Патент в России - нуль в нуле

Так нахрена заботы мне?
Пока нам нефть милее ржи
Патентом жопочку протри...
----  -----

Выйти

способ сжигания угля Пащенко new.doc
МПК C10L9/00

Способ сжигания пылевых угольных частиц



Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к технологии сжигания углеводородных топлив, в том числе низкого качества.

Одной из основных проблем работы больших котлов на пылеугольном топливе является накопление шлаковых осадков на стенках котлов. Особенно эта проблема обостряется при переходе работы котла на новый тип топлива, на который изначально данный котел не рассчитывался. Такой подход к использованию топлива другого типа, зачастую с худшими характеристиками, наблюдается повсеместно во всем мире. Причины такого подхода могут быть как экономические, так и истощение запасов качественного легкодоступного вида угольного топлива.

Отложения на стенках можно разделить на мягкие и твердые. Твёрдые - трудно отделимые от стенок обычными методами, выдерживают большие ударные нагрузки и имеют большую намагниченность. Микрозондовый анализ шлаковых отложений на стенках котлов показывает наличие значительной доли магнитных частиц в жестких, твердых (не рыхлого типа) отложениях, которые закрепляются на стенках котлов. Выяснено, что это смесь, состоящая в основном из окислов железа, типа магнетит. Через какое-то время требуется полная остановка котла для очистки стенок котлов от этих отложений.

Проведенный анализ литературы по магнитным частицам в котлах показал, что в таких частицах увеличивается доля окислов железа в десятки раз
Магнитные частицы образуются при горении угольной пылевой частицы в высокотемпературных факелах больших котлов за счет раннего выброса из такой частицы летучих, с выносом частиц с содержанием железа из тела матрицы угля. Окисление железа происходит уже в оболочке горения вокруг такой частицы в зоне поступления внешнего окислителя – кислорода. При этом частицы магнитного железа имеют малый размер (менее 1 мкм), поэтому при притяжении к формирующемуся осадку на стенах котла, они упрочняют его до бетонного состояния.

Чтобы уменьшить осаждение частиц на стену, необходимо увеличить агрегаты, в которые собираются магнитные частицы. Именно за счет магнитного дипольного взаимодействия. Тогда эти агрегаты начинают седиментировать (осаждаться) вниз, на стенках не забивают поры осадка (как мелкие частицы), в результате чего осадок на стенке должен становиться рыхлым и опадать вниз, в бункер котла. Осаждение частиц, взвешенных в горячих газах, на холодных стенках котлов и теплообменников является нежелательным. Образующийся слой обладает низкой теплопроводностью, что приводит к ухудшению теплотехнических характеристик аппаратов. Плотность осадка на стенке котла во многом зависит от того, как новые частицы встраиваются в этот осадок.

Из физики аэрозолей известно, что процесс осаждения частиц на более холодную поверхность из более горячего газа идет очень эффективно по термофоретическому механизму.

Термофоретическая сила (она слабо зависит от размера частиц в области размеров до 5-10 мкм) подгоняет частицы из потока в котле (диаметром более 1-6 метров, современные котлы имеют большие размеры, что важно для оценки сколько частиц достигнет стенки котла, сколько упадет вниз или поднимется вверх на следующие повороты в котле, параметры котла ТЭЦ-5 http://scbist.com/scb/uploaded/kotly/4-parovye-kotly.htm) к поверхности стенки. И уже на расстоянии в несколько миллиметров и менее вступает в силу магнитное притяжение между железо- содержащими частицами, уплотняя осадок.

С ростом толщины осадка на трубах охлаждения (300 °С температуры воды внутри этих труб, но в факеле котла в центре 1200-1600 °С) осадок (отложение) начинает прогреваться до 800 °С и выше. Он начинает спекаться, уплотняться и очень плотно облегать трубы охлаждения. Что заставляет останавливать котел и сбивать осадок вручную спецмолотками. В областях, в которых происходит максимальный рост котловых отложений на стенках (верхняя треть котла для Новосибирской ТЭЦ-5, например), температура газа составляет около 1600 °С.

Прогревание осадка приводит к спеканию относительно легкоплавких частиц с окислами железа (и кальция, для бурого угля, например) и формированию очень твердого жесткого осадка.

Наш анализ (численный и исследование образцов) показал, что необходимо учитывать еще и силы седиментации, и структуру (фрактальность) частиц аэрозолей [Атмосферный и техногенный аэрозоль: кинетические, электронно-зондовые и численные методы исследования, Том 1 С. Э. Пащенко, К. К. Сабельфельд; патент RU 2282742].

