ТОПЛИВНАЯ СУСПЕНЗИЯ Российский патент 2001 года по МПК F23K1/02 

Изобретение относится к водоугольному топливу в виде суспензии, приготавливаемой смешиванием твердого пылевидного топлива, преимущественно низкокалорийного угля, с жидкостью - водой, для подачи в устройства его сжигания на теплоэлектростанциях, в металлургической промышленности, в котельные установки и другие теплогенерирующие системы, работающие на жидком топливе.

В настоящее время действующие энергоустановки, работающие на жидком топливе, успешно переводятся, с минимальными конструктивными доработками горелок, на перспективное водоугольное топливо (ВУТ) - экологически чистую суспензию, взвесь мелкодисперсного, пылевидного низкокалорийного угля в воде (см. , например, патент RU 2134841, 1999 г. по кл. F 23 Q 5/00; Нехороший И.Х., Зайденварг В. Е. и др., "Состояние и перспективы развития работ по водоугольному топливу в России", труды международного симпозиума по ВУТ, Цукуба, Япония, 1994 г., с. 19-27), которые характеризуют данную область техники.

В статье К. Н.Трубецкого и И.Х.Нехорошего "Развитие работ по использованию суспензии в энергетике России" отраслевого журнала "Теплоэнергетика N 4, 1994 г., с. 26-29 содержится информация о создании комплексной промышленной технологии производства, транспортирования и сжигания ВУТ в виде суспензии, включающей 60 мас.% мелкодисперсного угля (до 350 мкм). Впервые в мировой практике на Кузнецком металлургическом комбинате новое ВУТ было использовано по замете мазута в агломерационных машинах Абагурской обогатительно-агломерационной фабрики. В результате обеспечивается требуемое качество выпускаемого агломерата с равной производительностью при снижении расхода топлива на 10-15%, сравнительно с мазутом.

Для транспортирования водоугольной суспензии был построен и опробован трубопровод "Белово-Новосибирск" протяженностью 164 км, по которому переместили 140 т топлива.

Целесообразность использования ВУТ в районах скопления угольных запасов и отвалов добычи и переработки в виде топлива на теплогенерирующих установках металлургического производства (в доменных и мартеновских печах), промышленных котельных и ТЭЦ подтверждает опыт эксплуатации мазутного котла ДКВР 6,5/13 в г. Мыски Кемеровской области с водоугольным топливом, стоимость тонны которого в 9 раз ниже 1 тонны мазута.

Однако недостатком известного водоугольного топлива, у которого, в частности, не оптимизированы гранулометрические параметры твердой составляющей для минимизации динамической вязкости, является его относительно низкая текучесть, являющаяся причиной увеличенного абразивного износа существующих транспортных и технологических трубопроводов из-за повышенной механической нагрузки твердой составляющей на стенки труб, что снижает их функциональную надежность. Следовательно, для транспортировки известного водоугольного топлива по трубопроводам необходимы дополнительные капитальные вложения на производство упрочненных труб и монтаж новых магистральных трубопроводов.

По числу совпадающих признаков и технической сущности наиболее близким аналогом предложенной топливной суспензии выбрано водоугольное топливо, описанное в патенте RU 2145038, F 23 Q 5/00, опубл. 27.01.00 в бюл. 3, которое представляет собой взвесь мелкодисперсного (до 350 мкм) угля массовой, доли 50 ... 60% в воде.

Недостатком прототипа является невысокая калорийность (ккал/кг), ограниченная допустимой динамической вязкостью суспензии, то есть повышенным содержанием негорючего структурного элемента - воды, обеспечивающей необходимую текучесть продукта для промышленной его транспортировки по трубопроводу к потребляющим теплогенерирующим устройствам, что, однако, снижает функциональную надежность эксплуатации при отрицательных температурах из-за резкого повышения вязкости ВУТ и его замерзания при температурах около нуля градусов C.

Кроме того, известное водоугольное топливо характеризуется повышенными энергозатратами на транспортировку по трубопроводу под давлением и абразивным действием на подающие в устройства для сжигания форсунки, что ограничивает практическое использование ВУТ.

Технической задачей, положенной в основу предложенного изобретения, является повышение функциональной надежности и эксплуатационных характеристик водоугольного топлива.

Требуемый технический результат достигайся тем, что в известную топливную суспензию в виде взвеси пылевидного угля в воде дополнительно введен органический пластификатор с гранулометрическими размерами 0,005-0,5 мкм при следующем содержании компонентов, мас.%:
Уголь (до 200 мкм) - 60 - 65
Органический пластификатор - 5 - 15
Вода - Остальное
причем в качестве органического пластификатора использованы твердые бытовые и/или промышленные отходы.

Отличительные признаки позволили увеличить подвижность топливной суспензии при возможно большем снижении доли содержания воды, с повышением калорийности топлива. Дополнительным положительным эффектом служит утилизация твердых органических бытовых и промышленных отходов, которые служат в композиции пластификатором, снижающим внутреннее трение, и повышают теплоту сгорания топлива.

