RU2458107C2 - Method for microwave gradient activation of coal - Google Patents

Method for microwave gradient activation of coal Download PDF

Info

Publication number
RU2458107C2
RU2458107C2 RU2010145918/04A RU2010145918A RU2458107C2 RU 2458107 C2 RU2458107 C2 RU 2458107C2 RU 2010145918/04 A RU2010145918/04 A RU 2010145918/04A RU 2010145918 A RU2010145918 A RU 2010145918A RU 2458107 C2 RU2458107 C2 RU 2458107C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coal
microwave
activation
gradient
microwave field
Prior art date
Application number
RU2010145918/04A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010145918A (en
Inventor
Сергей Эдуардович Пащенко (RU)
Сергей Эдуардович Пащенко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority to RU2010145918/04A priority Critical patent/RU2458107C2/en
Publication of RU2010145918A publication Critical patent/RU2010145918A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2458107C2 publication Critical patent/RU2458107C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Feeding And Controlling Fuel (AREA)
  • Regulation And Control Of Combustion (AREA)
  • Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: method consists in microwave gradient activation of coal in high-gradient microwave field in velocity control mode of microwave field rise. Boundaries of coal lump are arranged in zones of zero or close-to-zero intensities of microwave field. Activation is performed till deep cracks appear in coal lump, which do not lead to its complete destruction. End of activation process stage is appearance of persistent flame of activation volatile hydrocarbons.
EFFECT: quick and effective heating of coals; improving energy use efficiency for coal heating; processing of compound hydrocarbons to easier and more volatile hydrocarbons deep in coal lump prior to the combustion beginning; possibility of controlling the modes of power pumping to various forms of activated volumes of coal, which allows implementing various modes of action on coal.
2 cl, 2 ex, 2 tbl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к технологии подготовки угольного топлива разных сортов к сжиганию в энергетических котлах разного типа.The invention relates to a technology for the preparation of coal fuels of various grades for combustion in power boilers of various types.

Известен способ сжигания угольного топлива при дополнительном поджиге струи угольной пыли в котлах при пропускании этой струи через плазменные дуги. В результате чего угольные частицы струи, которые практически всегда меньше 1-2 мм, нагреваются и при дальнейшем движении внутри большого котла быстрее сгорают (Жуков М.Ф. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов В.С. и др. - Новосибирск: Наука, 1995. - 304 с. [1], (Иманкулов Э.Р. Плазменный розжиг и стабилизация горения факела донецкого АШ / Иманкулов Э.Р., Мессерле В.Е., Закипов З.Е., Сейтимов Т.М., Устименко А.Б. // Теплоэнергетика. - 1990. - №1. - С.51-53) [2].A known method of burning coal fuel with additional ignition of a jet of coal dust in boilers by passing this jet through plasma arcs. As a result, the coal particles of the jet, which are almost always less than 1-2 mm, heat up and burn further faster inside the large boiler (Zhukov MF Plasma oil-free kindling of boilers and stabilization of the combustion of the coal-dust torch / Zhukov MF, Karpenko E .I., Peregudov V.S. et al. - Novosibirsk: Nauka, 1995. - 304 p. [1], (Imankulov E.R. Plasma ignition and stabilization of torch burning in Donetsk AS / Imankulov E.R., Messerle V .E., Zakipov Z.E., Seitimov T.M., Ustimenko A.B. // Thermal Engineering. - 1990. - No. 1. - S.51-53) [2].

Недостатки такого метода: 1 - высокая потребляемая мощность плазмотроном, иногда до 10% от вырабатываемой электроэнергии котлом ТЭЦ, 2 - внесение распыляемого материала плазменных электродов в струю горения и их 3 - быстрый износ, 4 - такая условно называемая активация топлива не позволяет применить ее к малым (менее 0.1 МВт) и обычным бытовым котлам. Так как плазмотроны сложные и дорогие технические устройства, то окупаться они могут только в определенных ситуациях и только на больших котлах с вбросом в факел только угля мелкого помола.The disadvantages of this method: 1 - high power consumption by the plasma torch, sometimes up to 10% of the electricity generated by the boiler of the TPP, 2 - introduction of the sprayed material of the plasma electrodes into the combustion stream and 3 - rapid wear, 4 - this conditionally called fuel activation does not allow it to be applied to small (less than 0.1 MW) and ordinary household boilers. Since plasma torches are complex and expensive technical devices, they can be paid off only in certain situations and only on large boilers with the injection of finely ground coal into the torch.

