СПОСОБ СЖИГАНИЯ УГЛЯ Российский патент 2004 года по МПК F23B7/00 F23K1/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способу сжигания угля в топках тепловых электростанций, и может быть применимо в других устройствах по сжиганию угля, в частности, в установках по глубокой переработке угля в другие виды топлива.

Наличие большой номенклатуры котлов и способов сжигания угля свидетельствует о том, что данный процесс, т.е. сжигание угля в топках, далек от совершенства и, как следствие, малоэффективен в процессе эксплуатации. Эффективность процесса сжигания угля сегодня оценивается не только его энергетическими параметрами, но и экологическими показателями, которые, в свою очередь, определяются как маркой сжигаемого угля, так и способом его подготовки перед сжиганием. Чем проще и эффективнее организован процесс подготовки угля к сжиганию, тем большее количество тепла и энергии при этом снимается и тем меньшее количество вредных веществ выбрасывается в атмосферу с отходящими газами.

Известен способ приготовления пылевидного угля с улучшенными свойствами для его использования в топках электростанций, включающий диспергирование угля и его флегматизацию (см. патент Японии JP №09256014 А2, МПК: G 21 B 05/00; C 10 L 05/00; F 23 C 11/00 от 30 сентября 1997 г.).

К причинам препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного изобретения относится то, что в процессе его подготовки при смешении мелкодисперсного угля с водо- растворительным компаундом его механоактивационные свойства конечно ухудшаются существенно, а улучшение его "транспортировочных" свойств не столь значительно ввиду слипания и коагуляции смоченных частиц угля.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному решению по совокупности признаков является - способ получения мелкодисперсного угольного порошка для вдува в форсированную топку, включающий смешивание кускового угля с мелкодисперсным порошком кокса и дальнейший его помол (См. патент Японии JPN №10060508 А2, МПК: С 21 В 05/00 от 3 марта 1998 г.).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного изобретения, принятого за прототип, относится то, что в известном способе отсутствуют технологические приемы и режимные условия, обеспечивающие более полное сгорание угля с минимальными затратами на подготовку перед сжиганием и максимальной отдачей энергии в процессе сжигания. К тому же использование мелкодисперсного коксового порошка сильно усложняет технологию приготовления мелкодисперсного угольного порошка и конечно существенно увеличивает его стоимость.

Задачей изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков путем реализации нового способа сжигания угля.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении заявленного изобретения, заключающегося в получении нового способа сжигания угля с улучшенными технологическими и экологическими параметрами, включая минимальный выброс в атмосферу вредных для жизнедеятельности человека веществ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения по объекту-способу достигается известным способом сжигания угля, включая его диспергирование и впрыск в камеру сгорания. Особенность предлагаемого способа заключается в том, что в процессе диспергирования уголь дробят до размера частиц не более 20 мкм и одновременно активируют, преимущественно, с помощью механических мельниц, расположенных в непосредственной близости от камеры сгорания, при этом защиту частиц угля в момент механоактивации от воздействия внешней среды и последующий впрыск частиц в камеру сгорания осуществляют с помощью направленного потока газа.

Указанный технический результат достигается также тем, что распределение активированных частиц угля во впрыскиваемом двухфазном потоке регулируют за счет турбулизации и подкрутки направленного потока газа.

Указанный технический результат достигается также тем, что оптимальное значение аксиальной составляющей скорости впрыскиваемого двухфазного потока обеспечивают путем изменения давления в камере сгорания.

Указанный технический результат достигается также тем, что оптимальное значение тангенциальной составляющей скорости впрыскивания двухфазного потока обеспечивают путем изменения расхода газа, вдуваемого в механические мельницы.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа сжигания угля в топках тепловых электростанций не выявлено каких-либо аналогичных решений, касающихся диспергирования угля до размера частиц не более 20 мкм и одновременной их активации с помощью механических мельниц для ультратонкого помола, расположенных в непосредственной близости от камеры сгорания. Не выявлены также аналоги, касающиеся защиты и впрыска механоактивированного угля с помощью направленного потока газа и поддержания требуемой концентрации твердых частиц угля в двухфазном потоке за счет изменения градиента давления в направлении его движения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (адекватными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня аналога-прототипа, наиболее близкого по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для заявляемого объекта-способа, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, изобретение соответствует условию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня, заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и не вытекает из него логически, а требует дополнительных интеллектуальных затрат и изобретательности, и поэтому соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, состоят в следующем.