В тех условиях, когда магнитные силы не являются определяющими, осадки на котлах являются рыхлыми. И опадают вниз сами в режиме работы котла без его остановки. Для этого внизу котла есть холодные поддоны с нужным углом наклона, по которым и скатывается такой рыхлый осадок во внешний отвалоприемник.


Наиболее близким аналогом является техническое решение, описанное в заявке RU2018138807 от 02.11.2018, в котором на уголь перед помолом наносят модифицированное жидкое стекло (МЖС), обладающее высоким коэффициентом смачивания поверхности угольной пыли, образующейся в процессе размола угля.

МЖС заполняет трещины (щели) в угольных частицах образующиеся в процессе размола, далее при нагреве такой частицы в факеле на начальном этапе прогрева МЖС в трещине превращается в высокотемпературный гель окиси кремния, и препятствует выбросу летучих.

Модификаторами в жидком стекле могут служить поверхностно – активные вещества (ПАВ) Можно использовать, например, стеарат натрия C17H35COONa  - этот компонент дешёв и нетоксичен.

Но указанное техническое решение направлено на обеспечение при его использовании эффективного сжигания пылеугольного топлива с образованием экологически более чистого высокотемпературного факела с уменьшением выбросов окислов азота, а также уменьшение пылеобразования, взрывоопасности.


Задачей изобретения является разработка способа сжигания угля, позволяющего минимизировать или ликвидировать образование твердых магнитных отложений на стенках котлов, уменьшить время простоя котлов под очисткой, избежать повреждений стенок трубок при грубой механической очистке, позволить расширить ассортимент углей, которые имеют большой шлакующий коэффициент (но дешевы).

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение зашлакованности котлов.

Данная методика позволит при правильной эксплуатации увеличить падение отложений в нижний бункер с 5-7% для ТЭЦ-5 сегодня на буром угле, до 60-70%. Что резко уменьшает нагрузку на электрофильтры и выброс в трубу ТЭЦ-5 в атмосферу.

Для решения задачи необходимо преобразовать частицы зольного осадка на стенках котлов и в выбросах из котлов перед электрическими фильтрами в оптимальные по размерам структуре, твердости и фрактальности. Для решения задачи необходимо научиться управлять свойствами дисперсной фазы (аэрозолей минерального остатка) в объеме котла (размер и фрактальность, рыхлость) для минимизации скоростей зарастания стенок. Физически это достигается за счет ускорения в десятки раз процессов коагуляции зольных аэрозолей.

Таким образом, необходимо:

- изменить режимы горения одиночных пылевых частиц; вследствие наличия на их поверхности дополнительных магнитных частиц, которые при нагреве пылевой угольной частицы блокируют процесс раскрытия первичных щелей (как в прототипе), но еще и дополнительно перехватывают при последующем открытие щелей частицы окислов железа уже из матрицы угля. Эти частицы всегда образуются, но введенная добавка должна ускорить их коагуляцию над поверхностью горящей частицы, увеличить их размер, изменить форму. Что, как выше было уже сказано, приводит к образованию фрактальных частиц и к рыхлому осадку на стенках котлов. Который потом опадает вниз в бункер.

- увеличить размер пылевых частиц для более эффективной их седиментации в холодный и горячий золоотборники;

- увеличить эффективность зарядки частиц в электрофильтрах для повышения эффективности электрофильтров; когда мы увеличиваем фрактальный размер частиц, электронная диффузионная зарядка в электрофильтре будет эффективной, а значит степень очистки будет оставаться высокой.

- за

(про магнитную сепарацию развить мысль надо, либо убрать - магнитные частицы и так есть, что дает дополнительный ввод окисла железа и образование магнитных частиц большего размера – большую управляемость магнитными сепараторами? )


При размоле на первоначальный кусок угля размером менее нескольких сантиметров происходит многократное мощное воздействие поверхностями размола. Известно, что при таких нагрузках уголь проходит через процесс резкого образования щелей (например, зарождающихся в дислокационном росте). Которые в свою очередь порождают выброс мелких частиц угля (от нанометров до 1-2 мкм).

Соединения железа в угле переходят в газовую фазу (они гораздо более летучие, чем окислы кремния и алюминия - основных компонентов зольного осадка угля).

На режиме помола угля в молотковых мельницах вводятся окислы железа и гидроокислы (ржавчина), как в виде суспензии (распыл мокрый), так и в виде сухого порошкового распыла (ферродобавки железа (III-II) вводятся в бункер перед размолом в виде сухого порошка высокодисперсного аэрозоля через сухую воздушную форсунку).