Известен способ активирования в высокочастотной СВЧ плазме угольного порошкового помола (Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. "СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом/" // Горение и плазмохимия, - т.4, №2, 2007, С.103-109) [3],A known method of activation in high-frequency microwave plasma of coal powder grinding (Burov V.F., Strizhko Yu.V. "Microwave plasmatron with a freely floating plasmoid /" // Combustion and plasma chemistry, - v.4, No. 2, 2007, C. 103-109) [3],

(Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. "СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом" // Сб. докл. VI Всероссийской конференции "Горение твердого топлива" 8-10 ноября 2006, Новосибирск: ИТ СО РАН, 2006 [4]; (Буров В..Ф., Стрижко Ю.В. "СВЧ-плазмотрон: для зажигания угольной пыли используем свободно парящий плазмоид" Оборудование. Разработки. Технологии, №2 (02), 2007, с.45-48) [5]. Патент РФ №2328095 от 23.06.2006. «СВЧ-плазмотрон», заявитель ЗАО «КОТЭС-Сибирь» (RU) [6].(Burov V.F., Strizhko Yu.V. "Microwave plasmatron with a freely floating plasmoid" // Collection of reports of the VI All-Russian conference "Combustion of solid fuel" November 8-10, 2006, Novosibirsk: IT SB RAS, 2006 [4 ]; (Burov V..F., Strizhko Yu.V. "Microwave plasmatron: we use a free-floating plasmoid for igniting coal dust" Equipment. Developments. Technologies, No. 2 (02), 2007, p. 45-48) [ 5]. Patent of the Russian Federation No. 2328095 dated June 23, 2006. “Microwave plasmatron”, applicant of COTES-Siberia CJSC (RU) [6].

В таком варианте СВЧ безэлектродная плазма зажигается также в основании струи угольного порошка, однако разряд плазмонного типа создается за счет ионизации несущего порошок газа носителя.In this embodiment, a microwave electrodeless plasma is also ignited at the base of a jet of coal powder, however, a plasmon-type discharge is created due to ionization of the carrier gas of the powder.

Недостатки этого метода: чрезвычайно низкий КПД - почти вся энергия СВЧ разряда уходит на нагрев газа и поддержание газового разряда, а частицы топлива меньше 1-2 мм поглощают только малую долю затрачиваемой энергии; СВЧ плазмон в основании струи очень нестабилен и требуются специальные сложные конструкции с газовыми потоками для его реализации, мощность и доступная рабочая частота СВЧ магнетронов широкого промышленного выпуска ограничены узкими диапазонами, что не позволяет варьировать возможности данного способа, угольные частицы малых размеров (менее 1-2 мм) в СВЧ полях таких частот (порядка 2.45 ГГц, длина волны около 13 см) оказывается фактически в безградиентном пространственном СВЧ поле, что не позволяет задействовать, как выяснено нами, эффективного градиента по температурам и по полям напряжений внутри угольной матрицы.The disadvantages of this method are: extremely low efficiency - almost all microwave energy is spent on heating the gas and maintaining the gas discharge, and fuel particles less than 1-2 mm absorb only a small fraction of the energy expended; The microwave plasmon at the base of the jet is very unstable and requires special complex structures with gas streams for its implementation, the power and available operating frequency of microwave industrial magnetrons of wide industrial production are limited to narrow ranges, which does not allow varying the capabilities of this method, coal particles of small sizes (less than 1-2 mm) in microwave fields of such frequencies (of the order of 2.45 GHz, a wavelength of about 13 cm) is actually in a gradientless spatial microwave field, which does not allow us to use, as we found out, temperature gradient and stress fields inside the carbon matrix.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа с высокими энергетическими и экологическими характеристиками, обеспечивающего высокоэффективное сгорание широкого класса угольных топливThe objective of the invention is to create a method with high energy and environmental characteristics, providing highly efficient combustion of a wide class of coal fuels

Технический результат: КПД использования энергии именно на нагрев угля на 20-30 процентов выше обычного метода, конструктивная легкость исполнения различных технических вариантов осуществления данного способа, возможность использования легко регулируемых режимов накачки разных мощностей в разные формы активированных объемов угля позволяют осуществлять различные режимы воздействия на уголь или угольные брикеты - от их ударного развала на более мелкие куски и до плавного регулирования ламинарного факела горения из щелей с заданной интенсивностью горения.Technical result: the efficiency of energy use for heating coal is 20-30 percent higher than the usual method, the constructive ease of execution of various technical options for implementing this method, the ability to use easily adjustable modes of pumping different capacities in different forms of activated coal volumes allow for different modes of exposure to coal or coal briquettes - from their collapse into smaller pieces and to the smooth regulation of the laminar flame from slots with a given int nsivnostyu combustion.

Поставленная задача решается заявляемым способом СВЧ-градиентной активации угольного топлива, в котором согласно изобретению производят СВЧ-градиентную активацию в высокоградиентном СВЧ поле в режиме управления скоростью нарастания СВЧ поля до возникновения в куске угля трещин глубокого разлома, не приводящих к его полному разрушению, а показателем окончания активации служит возникновение незатухающего факела активированных летучих углеводородов, при этом границы куска угля размещаются в нулевых или близких к ним напряженностей СВЧ поляThe problem is solved by the claimed method of microwave gradient activation of coal fuel, in which, according to the invention, microwave gradient activation is performed in a high-gradient microwave field in the mode of controlling the rate of increase of the microwave field until deep cracks occur in a piece of coal, not leading to its complete destruction, but by the end of activation is the occurrence of a continuous flame of activated volatile hydrocarbons, while the boundaries of a piece of coal are located at zero or close to them tension H field

