Способ воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива в установках для утилизации высоковлажных отходов с использованием низкотемпературной неравновесной плазмы и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК F23G7/00 F23Q13/00 

Изобретение относится к области термического обеззараживания и утилизации отходов, а именно к процессам воспламенения и стабилизации горения (подсветки) топлива в котлах утилизаторах работающих на водоугольном топливе (ВУТ) и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, связанных с термическим способом утилизации и обеззараживания высоковлажных отходов.

Предпосылка создания изобретения, аналоги изобретения

Использование водоугольного топлива приготовленного на основе жидких отходов производства и отходов углеобогащения позволяет существенно снизить выбросы вредных веществ и опасных микроорганизмов в биосферу, [1]. Использование водоугольного топлива приводит к существенному повышению КПД котлоагрегата и резкому снижению выбросов вредных веществ образующихся при горении (рассматриваются системы теплоснабжения коммунально-бытовых и сельскохозяйственных потребителей, системы обеззараживания и утилизации отходов мощностью до 5 МВт), [2].

Разработанный способ термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов, находящихся в различных агрегатных состояниях (патент РФ 2718563, опубл. 08.04.2020) позволяет в энергоагрегатах котельной проводить комплексное обеззараживание и утилизацию биологических отходов, в том числе и наиболее значимых по воздействию на биосферу – отходов, находящиеся в жидком агрегатном состоянии.

Одной из основных проблем сжигания водоугольного топлива и высоковлажненных (W>75%) отходов в котлоагрегатах небольшой мощности, выявленные при испытании данного способа утилизации в СФНЦА РАН, является необходимость в использовании инициирующего высокореакционного топлива (мазут, дизельное топливо) для стабилизации горения водоугольной суспензии, обусловленной падением температуры в топке при подаче топлива, что отрицательно влияет на процесс газификации топлива, затрудняя тем самым запуска котла и поддержание стабильного горения топлива на низких нагрузках.

Стандартный режим розжига котла работающего на водоугольном топливе следующий [2]: включаются тягодутьевые устройства, к предтопку котла (форкамере) подключается инициирующая горелка на жидком топливе (мазут, дизельное топливо) осуществляющая разогрев топки до 600…650 гр. Цельсия. По достижению указанной температуры подключается водоугольная горелка и обеспечивается совместный режим горения водоугольного и инициирующего топлив. При достижении температуры 850…900 гр. Цельсия инициирующую горелку отключают и переходят на режим использования водоугольного топлива. В случае использования низкокачественного топлива инициирующая горелка используется для постоянной подсветки факела.

Для розжига и подсветки факела используются дорогостоящее жидкое топливо. Использование котлагрегата, работающего на водоугольном топливе для термической утилизации высоковлажных отходов существенно увеличивает расход качественного жидкого топлива. В настоящее время для уменьшения затрат предлагается использовать вместо качественного топлива различные электротехнологические методы обеспечивающие стабилизацию горения факела, в частности электродуговой разряд.

Известен способ (патент РФ №2210700) где воспламенение пылеугольного факела осуществляется путем генерирования струи низкотемпературной плазмы в плазмотроне однополярного тока с заземленным электродом, подключенном к преобразователю, который дает пульсирующий или прерывистый ток основной дуги, преобразователь подключают к магистральной сети, в плазмотроне предварительно создают вспомогательную слаботочную дугу постоянного тока с ее электропитанием от отдельного источника. Струю плазмы переменной мощности подают в камеру термохимподготовки топлива горелки, в эту же камеру подают пылеугольную аэросмесь, а воспламененную в камере топливную смесь из горелки подают в топку котла. Недостатком данного метода является использование дуги постоянного тока требующее использования мощного силового оборудования оборудования (блок питания, выпрямитель), быстрый износ электродов и значительный расход электроэнергии при электродуговом разряде.

