної установки, по зольності вугілля і вмісту в них летучих, по дисперсності вугільних часток, температурі транспортуючого повітря і співвідношень повітря/паливо у НВЧ-плазмовому стартовому факелі, у послідовних східчастих зонах термохімічної підготовки палива, а також у зоні змішування цього потоку з основним потоком пиловугільно-повітряної суміші. При цьому викиди оксидів азоту, сірки і ванадію, а також канцерогенних вуглеводнів можуть бути знижені до мінімуму, внаслідок невикористання високосірчистих мазутів і можливостей відповідного зонного регулювання відношення повітря/паливо. При цьому температуру потоку з термохімічно підготовленим двофазним паливом (газова фаза + коксовий залишок) підтримують переважно не нижче 1100К. При формуванні стартового НВЧ-плазмового факела може генеруватися імпульсна чи пульсуюча НВЧ-плазма. Крім того, при НВЧплазмо-термохімічній підготовці палива використовують підігріте повітря, а пиловугільно-повітряна суміш подається в камеру з закрученням, при цьому сумарне повітря подають у співвідношенні повітря/паливо нижче 1,0. Крім того, частку вугільного пилу, що проходить через камеру НВЧ-плазмотермохімічної підготовки палива, частку вугільного пилу, що проходить через стартовий НВЧ-факел, а також потужність НВЧ-генератора, регулюють у залежності від марки вугілля, дисперсності вугільного пилу, температури транспортуючого повітря і знижують зазначені показники зі зменшенням розміру вугільних часток і збільшенням виходу летучих, а також при зростанні температури транспортуючого повітря. У зону НВЧ-плазми додатково можуть додаватися реагенти, що сприяють: підвищенню ефективності процесів окислювання вуглецю (активатори), наприклад кисень, чи зниженню утворення токсичних і канцерогенних речовин (інгібітори). Корисна модель пояснюється кресленням, на якому показана схема пальникового пристрою НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля. Пальниковий пристрій НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля містить: камеру 1 НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки пиловугільно-повітряної суміші, хвилевід 2 підведення НВЧ-енергії, канал 3 підведення пиловугільно-повітряної суміші до "стартового факела" 4, канал 5 підведення вторинного повітря, канал 6 підведення активаторів і/чи інгібіторів у зону "стартового факела", зовнішній провідник 7 коаксіального хвилеводу плазмотрона, внутрішній провідник 8 коаксіального хвилеводу плазмотрона, канал 9 підпалу "стартового факела", канали 10 і 11 для діагностики "стартового факела", канали 12-14 послідовного підведення пиловугільноповітряної суміші, канали 15 і 16 діагностики двофазного потоку наприкінці камери НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки пиловугільно-повітряної суміші, канал 17 виходу НВЧ-плазмо-термохімічно підготовленої двокомпонентної горючої суміші. У даному способі канал 3 підведення пиловугільно-повітряної суміші до "стартового факелу" розташований у плазмотроні. Для реалізації заявленого способу використовується пальниковий пристрій, що включає у себе: камеру 1 для НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки пиловугільно-повітряної суміші, хвилевід 2 для підведення НВЧенергії від зовнішнього джерела, канал 3 для підведення пиловугільноповітряної суміші через плазмотрон до "стартового факела" 4, канал 5 для підведення через плазмотрон вторинного повітря, канал 6 для підведення в зону "стартового факела" 4 реагентів, що активують процеси окислювання вуглецю палива, чи інгібують процеси утворення шкідливих речовин, зовнішній провідник 7 коаксіального хвилеводу плазмотрона, внутрішній провідник 8 коаксіального хвилеводу плазмотрона, що утворюють внутрішній хвилевід плазмотрона, канал 9 для забезпечення початкового підпалу "стартового факела", канали 10 і 11 для можливості діагностування параметрів "стартового факела", канали 12-14 для послідовного ступінчастого підведення решти частини пиловугільно-повітряної суміші, канали 15 і 16 для можливості діагностування параметрів двофазного потоку наприкінці камери НВЧ-пламо-термохімічної підготовки пиловугільноповітряної суміші, канал 17 для виходу НВЧ-плазмо-термохімічно підготовленої двокомпонентної горючої суміші в зону змішування її з основним потоком пиловугільно-повітряної суміші в котлі. Камера 1 упальниковому пристрої виконана з металу і зсередини покрита вогнетривким матеріалом. Заявлений спосіб НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля здійснюється таким чином. У камеру 1 НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива пальникового пристрою одночасно підводять: НВЧ-електромагнітну хвилю через канал 2 і внутрішній хвилевід, утворений зовнішнім 7 і внутрішнім 8 провідниками плазмотрона, пиловугільно-повітряну суміш, частка якої не перевищує 40% пиловугільно-повітряної суміші, призначеної для НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива, через канал 3, вторинне повітря - через канал 5 і внутрішній хвилевід, реагенти, що активують процеси окислювання вуглецю палива чи інгібують процеси утворення шкідливих речовин, через канал 6, "стартовий факел" 4 спочатку підпалюють через канал 9, діагностують наявність і параметри "стартового факела" через канали 10 і 11 (для можливості оптимізації процесів), підводять ступінчасто решту частини пиловугільно-повітряної суміші через канали 12-14, діагностують параметри потоку через канали 15 і 16, з метою оптимізації параметрів потоку наприкінці камери 1, подають НВЧ-плазмо-термохімічно підготовлену двокомпонентну горючу суміш (газоподібне паливо + коксовий залишок) з температурою не менш 1100 Кчерез канал 17 у зону її змішування з основним потоком пиловугільно-повітряної суміші (на вході в котел чи в інше технологічне устаткування), що запалює основний потік пиловугільноповітряної суміші, як би замінюючи частку мазуту чи газу при традиційному спалюванні низькореакційного вугілля.