Спосіб спалювання низькосортного вугілля

Спосіб спалювання низькосортного вугілля шляхом газифікації частини палива окиснювачами та активними речовинами з отриманням пального газу й обробки в ньому основного об'єму низькосортного палива, який відрізняється тим, що газифікацію основного об'єму низькосортного палива здійснюють постадійно з використанням на кожній з наступних стадій, у порівнянні з попередньою, об'єму низькосортного палива у співвідношенні не більше 1 до 10, при цьому ентальпію або ж теплоту утворення продуктів газифікації для обробки на кожній наступній стадії доводять до максимуму, при якому відбувається самозаймання палива. (19) (21) 2004032086 (22) 22.03.2004 (24) 15.08.2006 (46) 15.08.2006, Бюл. № 8, 2006 р. (72) Соловей Віктор Васильович, Стрелков Ігор Васильович, Лєвтєрова Людмила Іванівна, Саніна Галина Ігоревна (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ ІМ. А.М.ПІДГОРНОГО НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) UA 26293, F23D1/00, 19.07.99 UA 64417, F23D1/00, 16.02.2004 SU 1477977, F23C11/00, 07.05.89 GB 322765, C10B49/04, 09.12.29 GB 2350370, C10B49/00, 29.11.2000 RU 2078283, F23C11/02, 27.04.97 3 76493 4 Поставлена задача досягається тим, що в пальних домішок спалюванням низькосортного способі спалювання низькосортного вугілля шлявугілля. хом газифікації частини палива окиснювачами й Коефіцієнт корисної дії енергоперетворювача активними речовинами з отриманням пального (ЕП): газу й обробки в ньому основного об'єму низькоW Wo (1) калорійного палива, згідно з винаходом, газифікаE цію основного об'єму низькокалорійного палива де Wo - енергія робочої речовини на вході в перездійснюють постадійно з використанням на кожній творювач, з наступних стадій, у порівнянні з попередньою W - енергія робочої речовини на виході, об'єму низькокалорійного палива у співвідношенні E - енергія, що підводяться до енергоперетворюне більш 1:10, при цьому ентальпію (теплоту утвовача. рення) пального газу для обробки на кожній настуЗ робочою речовиною можна зв'язати вектор пній стадії доводять до максимуму (самозаймання стану х, основні характеристики якого: секундна палива). витрата, швидкість, температура, провідність і т.п. Газифікацію основного об'єму низькокалорійТоді ЕП формально можна відобразити як: ного палива здійснюють постадійно з використанX X (2) ням на кожній з наступних стадій пального газу, де X - простір станів робочої речовини, отриманого при проведенні попередньої стадії, - чисельність припустимих значень витраченої для доведення температури (об'єму пального газу) енергії в перетворювачі. до необхідного рівня, і завдяки цьому створити ККД ЕП є функцією параметрів робочої речоможливість постадійної переробки зростаючих вини та енергії, що підводиться, об'ємів низькосортного палива з необхідною теп( X, E) (3) лоти утворення продуктів газифікації на кожній Припустимо, що для класу ЕП, який розглядастадії спалювання і забезпечення запалення нається, співвідношення (2). (З) відомі або отримані ступної, що забезпечує досягнення ефективності на підставі експерименту. Процес в ЕП, що описуспалювання та повноти згоряння низькосортного ється співвідношеннями (2), (3) при фіксованих вугілля. вхідних параметрах робочої речовини і фіксоваГазифікацію основного об'єму низькокалорійному рівні енергії (Е), яка витрачається, некерованого палива здійснюють за розрахунками об'ємів ний. палива кожної наступної стадії у порівнянні з поОцінимо ефективність спалювання низькосорпередньою у співвідношенні 1:10, для гарантоватного палива з отриманням