Как показывают наши модельные исследования, окислы железа в процессе помола концентрируются в области свежих активационных щелей. И когда пылевая частица с такой модифицированной поверхностью достигает начала факела (размер фракции порядка 100 мкм), начинается прогрев ее поверхности. При нагревании частицы в основании факела котла переходят в 5-15 нм ферромагнитные частицы (обменный интеграл в режиме супермагнетизма, малые частицы превращается в один домен, в котором все спины молекулы окисла железа направлены в одном направлении, что приводит к сильному магнитному полю, а значит и к сильному захвату другой такой частицей. Если частицы будут изначально большими - более 50 - 100 нм, внутри них возникнут несколько доменов, которые будут гасить общее магнитное поле из-за их случайной направленности в пространстве. Это плохо для нашей задачи, таким образом, задаются требования к размерам вводимых частиц окислов железа в молотковую мельницу), что резко увеличивает силу притяжения таких частиц и ведет к возрастанию процессов их коагуляции в зоне горения каждой угольной частицы.

Приблизительно по такому механизму в котлах образуются микросферы, имеющие много полезных свойств. Однако выход микросфер не высок.

В результате такой коагуляции магнитных доменных (однодоменных) частиц происходит не только быстрая коагуляция, но и зацепление магнитов север – юг полярностями. Это приводит к формированию цепочек, на 5-6 шаге замыкающихся в многогранники (5-6-7 сторон, плоские). Такая структура чрезвычайно рыхлая сама по себе. При этом её основой является магнетит, точка Кюри которого достаточно высока, чтобы провести процесс коагуляции вблизи поверхности горения пылевой 100 мкм частицы.

Это небольшие 3-6 нм частицы магнетита настолько пористы, что легко по механизму фрактального фильтра (патент SU 1503402 этот патент? причем тут тогда Жужгов? Пащенко Костюченко, у Жужгова) захватывают основную массу частиц окислов кремния и алюминия, вылетающих из частицы на стадии (например) коксового горения.

Такой осадок виден в виде рыхлых серо-желтых отложений. Он легко опадает со стенок (как говорилось выше).

Исследованы образцы, отобранные на ТЭЦ-5 при работе на буром угле –упавшие отложения, уголь до помола, уголь после помола, зола уловленная электрофильтрами частиц, Определены их магнитные свойства, СВЧ отклик, твердость осадков.

Проведены модельные эксперименты с молотым бурым углем от ТЭЦ-5 – обоснованы режимы нанесения окислов и гидроокислов железа в модельных шаровых мельницах.

Наблюдение и определение процесса задержки воспламенения угольной частицы (выброс летучих) за счёт модификации поверхности горения различным добавками проводилось с использованием плазмотрона для поджига первичных частиц размером около 50 мкм и лазерной подсветки для высокодисперсных аэрозолей.

Белые линии – траектории гетерогенного горения коксового осадка. Оранжевые – выброс летучих при перегреве угольной частицы. Соотношение длин естьвремя процессов.

При скоростной съемке делалось покадровое определение скорости самой частицы.

По такой же методике со строб-вспышкой исследовались эти процессы при обычном поджиге частиц в факеле метановой горелки. Для одиночной частицы и для ансамбля (облака) пылевых частиц угля.

Можно ли добавить слов, чуть более подробно, о методике поджига, наблюдения и определения процесса задержки? фото в патент не пришьешь.


Таблица 1 Средние характеристики воспламенения частиц угольной пыли с покрытием железом и без (бурый уголь – помол ТЭЦ-5 в молотковой мельнице).


Размеры частиц средние

мкм

Время выделения летучих среднее (мс)

Время задержки выделения летучих среднее

(мс)

Частицы угля с

железным покрытием

120

60

20

90

45

15

40

40

10


Простые частицы угля


120

120-150

> 50

90

90-110

> 35


Пример 1 - ввод сухого порошка.

Был приготовлен порошок окиси железа из раствора трехвалентного железа. Высушен при 50 °С в течении 40 часов. При этом несколько образцов сушились в магнитном поле, величиной около 500 Э (4000 А/м), что приблизительно в 100 раз сильнее среднего поля Земли. Порошки были высокодисперсными, размер частиц менее 0.1 мкм, так как изготовлялись в растворе методом пробулькивания внешнего окислителя.

Сухой ввод осуществлялся в малой шаровой мельнице одновременно с измельчением первичного бурого угля (Бородинский разрез, ТЭЦ-5, сентябрь 2018 года).

После этого уголь с нанесенным порошком использовался в стандартных тестах сжигания, как описано выше и в основном прототипе. Соотношение угля и сухого порошка окислов (гидроокислов) железа изменялось в широком диапазоне отношений (100 к 1, 100 к 0.1 и 100 к 0.01). Однородность нанесения контролировалось сжиганием в модельной горелке и отслеживанием интенсивности желто-бурого облака свечения вдоль траекторий зажигания и горения угольных пылевых частиц.


