Миф 31 -Патент пишу Шекспира не спросясь

и даже не сносясь
  с упрямым Богом
им не понять
  как творчество в мозгу
нас заставляет в формулах
  родится
и с пены океана возродиться
  без слов о вечности любви
     или войне...
        оскомину набившие
            тебе и ей и мне...

\\\\\\ 
Здравствуйте, Сергей Эдуардович!

Фантастически быстро в ФИПСе была рассмотрена Ваша заявка и выдано положительное решение. Так у нас еще не бывало.

Поздравляю Вас. Пишите дальше совместно с СГК.

С уважением
\\\\\\\\\\\   \\\\\\\\\\

Проректору НГУ по
научно-исследовательской деятельности
Д.В. Чуркину
Уведомление
о создании служебного РИД, способного к патентной охране
Мы, Пащенко Сергей Эдуардович, с.н.с. ОПФ ФФ НГУ,
Место работы, должность
Каляда Валерий Владимирович, вед. электроник ОПФ ФФ НГУ,
Место работы, должность
Зарвин Александр Евгеньевич, зав. отделом ОПФ ФФ НГУ,

Гартвич Георгий Георгиевич, вед. инженер АТИЦ ФФ НГУ,

совместно сотрудниками ООО «Сибирская генерирующая компания»
Страховым Михаилом Юрьевичем, Скрябиным Юрием .Владимировичем, Петровым Оле-гом Валентиновичем, а также при участии Пащенко Сергея Сергеевича, Косых Андрея Михайловича настоящим уведомляем Новосибирский государственный университет о том, что
при выполнении исследовательских работ, проводимых в отделе прикладной физики физи-ческого факультета  (ОПФ ФФ)НГУ,
нами создан «Способ подготовки пылеугольного топлива для сжигания»,
    предварительное название устройства, способа
который может быть заявлен как изобретение.
Просим начать работы по патентованию.

Приложение: Предварительное описание созданного РИД.

Подписи авторов:

Пащенко С.Э. ________________Страхов М.Ю._________________

Каляда В.В. __________________Скрябин Ю.В._________________

Зарвин А.Е. __________________Петров О.В.__________________

Гартвич Г.Г. __________________

            Пащенко С.С. ________________Косых А.М.____________________


Резолюция проректора НГУ:
«Начать работы по патентованию»
Другое_________________
   Проректор НГУ             
по научно-исследовательской
деятельности
_______________________________ Д.В. Чуркин

Дата _________________


\\\\\\\\\\\\\ 

Формула изобретения

1.Способ подготовки пылеугольного топлива для сжигания, включающий сушку и дробление сырого угля, отличающийся тем, что на  этот уголь перед дроблением наносят модифицированное жидкое стекло (МЖС), обладающее высоким коэффициентом смачивания  поверхности угольной пыли, образующейся в процессе размола угля, причем степень покрытия пленкой поверхности частицы угля на выходе из мельницы должна составлять от 10% до 30% от общей поверхности этой частицы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что краевой угол смачивания раствора  модифицированного жидкого  стекла на поверхности угля  не более 10 градусов/
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модификатора жидкого стекла используют ,  стеарат натрия (C17H35COONa)