різноманітних співвідного отримання необхідної теплоти утворення паношень об'ємів пального газу і пиловугільного пального газу на кожній стадії спалювання і лива в багатокаскадному перетворювачі, що забезпечення запалення наступної, що відповідає складається з п послідовно з'єднаних ЕП. Варіююумовам високотемпературного запалення, забезчи розподіл енергії, яка підводиться по каскадах печує підвищення ефективності спалювання і повперетворювача, можна отримати можливість керуноти згоряння низькосортного вугілля. вати процесом перетворення енергії і знаходження Ентальпію продуктів газифікації для обробки в оптимального розподілу енергії по каскадах ЕП. кожній наступній стадії доводять до максимуму ККД n-каскадного ЕП, що записується у вигляді: для надання можливості здійснення повного спаn лювання низькосортного палива у зростаючому (4) k k об’ємі на наступних стадіях, що веде до здійсненk 1 ня тезнічного результату і дозволяє підвищити Ek ефективність спалювання низькосортного вугілля де k - коефіцієнт енергоспоживання к-го E та повноту згоряння каскаду, при цьому На Фіг.1, 2, 3 подані принципові схеми викоn нання каскадів для одержання продуктів газифікаEk E const (5) ції. k 1 Спосіб полягає в такому. n При організації підсвічування пиловугільного , (6) k 1 k 0 палива газоподібними продуктами, отриманими в k 1 процесі газифікації вугілля, що містять в основноXk f ( xk 1, ko ,E); k k ( xk 1, xk , ko ,E) му H2 та CO, створюється локалізована область (7) k 1 ..., n. , горіння з температурою значно більш високою, ніж Отже, задача оптимізації n-каскадного ЕП при зпалюванні паливного мазуту. Калориметричмаксимізувати цільову функцію (4) при обмеженна температура продуктів газифікації для вугілля нях (5), (6), (7), та топкового мазуту, наприклад марки 40, складає Можна показати, що для монотонно спадної відповідно 2743 і 2383К. Отже, підсвічування низьхарактеристики (E) характеристики, яка має екскосортного палива продуктами газифікації вугілля тремальну точку, малокаскадна система перетводостатньо для запалення вугільного пилу, що дає рення енергії приводить до збільшення ККД перетможливість в більшій мірі, ніж підсвічування мазуворювача, причому збільшення кількості каскадів том, збільшити витрати призначеного для спалюпідвищує загальний ККД системи. вання об'єму пилевугільного палива в системі з Принцип каскадної організації роботи енергокомпенсацією дефіциту теплоти, який досягався перетворювача дозволяє підвищити ККД енергораніше спалюванням мазуту за рахунок заміни перетвортовача за рахунок підвищення ефектив 5 76493 6 ності використання перетворюваної енергії шляTo ( S(p 0 T0 ) H(p 0 T0 ) / T ) 0 хом її перерозподілу на попередньо витрачену для Звідки максимально можлива температура гопідготовки процесу горіння та процесу на основі ріння палива енергоперетворення. T* H(P0 ,T0 ) / S(P0 ,T0 ) Так, наприклад, доцільно при організації горіння вуглеводневої суміші частину енергії викорисде H(P0 ,T0 ) - спадання ентальпії в ізобарному протати на організацію неповного згоряння частини цесі, що дорівнює тепловому ефекту реакції Q p ; суміші в форкамері з наступною подачею продукS(P0 ,T0 ) - різниця ентропій між вихідними і кінцетів згоряння форкамерної суміші (в основному окис вуглецю і молекулярний водень) в основну вими продуктами реакції, що дорівнює теплоті рівкамеру. Відомо, що в продуктах неповного згорянноважного процесу Q утв . ; ня утворяться нестабільні хімічні активні вільні Т - температура горіння палива; радикали та атоми, концентрація яких в сотні й Т0 - початкова