При продолжении активации выше порога возникновения факелов горения легких углеводородов минеральные включения, имеющиеся в каждом природном угле, начинают быстро коагулировать (сливаться) в размеры до микронов и выше. В таком состоянии эффективность активации угля падает, так как большие частицы изменяют коэффициент поглощения СВЧ в объеме и не обладают нужными каталитическими свойствами для разложения тяжелых углеводородов до более простых и горючих.With continued activation above the threshold for the occurrence of light hydrocarbon combustion torches, the mineral inclusions present in each natural coal begin to rapidly coagulate (merge) in sizes up to microns and higher. In this state, the activation efficiency of coal decreases, since large particles change the microwave absorption coefficient in the volume and do not have the necessary catalytic properties for the decomposition of heavy hydrocarbons to simpler and combustible ones.

При совмещении СВЧ активатора с объемом котла сжигания в одной конструкции, максимум СВЧ градиентного поля совмещают с фронтом насыпки свежих угольных кусков.When combining the microwave activator with the volume of the combustion boiler in one design, the maximum microwave gradient field is combined with the front of the filling of fresh coal pieces.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Процесс активации углей в высокоградиентном СВЧ поле является многопараметрическим, при этом исходные определяющие факторы эффективной активации - это согласование размеров градиентного СВЧ объема и размеров куска угля и угольной матрицы.The process of activation of coal in a high-gradient microwave field is multi-parameter, with the initial determining factors for effective activation being the coordination of the dimensions of the gradient microwave volume and the sizes of a piece of coal and a carbon matrix.

Важнейшим условием, как показывают наши эксперименты и численные расчеты, является условие размещения границ куска угля в зонах нулевых или близких к ним напряженностей СВЧ поля. При несоблюдении этих условий, когда кусок угля значительно больше размеров неоднородностей СВЧ поля, получаемого в резонаторном методе его возбуждения, процесс резко теряет интенсивность перекачки энергии в образец даже в тех же локально неоднородных СВЧ объемах. Скорость закачки при этом энергии в матрицу угля падает в 5-15 раз в зависимости от типа углей и их конкретной геометрии.The most important condition, as our experiments and numerical calculations show, is the condition for placing the boundaries of a piece of coal in zones of zero or close microwave field strengths. If these conditions are not met, when a piece of coal is significantly larger than the size of the inhomogeneities of the microwave field obtained in the resonant method of its excitation, the process sharply loses the intensity of energy transfer to the sample even in the same locally inhomogeneous microwave volumes. The rate of injection of energy into the coal matrix decreases 5-15 times, depending on the type of coal and their specific geometry.

Пример 1. Образец угля цилиндрической формы размером в несколько сантиметров устанавливался так, чтобы максимум СВЧ поля находился в его центре или близко к центру.Example 1. A sample of cylindrical coal several centimeters in size was installed so that the maximum microwave field was in its center or close to the center.

На фигуре 1 представлена серия ИК теплограмма куска угля цилиндрической формы под действием СВЧ излучения с локальным фокусом вне резонатора. Белые изолинии очерчивают в черно-белом варианте данного рисунка области максимального внутреннего нагрева образцов угля в максимумах напряженностей СВЧ полей.The figure 1 presents a series of IR thermograms of a piece of coal of a cylindrical shape under the action of microwave radiation with a local focus outside the resonator. White contours outline in black and white version of this figure the areas of maximum internal heating of coal samples at the maximum intensities of the microwave fields.

Результаты исследования для области максимального градиента 3,2 см времени активации по порогу разложения углеводородов в образце угля приведены в таблице 1 (Кемеровский разрез) и таблице 2 (Усть-Искитимский разрез).The results of the study for the maximum gradient of 3.2 cm activation time by the threshold for the decomposition of hydrocarbons in a coal sample are shown in table 1 (Kemerovo section) and table 2 (Ust-Iskitim section).

Таблица 1Table 1 Диаметр образца (см)Sample Diameter (cm) 1one 2,22.2 33 55 88 14fourteen Время активации (сек)Activation Time (sec) 3333 1616 33 1919 3838 120120

Таблица 2table 2 Диаметр образца (см)Sample Diameter (cm) 1,51,5 2,12.1 3,33.3 66 99 1212 Время активации (сек)Activation Time (sec) 1717 99 1,51,5 99 2121 8282

При оптимальных условиях согласования полей и загрузки углем объема активации, особенно в режиме углового расширения СВЧ поля от головки магнетрона, нами было показано методом калориметрических измерений в термостатах, что можно закачать в кусок угля размером в несколько сантиметров более 85% мощности от магнетрона. Для сравнения - в этом режиме вспышка первых летучих начинается менее чем за 10 секунд активации на магнетронах относительно небольшой мощности в 800 ватт и со скважностью срабатывания 25-50 Гц.Under optimal conditions for matching the fields and loading the activation volume with coal, especially in the regime of angular expansion of the microwave field from the magnetron head, we have shown by calorimetric measurements in thermostats that it is possible to pump more than 85% of the power from a magnetron into a piece of coal several centimeters in size. For comparison, in this mode the flash of the first volatiles begins in less than 10 seconds of activation on magnetrons of relatively low power of 800 watts and with a duty cycle of 25-50 Hz.

