Водоугольная электростанция

Авторы патента:

F23K1/02 - смешивание твердого топлива с жидкостью, например приготовление суспензий

Владельцы патента RU 2525035:

Шеленин Андрей Валерьевич (RU)

Изобретение относится к средствам генерации тепловой и электрической энергий. В водоугольном топливе нанопорошок угля смешивается с водой в необходимом стехиометрическом соотношении, пневмофорсунка подает топливо в реакционный канал, при входе в который «язык» плазмогенератора полностью разлагает воду на кислород и водород, частично разлагает зольные продукты угля на кислород и соответствующие элементы, далее образуются метан и углекислый газ, плазмогенератор отключается, т.к. тепловыделение этих реакций превышает тепло разложения воды и зольных продуктов. После зоны образования метана в реактивный канал вводится воздух в необходимом количестве и метан, окисляясь, выделяет дополнительное тепло. Реакционный канал имеет вначале форму расширяющейся трубы, которая в правой части переходит в приемный канал, выполненный в форме «подковы», левая часть которой с помощью фильтра служит также сборником остатков горения зольных продуктов угля, а правая часть служит сборником угольной кислоты. Реакционный и приемный каналы охватываются трубами большего диаметра и в зазор между трубами подается теплоноситель, предпочтительно вода. После прохождения реакционного канала, теплоноситель подается в тепловой контур (теплообменник, турбина, холодильник, водоподготовка, насос). Электрогенератор вырабатывает электроэнергию. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования тепла реакций в электрическую энергию. 1 ил.

Изобретение относится к средствам генерации тепловой и электрической энергий.

Известно устройство для подготовки водоугольного горючего с применением в качестве наполнителя угля ультрадисперсного помола (US 8177867, опубл. 15.05.2012). Недостатком этого устройства является значительное содержание крупных микрочастиц углерода, замедляющих при сжигании горючего скорость реакции окисления. Известны устройства для подачи водоугольного топлива в зону горения при помощи пневмофорсунок (US 5163385, опубл. 17.11.1992, US 5513583, опубл. 05.07.1996). Недостатком этих устройств является отсутствие синхронизации подачи топлива со скоростями реакций окисления. Известны устройства для разложения водной части топлива на кислород и водород с помощью электродугового разряда (RU 2334914, опубл. 27.09.2008) или с помощью «языка» плазмогенератора (US 7281478, опубл. 16.10.2007). Недостатком этих устройств является отсутствие синхронизации мощности электрической дуги или «языка» плазмогенератора со скоростью подачи топлива в зону горения. Известно устройство синтеза метана при взаимодействии водяного пара с поверхностью угля (RU 2217477, опубл. 27.11.2003). Недостатком данного устройства является неиспользование тепловой энергии образования метана для практических целей. Известно устройство для сжигания водоугольного топлива, содержащее футерованную камеру сгорания цилиндрической формы, экранированную кипятильными трубами, форсунки для подачи топлива, золосборник для минеральной части угля (RU 2389948, опубл. 20.05.2010). Недостатком данного устройства является неравномерность температурных полей внутри камеры сгорания.

Наиболее близким аналогом является водоугольная электростанция, использующая тепловую обработку распыленной струи водоугольного топлива в форкамере у корня струи потоком термической плазмы, генерируемой электродуговым нагревателем газа, в предварительно разогретой потоком плазмы до 500-750°C форкамере, (RU 2145038, опубл. 27.01.2000). Недостатком данного устройства является неполное использование основных «агентов» тепловыделения: углерода, кислорода и метана.

Задачей изобретения является максимально технически возможное использование тепла реакций окисления углерода и образования метана при преобразовании этого тепла в полезную тепловую и электрическую энергии.

Техническим результатом изобретения является электростанция с небольшими по сравнению с существующими аналогами размерами для данной мощности, использующая исключительно доступное и дешевое сырье, - воду и уголь, в том числе высокозольный.