Пример 2 - ввод в виде суспензии.

Ввод в виде суспензии отличался тем, что растворы окислов железа не высушивались, а только частично седиментационно обогащались за счет слива верхней части растворов после выключения продува (до 90-95% от начальной концентрации).

Оставшаяся часть наносилось через пульверизатор непосредственно на уголь до помола (или после помола на уже молотый). Основное требование – однородность нанесения, что достигалось перемешивание угля под струёй распыла. Концентрации менялись в диапазоне, как в примере 1 выше.

Испытание покрытий проводилось методом модельного сжигания в модельных горелках. Метод суспензий более капризный по параметрам подготовки образцов угля с железистыми соединениями, хотя и более быстрый, вследствие отсутствия долгого процесса сушки образцов.


Пример 3 - ввод с жидким стеклом.

Этот метод базируется во многом на технологиях и методах, описанных нами в прототипе. Основное действие – это ввод в раствор с окислами и гидроокислами железа малой доли жидкого стекла обычного типа. Ввод осуществляется в пропорциях, указанных выше. После интенсивного пробулькивания окислителем не менее 30 минут (полное перемешивание 10 кратное) можно или сушить раствор, или готовить суспензию, как было описано выше. Нанесение на частицы угля не отличаются тоже от описанных выше, однако необходимо следить, чтобы температура веществ не превышала 60-70 °С. Это необходимо для того, чтобы избежать преждевременного образование окислов кремния при высыхании жидкого стекла до полного помола или полного перемешивания угля в процессе углеподготовки.


Из примеров не ясно, уменьшится ли зашлакованность. Добились только ряда поставленных целей – управления режимом горения частиц. Увеличились ли размеры пылевых частиц?



Определены требования к приготовлению вводных железа, включая принудительную доменную намагниченности и перевод в структуру магнетита в высокодисперсной суспензии с минимизированием содержания водной среды. (убрать?)


Как показали наши исследования и литературный обзор, оптимально получить намагниченные окислы железа за счет быстрого окисления железо с продувом мелкодисперсных пузырьков воздуха. Осадок выпадает на дно, скорость приготовления составляет не менее 40-50 грамм на литр раствора и железа. Вода сливается, выпавшие окислы железа пропускаются через фильтр и сушатся на нем же. Дополнительно фильтр помещается в магнитное постоянное поле и может нагреваться до 60-80 °С.

После этого порошок готов к сухому распылу для покрытия угля перед молотковыми мельницами.






Формула изобретения


Способ подготовки пылеугольного топлива для сжигания, включающий сушку и дробление сырого угля, отличающийся тем, что на этот уголь перед дроблением наносят окислы и гидроокислы железа в виде суспензии или сухого порошкового распыла, при этом концентрация нанесенных магнитного окисла и гидроокисла железа (в обоих случаях) должна быть не более 0.4 % от массы угля,


, причем степень покрытия пленкой поверхности частицы угля после дробления должна составлять от 10% до 50%. от общей поверхности этой частицы.


Способ по п.1, отличающийся тем, что на уголь наносят окислы железа и гидроокислы железа перед дроблением в виде суспензии с содержанием окислов железа от 10 до 50%,



Способ по п.1, отличающийся тем, что на уголь наносят окислы и гидроокислы железа в виде сухого порошкового распыла на выходе молотковой мельницы. (здесь тоже 10-50% ?)


Способ по п.1, отличающийся тем, что на уголь перед дроблением наносят окислы и гидроокислы железа вместе с модифицированным жидким стеклом в доле 95% к 5%, с тем чтобы при дроблении на новых частицах это доля смесевого раствора не превышала 10-20%





в доле не более 10-20% раствора жидкого модифицированного стекла.

Способ, отличающийся тем, что эти частицы приготовляют с добавлением жидкого стекла (не более 5%) , в обоих случаях нанесения на уголь в молотковых мельницах


Способ по п.1, отличающийся тем, что окислы и гидроокислы железа перед нанесением на уголь прогревают до фазы появления магнетита.

Это только для сухого распыла так понимаю?


Способ по п. 1 отличающийся тем, что окислы и гидроокислы железа перед нанесением на уголь прогревают в магнитном поле до возникновения намагниченности всех частиц магнетита.


Это только для сухого распыла так понимаю?


Способ по п. 2, отличающийся тем, что суспензию окислов и гидроокислов железа на стадии прогрева интенсивно насыщают кислородом (пробулькивание) что приводит к фазовому переходу в магнитные состояния (магнетит и другие) при более низких температурах и намного быстрее.




В примерах не указаны диапазоны (%), формула основывается на описании, нужно добавить сведений в примерах.