Выбранное гранулометрическое соотношение частиц угля и органического пластификатора обеспечивает формирование пространственно сложной мицеллаобразной структуры, в центре которой расположена частица угля с диспергированными на ее поверхности сателлитами - частицами органического пластификатора. Угольные частицы взаимодействуют при этом через равновесную по толщине органическую прослойку из поверхностно-активного вещества, что повышает пластичность суспензии и обеспечивает практически неограниченную седиментационную устойчивость, то есть сохраняется стабильность ее структуры в процессе хранения, не происходит расслоения составляющих и образования осадка.

Предложенная топливная суспензия сохраняет стабильность своих служебных характеристик в течение 30 ... 40 суток, что вдвое выше, чем у известного топлива по прототипу.

Ограничение до 200 мкм фракционности угля позволяет увеличить его массовую долю в суспензии и обеспечить функциональную надежность коагуляционных контактов с мелкодисперсными частицами органического пластификатора.

При содержании в топливной суспензии угля более 65 мас.% резко возрастает расход энергии на транспортировку по трубам к потребителю из-за увеличении вязкости композиции.

При содержании в топливной суспензии угля менее 60 мас.% снижается эффективность горения топлива, удельное количество выделяемого при его сгорании тепла.

Нижний предел диапазона диспергирования органического пластификатора 0,005 мкм ограничен практической целесообразностью по экономическим соображениям трудоемкого техпроцесса.

Частицы органического пластификатора более 0,5 мкм не образуют прочных адсорбционных связей с частицами угля, что вызывает седиментацию топливной суспензии, ее расслоение и выпадение в осадок дисперсной фазы, то есть определяет функциональную ненадежность композиции для примышленного использовании.

При содержании в топливной суспензии органического пластификатора менее 5 мас.% практически не отмечается повышения пластичности и седиментационной устойчивости дисперсной структуры, наблюдается расслоение составляющих компонентов и выпадение осадка.

При содержании в топливной суспензии органического пластификатора более 15 мас.% происходит снижение подвижности композиции из-за укрупнения коагуляционных структурных образований, выпадающих в осадок.

Новым сверхэффектом предложенной совокупности существенных признаков является снижение температуры замерзания топливной суспензии до минус 10-15 градусов C, что расширяет технологические и функциональные возможности ВУТ по климатическому районированию транспортирующих трубопроводов и продлевает календарные сроки его использования.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения не суммы эффектов, а новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности.

Предложенное техническое решение соответствует критериям патентоспособности, потому что топливная суспензия может быть промышленно воспроизведена в серийном производстве на обычном заводском оборудовании и явным образом не следует для специалистов по топливной энергетике из уровни техники, сравнение с выявленными аналогами которого подтверждает неизвестность ВУТ заявленного качественного и количественного состава.

Сущность настоящего изобретения поясняется примером выполнения технологической схемы потоков малого и большого циркуляционного контуров топливоподачи водоугольной суспензии в мазутный котел ДКВР 6,5/13 с запорной и регулирующей аппаратурой, изображенной на чертеже, который имеет лишь иллюстративное назначение и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы.

Технологическая схема установки по приему и подаче водоугольного топлива в котел 1 включает аккумулирующую емкость 2 вместимостью 50 куб.м, шланговый насос 3 марки НП-25, фильтр 4, улавливающий крупные частицы и посторонние включения, и демпфер 5, сглаживающий пульсации подачи ВУТ, стабилизируя горение. Для распыления мазута и ВУТ используется сжатый воздух от стационарной компрессорной установки 6. Мазут распыляют посредством стандартного распылителя ЦМ горелки ГМГ-4, а для распыления ВУТ смонтирована специальная центробежная форсунка 7.

На передней стенке кота 1 установлено горелочное устройство подачи мазута, необходимого для предварительного разогрева котла 1, и подачи ВУТ - основного топлива (условно не показано).

Зажигание БУТ мазутом в форкамере котла 1 осуществляется плазмотроном, а стабилизация горения обеспечивается созданием вихревых потоков топливной смеси в реакторе котла 1 посредством сжатого воздуха (до 6 ати) от компрессора 6 через щелевые сопла пода его топки.

Котел 1 при опытных работах растапливался и выводился на номинальный режим работы по обычному регламенту с использованием мазута. После прогрева и достижения устойчивой работы котла 1 на мазуте проводилось включение форсунки 7 ВУТ (25% от номинального объема) и подача в горелочное устройство дутьевого воздуха.

Теплопроизводительность котла 1 поддерживалась на постоянном уровне путем соответствующего снижения подачи мазута. После работы котла 1 в этом режиме в течение 10-15 минут осуществлялось увеличение подачи ВУТ на форсунку 7 до 50% от номинального объема при эквивалентном снижении подачи мазута. Аналогичным образом производилось повышение подачи ВУТ до 75% и 100% последовательно.