Технический результат достигается тем, что наполнитель водоугольного топлива - уголь, предварительно измельчается на коллайдерном измельчителе (RU 2397021, опубл. 20.08.2010, RU 2450861 опубл., 20.05.2012, RU 2457033, опубл. 27.07.2012, RU 2473389, опубл., 27.01.2013) до тонины в диапазоне 30-50 нм. Такая дисперсность и соответственно удельная поверхность наночастиц, позволяет за время пребывания в начальной зоне реактивного канала (0,02-0,04 с) полностью завершить реакции разложения воды и минеральных зольных продуктов угля, реакции образования метана и реакции окисления углерода. Также технический результат достигается тем, что плотность энергии «языка» плазмотрона применяется из расчета полного разложения воды на водород и кислород и синхронизируется со скоростью подачи водоугольного топлива в реактивный канал. Также технический результат достигается тем, что после «розжига» процесса (разложения воды и зольных продуктов угля) плазмотрон отключается, т.к. сумма энергий образования метана и окисления углерода превышает энергию розжига, а сама зона розжига смещается дальше по оси реактивного канала от входа горючего. Также технический результат достигается тем, что непосредственно за зоной образования метана в реактивный канал вводится воздух, кислород которого обеспечивает сгорание метана и выделяется дополнительное тепло. Также технический результат достигается тем, что реактивный канал выполняется в виде трубы, переходящей в зоне окончания сгорания метана в конструкцию в виде «подковы», левая часть которой с помощью фильтра служит также сборником остатков сгорания зольных продуктов угля, а правая часть служит сборником угольной кислоты.

Реакционный канал и приемный канал, выполненный в виде «подковы», охватываются трубами большего диаметра и в зазор между трубами подается теплоноситель, предпочтительно вода на входе и пар на выходе.

В таблице 1 приведены данные об энергиях связи атомов в молекулах для основных веществ, участвующих в процессе либо в качестве агентов, которые необходимо разложить, либо в качестве агентов, при образовании которых выделяется тепло.

Таблица 1
мол.	CO₂	P₂O₅	Fe₂O₃	MgO	CH₄	CaO	H₂O	Al₂O₃	SiO₂
связь	C=O	P-O	Fe-P	Mg-O	C-H	Ca-O	H-O	Al-O	Si=O
эВ	8,34	3,48	4,26	4,29	4,32	4,39	4,82	5,80	6,61

Ниже приведены основные химические реакции, проходящие в реактивном канале, и тепло этих реакций в эВ.

Технический результат достигается тем, что водоугольное топливо приготавливается из нанопорошка угля и воды в необходимом для угля данной зольности стехиометрическом соотношении. Горючее подается в реактивный канал, в котором проходят процессы, указанные выше. Нагретый теплоноситель подается в теплоэлектрический контур, а продукты реакций утилизируются на выходе реактивного канала.

Сущность изобретения поясняется рисунком.

Водоугольное горючее из емкости 1 по трубе 2 под воздействием разрежения, создаваемого пневмофорсункой 3 в начальный момент, подается в область «языка» плазмогенератора 4 на входе в реакционный канал 5, который, с учетом перехода горючего из конденсированного состояния в газообразное, выполнен с расширением от входа. Разложение воды и зольных продуктов угля проходит в зоне I, в зоне II происходит окисление углерода и образование метана с выделением тепла. В зону III подается из компрессора 6 воздух в необходимом количестве и происходит горение метана с выделением тепла. После «зажигания» этих процессов плазмогенератор 4 отключается. Теплоноситель по каналу 7, охватывающему всю поверхность реакционной камеры 5 и приемной камеры 10, выполненной в форме «подковы», подается в теплоэлектрический контур 13 (теплообменник, турбина, холодильник, водоподготовка). Необходимое давление в контуре 7 поддерживается насосом 8. Турбина теплоэлектрического контура 13 соединена с электрогенератором 14. Несгоревшие продукты зольности угля, задержанные фильтром 9, утилизируются в емкости 11. Угольная кислота утилизируется в емкости 12.

Приведем расчет технических характеристик электростанции при использовании воды и угля Кузнецкого бассейна с зольностью 13%. Основные компоненты золы: оксид кремния SiO₂ (6,3%), оксид алюминия Al₂O₃ (3,3%), оксид железа Fe₂O₃ (2,1%) и оксид кальция CaO (1,1%). Остальные зольные продукты имеют малое содержание и не оказывают существенного влияния на процессы, происходящие в реактивном канале.

Для такого угля стехиометрическое соотношение вода:уголь в одном килограмме топлива: 718:282. При разрежении, создаваемом пневмофорсункой 3 в 0,2 бар, водоугольное топливо будет подаваться в реактивный канал со скоростью 1 кг/с, а генерируемая электрическая мощность при кпд использования тепла 33% будет равна 24 МВт. Для обеспечения сгорания метана потребуется компрессор 6 мощностью 188 м³/мин.

Вышеописанную электростанцию можно идентифицировать как экологически безопасную, т.к. в данной технологии нет выбросов в атмосферу парниковых газов. Продуктами переработки являются смесь нанопорошков оксидов кремния и алюминия, металлического железа и кальций, а также угольная кислота. Все эти продукты можно применить в экономике.