Известен способ (патент РФ №2498159 опубл. 10.11.2013, бюл. №3) сжигания пылеугольного топлива заключающейся в том, что его воспламенение производят электродуговым разрядом, стабилизируют и интенсифицируют горение факела, воздействуя на зону пламеобразования переменным электрическим током высокой частоты, образуя в зоне пламеобразования диффузный электрический разряд. Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, заключается в воспламенении, стабилизации и усилении процесса горения при меньших затратах электрической энергии. Недостатком данного метода является использование на стадии воспламенения электродугового разряда, с присущими данному способу недостатками (быстрый износ и коррозия электродов, высокий расход электроэнергии).

В настоящее время появились работы по теории горения, где обосновывается использование низкотемпературной (средняя температура электронов менее 10 эВ), слабоионизированной (степень ионизации n/N<<1, где n и N - плотности заряженных и нейтральных частиц), неравновесной (электроны в холодной плазме перегреты, примерно в 100 раз, по отношению к ионам, а также к атомам и молекулам плазмообразующего газа) плазмы как источника свободных радикалов, определяющих кинетику процессов горения. В плазмообразующем газе возникает интенсивное ультрафиолетовое излучение, а также физически активные частицы (метастабильные атомы и молекулы, радикалы, озон и другие реакционные соединения) и колебательно-возбужденных молекул азота способствующие горению топлива при сравнительно малых удельных энергозатратах [3]-[8].

Отработаны газоразрядные способы создания неравновесной плазмы в воздухе, в частности с использованием барьерного разряда (стримерный разряд переменного тока, в котором ток проводимости в межэлектродном промежутке обеспечивается током смещения через диэлектрический барьер). Для создания неравновесной плазмы внутри электродной системы к электродам прикладывается синусоидальное или импульсно-периодическое напряжение с частотой от 50 до 10⁵ Гц с амплитудой, как правило, до 10 кВ. При частоте переменного напряжения 50 Гц характерный уровень усредненной по времени и пространству удельной джоулевой мощности, выделяемой в межэлектродном промежутке барьерного разряда, составляет 1-3 Вт/см³. Средняя плотность мощности барьерного разряда (БР), приведенная к 1 см² поверхности электродов, невелика и соответствует 0,1-1 Вт/см². Малы также и типичные скорости прокачки обрабатываемого газа через щель барьерного разряда: V=0,1-1,0 м/с [3]. Существенным недостатком БР является его чувствительность к содержанию влаги в обрабатываемом потоке воздуха, что препятствует использованию БР для воспламенения и инициализации водоугольной суспензии высоковлажных отходов.

В отчете МФТИ [9] отмечается, что плазма дугового разряда является термически равновесной плазмой, в которой около половины всей энергии разряда уходит на нагрев газа, что в свою очередь приводит к существенной эрозии электродов. Более того, так как при дуговом разряде образуется лишь один плазменный канал, то энерговклад разряда в единицу объема существенно превышает необходимую энергию воспламенения топливно-воздушной смеси. Низкотемпературная плазма является неравновесной; при сравнительно низкой, практически комнатной, температуре ионов и молекул она имеет температуру электронов, сравнимую с температурой в дуговом разряде. Такие высокоэнергичные электроны, сталкиваясь с молекулами топлива и кислорода, образуют химически активные радикалы, которые приводят к возникновению и развитию цепных реакций горения.

Низкотемпературная неравновесная плазма имеет ряд преимуществ, включая низкую эрозию электродов за счет низкой температуры окружающего газа, увеличенный объем разряда за счет формирования многих разрядных каналов и относительно низкий (но достаточный для воспламенения) энерговклад в единицу объема. В работе обосновывается, что для ускорения воспламенения топливных смесей ниже порога самовоспламенения желательно организовать энерговклад в разных диапазонах приведенного электрического (электромагнитного) поля, чтобы добиться наработки не только атомов и радикалов, но и колебательно-возбужденных молекул азота. При этом в ускорении воспламенения может играть важную роль синергетический эффект, когда цепные реакции начинаются и продолжаются благодаря наработанным в разряде атомам и радикалам, а реакции обрыва цепей тормозятся из-за присутствия колебательно-возбужденных молекул азота, [7].