\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\   \\\\\\

МПК: C10L9/00
Способ подготовки пылеугольного топлива для сжигания

     Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к технологии сжигания углеводо-родных топлив, в том числе низкого качества.
      Углеподготовка для больших котлов зависит от типа топлива, и сама по себе является довольно трудозатратной.     На стадии подготовки к сжиганию  в топках энергетических и промышленных котлов уголь подвергается измельчению и сушке.
    Тонкость помола значительно влияет на производительность мельниц, а также на удельный расход электроэнергии, затраченной на размол. Если руководствоваться только этими двумя характеристиками, то следовало бы всегда работать с грубым помолом. Од-нако нельзя забывать, что угольная пыль нужна для организации топочного процесса, а фракционный состав этой пыли влияет на устойчивость воспламенения, экономичность сжигания, шлакование и загрязнение поверхностей нагрева, а также на степень образова-ния токсичных оксидов азота NOx.
     Большие частицы (порядка 100 мкм) являются основным материалом для горения в фа-келе, они составляют 40-60% от общего количества пылеугольного топлива, приготовляе-мого молотковыми дробилками, которые применяются для размельчения углей в сис-темах с прямым вдувом для мощных котлов ТЭЦ. Более крупная (200 мкм -1000мкм) и более мелкая (< 90 мкм)фракции составляют остальное.
      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 образований щелей ( например, зарождающиеся в дислокационном росте ). Которые в свою очередь порождают выброс мелких частиц угля (от нанометров до 1-2 мкм).
    Высокодисперсные частицы  (ВД) (около 1 мкм)  могут иметь два явно выраженных источника – возникающие при размоле в мельнице (переносятся первичным воздухом) и возникающие уже в самом факеле в котле в момент прогрева  частиц порядка 100 мкм с выделением летучих, что характерно для бурых углей.
       В угле есть также первичные минеральные примеси очень малого размера (наномет-ры). Именно они при прогреве выбрасываются в щели, уносятся от частицы газовыми по-токами, коагулируют и начинают расти до долей микрона и более.
Наличие большого числа ВД частиц приводит к ряду проблем:
Возникновению осадка на стенках котлов (отложений)  и  к большей скорости рос-та этого осадка (фрактально – дендритный рост осадка) именно из-за больших концентра-ций малых частиц.  Особенность таких частиц – переход в вязкое состояние при более низких температурах, чем для больших частиц, Вязкие частицы начинают играть роль  склеивающей  слоёв при росте осадков на стенке котла, при этом уплотняют сам осадок до состояния, когда даже паровая очистка может стать малоэффективной.
Отборы проб с котла показали следующий важный результат.  Отложения на стен-ках можно разделить на мягкие и твердые. Твёрдые - трудно отделимые от стенок обыч-ными методами, выдерживают большие ударные нагрузки и твердые отложения имеют большую намагниченность. Микрозондовый анализ таких образцов показал наличие большого количества железа .  Выяснено, что это смесь, состоящая в основном из окислов железа, типа магнетит .
     Магнитные частицы образуются при горении угольной пылевой частицы в высокотем-пературных факелах больших котлов за счет раннего выброса из такой частицы летучих, с выносом частиц с содержанием железа из тела матрицы угля. Окисление железа происхо-дит уже в оболочке горения вокруг  такой частицы в зоне поступления внешнего окисли-теля – кислорода.
Кроме того, частицы порядка микронов – наиболее взрывоопасная фракция.
Важной характеристикой угольной пыли является ее влажность Wпл, %. Чем больше подсушена пыль, т.е. чем меньше Wпл, тем легче воспламеняется и лучше проте-кает процесс горения. В процессе размола уголь подсушивается за счет теплоты горячего воздуха или топочных газов до величины, близкой к аналитической (гигроскопической) влажности топлива, т.е. влажности топлива, получаемой при подсушке до равновесного состояния в воздушной среде при температуре 20 °С и относительной влажности 65 ± 5 %.Более глубокая подсушка не допускается из условий взрывобезопасности и самовозго-рания пыли.
Еще одним фактором взрывоопасности является выход летучих.  Чем больше вы-ход летучих, тем больше опасность взрыва. Лишь при выходе летучих менее 8 %  топливо является взрывобезопасным.
    Одна из задач предлагаемого изобретения предложить способ, как можно резче уменьшить выброс высокодисперсных частиц как на стадии размола, так и на ста-дии прогрева в факеле и, тем самым,  уменьшить шлакообразование на стенках кот-ла в особенности при работе на бурых углях.
     В поставленной задаче необходимо заблокировать огромное количество микро-щелей шириной в сотни нанометров, которые рождаются на частицах угля в сотни микрон раз-меров в процессе дробления.    Поверхность между щелями обычно намного менее реак-ционоспособна и на ней затруднено образование  выбросов и факелов  горения летучих компонент из матрицы угля.
      Вторая задача предлагаемого изобретения   – ослабить критерии к просушке как в нижнем пределе (по взрывобезопасности, так как в способе предполагается резко уменьшить концентрацию частиц порядка микронов – наиболее взрывоопасная фракция),  так и в верхнем – используя дополнительную влагу в частицах, сохранённую за счет заку-порки нанощелей,  Для генерации радикалов  ОН в зоне факельного раскрытия «закупо-рок»,  для существенного изменения  процесса  горения, в первую очередь для уменьше-ния генерации окислов азота.
      Третьей задачей предлагаемого изобретения является получение эффективного фа-кела горения.
     Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение при его использовании эффективного сжигания пылеугольного топлива с образова-нием экологически более чистого  высокотемпературного факела с уменьшением выбросов окислов азота, а также  уменьшение пылеобразования, взрывоопасности и  зашлакованности котлов.