С экономической точки зрения электростанция высокорентабельная и сроки окупаемости капитальных затрат в разы меньше сроков окупаемости существующего электрогенерирующего оборудования.

Водоугольная электростанция, содержащая превмофорсунку для подачи водоугольного топлива в расширяющийся от входа реакционный канал в виде трубы цилиндрической формы, контур теплоносителя, связанный с контуром турбины, вращение вала которой передается на вал электрогенератора, сопло для подачи кислородсодержащего газа в реакционную зону, плазмогенератор с плотностью энергии, достаточной для разложения на кислород и водород воды, отключаемый после розжига, отличающийся тем, что содержит емкость с водоугольным топливом, включающим нанопорошок угля и воду в необходимом стехиометрическом соотношении, реакционный канал переходит в конструкцию типа «подкова», левая часть которой с помощью фильтра служит для сбора остатков сгорания зольных продуктов угля, а правая часть служит сборником угольной кислоты, весь реакционный канал охватывается трубой большего диаметра, в зазор между которыми подается теплоноситель, предпочтительно вода.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано на тепловых электростанциях с паросиловыми установками, работающими на твердом пылевидном (угольная пыль) или на тяжелом жидком (мазут) топливе и оборудованными системой химводоочистки (ХВО).

Устройство для сжигания водоугольного топлива // 2460014

Изобретение относится к устройствам для сжигания жидкого, в том числе водоугольного топлива (ВУТ) в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах, и обеспечивает при его использовании однородность температур по объему топки.

Способ переработки твердого топлива в жидкое // 2446202

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к переработке твердого топлива в жидкое, и получения беззольного водоугольного топлива (ВУТ) для сжигания в топках котлов тепловых электростанций.

Способ обработки угля с высоким содержанием серы // 2405026

Изобретение относится к угольной промышленности и может использоваться для предварительной обработки угля перед сжиганием с целью уменьшения выбросов серы и серосодержащих соединений в окружающую среду.

Устройство для сжигания водоугольного топлива // 2389948

Изобретение относится к устройствам для сжигания жидкого, в том числе, водоугольного топлива (ВУТ) в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах.

Энергетическая установка // 2313725

Изобретение относится к устройствам для получения энергии посредством сжигания топлива, может быть использовано в отраслях промышленности, где требуются такие устройства, например, для получения электроэнергии.

Способ уменьшения выбросов двуокиси серы при сжигании углей // 2280677

Способ подготовки водоугольного топлива к сжиганию в энергетической котельной установке // 2256124

Изобретение относится к области энергетики, может быть использовано в котельных установках на тепловых электростанциях, промышленных котельных и обеспечивает повышение эффективности и экономичности подготовки водоугольного топлива к сжиганию в энергетической котельной установке.

Топливная суспензия // 2173817

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.

Способ подготовки к сжиганию угольных суспензий // 2056010

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях. .

Способ стабилизации жидкого угольного топлива // 2552013

Изобретение относится к теплоэнергетике. Способ стабилизации жидкого угольного топлива в виде суспензионно-эмульсионной системы при его хранении и транспортировании в цистернах путем пузырькового перемешивания дисперсной фазы и дисперсной среды. Перед постановкой на хранение в герметичной емкости жидкое угольное топливо газируется, а в процессе хранения контролируемым образом разгазируется постепенным стравливанием избыточного давления газа над поверхностью зеркала топлива через верхний спусковой клапан. Жидкое угольное топливо газируют атмосферным воздухом. Жидкое угольное топливо газируют топочным газом. Технический результат - обеспечение длительного срока хранения жидкого угольного топлива (ЖУТ) в стабильном состоянии при его транспортировании в цистернах в течение нескольких суток от места производства ЖУТ до места расположения ТЭС/ТЭЦ без использования в пути мешалок, циркуляционных насосов и компрессоров. 3 з.п. ф-лы.