Известен способ растопки и поддержания стабильного горения в котлоагрегатах с применением водоугольного топлива (патент RU 2505748, опубл. 27.01.2014), принятый за прототип, в котором для поддержания горения на низких нагрузках подачу водоугольного топлива производят в разные места модуля подготовки топливной смеси, а именно в зону возле факела, образуемого высокотемпературным источником тепла, и в зону соединения указанного модуля с топкой, при этом в зону возле факела подают от 10 до 50% пропускного объема топливной линии, а в зону соединения модуля с топкой - от 0 до 100% пропускного объема топливной линии. Благодаря подаче ВУТ в малом объеме в область факела плазмотрона обеспечивается надежная газификация подаваемого топлива, все подаваемое топливо переходит в газовое состояние и начинает легко воспламеняться. Недостатком данного способа растопки и поддержания стабильного горения водоугольного топлива является использование электродугового разряда формируемого в плазмотроне, что приводит к существенным затратам электроэнергии в режиме стабилизации горения водоугольного топлива.

Целесообразно в нашем случае использовать не дуговой разряд, формирующий основной вклад в инфракрасной части спектра излучения, сопровождающийся большими затратами электроэнергии, а электроискровой разряд, формирующий низкотемпературную неравновесную плазму, обеспечивающую малую эрозию электродов, увеличенный объем разряда за счет формирования многих разрядных каналов и относительно низкий энерговклад в единицу объема путем генерации атомов, радикалов и колебательно-возбужденных молекул азота. При воспламенении топлива цепные реакции в данном случае начинаются и продолжаются благодаря наработанным в разряде атомам и радикалам, а реакции обрыва цепей тормозятся из-за присутствия колебательно-возбужденных молекул азота.

Техническим эффектом изобретения являются: повышение стабильности воспламенения и устойчивости горения водоугольного топлива при термической утилизации высоковлажных отходов.

Техническими результатами изобретения являются:

- снижение энергозатрат на воспламенение и стабилизацию горения водоугольного топлива в котлоагрегате, работающем в режиме утилизации отходов, путем использования низкотемпературной неравновесной плазмы для воспламенение пылеугольного топлива и стабилизацию горения водугольного топлива в топке котла;

- уменьшение износа электродов за счет использования электроискрового разряда на электродах специальной формы вместо электродугового разряда.

Указанные эффекты достигаются тем что, согласно изобретению, пылеугольное топливо от мельницы поступает первоначально в блок приготовления пылеугольной аэросмеси (ПУА) и системой транспортировки пылеугольной аэросмеси подается в электроискровую газоразрядную камеру. Поступающее в электроискровую камеру ПУА воспламеняется при электроискровом разряде. Режим горения поддерживается за счет образования низкотемпературной плазмы в электроискровом промежутке. Использование низкотемпературной плазмы обеспечивает малую эрозию электродов за счет низкой температуры окружающего газа, дугообразной формы электродов, увеличенного объема разряда за счет формирования многих разрядных каналов и относительно низкого энерговклада в единицу объема путем генерации атомов, радикалов и колебательно-возбужденных молекул азота. При воспламенении топлива цепные реакции в данном случае начинаются и продолжаются благодаря наработанным в разряде атомам и радикалам, а реакции обрыва цепей тормозятся из-за присутствия колебательно-возбужденных молекул азота. Продукты горения, образующиеся в электроискровой камере поступают в форкамеру и, далее, в топочное пространство, обеспечивая требуемую температуру в топке котлоагрегата для воспламенения и стабилизации горения водугольного топлива и отходов.

При переходе на рабочий режим основная часть пылеугольного топлива (до 80…90% по весу) идет на приготовление водоугольного топлива и последующего сжигания в топке котла (после достижения температуры 850…900°С). Оставшаяся доля топлива (от 10 до 20%) продолжает поступать в электроискровую камеру, обеспечивая необходимую подсветку факела горения водоугольного топлива и поступающих отходов, стабилизируя процесс горения.