     Известен «Способ сжигания углеводородного топлива» [патент № 2407947] направленный на уменьшение образования окислов азота, обеспечивающий  при его использовании  эффективное паросажевое горение с образованием экологически чистого высотемпературного пламени.
      Недостаток способа.  Данный тип горения реализуется на относительно небольших горелках, до 10 – 20 кВт мощности, и в основном на жидком топливе. Основной причи-ной, по которой его нельзя применить в больших котельных горелках является то, что об-дувающая струя факела  паровая «рубашка» требует ввода большого количества воды. Что для высоких КПД больших котлов неприемлемо.
          Известен способ нанесения  блокирующей высокотемпературной пленки на поверх-ность больших  кусков угля (сантиметры)  в сочетании с СВЧ нагревом. [Способ создания термозависимой угольной пленочной оболочки патент РФ №2595344]
 Однако,  этот метод предусматривает нанесение пленок  значительных толщин – десятки и более микрон, так как рассчитывается как реактор высокого давления при СВЧ нагреве угля под плёнкой.
      Указанный способ может быть взят в качестве прототипа.
Общим с прототипом является идея нанесения блокирующей пленки
Указанный выше технический результат достигается в способе подготовки пылеугольного топлива для сжигания, с использованием дробления сырого угля, при этом, согласно изобретению,  на  этот уголь перед помолом наносят модифици-рованное жидкое стекло (МЖС), обладающее высоким коэффициентом смачивания  поверхности угольной пыли, образующейся в процессе размола угля, причем степень  заполнения пленкой поверхности частицы на выходе из мельницы должна состав-лять от 10% до 30% от общей поверхности этой частицы.
Основная физико-химическая задача способа - это ввести модифицированное жид-кое стекло в щели приготовленной пылевой частицы.  Нами показано, что это эффектив-нее всего можно сделать,  используя два процесса. Первый – заставить плёнку МЖС рас-текаться как можно шире по поверхности частицы угля, использую такое понятие, как угол смачивания. Для нашей задачи желательно угол смачивания иметь не более 10 граду-сов. Тогда это позволяет включить второй процесс – при растекании плёнка МЖС касает-ся щели, которая в силу малых размеров обладает большой капиллярной силой, и втягива-ет МЖС глубоко в микро-трещину. 
При этом на поверхности частицы угля, где нет трещин, практически не остаётся МЖС. То есть, при оптимальном сочетании параметров удаётся заполнить только трещи-ны. При нагреве такой частицы в факеле на начальном этапе прогрева МЖС в трещине превращается в высокотемпературный гель окиси кремния, и препятствует выбросу лету-чих.
Если угол смачиваний МЖС и угольной поверхности большой, процесс втягива-ния в трещины не происходит, или он будет идти очень долго, десятки минут. Мы получили эти данные для реального угля из Бородинского разреза, который используется на ТЭЦ-5 города Новосибирска. Для условия работы котлов с прямой подачей угольной пыли в факел это недопустимо долго.  Для углов меньше 10 градусов,   весь процесс смачивания происходит за десятые доли секунды и менее. Такие эксперименты также были проведены для этого угля с помолом в молотковой мельнице ТЭЦ-5.
Были исследованы режимы работы молотковой и шаровой мельницы. После про-грева частиц до 200-300 градусов  были определены зоны  появления выделений окиси кремния. Белые выделения и  полосы на фотографиях. При усреднении данных показано, что удается закрыть все щели, когда  степень  заполнения пленкой поверхности частицы на выходе из молотковой мельницы должна составлять от 10% до 30% от общей поверх-ности этой частицы.