Пример 2.Example 2

На фигуре 2 представлены результаты активации угля большого размера (25-30 см) в резонаторном объеме, возбуждаемом магнетроном в 1 кВт мощностью, зона неоднородности СВЧ поля 3,2 см. Из-за возникновения в матрице большого куска угля нескольких зон нагрева мощность магнетрона распределилась между ними, причем это распределение все время меняется во время процесса активации из-за изменения диэлектрических констант поглощения СВЧ волны в зависимости от температуры и свойств прогреваемого угля, что в результате приводит к резкому увеличению времени активации всего куска более 30 минут для кемеровских образцов. КПД процесса оказывается ниже 20-25%.The figure 2 presents the results of the activation of large coal (25-30 cm) in a resonator volume excited by a 1 kW power magnetron, a zone of microwave inhomogeneity of 3.2 cm. Due to the appearance of several heating zones in the matrix of a large piece of coal, the magnetron power was distributed between them, and this distribution changes all the time during the activation process due to changes in the dielectric absorption constants of the microwave wave depending on the temperature and properties of the heated coal, which as a result leads to a sharp increase in time Change the activation of the whole piece for more than 30 minutes for Kemerovo samples. The process efficiency is below 20-25%.

Для целей практического применения способа, при условии согласования загрузки углей по размерам и градиента неоднородности СВЧ поля, как показано нами в экспериментальных исследованиях, необходимо и достаточно иметь один параметр контроля процесса - изменение температуры образца во времени.For the purposes of the practical application of the method, provided that the coal load is sized according to the size and the inhomogeneity gradient of the microwave field, as shown by us in experimental studies, it is necessary and sufficient to have one parameter for controlling the process - the change in temperature of the sample over time.

Точки измерения температур могут быть разными и определяться геометрией установки. Например, осредненный ИК контроль с 5-10 точек поверхности угля, термопарный как с поверхности, так и с глубины угля, с помощью изготовления микрошурфа в матрице угля (термопара выполняется в модели СВЧ компенсации наводок). И, наконец, наиболее важный, ИК тепловизорный метод контроля с присоединенной видеокамерой и с выходом на компьютер.Temperature measuring points can be different and determined by the geometry of the installation. For example, an averaged IR control from 5-10 points on the surface of the coal, thermocouple both from the surface and from the depth of coal, using the manufacture of a micro-hole in the coal matrix (the thermocouple is performed in the microwave interference compensation model). And finally, the most important, IR thermal imaging control method with an attached video camera and access to a computer.

Основной задачей оптимальной активации является создание на начальном этапе процесса (часто это первые секунды) не менее двух трещин в разных плоскостях относительно основного направления «скольности» данного конкретного куска угля.The main task of optimal activation is to create at the initial stage of the process (often the first seconds) at least two cracks in different planes relative to the main direction of “cleavage” of this particular piece of coal.

Создание трещин связано с необходимостью снятия в куске угля дислокационных напряжений, рост которых ведет обычно к неконтролируемому развалу всего угольного куска на гораздо более мелкие фрагменты, внутри которых невозможно уже осуществлять градиентную активацию. Вторая важнейшая задача создания трещин - это организация управляемого выхода паров внутренней воды как гигроскопичной, так и связанной, на более дальних стадиях активации.Creation of cracks is associated with the need to remove dislocation stresses in a piece of coal, the growth of which usually leads to uncontrolled collapse of the entire coal piece into much smaller fragments, inside which gradient activation is no longer possible. The second most important task of creating cracks is the organization of the controlled release of internal water vapor, both hygroscopic and bound, at further stages of activation.

Исследование роли трещин, возникающих при СВЧ воздействии и при механических нагрузках на куски углей разных размеров, для оптимизации процесса СВЧ активации угля в экологически чистом горении показано на Фигуре 3.The study of the role of cracks that occur during microwave exposure and under mechanical loads on pieces of coal of different sizes, to optimize the process of microwave activation of coal in environmentally friendly combustion is shown in Figure 3.

После сброса внутреннего давления водяного пара начинается выход летучих, углеводородов, который регистрировался методом анализа на переносном полевом хромотографе «ЭХО» в реальном времени эксперимента.After the internal pressure of the water vapor has been relieved, the release of volatile hydrocarbons begins, which was recorded by the real-time experiment on a portable field chromatograph ECHO.

Именно этот критерий - скорость выхода летучих углеводородов, должен являться основным критерием стадии процессов активации при подготовке активационных углей разных марок в предлагаемом способе.It is this criterion — the rate of release of volatile hydrocarbons — that should be the main criterion for the stage of activation processes in the preparation of activation coals of various grades in the proposed method.