Блок-схема предлагаемого способа воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива в установках для утилизации высоковлажных отходов, представлена на рисунке (фиг. 1).

Реализуется следующая последовательность выполнения операций:

При запуске пылеугольное топливо от мельницы (1) поступает на блок распределения и регулирования потоков пылеугольного топлива (2), направляющий поток пылеугольного топлива в блок приготовления пылеугольной аэросмеси (3) и транспортирования посредством блока транспортировки пылеугольной аэросмеси (4) с использованием сжатого воздуха компрессора (11), в газоразрядную электроискровую камеру (5) подключенную к высоковольтному блоку питания (6).

Система электродов электроискровой газоразрядной выполнена многофазной, по числу фаз питающей электрической сети, а электроискровой разряд осуществляется на нескольких группах электродов, причем каждая группа которых состоит из фазного и нулевого электродов, подключенным к разным фазам переменного электрического тока частотой 20 кГц. Электроды выполнены дугообразной формы (Фиг. 2) с переменным по ходу дуги расстоянием между фазным и нулевым электродами обеспечивающим возникновение нескольких разрядов из различных точек электрода, сводя износ электродов к минимуму.

Минимальный промежуток между фазным и нулевым электродом составляет 4 мм при напряжении питания источника высокого напряжения на холостом ходу 12 кВ. Расчетная приведенная напряженность электрического поля в искровом промежутке на электродах дугообразной формы составляет величину 25-100 Тд. При указанных конфигурации электродов, их геометрических размерах и указанных значениях напряженности электрического поля, формируется электроискровой разряд, создающий множество плазменных каналов генерирующих низкотемпературную неравновесную плазму, обеспечивающий воспламенение пылеугольной аэросмеси при температуре окружающего воздуха. В эксперименте воспламенение пылеугольной аэросмеси происходило без предварительной термохимической подготовки топлива при температуре пылеугольной аэросмеси 2-10°С. Возможный вариант объяснения полученного эффекта: высокоэнергетичные электроны, образующиеся при электроискровом разряде, при указанных значениях напряженности электрического поля и заданной геометрии электродов, сталкиваясь с молекулами топлива и кислорода, образуют химически активные радикалы, которые приводят к возникновению и развитию цепных реакций горения. Низкотемпературная неравновесная плазма имеет увеличенный объем разряда за счет формирования многих разрядных каналов и относительно низкий энерговклад в единицу объема, обеспечивая надежное воспламенение пылеугольной аэросмеси при небольших затратах энергии по сравнению с дуговым разрядом. Указанный диапазон значений приведенного электрического поля, обеспечивает наработки не только атомов и радикалов, но и колебательно-возбужденных молекул азота, обеспечивающих торможение реакции обрыва цепных реакций горения

При достижении температуры в топке котла 800-850°С система переходит из пускового в рабочий режим. Блок распределения и регулирования потоков пылеугольного топлива (2) переключается на рабочий режим - 10…20% пылеугольного топлива (ПУТ) подается в газоразрядную электроискровую камеру для поджига и стабилизации горения инициализирующего топлива, а 80…90% ПУТ поступает в блок приготовления водоугольного топлива (7), где в качестве водного компонента ВУТ используется жидкая часть отходов, поступающая из узла подачи жидких отходов (14). Дальнейшая транспортировка осуществляется с использованием блока транспортировки водоугольного топлива (8), на водоугольную горелку (9), премыкающую к предтопку (10) вихревой адиабатической топки (12), формирующей, с использованием воздуха поступающего от компрессора (11), пылеугольный факел.

Стабилизация горения факела осуществляется за счет высокой температуры в вихревой адиабатической топке и дополнительной подсветки продуктами горения, поступающими из газоразрядной электроискровой камеры (5).