Другими словами – надо подобрать добавки -модификаторы к ЖС такие, чтобы раствор получился смачивающий поверхность угля и нанести его с эффективной степенью заполнения от 10 и до 30% от поверхности пылевых угольных частиц.  Нанесе-ние более 30% приводит как к удорожанию способа в целом, так и появлению больших сплошных покрытий окиси кремния на всей частицы, что мешает развитию нормального процесса горения и большой степени недогорания частиц  угля в пределах котла.
Пример 1 – на частицы помола бурого угля нанесли МЖС с эквивалентным запол-нением 40%. При вбросе таких частиц в газовый факел малой угольной горелки частицы угля не смогли догореть на расстоянии падения в 150 см.
Пример 2 - на частицы помола бурого угля нанесли МЖС с эквивалентным запол-нением 30%. При вбросе таких частиц в газовый факел малой угольной горелки частицы угля сгорели в среднем на 80-95% по органической массе .
Пример 3  - Заполнение 10%.  Частицы  угля догорели полностью уже на 80-100 см падения.
     Модификатор должен резко уменьшать значение поверхностного натяжения ЖС, что-бы  ЖС на свежей поверхности частиц затекало в основном в нано-щели.
    Модификаторами могут служить поверхностно – активные вещества (ПАВ) Можно ис-пользовать, например, стеарат натрия  C17H35COONa  - этот компонент дешёв и нетокси-чен. Концентрация ввода модификаторов  подбирается экспериментально в модельных экспериментах с МЖС по его растеканию на поверхности данного типа угля (микроскоп-ные измерения)
     Нанесение МЖС на поверхность угольной частицы оптимально для поставленных за-дач, если защитная высокотемпературная плёнка  образуется только на указанных дефек-тах, стабилизируя их дальнейшее развитие и перекрывая выброс как газовых компонент через щели, так и минеральных частиц.
      Капля МЖС растекается широко и БЫСТРО (в особенности необходимо для Молотко-вых Мельниц) по поверхности угля, повышая вероятность коснуться одной из трещин на поверхности. Как только она касается начала трещины, под действием физики капил-ляров и малого угла смачивания, практически вся масс МЖС этой капли втягивается в трещину чуть меняя модуль ЖС, При попадании в зону прогрева факела запускается процесс полного остекловывания  внутри трещины пузырьковой фазой окиси кремния. Что и меняет режимы начала горения всей угольной частицы в факеле котла
    Ввод МЖС может уменьшить долю частиц с  диаметром менее 1 мкм (аэрозолей), при оценке взрывоопасности этот размер чрезвычайно важен.
. Например, добавление МЖС в количестве 200 кг на 20 тонн\час (рабочая производи-тельность молотковой мельницы ТЭЦ-5 (Новосибирск) позволит уменьшить образование высокодисперсной фракции угольной пыли размером менее 1 мкм в 30-200 раз в зависи-мости от режимов ударного крошения частиц в мельнице.
      При добавлении МЖС  взрывоопасная фракция частиц (около 1 мкм и меньше) оказы-вается связанной с поверхностью крупных частиц угля  и с металлическими деталями мельницы. Что резко снижает пороги взрывоопасности в таких объемах даже при повы-шении температуры в мельницах. Повышение температуры важно для снижения влаги в молотом угле (процесс сушки при углеподготовке становится более глубоким, для наших модельных шаровых мельниц можно  убрать еще 3-4% влажности из угольного помола).
      Предлагаемое  нанесение оболочек на угольные пылевые частицы в сотни микрон ме-няет механизмы горения такой частицы в факеле – нет почти факела выброса, окисление (горение) во многом происходит гетерогенно, на поверхности угля. При этом железо не успевает перейти в формы магнитных частиц, что резко сокращает процесс коагуляции в факеле. (Магнитные частицы в виде доменов намагниченности существуют до 50-60 нм по размерам и их константа коагуляции в 30 – 90 раз выше обычной броуновской кон-станты коагуляции.)