Возможные реализации заявленного способа проверены во многих модельных экспериментах с кусками угля разных марок и разных размеров. Было показано, что при оптимальном проведении процесса всегда можно добиться раскрываемости напряженной дислокационной матрицы в небольшое число разгрузочных трещин.Possible implementations of the claimed method are tested in many model experiments with pieces of coal of different grades and different sizes. It was shown that with an optimal process, it is always possible to achieve the opening of a stressed dislocation matrix to a small number of discharge cracks.

Контроль за степенью выхода как летучих углеводородов, так и воды осуществлялся нами в режиме наладки конкретного активатора с использованием различных методик (полевой хроматограф ЭХО, хроматомасс-спектрометр, аэрозольные счетчики типа АЗ-6, нефелометры разного типа, спектроскопические переносные призмы, вакуумные отборники аэрозолей разного типа и т.д.).The degree of release of both volatile hydrocarbons and water was controlled by us in the setting mode of a specific activator using various methods (ECHO field chromatograph, mass spectrometer, aerosol meters like AZ-6, nephelometers of various types, spectroscopic portable prisms, vacuum aerosol samples of different type, etc.).

Использование для экспериментов различных современных высокочувствительных хроматографических приборов, лабораторных и экспедиционных, которые позволяют на начальных стадиях нагрева углей, в том числе и СВЧ методами, анализировать кинетику появления легких и средних углеводородов, позволило понять основы процессов происходящих при СВЧ внутреннем высокоградиентном нагреве и роль в них возникающих глубинных трещин.The use of various modern highly sensitive chromatographic instruments, laboratory and expeditionary, for experiments, which allow the initial kinetics of heating of coal, including microwave methods, to analyze the kinetics of the appearance of light and medium hydrocarbons, made it possible to understand the basics of processes occurring during microwave internal high-gradient heating and the role in them emerging deep cracks.

При этом лабораторные хроматомасс-спектроскопические методы позволяют определять массу углеводородов, но требуют для анализа особых условий и времени не менее получаса на образец (Фигура 4а); тогда как откалиброванный по этим лабораторным методам полевой экспедиционный прибор ЭХО позволяет исследовать процессы активация углей с разрешением во времени менее минуты (Фигура 4б).In this laboratory chromatographic mass spectroscopic methods allow you to determine the mass of hydrocarbons, but require for the analysis of special conditions and time of at least half an hour per sample (Figure 4A); whereas calibrated by these laboratory methods, the field expeditionary device ECHO allows you to study the processes of activation of coal with a resolution in time of less than a minute (Figure 4b).

На приведенных графиках видно, что при оптимальных условиях активации угольных кусков, указанных в предлагаемой заявке, из трещин активированного угля, до температуры на их поверхности не более 100-120°С, выделяются в основном только легкие углеводороды, до массы не более 150 атомных единиц (Фигура 4а).The graphs show that under optimal conditions for the activation of the coal pieces specified in the proposed application, from the cracks of activated carbon, to a temperature on their surface of not more than 100-120 ° C, mainly only light hydrocarbons are released, up to a mass of not more than 150 atomic units (Figure 4a).

При этом процесс выделения таких углеводородов устойчив, то есть при увеличении концентрации их на 6 порядков, соотношение на предельные массы углеводородов почти не изменяется, что было установлено с применением быстрого масс-спектрометра ЭХО (Фигура 4б).Moreover, the process of separation of such hydrocarbons is stable, that is, with an increase in their concentration by 6 orders of magnitude, the ratio to the limiting mass of hydrocarbons remains almost unchanged, which was established using a fast ECHO mass spectrometer (Figure 4b).

Нами были разработаны численные программы, позволяющие по данным ИК температуры на поверхности образца в динамическом режиме восстанавливать очаги выделения тепла внутри активированного угля и распространения фронта тепловой волны к поверхности угля в режиме до появления трещин Расчеты показывают, что при создании внутреннего давления водяного пара на уровне 40-50 атмосфер происходит раскол образца в неуправляемом режиме создания трещин и разлета осколков.We have developed numerical programs that allow, according to the IR temperature data on the surface of the sample, to dynamically restore the foci of heat release inside activated carbon and the propagation of the heat wave front to the surface of the coal in the mode before cracks appear. Calculations show that when the internal pressure of water vapor is 40 -50 atmospheres, the specimen splits in an uncontrolled mode of cracking and expansion of fragments.

На Фигуре 5 приведен расчет выхода тепловой волны из глубины угольных кусков разного размера (на базе полученных экспериментальных данных по константам комплексной диэлектрической проницаемости при относительно небольших температур и по теплопроводности для кемеровского угля). Кривые различаются по времени и по условиям первичного СВЧ нагрева - как по размерам, так и по мощности.Figure 5 shows the calculation of the output of a heat wave from the depth of coal pieces of different sizes (based on the obtained experimental data on the constants of the complex dielectric constant at relatively low temperatures and thermal conductivity for Kemerovo coal). The curves differ in time and in terms of primary microwave heating, both in size and power.

