CC BY
94
УДК 620.9:662.642
МИКРОВОЛНОВАЯ СУШКА БУРЫХ УГЛЕЙ И ПОВЫШЕНИЕ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
А.А. ХАЙДУРОВА, В.В. ФЕДЧИШИН, Н.П. КОНОВАЛОВ Иркутский государственный технический университет
Предложен метод подготовки бурого угля для сжигания его на тепловых электрических централях (ТЭЦ), в котельных установках, а также с целью применения его в других технологических процессах с использованием микроволновой энергии. Показаны преимущества данного метода относительно существующих, применяемых в настоящее время. Описаны результаты экспериментов по сушке угольного концентрата микроволновым излучением (МВИ).
Ключевые слова: микроволновое излучение, сушка, бурый уголь.
Сушка бурого угля повышенной влажности с использованием МВИ позволяет улучшить его технологические качества. Данный метод дает возможность контролировать необходимый процент влажности угля, исключает локальный перегрев, тем самым не допуская его возгорания, и обеспечивает равномерный процесс сушки, благодаря чему на выходе качество продукта не теряется, и сохраняются его физико-химические свойства. Кроме того, процесс микроволновой сушки бурого угля является экологически чистым и менее энерго-и металлоемким по сравнению с другими видами сушки.
Целью данных исследований является разработка и применение установки с использованием микроволн для непрерывной сушки буроугольного концентрата на предприятиях теплоэнегретики, металлургических заводах, угледобывающих и углеперерабатывающих предприятиях.
Для осуществления предложенной технологии была разработана и построена пилотная установка с использованием микроволновой энергии частотой 2,45 ГГц при длине электромагнитной волны 12,24 см (рис. 1). Эта длина волны является достаточной для проникновения МВИ по всей толщине высушиваемого материала. Эксперимент проводился с бурым углем Мугунского (фракция 0,5 мм < d < 1 мм -уголь 1) месторождения Иркутского угольного бассейна и Березовского (фракция 0,25 мм < d < 0,5 мм - уголь 2) месторождения угольного бассейна.
Рис. 1. Устройство для сушки буроугольного концентрата повышенной влажности: 1 - корпус; защищающий персонал от МВИ; 2 - транспортерная лента; 3 - электропривод; 4 - загрузочное устройство; 5 - регулируемый шиберный затвор; 6 - МВ-излучатели; 7 - рупорные антенны; 8 -вентилятор; 9 - буроугольный концентрат; 10 - разгрузочное устройство; 11 - циклон;
12 - запредельный волновод
© А.А. Хайдурова, В.В. Федчишин, Н.П. Коновалов Проблемы энергетики, 2010, № 1-2
Бурый уголь распределяется фиксированной толщиной на транспортерной ленте, по которой он подается в зону нагрева. Под действием МВИ влага, находящаяся в порах угольного вещества, резко нагревается и переходит в пар, который начинает перемещаться по порам к поверхности, выталкивая из пор сорбированную влагу. Поверхностный слой обрабатываемого материала обдувается потоком воздуха, что повышает скорость удаления влаги [1]. При таком методе температура угля не повышается более 90°С, что исключает его воспламенение и окисление.
Технологический процесс направлен на повышение качества сушки угольного концентрата, путем интенсификации процесса микроволновой энергией, не снижая его теплотворной способности.
Степень поглощения электромагнитной энергии теми или иными объектами зависит от их диэлектрических свойств, строения, геометрической формы, частоты электромагнитного поля и т.д.
Физическая природа механизма поглощения электромагнитной энергии заключается в следующем. Молекулы и атомы любого вещества связаны друг с другом силами межмолекулярного и межатомного взаимодействия. При воздействии на вещество переменного электромагнитного поля заряды начинают смещаться. На перемещение заряженных частиц затрачивается работа, которая совершается против сил межмолекулярного взаимодействия, возникает внутреннее трение, которое переходит в теплоту. Это явление называется «диэлектрическим нагревом». Оно и определяет, главным образом, суть новых технологических процессов, связанных с МВИ.