температура палива, тисячі разів вище величин, розрахованих для терОскільки горіння при T * відбувається без змімодинамічних рівноважних умов, а також для вини якості енергії, то температурний та ізобарнопадку горіння бідної і стехіометричної суміші. Хіміізотермічний потенціали рівні між собою чно активні частинки, що мають високу швидкість (T * T0 ) S(P0 T0 ) G(P0 ,T0 ) G(P0 ,T0 ) турбулентної дифузії, ініціюють майже скрізь розгалужені хімічні реакції, що швидко протікають і де G(P0 ,T0 ) - спадання енергії Гіббса в оберненотим різко скорочують період затримки запалення му ізобарно-ізотермічному процесі. робочої суміші. Основний принцип, якого необхідЗ наведеного виразу випливає, то T * харакно дотримуватися при каскадній побудові -неповне теризує таку якість теплоти. що співпадає з якістю згоряння палива в попередньому каскаді для досяенергії палива, тому температура T * має назву гнення максимальної калориметричної температухарактеристичної температури енергії палива. ри, достатньої для запалення низькосортного паУ природних видів палив, яким є низькосортне лива, тобто так звана газифікація палива. вугілля, T * мае дуже високе значення. Так, для Тривалість хімічно активного стану частинок з вуглецю Т*=135000К. моменту їхнього виникнення складає 10-15mc. Тому для переходу енергії палива в теплоту Після цього такни стан повністю або частково нейтобто до горіння, необхідно знизити T * , причому тралізується в результаті зіткнення і рекомбінації так, щоб енергоємність, яка виділяється при цьочастинок між собою або з молекулами суміші в му, була б корисно використана. об'ємі або на поверхні реакційного простору. Процес перетворення енергії можна характеПри витіканні в основну камеру продуктів згоризувати так званим параметром обміну, який явряння форкамерної суміші утворюється безліч ляє собою відношення густини потоку енергії чеосередків запалення робочої суміші в зоні горіння рез носії до густини термодинамічної (хаотичної) камери згоряння. Завдяки малим розмірам осерескладової енергії цього типу носіїв. дків й великій швидкості турбулентної дифузії хіміКоефіцієнт використання енергії максимальчно активних частинок, останні швидко і достатньо ний, коли є співвідношення між густиною потоку рівномірно розподіляються в об'ємі робочої суміші. енергії через носії та їхньою термодинамічною При здійсненні газифікації повністю усувається (хаотичного), складовою густини потоку енергії. фаза повільного і нестійкого спонтанного розвитку Таке співвідношення виникає при значенні параланцюгових реакцій з вираженим розгалуженням, метра обміну, що дорівнює одиниці. При меншому що призводить до затримки запалення і горіння, значенні параметра обміну енергія носіїв безперепроцес відразу переходить в фазу лавинної активрвна, при більшому - виникає похибка через утвоності горіння низькосортного палива. рення турбулентності. Лавинна активація горіння приводить до значПриведення значення параметра обміну до ного (в 3-4 рази) збільшення швидкості згоряння, одиниці можливе за рахунок організації перетвопідвищення на 10-15% її повноти і поліпшення рення енергії по каскадній схемі, в якій частина стабільності горіння. одержуваної надлишкової енергії витрачається Каскадне перетворення енергії палива в тепдля підвищення якості її перетворення. При цьому лоту через термохімічну регенерацію тепла дозвозагальний коефіцієнт використання енергії підвиляє зменшити втрати потенційної енергії палива за щується (максимальний). рахунок зниження термодинамічної характеристиРозрахунки пиловугільного