Уголь перед сжиганием в камере сгорания топки котла электростанции предварительно подготавливают путем дробления и подсушки одним из известных способов. Затем подготовленную угольную крошку загружают в раздаточный бункер, из которого ее распределяют (транспортируют) также известным способом, преимущественно, пневмотранспортом во все накопители механических мельниц для ультратонкого помола, расположенных, в свою очередь, в непосредственной близости от камеры сгорания (т.е. топки котла). При этом в механических мельницах для ультратонкого помола (см. например, патент РФ №2043156С1; МПК: В 02 С 17/08; от 10 сентября 1992 г.) могут быть установлены как устройства ввода-вывода угля, так и дополнительные устройства для ввода любых других компонентов одновременно, например ввода флегматизатора или защитного газа. В таких мельницах угольная крошка уже дробится до размера частиц не более 20 мкм и одновременно активируется. При этом с учетом использования эффекта академика Ребиндера П.А. затраты на такой помол угля могут быть существенно снижены, а его энергетические параметры улучшены. Такое диспергирование угля и образование дополнительных макротрещин в частицах угля сопровождается ростом внешней и внутренней поверхности и, как следствие, раскрытием ранее заблокированных пор и созданием новой пористости. Объемы микро- и переходных пор возрастают в несколько раз, т.е. имеют место кардинальное преобразование исходный пористой структуры. Следует отметить весьма значительное падение плотности (с 1,59 до 1,39 г/см³), свидетельствующее о разрыхлении структуры в результате разрыва химических связей и перестройки структуры микромолекулы угля. Глубина и характер изменений состава и свойств угля зависит от стадии его углефикации (метаморфизма), среды, вида и технологических параметров его измельчения. Так, например, при ультратонком помоле "Кузбасского угля по указанной выше технологии удельная поверхность возрастает с 15 до 200 м²/г. При механическом воздействии в вышеуказанных мельницах создаются локальные концентрации как механической, так и тепловой энергии, что приводит к разрыву химических связей в самих молекулах. При этом в молекулах угля наиболее вероятен отрыв боковых цепей с образованием свободных радикалов. Такой путь распада хорошо согласуется с теорией и четко идентифицируется методом электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР). В углях свободные радикалы возникают в результате разрыва С-С (углеродных) связей, неспаренный электрон при этом принадлежит как первому, так и второму углеродному атому. Именно образованием свободных радикалов, в том числе и макрорадикалов, объясняется высокая химическая активность угля после мелкодисперсного помола. Однако следует заметить, что механоактивированный уголь имеет склонность к мгновенному релаксированию, т.е. подвержен изменению своих свойств под воздействием внешней среды, поэтому его необходимо изолировать от нее и по возможности мгновенно вводить в камеру сгорания топки. Защиту от деградации и ввод механоактивированного угля в камеру сгорания целесообразно осуществлять при помощи газообразной среды, тем или иным способом смешиваемой с углем. При этом весьма важно, чтобы механоактивированный уголь был равномерно распределен во впрыскиваемом двухфазном потоке по сечению и не коагулировал в процессе транспортировки (впрыска) в камеру сгорания топки. С этой целью поток защитного газа предварительно турбулизируют и подкручивают, а требуемые скорости его движения (аксиальную и тангенциальную составляющие) обеспечивают путем изменения давления в камере сгорания и изменения расхода газа, вдуваемого в механические мельницы. При этом выбор вдуваемого газа для защиты и впрыска в камеру сгорания производят в зависимости от марки угля и режима его механоактивапии, т.к. при помоле в окислительной среде (например, в атомосфере воздуха) происходит резкое увеличение содержания первичных и вторичных спиртов, фенольных гидроксилов и СН-ароматических групп, в то время как при помоле в инертной среде (например, аргоне) происходит интенсивное образование карбопильных и ароматических групп. С энергетической точки зрения выбор газа также очень важен, т.к. необходимым условием для проявления Ребиндера эффекты (т.