Бурый угль относится к классу несовершенных диэлектриков и содержит в себе большое количество воды, которая хорошо поглощает микроволновую энергию. Благодаря высокой восприимчивости к МВИ, молекулы воды, взаимодействующие с переменным электромагнитным полем высокой частоты, приходят в движение за счет дипольной и релаксационной поляризаций. Вода резко разогревается и переходит в пар. Сам материал угля нагревается меньше, поскольку молекулы более жестко связаны и для их разрушения требуется больше времени и энергии. Время пребывания бурого угля в зоне нагрева не велико, и температура его не превышает 90°С, поэтому деструкции органической массы не наблюдается.
При большой скорости микроволнового нагрева внутри влажного материала (в нашем случае бурого угля) резко вскипает вода и создается высокий градиент избыточного давления Ар паровоздушной смеси, подавляются все виды диффузионного переноса тепла и влаги и преобладает молекулярный массоперенос, протекающий по типу фильтрации газа через дисперсные среды. Благодаря такому процессу существенно снижаются удельные затраты энергии, сохраняются физико-химические свойства угля.
Проведенные экспериментальные исследования по определению скорости сушки бурого угля конвекционным методом и методом микроволнового воздействия показали, что микроволновое излучение позволяет снизить время сушки угля при малой затраченной мощности и пребывания материала в зоне нагрева в 3,3 раза, а потребление электроэнергии снижается в 4,6 раза на единицу продукта [2]. Сравнение эффективности конвекционного процесса сушки и микроволновой сушки бурого угля 1 показаны на графике (рис. 2).
35 30 25
10-
5-
---------Г-------- 1 1 1 1 1 ---------1 1---------1 1---------1 1---------Т---------1 1 1 1 1 1 1---------1 i---------
1 i 4L V 1 ________J 1 1 1 1
Конвекционная сушка ■ MB сушка
\i Л 1 \ _________ _________
J 1 1
i\ \ 1 \ 1 \ L _ _____ _ _ J _ Л _ I____J ________3 ■ 1 1 1 1 1 1 1 1 |_________!_ __ _____ J u--------i--------- ________J L________
---------J--V------ 1 \ 1 U | Щ8 1 1 --------- --------- _________ ---------
1 1 | 1 1 1 1 1 1 i i ч i i i i i i
0123456789 10
Время, мин
Рис. 2. Зависимость потери влаги бурым углем от времени при сушке микроволновым
излучением и конвекцией
В начале процесса сушки угля его влагосодержание уменьшается с течением времени по линейному закону (период постоянной скорости). Этот период продолжается до некоторого критического влагосодержания, начиная с которого скорость сушки уменьшается. Кривая сушки становится нелинейной и асимптотически приближается к равновесной влажности, при которой убыль влаги прекращается (период падающей скорости).
Снижение скорости сушки при неизменных условиях испарения на поверхности материала объясняется перемещением зоны испарения с поверхности вглубь материала. При этом внутри тела влага продолжает перемещаться по капиллярам в виде жидкости до зоны испарения, а потом в виде пара, диффундирующего через сухие слои материала. Таким образом, во втором периоде скорость сушки определяется скоростью перемещения жидкой и газообразной фаз внутри материала и зависит, главным образом, от его структуры.
На рис. 3 изображены графики зависимостей потери влаги от времени в двух разных образцах бурого угля 1 и 2. Начальное значение влаги в угле 30%. Эксперимент показывает, что микроволновая сушка позволяет за короткий промежуток времени (150 секунд) снизить количество влаги в угле до 10-15%.
35
30
^ 25
5 20
а 15
10
5 0
уголь 1 ♦ уголь 2
0
20
40
60 НО 100 120 140 160
В ре мы, мин
Рис. 3. Зависимость между влагосодержанием угля и временем сушки.
В литературе описаны различные исследования по взаимодействию угля с микроволновой энергией. Проводились исследования влияния частоты излучения на диэлектрические свойства угля, а также исследования по предварительному подогреву угля с целью выделения молекулярного азота в виде N [3, 4, 5]. Наша разработка позволила подтвердить эти данные экспериментальным путем.
При исследовании бурого угля после микроволновой сушки было также отмечено, что при удалении влаги происходит полное удаление азота из образцов угля. Эти наблюдения были подтверждены на различных образцах угля исследуемых месторождений. Исследования по элементному составу проводились в лаборатории NaWiTec в университете Отто-фон-Герике г. Магдебург, Германия.