смолоскипа кожноки температури продуктів згоряння до температуго каскаду ґрунтуються на залежностях, що визнари, яка визначається термостійкістю конструкційчають процеси запалення і вигоряння частинок ного матеріалу камери згоряння, приведення у вугільного пилу низькосортного палива, відповідність до густини потоку енергії, накопичеПри цьому залежність часу запалення частиної в паливі, до термодинамічної (хаотичної) гуснок від концентрації кисню в газі достатньо слабка тини потоку енергії продуктів згоряння, збільшення і сильно залежить від температури середовища в ступеня завершеності хімічних реакцій. камері, що повинна бути достатньо високою для Перехід енергії палива при максимальній, так запалення і стабільного згоряння палива. званій калориметричній температурі хімічної реакРоздрібнене низькосортне вугілля самозаймації його горіння, проходить без втрати якості енерється значно швидше, ніж вугілля того ж виду у гії. Тобто вся дієздатність (енергоємність) палива L великих кусках. Це пояснюється більш об'ємною іде на трансформацію теплоти - H(P0T0 ) . поверхнею дрібного вугілля, завдяки чому більша Для цього випадку можна записати 7 76493 8 кількість кисню може вступати в реакцію з вугіллям Для отримання тепла Q на нагрівання пров певний відрізок часу. Основною умовою в підгодуктів газифікації з камери 2 за рахунок теплоти товці суміші, яка реагує із запаленням, е її нагріреакції водню з киснем вимагається розкласти в вання. Скорочення часу згоряння палива досягаэлектролизері 1 наступну кількість води mH2O. ють організацією технологічного процесу за mH2O Q / 68,4ккал / моль (4) паралельно-послідовною схемою. При цьому, при4,10 10 4 кал / 6,84104 0,604моляH2O сутність незначної кількості вологи здійснює катаПриймемо mH2O=12кг. лізуючий вплив на хід багатьох реакцій. Для розкладу даної кількості води впродовж Пристрій для реалізації способу може включагодини вимагає електролізер потужністю 82кВт. ти послідовно з'єднані електролізер 1, камеру згоТаким чином, при потужності електролізера ряння 2 водню в повітрі, камеру 3 газифікації ву82кВт і витраті через нього 12кг/год води, згідно з гілля з подачею кисню, камеру 4 газифікації системою рівнянь (1) при газифікації в камері 1 вугілля з подачею повітря, камеру 5 згоряння вувугілля в кількості 48кг/год з подачею повітря гілля, камеру 6 згоряння водню в повітрі, камеру 7 137кг/год і води 24кг/год з початковою температузгоряння вугілля в кисні. Різновид камер за призрою означених компонент в 250°C на вході в газиначенням та послідовність приєднання однієї до фікатор 2 на виході з нього маємо продукти газиіншої залежить від стехіометрії параметрів реакфікації CO (112кг/год) H2 (4кг/год), N2 (105кг/год) з цій, за якими здійснюють спалення. температурою 850°С. При цьому теплотворна Приклад конкретного виконання спроможність продуктів газифікації (CO і H2) склаОптимальний рівень витрат органічного палиде ва залежить від надійного способу стабілізації горіння низькосортного пиловугільного палива в шиH 29,106 кал / кг 4кг 2,42 106 кал / кг 112кг рокому діапазоні зміни коефіцієнта надлишку 116 108 кал 2,7 108 кал 3,86 108 кал. , повітря, що водночас забезпечить зменшення неТемпература продуктів, що надходять на гадопалу та шкідливих викидів у навколишнє серезифікацію в газифікатор. оцінимо з формули: довище. Основними чинниками стабілізації є заH безпечення (достатнього) високого t to t to Cp mo температурного рівня і (інтервалу) часу горіння, що визначається геометричними розмірами стабіде H - тепловий ефект реакції від згоряння