е. понижения затрат при помоле) является родство контактирующих фаз по химическому составу и строению. При этом концентрацию твердых частиц угля в двухфазном потоке в предлагаемом способе регулируют за счет изменения градиента давления вдоль направления движения двухфазного потока. Процесс турбулизации и подкрутки впрыскиваемого двухфазного потока осуществляют одним из известных способов. Например, путем тангенциального ввода дополнительного газа через щелевые подвижные элементы, расположенные в плоскости перпендикулярныой направлению движения многофазного потока (см. патент РФ №2174875, МПК: В 04 С 5/00, В 01 D 45/12 от 20 октября 2001 г.). Впрыск механоактивированного угля непосредственно сразу из механических мельниц в камеру сгорания не только сохраняет все параметры активации, но и позволяет обеспечить соответствующую безопасность в процессе эксплуатации, в том числе исключить случайный взрыв и воспламенение мелкодисперсного угля при хранении и транспортировке. При этом использование механоактивированного угля дает неоспоримые преимущества, а именно сокращает длину факела на 60%, удваивает скорость его горения, увеличивает количество тепла, передаваемого в камере сгорания излучением, сокращает отложения золы и шлака, уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу, легко поддается автоматизации и контролю, что, в конечном результате, приводит к снижению суммарных затрат в процессе эксплуатации и существенно улучшают экологическую ситуацию при его сжигании.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в камерах сгорания топок котлов тепловых электростанций и других системах, например, в установках по глубокой переработке каменного угля в другие виды топлива;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Мелкодисперсный помол и механоактивация угля позволяют осуществить наиболее полное его сжигание в гораздо меньшем топочном объеме, чем при традиционном сжигании угля обычного помола, с меньшим недожогом, большим КПД топки котла и более низким содержанием вредных примесей в отходящих газах.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способу сжигания угля в топках тепловых электростанций. Способ сжигания угля, включающий диспергирование и впрыск в камеру сгорания, при этом в процессе диспергирования уголь дробят до размера частиц не более 20 мкм и одновременно активируют, преимущественно, с помощью механических мельниц, располагаемых в непосредственной близости от камеры сгорания, при этом защиту частиц угля в момент механоактивации от воздействия внешней среды и последующий впрыск частиц в камеру сгорания осуществляют с помощью направленного потока. Распределение частиц угля во впрыскиваемом двухфазном потоке регулируют за счет турбулизации и подкрутки газа. Оптимальное значение аксиальной составляющей скорости впрыскивания двухфазного потока обеспечивают путем изменения давления в камере сгорания. Оптимальное значение тангенциальной составляющей скорости впрыскиваемого двухфазного потока обеспечивают путем изменения расхода газа, вдуваемого в механические мельницы. Изобретение обеспечивает улучшение технологических и экологических параметров при сжигании каменного угля в топках электростанций и снижение выброса вредных для жизнедеятельности человека веществ в атмосферу. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ сжигания угля, включающий диспергирование и впрыск в камеру сгорания, отличающийся тем, что в процессе диспергирования уголь дробят до размера частиц не более 20 мкм и одновременно активируют, преимущественно, с помощью механических мельниц, располагаемых в непосредственной близости от камеры сгорания, при этом защиту частиц угля в момент механоактивации от воздействия внешней среды и последующий впрыск частиц в камеру сгорания осуществляют с помощью направленного потока.2. Способ сжигания угля по п.1, отличающийся тем, что распределение частиц угля во впрыскиваемом двухфазном потоке регулируют за счет турбулизации и подкрутки газа.3. Способ сжигания угля по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что оптимальное значение аксиальной составляющей скорости впрыскивания двухфазного потока обеспечивают путем изменения давления в камере сгорания.4. Способ сжигания угля по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что оптимальное значение тангенциальной составляющей скорости впрыскиваемого двухфазного потока обеспечивают путем изменения расхода газа, вдуваемого в механические мельницы.