В таблице приведены физико-химические характеристики бурого угля до и после сушки в микроволновом поле.
Таблица
Влияние МВИ на основные физико-химические характеристики угля
% Мугунский Бе1 рёзовский
Исходный после МВ-сушки Исходный после МВ-сушки
W 30,00 7,50 30,00 11,30
A 20,44 18,96 7,89 6,0
V 36,69 35,31 26,99 24,75
C 51,26 50,65 74,81 69,01
H 3,76 3,80 4,60 3,26
N 1,01 0,00 2,28 0,00
С 14,94 18,08 8,18 9,26
8 1,49 1,01 0,81 0,57
Элементный анализ бурого угля, проведенный до и после сушки микроволновым излучением, показал, что произошло снижение содержания серы в обоих образцах бурого угля Мугунского и Берёзовского месторождений (рис. 4).
□ до сушки после сушки МВИ Рис. 4. Уменьшение содержания серы в буром угле при воздействии микроволновым излучением
Изменение в структурном составе угля объясняется тем, что микроволновая энергия увеличивает скорость химических реакций разложения NOx и SOx. Эти вещества вступают в реакцию с углеродом, вследствие которой разлагаются на азот и диоксид углерода, и на элементарную серу и диоксид углерода соответственно:
2NOx + xC ® xCO2 + 2SOx + xC ® xCO2 + 2S .
Из обеих реакций видно, что при воздействии микроволновой энергией на уголь, основным элементом которого является углерод С, происходит разложение вредных газов NOx и SOx. Диоксид углерода CO2 и азот N2 уходят в атмосферу, а сера может далее использоваться как продукт.
В результате проведенных экспериментальных исследований по сушке буроугольного концентрата микроволновым излучением был выявлен ряд преимуществ, таких как сокращение времени сушки по сравнению с традиционным конвекционным методом; уменьшение содержания азота и серы в угле; взрывобезопасность, снижение энергоемкости и металлоемкости оборудования.
Данный процесс сушки угля обеспечивает эффективный метод контроля влажности, которая необходима для использования угля на производстве с сохранением максимальной ценности продукта. Это позволяет увеличить использование буроугольных ресурсов путем обеспечения более полного сгорания угля за счет сохранения термической эффективности.
Summary
Here has been considered the method of approach to the mission of imitational modeling and the control of the furnace on a coal powder, which takes into consideration the process of combustion of the fuel. Here was adduced the imitational dynamical model and the comparative results of the calculations for several furnaces by combustion different types of coals.
Key words: microwave, drying, brown coal.
Литература
1. Пат. 2330225 РФ. Способ сушки сыпучих диэлектрических материалов и устройство для его осуществления / Коновалов П.Н., Хайдурова А.А., Коновалов Н.П.; заявл. 24.01.07; опубл. 27.07.08, Бюл. № 21.
2. Хайдурова А.А., Коновалов П.Н., Коновалов Н.П. Энергосберегающая технология сушки угольного концентрата для ТЭЦ // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». Иркутск, 2006. С. 419-421.
3. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика: теория и практика. М.: Наука, 2003. 446 с.
4. James Graham, Senior Process Engineer. Microwaves for coal quality improvement: the DRYCOL Project. sacps/International Pittsbrugh Coal Conference 2007 Johannesburg, South Africa, September 10-14, 2007.
5. Создание новой технологии сжигания канско-ачинских и других бурых углей с обеспечением оптимальных экологических параметров // Материалы Всероссийской НПК «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов», 3-6 июня 2006 г., г. Красноярск.
Поступило в редакцию 25 августа 2009 г.
Хайдурова Александра Андреевна - аспирантка кафедры «Физика» Иркутского государственного технического университета. Тел. 8-914-00-777-05. E-mail: alexandra_h@bk.ru.
Федчишин Вадим Валентинович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Иркутского государственного технического университета, г. Иркутск. Тел. 8(3952) 40-51-25. Е-mail: fedchishin@istu.edu.
Коновалов Николай Петрович - д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика» Иркутского государственного технического университета. Тел. 8(3952) 40-51-77. E-mail: i03@istu.edu.