водлізатора та швидкостями взаємодіючих потоків ню з киснем. Згідно зі схемою №1 процес газифікації вугілH 0,66ккал H2 6,84 104 кал / моль 4,54 107 кал. ля в камері 2 з подачею кісня описується систеH мою рівнянь t Cpomo 2C+O2+3,76N2=2CO+3,76N2+58860кал/моль (1) С+Н2О=СО+Н2-28380кал/моль 4,54 107 кал Нагрів продуктів газифікації по t 600 C вимагає 3 0,416 10 48кгс 0,525 103 24кг Н2О 0,25 103 137кг калорій 680 C Q Cpi mi t (2) t to t 250 680 930 C де Cpi - мольна теплоємність і-го компонента; Для схеми 2 зафіксуємо кількість води, що подаmi - число і-го компонента. ється в електролізер 1 (mH2O=12кг/год), і кількість продуктів, що подаються в газифікатор 2 Одержуємо Q 4,10 104 кал. (mc=48кг/год, mH2O=24кг/год, mповітря=137кг/год). Теплоємність Cp Наведені розрахунки відповідають витратам означених компонентів у схемі 1. РечовинаСхема 2 відрізняється від схеми 1 тим, що теКал/моль град Ккал/кг град окиснювач пло Q для підігріву продуктів газифікації та проПовітря 6,99 (25°С) 0250(25°С)-0,286(600°С) дуктів, що надходять до газифікатора 2, одержуN2 6,98 0,248 O2 7,14 0,218-0,256 ють за рахунок: Q1 - спалювання водню в повітрі Н2 6,96 3,408 (камера 5) і Q2 - взаємодія кисню з вуглецем 0,264(100°С)-0,525(200Н2О 8,10 600°C) (камера 6). CO2 9,69 0,202(25°С)-0,285 (600°C) Q Q1 Q2 (3) CO 7,0 0,250(25°С) При взаємодії 1067кг кисня з вугіллям по рівС (вугілля) 3,(25°C)-5,8(1500°С) нянню (4) C O2 CO2 9,4 104 кал / моль. Q [7кал / моль.град 4мольCO Одержуємо кількість тепла: 6,96кал / моль.град 2мольН2 (5) Q2 0,333кмоль.9,4 104 кал.моль 3,14 107 кал 6,96кал / моль.град 3,76мольN2 ] 600град При взаємодії 1,33кг водню з повітрям 68кал / град 600град 4,1 104 кал 188N2 H2 1/ 2O2 H2O 188N2 68,4ккал / моль , , (6) G 4,1 104кал. Одержуємо кількість тепла Згоряння отриманих в електролізері 1, кисню та водню в камері 5 відбувається за схемою. (7) Q1 0,653кмоль 6,84 104 кал / моль 4,54 107 кал Н2+1/2O2=Н2O+680,4ккал/моль (3) 9 76493 10 підігріваються теплом від згоряння в повітрі водню з камери 6 електролізера 1. Q Q1 Q2 4,54 107 кал 3,14 107 кал При взаємодії 1,33кг водню з повітрям по рів7,68 107 кал нянню: При цьому додається 1,24кмоль N2. 1,88N2+H2+1/2O2=H2O+1,88N2+68,4ккал/моль, Оцінимо температуру продуктів газифікації з Одержуємо кількість тепла формули Q 0,663 103 моля 6,84 104 кал / моль Звідки t to t 1 Q 250 C 4,54 107 кал Cpomo 7,68 107 Температура компонентів, що надходять на газифікацію до газифікатора, оцінимо по формулі t to t Q Q , Cpmi to Q1 7,68 107 кал Q2 де mi - кількість і-го компонента, що надходить до газифікатора, оцінимо з формули t 7,68 107 0,416 103 48кгс 0,525 103 24кг H2O 0,25 103 137кг возд. 1160 С Т to t 250 1160 1410 C Порівняння систем запалення і стабілізації горіння, виконаних за схемами №№1 та 2, показує, що при постійній потужності (продуктивності) електролізера робота системи по схемі №2 дозволяє підвищити температуру продуктів газифікації (центрів запалення основного палива) на 530 градусів, що є істотним з точки зору забезпечення надійного запалення. Оцінимо кількість вугільного пилу mвуг., що може бути нагріта до температури запалення (+500оС) m уг PH Cp уг 3,86 108 кал.моль.