СВЧ активатор может быть изготовлен на базе стандартных магнетронов, широко применяемых в быту для СВЧ бытовых печек при относительно небольшой мощности (менее 3 кВт, даже без применения водяного охлаждения), а изменяя их число и геометрию фокусировки СВЧ полей, можно добиться как требуемой градиентной неоднородности активационного СВЧ поля, так и его различных мощностей.The microwave activator can be made on the basis of standard magnetrons that are widely used in everyday life for microwave household stoves with relatively low power (less than 3 kW, even without the use of water cooling), and by changing their number and the focusing geometry of the microwave fields, it is possible to achieve the required gradient inhomogeneity activation microwave field, and its various capacities.

Геометрия активационной установки может быть весьма различной, как и система ввода кусков угля (стационарная, квазистационарная, непрерывно поточная). Например, для активации угля в небольших объемах - до 10 кг в час, для бытовых угольных котлов, мы использовали как базовые конструкции, так и электронику управления обычных бытовых печек, с небольшими модификациями. Эти модификации определяются уже конкретными требованиями к параметрам активационного угля.The geometry of the activation installation can be very different, as well as the system for introducing pieces of coal (stationary, quasi-stationary, continuously flowing). For example, to activate coal in small volumes - up to 10 kg per hour, for domestic coal-fired boilers, we used both the basic structures and the control electronics of ordinary household stoves, with small modifications. These modifications are already determined by the specific requirements for the parameters of activated carbon.

Обработка СВЧ активацией угля в большом объеме является очень не оптимальным режимом по КПД перекачки СВЧ мощности в структурные изменения внутри угля даже в локальных зонах максимальной мощности, так как не соблюдены условия соответствия объема градиентного поля и размеров куска.Processing microwave microwave activation of coal in a large volume is a very poor regime for the efficiency of pumping microwave power into structural changes inside the coal, even in local zones of maximum power, since the conditions for matching the volume of the gradient field and the size of the piece are not met.

Любой природный уголь содержит минеральную составляющую от нескольких процентов и до 50. Эта минеральная составляющая содержит много компонентов, но обычно главными - десятки процентов - являются алюминиевые и кремниевые составляющие. Анализ литературы и наш анализ, выполненный на отражательных оптических и сканирующих микроскопах, показали, что в неактивированном угле минеральные составляющие включены в структуру угля весьма однородно. При активации СВЧ в данной однородной структуре начинают образовываться гомогенные включения кремниевых и алюминизированных образований. При продолжении активации выше порога возникновения факелов горения легких углеводородов эти образования достигают размера до 5 нм (Фигура 6а), после чего начинают быстро коагулировать (сливаться) в размеры до микронов и выше. На фигуре 6б видна поверхность угля с выделением больших частиц по всем микротрещинам. В таком состоянии эффективность активации угля падает, так как большие частицы изменяют коэффициент поглощения СВЧ в объеме и не обладают нужными каталитическими свойствами для разложения тяжелых углеводородов до более простых и горючих.Any natural coal contains a mineral component from a few percent to 50. This mineral component contains many components, but usually the main - tens of percent - are aluminum and silicon components. An analysis of the literature and our analysis, performed on reflective optical and scanning microscopes, showed that in non-activated carbon the mineral components are incorporated into the coal structure very uniformly. Upon microwave activation, in this homogeneous structure, homogeneous inclusions of silicon and aluminized formations begin to form. With continued activation above the threshold for the occurrence of light hydrocarbon combustion torches, these formations reach a size of up to 5 nm (Figure 6a), after which they quickly coagulate (merge) into sizes up to microns and higher. Figure 6b shows the surface of the coal with the release of large particles along all microcracks. In this state, the activation efficiency of coal decreases, since large particles change the microwave absorption coefficient in the volume and do not have the necessary catalytic properties for the decomposition of heavy hydrocarbons to simpler and combustible ones.

Существенным преимуществом предлагаемого нового способа в сравнении с аналогами является чрезвычайно высокий КПД перекачки энергии в образец при оптимальной конструкции с учетом вышеописанных особенностей всего процесса в целом.A significant advantage of the proposed new method in comparison with analogs is the extremely high efficiency of energy transfer to the sample with an optimal design, taking into account the above-described features of the whole process.

Также большим преимуществом заявляемого способа является использование именно грубодисперсного угля (до 5-6 сантиметров по диаметру), а не угольного мелкого помола, размером менее 1-2 миллиметра, который традиционно используется на больших ТЭЦ и мощных котлах. Это позволяет применить способ для повышения эффективности использования в малых и бытовых котлах на таких котельных, которые обслуживают менее нескольких десятков тысяч жителей. Это значительно расширяет применимость нового метода для угольной энергетики.Also a big advantage of the proposed method is the use of coarse coal (up to 5-6 centimeters in diameter), rather than fine coal grinding, less than 1-2 millimeters in size, which is traditionally used in large thermal power plants and powerful boilers. This allows you to apply the method to increase the efficiency of use in small and domestic boilers in such boiler rooms that serve less than several tens of thousands of residents. This greatly expands the applicability of the new method for coal power.