Таким образом полный перевод котла 1 на водоугольное топливо осуществлялся при работе одного горелочного устройства с форсункой 7 ВУТ. При 100% подаче ВУТ (700 кг/ч) наблюдалось стабильное горение топливной суспензии, и котел 1 работал устойчиво без снижения теплопроизводительности. Общее время работы котла 1 только на водоугольном топливе составило 40 ч, при максимальной непрерывной работе котла 1 на ВУТ в течение 24 ч. При этом было сожжено 28,5 куб.м ВУТ.

Опытная проверка предложенного ВУТ в зажигательном горне агломерационной печи ЦОФ "Абашевская" в г. Новокузнецке при сжигании 100 т ВУТ показала устойчивую работу в заданном эксплуатационном режиме расхода и температуры. Показатели агломерата по механической прочности и химсоставу соответствуют нормам, установленным для фабрики. При этом получено снижение вредных выбросов в атмосферу оксидов азота в 1,3 раза, двуокиси серы в 5 раз.

Помол угля каменного марки Т производили на двухбарабанной вибромельнице ВМ-200 до гранулометрических размеров частиц не более 200 мкм и перемешивали с водой, добавляя порошок (0,005-0,5 мкм) органического пластификатора, в оптимизированном соотношении, мас.%: (60-65)/(25-30)/(5-15) соответственно, которое было рассчитано методом планирования эксперимента.

В качестве органического пластификатора использовались полимерные материалы (поливинилацетат, поливинилхлорид и др.), которые выдерживали некоторое время на открытом воздухе для снижения прочности за счет ультрафиолетовой деструкции. Затем органический пластификатор размалывали на шаровой мельнице до заданных гранулометрических размеров.

Органическая составляющая свалки бытовых отходов (животные жиры, масла, синтетические жирные кислоты, канифоль и т.п.) омыливают: обрабатывают щелочью (NaOH, КОН), перемешивая до образования однородного раствора, в котором содержание щелочи составляет не более 0,2%.

Полученный раствор вводят в приготавливаемое ВУТ, возможно предварительно в этот раствор диспергировать тонкоразмолотый полимер, например поливинилхлорид.

Выбранные границы диапазонов содержания структурных компонентов топливной суспензии, мас. % (уголь: 60-65/органический пластификатор: 5-15/вода: 25-30) обеспечили достижение наилучших служебных характеристик, таких как вязкость на уровне 600 - 750 Па•с, теплота сгорания 3520-3560 ккал/кг и температура замерзания минус 10-15 градусов C.

В таблице приведены примеры составов с характерным количественным содержанием компонентов ВУТ и сравнительные их параметры.

Предложенное пластифицированное водоугольное топливо является одним из эффективных заменителей дорогостоящих и дефицитных жидких, видов топлива и природного газа.

Низкотемпературный (850-1100^oC) процесс сжигания предложенной композиции пластифицированного водоугольного топлива протекает изотермично и стабильно.

Изобретение позволяет снизить присосы в топочной камере котла, уменьшить на 15-16% величину впрыска при сжигании ВУТ с коксовым газом, привлечь для практического использования большие запасы угля и низкокалорийного топлива в виде отвалов вблизи шахт, мест открытой разработки, металлургических и коксо-химических производств, снизив нагрузку на существующие энергосети и газопроводы.

Снижение температуры замерзания предложенной ВУТ позволяет сократить капитальные затраты на монтаж и прокладку магистрального продуктопровода за счет уменьшения глубины его залегания.

Изобретение относится к водоугольному топливу (ВУТ) в виде суспензии, приготавливаемой смешиванием твердого пылевидного топлива, преимущественно низкокалорийного угля, с жидкостью - водой, для подачи в устройства его сжигания на теплоэлектростанциях, в металлургической промышленности, в котельные установки и другие теплогенерирующие системы, работающие на жидком топливе. Топливная суспензия представляет собой водоугольное топливо в виде взвеси пылевидного угля в воде и содержит органический пластификатор с гранулометрическими размерами 0,005-0,5 мкм при следующем содержании компонентов, мас. %: уголь (до 200 мкм) 60-65; органический пластификатор 5-15; вода остальное, причем в качестве органического пластификатора использованы твердые бытовые и/или промышленные отходы. Изобретение обеспечивает повышение подвижности топливной суспензии при возможно большем снижении доли содержания воды с повышением калорийности топлива, а также позволяет утилизировать твердые органические бытовые и промышленные отходы, содействуя улучшению экологии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Топливная суспензия в виде взвеси пылевидного угля в воде, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен органический пластификатор с гранулометрическими размерами 0,005-0,5 мкм при следующем содержании компонентов, мас.%:
Уголь (до 200 мкм) - 60-65
Органический пластификатор - 5-15
Вода - Остальное
2. Топливная суспензия по п.1, отличающаяся тем, что в качестве органического пластификатора использованы твердые бытовые и/или промышленные отходы.