Способ сжигания жидкого угольного топлива // 2552016

Изобретение относится к теплоэнергетике, к области сжигания ожиженного угольного топлива в топках паровых котлов и других теплогенерирующих установок. Способ сжигания жидкого угольного топлива включает подготовку твердого углеродсодержащего вещества в качестве дисперсной фазы в жидкой дисперсной среде к сжиганию, подачу топливной дисперсной системы в пневмомеханические форсунки, газовое вдувание и распыление ее на факелах в камере сгорания и съем тепловой нагрузки теплоносителем в виде нагретого водяного пара. В качестве топливной дисперсной системы используют бинарную суспензионно-эмульсионную смесь продуктов пиролиза бурого угля, в которой твердая дисперсная фаза представлена микрочастицами полукокса, заключенными в микрокапли смольной фракции, а жидкая дисперсная среда представлена подсмольной водой, розжиг производят путем факельного сжигания газа пиролиза или смеси газа пиролиза и воздуха, после разогрева камеры сгорания в высокоскоростной поток газа пиролиза эжектируется жидкое угольное топливо, затем газожидкостная смесь путем дросселирования выдается из сопел пневмомеханических форсунок на факела в камеру сгорания, причем форсуночный распыл производят на встречных факелах в направлении оси симметрии камеры сгорания сферической, цилиндрической или тороидальной формы, образуя три температурных зоны топочного пространства, центральную - высокотемпературную, среднюю - среднетемпературную и периферийную - низкотемпературную, за счет последовательного сгорания газовой, жидких и твердой фаз топлива на факелах, а съем тепловой нагрузки производят тремя различными системами теплосъемных элементов - высокотемпературной, среднетемпературной и низкотемпературной, с использованием теплоносителей по соответствующему их свойствам назначению: острый пар из высокотемпературной системы теплосъемных элементов - для генерации электроэнергии в паровой турбине, перегретый пар из среднетемпературной системы теплосъемных элементов - для отопления зданий и сооружений, низкотемпературный пар из низкотемпературной системы теплосъемных элементов - в качестве технологического пара. Достигаемый технический результат заключается в повышении уровня технологичности сжигания, улучшении экономических показателей и экологичности процесса сжигания жидкого угольного топлива. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ получения и сжигания композиционного кавитационного топлива из нефтяного кокса // 2565651

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к технологии сжигания нефтяного кокса. Нефтяной кокс - продукт глубокой переработки нефти, который в нашей стране в качестве топлива используют совсем недавно. Способ получения и сжигания композиционного кавитационного топлива из нефтяного кокса включает измельчение нефтяного кокса и сжигание его совместно с мазутом в топке котла. Измельченный нефтяной кокс смешивают с нефтью и/или с мазутом, затем полученную смесь кавитируют с добавлением воды при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефтяной кокс - 50-60; нефть и/или мазут 5-15; вода 25-45, полученное топливо сжигают факельными горелками в камерной топке котла. Изобретение позволяет утилизировать нефтяной кокс - побочный продукт глубокой переработки нефти и регулировать тепловую нагрузку котла. 1 ил.

Способ приготовления водосодержащей топливно-угольной суспензии // 2611630

Изобретение относится к области топливной энергетики, а именно к способу приготовления водосодержащей топливно-угольной суспензии, включающему диспергирование мазута марки М40, содержащего 1 мас.% воды, в количестве 60 мас.%, измельчение сухого угля в количестве 40 мас.% или отсева его в дробилке до фракции менее 10 мм, подачу смеси вода-мазут и измельченного угля в смеситель, смешение их в смесителе, при последующем направлении смеси на следующий этап диспергирования крупного помола, доизмельчение суспензии в измельчителе тонкого помола, после чего суспензия приобретает гомогенность и стабильные реологические свойства, благодаря выделенным из угля гуминовым кислотам и гуматам. Изобретение обеспечивает повышение теплотворной способности топлива в виде суспензии. 3 табл., 1 ил.

Способ сжигания твердых углеродосодержащих топлив или отходов // 2622596

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для преобразования тепловой энергии в механическую или электрическую энергию, в стационарных и передвижных теплоэлектростанциях, а также в транспортных средствах. Способ сжигания твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов включает помол твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов, ввод помола твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов в камеру сгорания и инициирование. Тонину помола твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов доводят до размера не более 1 мкм с образованием микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов с водой, а затем впрыскивают образованную смесь при помощи капельного дозатора в камеру сгорания, при этом вышеуказанный размер частиц помола твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов осуществляют в два этапа, на первом - осуществляют крупный помол, а на втором этапе с помощью кавитационного диспергатора доводят помол до размера не более 1 мкм. Инициирование горения капель микронанокомпозитной смеси помола твердых углеродосодержащего топлива и/или отходов с водой осуществляют с помощью топливоподающего узла за счет использования запаса энергии топлива, с помощью которого производят розжиг пламени в камере сгорания. Изобретение позволяет повысить надежность и эффективность работы установки за счет снижения износа деталей и снижения затрат на подготовку топлива. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.