Были проведены расчеты экономической целесообразности на основании модельных экспериментов на котлах от 0.1 и до 1 МВт мощности. При стоимости тонны угля от 1000 и до 2000 рублей за тонну и при эффективности процесса горения углей с активацией в 15% получено, что в Сибири (отопительный сезон более 200 дней) стоимость котла окупается при новом методе за 1-3 года в зависимости от типа котла малой и средней мощности. Гарантийный срок котлов обычно не менее 10 лет, таким образом, будет иметь место многократная окупаемость котлов такой мощности (расчеты проведены для оборудования Черепановского завода котлов Новосибирская область).Calculations of economic feasibility were carried out on the basis of model experiments on boilers from 0.1 to 1 MW power. With the cost of a ton of coal from 1000 to 2000 rubles per ton and with the efficiency of the coal burning process with activation of 15%, it was found that in Siberia (the heating season is more than 200 days), the cost of the boiler pays off in 1-3 years depending on the type low and medium power boilers. The warranty period of boilers is usually not less than 10 years, so there will be a multiple payback period for boilers of such capacity (calculations were carried out for equipment of the Cherepanovsky boiler plant in Novosibirsk Region).

ЭКОЛОГИЧНОСТЬ. Активированный уголь отличается одной явно выделенной особенностью - его розжиг проходит в несколько секунд при верхнем пороге активации и идет практически без задымления и выброса вредных углеводородов в газовой и аэрозольной фазе. Это объясняется тем, что разложение углеводородов угольной матрицы при данном способе происходит не на поверхности угля при взаимодействии с окислителем - воздухом, как при обычном термическом розжиге. При СВЧ активации процессы деструктуризации происходят внутри закрытого объема угля. Нами были проведены измерения дымовой составляющей и газовой при разных способах активации и показано уменьшение интегрального выброса летучих компонент углеводородов во внешнюю атмосферу в десятки и сотни раз.ENVIRONMENTALITY. Activated carbon differs in one clearly distinguished feature - its ignition takes place in several seconds at the upper activation threshold and proceeds practically without smoke and emission of harmful hydrocarbons in the gas and aerosol phases. This is because the decomposition of hydrocarbons of the carbon matrix in this method does not occur on the surface of the coal when interacting with an oxidizing agent - air, as in conventional thermal ignition. During microwave activation, the processes of destructuring occur inside a closed volume of coal. We made measurements of the smoke component and the gas component using different activation methods and showed a decrease in the integral emission of volatile components of hydrocarbons into the external atmosphere by tens and hundreds of times.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие преимущества:Thus, the proposed method has the following advantages:

1. Нагрев первичных углей происходит быстро и эффективно, в отличие от традиционных методов их разгорания в любом типе котлов.1. Heating of primary coals occurs quickly and efficiently, unlike traditional methods of their ignition in any type of boiler.

2. КПД использования энергии именно на нагрев угля на 20-30 процентов выше обычного метода.2. The efficiency of energy use for heating coal is 20-30 percent higher than the usual method.

3. Конструктивная легкость исполнения различных технических вариантов осуществления данного способа.3. Constructive ease of execution of various technical embodiments of this method.

4. Переработка сложных углеводородов в более простые (а значит более горючие) впервые происходит в глубине куска угля до начала горения, а не на поверхности или в газовом факеле горения, как в традиционных устройствах.4. The processing of complex hydrocarbons into simpler (and therefore more combustible) for the first time occurs in the depth of a lump of coal before burning, and not on the surface or in a gas flame, as in traditional devices.

5. Возможность использования легко регулируемых режимов накачки разных мощностей в разные формы активированных объемов угля позволяют осуществлять различные режимы воздействия на уголь или угольные брикеты - от их ударного развала на более мелкие куски и до плавного регулирования ламинарного факела горения из трещин с заданной интенсивностью горения.5. The possibility of using easily adjustable modes of pumping different capacities into different forms of activated volumes of coal allows for various modes of exposure to coal or coal briquettes - from their collapse into smaller pieces and to the smooth regulation of the laminar flame from cracks with a given burning intensity.

Нами проведены испытательные работы по применению данного метода активации на котлах завода котлов средней мощности в городе Черепанове Новосибирской области, подтвердившие его эффективность по целому ряду физико-химических параметров факелов горения и горения отдельных частиц угля в котельном пространстве.We carried out testing on the application of this activation method on boilers of a medium-capacity boiler plant in the city of Cherepanov, Novosibirsk Region, which confirmed its effectiveness in a number of physicochemical parameters of the flames of combustion and combustion of individual coal particles in the boiler room.

