Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Спосіб НВЧ-плазмового запалювання і стабілізації горіння вугілля, що включає подачу пиловугільно-повітряної суміші в камеру НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива пальникового пристрою, генерування плазми при пропусканні НВЧ-хвилі в плазмотроні, подачу струменя плазми в камеру термохімічної підготовки палива, який відрізняється тим, що через плазмотрон пропускають одночасно НВЧ-хвилю, пиловугільно-повітряну суміш і формують стартовий НВЧ-плазмо-пиловугільно-повітряний факел на виході з плазмотрона.

2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що в камері НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива створюють співвідношення повітря/паливо, менше за одиницю, при цьому температуру потоку на виході з цієї камери підтримують у межах 1100-1200 К.

3. Спосіб за пп.1 і 2, який відрізняється тим, що співвідношення повітря/паливо підтримують у межах 0,2 - 0,4.

4. Спосіб за пп.1 - 3, який відрізняється тим, що подачу пиловугільно-повітряної суміші в камеру НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива здійснюють ступінчасто з декількома проміжними потоками пиловугільно-повітряної суміші, причому частка пиловугільно-повітряної суміші, що проходить через НВЧ-плазмотрон, складає 20- 40% від сумарної суміші, яку подають в камеру НВЧ-термохімічної підготовки палива.

5. Спосіб за пп. 1 - 4, який відрізняється тим, що частку вугільного пилу, що проходить через камеру НВЧ-плазмо-термохімічної 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 і збільшенням виходу летких, а також при підвищенні температури транспортуючого повітря.

6. Спосіб за пп. 1-5, який відрізняється тим, що при НВЧ-плазмо-термохімічній підготовці палива використовують попередньо нагріте повітря.

7. Спосіб за пп. 1 - 6, який відрізняється тим, що потоки пиловугільно-повітряної суміші подають в камеру НВЧ-плазмо-термохімічної підготовки палива з завихрюванням.

8. Спосіб за пп. 1 - 7, який відрізняється тим, що в зону стартового факела додатково підводять реагенти, що сприяють підвищенню ефективності окислювання вуглецю чи зниженню рівнів утворення шкідливих речовин.

9. Спосіб за пп. 1-8, який відрізняється тим, що на виході первинного потоку пиловугільно-повітряної суміші утворюють імпульсну чи пульсуючу плазму.

Текст

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.

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method for microwave-plasmic technology of initiation and stabilization of coal burning

Автори англійською

Kanilo Pavlo Makarovych, Rasiuk Mykola Ivanovych, Bormotov Vitalii Mykytovych, Kostenko Kostiantyn Volodymyrovych, Shevchenko Oleksandr Valeriiovych

Назва патенту російською

Способ свч-плазменной технологии зажигания и стабилизации сгорания угля

Автори російською

Канило Павел Макарович, Расюк Николай Иванович, Бормотов Виталий Никитович, Костенко Константин Владимирович, Шевченко Александр Валерьевич

МПК / Мітки

МПК: F23Q 5/00

Мітки: стабілізації, технології, нвч-плазмової, запалювання, згоряння, вугілля, спосіб

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/5-8305-sposib-nvch-plazmovo-tekhnologi-zapalyuvannya-i-stabilizaci-zgoryannya-vugillya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб нвч-плазмової технології запалювання і стабілізації згоряння вугілля</a>

Подібні патенти