Разделение пылеугольного топлива на два потока позволяет получить водоугольное топливо для сжигания высоковлажных отходов и пылеугольное топливо для воспламенения и стабилизацию горения водоугольного топлива в топке котлоагрегата. Исключается использование для розжига и подсветки качественного (жидкого) топлива либо дугового электрического разряда, что обеспечивает снижение затрат на розжиг и стабилизацию горения топлива. Замена электродугового электрического разряда на электроискровой разряд обеспечивает снижение расхода электроэнергии и износа электродов. Воспламенение и горение пылеугольного топлива осуществляется путем генерации при электроискровом разряде низкотемпературной неравновесной плазмы, сопровождающейся выработки свободных радикалов, и обеспечивающих воспламенение пылеугольного топлива без предварительной термохимической подготовки топлива. Горение пылеугольной аэросмеси в электроискровой газоразрядной камере на экспериментальном стенде показано на фиг. 3- 4.

Использованные источники

1. Патент 2718563 Российская Федерация,) МПК F23G 5/02 (2006.01);

Способ термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов, находящихся в различных агрегатных состояниях / Делягин В.Н.; заявитель и патентообладатель Сибирский федеральный центр агробиотехнологий РАН, заявл. 28.09.19; опубл. 08.04.20, Бюл. №10.

2. Делягин В.Н., Мурко В.И., Иванов Н.М., Ревякин Е.Л. Использование водоугольного топлива в энергообеспечении АПК. М.: ФГБНУ «Росинформагротех»,2013. - 92 с.

3. Акишев Ю.С. Низкотемпературная плазма при атмосферном давлении и ее возможности для приложений. Изв. вузов. Химия и хим. 60-технология. 2019. Т. 62. Вып. 8. С. 26 For citation: Akishev Yu.S. Nonthermal plasma at atmospheric pressure and its opportunities for applications. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. 60-Khim. Khim. Tekhnol. 2019. V. 62. N 8. P. 26.

4. М.Ф. Жуков, Е.И. Карпенко, В.С. Перегудов и др. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. - 304 с. Низкотемпературная плазма. Т. 16, с. 102-178, см. Приложение №1.

5. Non-equilibrium air plasmas at atmospheric pressureio Edio by K.H. Becker, U. Kogelschatz, K.H. Schoenbach, R.J. Barker. Institute of Physics Publishing. 2005. 682 p.

6. Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. Ed. by B.M. Renetrante, S.E. Schultheis. Berlin Heidellerg: Springer-Verlag. 1993. NATO ASI Series. Ser. G: Ecolog. Sci. V. 34. Parts A and B.

7. Fridman A., Kennedy L.A. Plasma Physics and Engineering. New York, London: Taylor & Francis. 2004. 853 p.

8. Andrzej G., Dors M., Grosch H., Holub M., Pawelec A., Brandenburg R., Barankova H., Bardos L., Jogi I., Laan M., Mizeraczyk J., Stamate E. Plasma-Based Depollution of Exhausts: Principles, State of the Art and Future Prospects. Open Access Books. Published: 23 August 2011 by InTech in Monitoring, Control and Effects of Air Pollution. DOI: 10.5772/20351.

9. Отчет о научно-исследовательской работе Плазменно-стимулированное горение сверхбедных топливно-воздушных смесей для увеличения эффективности энергетических устройств шифр: 2011-1.9-519-008-064.