Пример использования способа.
Нами проведены модельные эксперименты на стенде НГУ –Ключи для углей с МЖС и без ( помол в лабораторных мельницах ударного и шарового типов).
Крупность помола варьировалась для бурых углей от 1-2 мкм и до 150 мкм, средний раз-мер от 30 и до 80 мкм, причем более детальное распределение частиц по размерам опре-деляется как временем помола, так и скоростью вращения барабанов.
В качестве модификатора жидкого стекла использовали   C17H35COONa. Предваритель-но определяли краевой угол смачивания на примере бурого угля Бородинского угольного карьера (Красноярский край). Результаты  представлены в Таблице 1
Таблица 1
Процент  C17H35COONa        Краевой угол смачивания раствора МЖС
0 70-80 град
0,01 55-65
0,05 35
0,1 Менее 10

Таким образом,  для данного типа модификатора при его введении в количестве 0.1% от массы первичного жидкого стекла, получаем угол смачивания, удовлетворяющий необхо-димым условиям, описанным выше.
    Важно в режимах помола в высокопроизводительных молотковых мельницах, чтобы растекание МЖС по поверхности угля и затекание его в щели за счет капиллярного эф-фекта происходило очень быстро, т.е. за короткое время.  Это время в наших эксперимен-тах составляет около 0.05 -  0.15 секунды и менее. То есть полученные растворы должны быть не вязкими.
    В этих экспериментах - степень  заполнения  пленкой поверхности частицы  - на выходе из молотковой мельницы составляла от 10% до 30% от общей поверхности этой частицы.
       Исследования показали, что при помоле за счёт механических разрушений угольных частиц на поверхность выходят щели размером от 50 нм и до 1500 нм (так называемые новые щели).
Начальная стадия механического размола большой (5 мм) частицы угля с добавками МЖ представлена на. Фото 1. Появляется несколько типов щелей. Большие – ширина десятки микрон, по которым уголь распадается на следующие куски. Малые классические – типа дислокационных щелей по плоскостям спайности  угля.  И новый тип, обнаруженный нами, -  кратеры во фронте ударной волны, которые выбрасывают включения с высоким содержанием минеральной фракции с поверхности угля с размерами микрометра и менее.
        При нанесении МЖС на поверхность угольной частицы Фото 2,3,  -защитная высокотемпературная плёнка  образуется только на этих мини-щелях и дефектах, стабилизируя их дальнейшее развитие и перекрывая выброс как газовых компонент через щели, так и минеральных частиц.
       При добавлении МЖС  взрывоопасная фракция частиц (около 1 мкм и меньше) ока-зывается связанной с поверхностью крупных частиц угля  и с металлическими деталями мельницы Фото 4
      Отметим, что мы провели экспериментальные работы на углях не только свежедобы-тых (менее 1 месяца), на которых процесс трещинообразования еще только начинается. Но и на углях, выдержанных по три года хранения  на открытом складе.
Обычно такие угли считаются уже не пригодными для стандартного  молоткового процесса приготовления топлива. Однако наши эксперименты по «залечиванию» трещин с помощью высокотемпературной пленки показали, что воспламенения угольных частиц в факеле такого топлива (модельные эксперименты на стенда НГУ – Ключи) практически совпадают с температурами поджигания факела «свежего» топлива.
Уголь Время хранения Вес (грамм) Время до воспламе-нения над поверхно-стью на эталонном нагревателе с обду-вом
Бородинский Бурый 2 недели 20, 66, 130 2-3 мин
Каменный, Кемеро-во 2 года 45, 77, 113 2,5-3,2 мин
Бурый      Монголь-ский 3 года, открытый
Склад 14, 29, 94
1,6- 2,2 мин

Брикетный Про-копьевский  уголь 5 лет, Склад 120,  30,  56 1.5 – 1.8 мин (СВЧ поджиг)

Важным свойством  нанесения оболочки является повышение эффективной выс-шей теплоты сгорания углей с оболочкой и с большим содержанием минеральной фрак-ции.  Для Прокопьевских  образцов эта величина увеличилась на 10-15%. Для остальных образцов эта величина не измерялась в Аттестованной Заводской Лаборатории.