град 3 6,0 10 кал250град mвуг . Hвуг w t 3 3,98 10 кг 7,4 106кал / кг 2,28 1010 4,18Дж 3 3,6 10 сек 10 2,28 10 кал Nел Nm уст 82,100 2,6 104 0,5 де - Cpi - мольна теплоємність і-го компонента; mi - число молей і-го компонента. Оскільки кількість кисню, що подається на газифікацію вугілля, зафіксовано - 10,67кг (або 0,33кмоля), то згідно з системою рівнянь процесу газифікації кількість вугілля, що подається, складе 1,33кмоля (16кг), а кількість води - 0,67кмоля (12кг), кількість одержуваного окису вуглецю 1,33кмоля (37кг), а водню - 0,67кмоля (1,34кг). Вважаємо, що тепло Q від взаємодії водню з повітрям в камері 6 втрачається на нагрів продуктів газифікації в камері 3, Виходячи з доведеного визначаємо приріст температури продуктів газифікації в камері 3 t Cpimi 4,54 10 7 кал 10 3 2,6 10 4 кВт . 0,67мольH2 6,85 кал моль 1 25моль N2 7,05 , кал моль кал t ,85to t1,252000 2 250 кал 2000 С 2250 C 6 мольN 7,05 моль моль Температура компонентів, що надходять в газифікатор 31, складе t to 250 t 4,54 107 кал 16кг с 0,416 103 4820 C 10,67кгO 2 0,256 103 5070 C Теплотворна здатність ції з камери 3 складе H HH2 HCO 3,9 107 Приріст температури в камері 2 визначимо як: H Cpimi t H продуктів газифіка 29 106 кал / кг 134 , 2,42 106 кал / кг 37 0,3% Для схеми 3 зафіксуємо кількість води, що подається в електролізер 1 (mH2O=12кг/год), і кількість продуктів, що подаються в газифікатор 2 (mс=48кг/год, mH2O=24кг/год, mповітря=137кг/год). Наведені розрахунки відповідають витратам означених компонентів в схемах 1 і 2. Схема №3 відрізняється від схеми №2 тим.що кисень з електролізера 1 надходить в камеру 3 газифікації вугілля, продукти газифікації при цьому кал 133 мольCO 6,8 , моль Звідси температура t продуктів газифікації на ви2000 С ході з камери 3, складе 250 2,6 107 Вт Відношення потужності Nел, що витрачається в електролізері, до потужності Nт топкового пристрою (з урахуванням ККД перетворення її в електроенергію уст 0,5 ) складе: B Cpimi t 3,08 103 кг, Приймемо, що процес згоряння розрахункової кількості вугільного пилу (з урахуванням подачі вугілля в стабілізатор полум'я) відбувається впродовж години, тоді потужність NT топкової установки складе: Nm Q t 2,56 105 моль де H - теплотворна здібність продуктів газифікації CO і H2 В газифікаторі 3. При згорянні цієї кількості вугілля виділиться енергія W Процес газифікації вугілля в камері 3 з подачею кисню описується системою рівнянь: 2C+O2=2СО+58860кал/моль C+Н2O=СO+Н2-28380кал/моль, Нагрів продуктів газифікації на t вимагає калорій 1 29 103 , 68,0 103 9 107 129 108 кал. , t продуктів газифікації 1900 С Тоді температура t продуктів газифікації на виході з камери 2 дорівнює t to t t to t 250 250 1900 1 29 10 8 , 0,416 10 3 кгс 0,525 10 3 24кгH2O 0,25 10 3 13кг 250 1930 2180 С Система газифікації, виконана за схемою №3, 11 76493 12 дозволяє збільшити надійність запалення за рахузифікації (500, 1380, 2150К) на кожній наступній нок більш значної температури продуктів стадії, завдяки росту утворення активних центрів газифікації (на 1100°С в порівнянні зі схемою №1 і (Н2, ОН, СО) тобто росту ентальпії є достатнім та на 830°С - зі схемою №2). дає можливість на порядок, тобто в десятиразоТаким чином, можна констатувати, що перетвому об’ємі збільшити кількість спалювального ворення енергії буде еквівалентне кількості теплонизькосортного вугілля. ти, набутої системою в кожній стадії. Ініціювання Доведена надійність запалення, що зростає за при газифікації в газифікаторі активних центрів рахунок генерації активних центрів, відповідає (Н2, ОН, СО) свідчить про ріст ентальпії, сприяє умовам високотемпературного запалення, забеззбільшенню ефективності згоряння (зростанню печує підвищення ефективності спалювання і повшвидкості згоряння) низькосортного вугілля у наноту згоряння низькосортного вугілля. ступному каскаді. Ріст температури продуктів га Комп’ютерна верстка Н. Лисенко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601