Изобретение относится к области термического обеззараживания и утилизации отходов, а именно к процессам воспламенения и стабилизации горения топлива в котлах-утилизаторах, работающих на водоугольном топливе (ВУТ) в режиме утилизации отходов производства. Способ воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива в установках для утилизации высоковлажных отходов с использованием низкотемпературной неравновесной плазмы, отличающийся тем, что в пусковом режиме пылеугольное топливо в виде пылеугольной аэросмеси подается в газоразрядную электроискровую камеру, примыкающую под углом к предтопку, при этом воспламенение пылеугольной аэросмеси осуществляется с помощью электроискрового разряда переменного тока, генерирующего низкотемпературную неравновесную плазму, а воспламененная пылеугольная аэросмесь из газоразрядной камеры подается в предтопок и далее в вихревую адиабатическую топку, где осуществляется ее прогрев до температуры 860-900°С, подача пылеугольного топлива в рабочем режиме осуществляется двумя потоками - основой поступает в блок приготовления водоугольного топлива с последующей подачей топлива на водоугольную горелку, расположенную соосно с предтопком, вспомогательный - в виде пылеугольной аэросмеси подается в газоразрядную электроискровую камеру, а воспламененная пылеугольная аэросмесь из газоразрядной электроискровой камеры подается в предтопок, далее в вихревую адиабатическую топку, где осуществляется стабилизация горения водоугольного факела. Технический результат - снижение энергозатрат на воспламенение и стабилизацию горения ВУТ в котлоагрегате, работающем в режиме утилизации отходов, уменьшение износа электродов за счет использования электроискрового разряда взамен электродугового разряда при воспламенении и горении пылеугольного топлива в газоразрядной электроискровой камере. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива в установках для утилизации высоковлажных отходов с использованием низкотемпературной неравновесной плазмы, отличающийся тем, что в пусковом режиме пылеугольное топливо в виде пылеугольной аэросмеси подается в газоразрядную электроискровую камеру, примыкающую под углом к предтопку, при этом воспламенение пылеугольной аэросмеси осуществляется с помощью электроискрового разряда переменного тока, генерирующего низкотемпературную неравновесную плазму, а воспламененная пылеугольная аэросмесь из газоразрядной камеры подается в предтопок и далее в вихревую адиабатическую топку, где осуществляется ее прогрев до температуры 860-900°С, подача пылеугольного топлива в рабочем режиме осуществляется двумя потоками - основой поступает в блок приготовления водоугольного топлива с последующей подачей топлива на водоугольную горелку, расположенную соосно с предтопком, вспомогательный - в виде пылеугольной аэросмеси подается в газоразрядную электроискровую камеру, а воспламененная пылеугольная аэросмесь из газоразрядной электроискровой камеры подается в предтопок, далее в вихревую адиабатическую топку, где осуществляется стабилизация горения водоугольного факела.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пылеугольная аэросмесь подается в газоразрядную электроискровую камеру без предварительной термохимической подготовки.

3. Устройство воспламенения и стабилизации горения водоугольного факела в вихревой адиабатической топке с использованием низкотемпературной неравновесной плазмы, включающее устройство для помола угля, блок транспортировки водоугольного топлива, компрессор, предтопок, горелку, блок приготовления водоугольного топлива, узел подачи жидких отходов, блок приготовления пылеугольной аэросмеси, блок транспортировки пылеугольной аэросмеси в газоразрядную электроискровую камеру, блок питания, газоразрядную электроискровую камеру с системой электродов, сопряженную с предтопком, отличающееся тем, что устройство для переключения с пускового режима на рабочий содержит блок распределения и регулирования потоков пылеугольного топлива между блоком приготовления водоугольного топлива и блоком приготовления пылеугольной аэросмеси.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что система электродов электроискровой газоразрядной камеры выполнена многофазной по числу фаз питающей электрической сети, и электроискровой разряд осуществляется на нескольких группах электродов, причем каждая группа которых состоит из фазного и нулевого электродов, подключенных к разным фазам переменного электрического тока частотой 20 кГц.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что электроды электроискровой газоразрядной камеры выполнены дугообразной формы с переменным по ходу дуг расстоянием между фазным и нулевым электродами.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что электроды электроискровой газоразрядной камеры ориентированы параллельно потоку пылеугольной аэросмеси.

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что угол примыкания электроискровой газоразрядной камеры к предтопку составляет 15…20 градусов.

8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что минимальный промежуток между фазным и нулевым электродами составляет 4 мм при напряжении питания источника высокого напряжения на холостом ходу 12 кВ.