Claims (2)

1. Способ активации угольного топлива, включающий СВЧ-воздействие на угольное топливо, отличающийся тем, что производят СВЧ-градиентную активацию в высокоградиентном СВЧ-поле в режиме управления скоростью нарастания СВЧ-поля до возникновения в куске угля трещин глубокого разлома, не приводящих к его полному разрушению, а показателем окончания активации служит возникновение незатухающего факела активационных летучих углеводородов, при этом границы куска угля размещаются в нулевых или близких к ним значений напряженностей СВЧ-поля.1. The method of activation of coal fuel, including microwave exposure to coal fuel, characterized in that they produce microwave gradient activation in a high-gradient microwave field in the control mode of the rate of increase of the microwave field until a crack of deep fault occurs in a piece of coal that does not lead to it complete destruction, and an indicator of the end of activation is the occurrence of a continuous flame of activation volatile hydrocarbons, while the boundaries of a piece of coal are located at zero or close to them values of the microwave field strengths. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при совмещении СВЧ-активатора с объемом котла сжигания в одной конструкции максимум СВЧ-градиентного поля совмещают с фронтом насыпки свежих угольных кусков. 2. The method according to claim 1, characterized in that when combining the microwave activator with the volume of the combustion boiler in one design, the maximum of the microwave gradient field is combined with the front of the fill of fresh coal pieces.
RU2010145918/04A 2010-11-10 2010-11-10 Method for microwave gradient activation of coal RU2458107C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010145918/04A RU2458107C2 (en) 2010-11-10 2010-11-10 Method for microwave gradient activation of coal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010145918/04A RU2458107C2 (en) 2010-11-10 2010-11-10 Method for microwave gradient activation of coal

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010145918A RU2010145918A (en) 2012-05-20
RU2458107C2 true RU2458107C2 (en) 2012-08-10

Family

ID=46230234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010145918/04A RU2458107C2 (en) 2010-11-10 2010-11-10 Method for microwave gradient activation of coal

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2458107C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750102C1 (en) * 2020-07-06 2021-06-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет" (ННГАСУ) Method for super high frequency ignition of wood-type fuel (wood residue, firewood) with high moisture content

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1567129A (en) * 1977-05-02 1980-05-08 Foster Wheeler Energy Corp Heating of coal with microwave energy
US5393311A (en) * 1993-02-19 1995-02-28 Marhanka; Frank D. Method and apparatus for desulfurizing coal
RU2266313C1 (en) * 2004-07-16 2005-12-20 Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение (НПО) "Гидротрубопровод" Demineralized water-coal fuel production process

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1567129A (en) * 1977-05-02 1980-05-08 Foster Wheeler Energy Corp Heating of coal with microwave energy
US5393311A (en) * 1993-02-19 1995-02-28 Marhanka; Frank D. Method and apparatus for desulfurizing coal
RU2266313C1 (en) * 2004-07-16 2005-12-20 Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение (НПО) "Гидротрубопровод" Demineralized water-coal fuel production process

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2750102C1 (en) * 2020-07-06 2021-06-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет" (ННГАСУ) Method for super high frequency ignition of wood-type fuel (wood residue, firewood) with high moisture content

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010145918A (en) 2012-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yuen et al. A simple calculation scheme for the luminous-flame emissivity
Xu et al. Experimental study on the minimum ignition temperature and combustion kinetics of coal dust/air mixtures
RU2410603C1 (en) Device of plasma ignition of dust-coal fuel
US20140318489A1 (en) Em energy application for combustion engines
CN107533008A (en) Light transmitting detector of the multi-mode based on plasma
Wang et al. Experimental study of microwave resonance plasma ignition of methane–air mixture in a constant volume cylinder
Reddy et al. Nonphotochemical hole burning of the B800‐B850 antenna complex of Rhodopseudomonas acidophila
JP2007514044A (en) Method and system for preheated drying process to improve solid fuel properties
Burlacov et al. In-situ monitoring of plasma enhanced nitriding processes using infrared absorption and mass spectroscopy
Artem’Ev et al. Study of characteristics of the cold atmospheric plasma source based on a piezo transformer
RU2458107C2 (en) Method for microwave gradient activation of coal
Su et al. Experimental investigation of gas heating and dissociation in a microwave plasma torch at atmospheric pressure
Artem'Ev et al. A nonequilibrium plasma accompanying the ignition of methane–oxygen mixtures
Sugimoto et al. Stabilization of pulverized coal combustion by plasma assist
Zhu et al. Investigation of mineral-element migration upon pyrolysis and quantitative prediction of volatiles in coal using laser-induced breakdown spectroscopy
Berezhetskaya et al. Microwave discharge as a method for igniting combustion in gas mixtures
Sinha et al. Study of effects of various parameter on thermal efficiency of porous burner with kerosene pressure stove
RU2750102C1 (en) Method for super high frequency ignition of wood-type fuel (wood residue, firewood) with high moisture content
Wolk et al. Calorimetry and atomic oxygen laser-induced fluorescence of pulsed nanosecond discharges at above-atmospheric pressures
Song et al. Experimental study on the characteristics of ignition during microwave drying of lignite
RU2514826C1 (en) Microwave-gradient activation of coal fuel with help of protective film
Liming et al. Research progress of microwave plasma ignition and assisted combustion
Sáinz et al. Spectroscopic characterization of a neon surface-wave sustained (2.45 GHz) discharge at atmospheric pressure
Sultanguzhin et al. Radio Frequency and Microwave Impact on Source Rock
Pershin et al. Backward SRS suppression of picosecond pulses in water upon moving the pump beam waist from the water volume through the surface