1. Состояние проблемы. Сокращение внутренних поставок котельного топлива и высокие цены на поставку топлива потребителям делают крайне актуальным в угледобывающих регионах России максимальное использование местных топливных ресурсов для выработки тепла, особенно на малых и средних котельных (МСК). Вместе с тем, основным способом выработки тепла в системе ЖКХ в угледобывающих регионах является послойное сжигание угля с применением крайне ограниченных средств механизации. Поэтому коэффициент использования энергетического потенциала угля на МСК составляет 0,4 - 0,6 от мировых показателей. Основной причиной низких показателей отечественных МСК являются неадекватные условия горения топлива, приводящие к преждевременному зашлаковыванию устройств сжигания и, соответственно, к выбросам в окружающую среду значительного количества опасных продуктов неполного сгорания топлива. Отсутствие на отечественных МСК эффективных средств подготовки теплофикационной воды еще более усугубляет ситуацию. Известные в мировой практике варианты решения проблемы повышения эффективности МСК в настоящее время в РФ практически неприменимы, поскольку требуют очень больших капиталовложений и наличия развитой системы сервисного обслуживания.

При послойном сжигании угля и углесодержащих горючих материалов одной из основных проблем является поджиг и, в меньшей степени, сопровождение процесса горения. Обычно для этих целей используют жидкое углеводородное топливо (дизельное и печное топливо, мазут), распыляемое через форсунки. Однако это приводит к существенному снижению эффективности работы МСК, поскольку требует наличия специального топливного хозяйства и аппаратуры, приспособленной для работы в холодное время года. Поэтому в условиях РФ целесообразным является использование принципиально иных систем поджига, независящих от наличия того или иного вида жидкого углеводородного топлива и климатических условий.

Также одним из факторов, влияющих на эффективность работы котлоагрегатов МСК, является очистка теплофикационной воды от содержащихся в ней минеральных солей. Современные методы очистки (водоподготовки) связаны либо с использованием дефицитных и дорогих химреагентов, либо с применением дорогостоящей аппаратуры. Причем большинство из известных процессов водоподготовки являются периодическими, поскольку требуют регенерации или замены активных элементов (мембран, адсорбентов и т.д.), со временем теряющих свои полезные свойства.

Оптимальным вариантом решения описанных проблем является комплексное использование новейших конверсионных отечественных технологий сжигания углеводородного топлива и водоподготовки для повышения эффективности котлоагрегатов при минимуме затрат на реконструкцию и эксплуатацию МСК, в частности, применение плазмохимических технологий.

2. Цель работы. Увеличение степени конверсии угля и углесодержащих материалов на МСК в тепло не менее чем на 10% при одновременном повышении технологической и экологической надежности производства путем:
- использования одноэлектродного высокочастотного самостабилизирующегося плазменного разряда для поджига и сопровождения горения, для увеличения времени нахождения топлива в зоне горения и управления процессом шлакообразования, в том числе размером частиц и их слипанием;
- полного исключения применения жидкого углеводородного топлива на котлоагрегатах;
- снижения токсичности продуктов сгорания за счет доведения конверсии углерода в двуокись углерода до 100%;
- разработки технологии и устройств для водоподготовки без использования химических реагентов и адсорбентов, совмещенных с системой обеспечения поджига и сопровождения угля;
- организации опытного производства комплектующих МСК изделий и системы подготовки эксплуатирующего МСК персонала.

3. Отличия, новизна и преимущества. Будет создана единая оптимальная технология сжигания угля и углесодержащих материалов на МСК. В отличие от существующих способов предлагается использовать для поджига и сопровождения процесса горения одноэлектродный высокочастотный самостабилизирующийся плазменный разряд, формируемый генератором, не имеющим аналогов в мировой практике. Разработка и внедрение предлагаемой технологии позволит исключить использование на МСК углеводородного топлива для поджига и сопровождения горения угля; осуществлять оптимизацию процесса горения и шлакообразования при минимальных эксплуатационных затратах и будет базироваться на отечественной (преимущественно региональной) материальной базе.

Будет создана технология подготовки теплофикационной воды для МСК, совмещенная с технологией сжигания угля в присутствии одноэлектродной плазмы, отличающаяся от известных практическим отсутствием расходуемых элементов и материалов. Технология подготовки воды представляет собой процесс обессоливания воды на «виртуальной мембране», формируемой в водной среде генератором, используемым в процессе поджига и сопровождения горения угля. Преимуществом данной технологии является отсутствие движущихся и сменяемых элементов, а также практическая независимость эффективной работы от состава водной среды, используемой на МСК.

4. Содержание работы. Предполагается:
- изучить закономерности поджига и сопровождения горения угля и углесодержащих материалов на переоборудованном для проведения опытных работ малом котлоагрегате;
- изучить закономерности извлечения примесей из теплофикационной воды в зависимости от состава водной среды;
- разработать опытную технологию поджига и сжигания угля и углесодержащих материалов, позволяющую увеличить степень конверсии угля в тепло не менее чем на 10%;
- разработать опытную технологию водоподготовки;
- создать опытное производство технологического оборудования и комплектующих изделий для обеспечения технологии сжигания угля и водоподготовки на МСК;
- создать систему подготовки операторов МСК.

5. Основные технические (тактико-технические) показатели. Технологическими особенностями применения одноэлектродного высокочастотного плазменного разряда с самовозбуждением являются:
- стабильность излучения - зажигания плазмы в любом сорте угля, в том числе в рядовом, отсеве, концентрате, сухом, влажном, с примесью породы;
- ионизация всей поверхности горящего угля (при послойном сжигании) или ионизация всего объема угле-воздушной смеси, вводимой в зону горения;
- увеличение температуры и времени сгорания угля в слое (объеме) до позволяющих обеспечить 100% конверсию углерода;
- простота конструкции и надежность эксплуатации.
Физические и химические свойства среды горения в данном случае существенным образом отличаются от традиционных. Горение топлива происходит в «плазменной» ионизированной среде, где автоколебательная система формирует и высокочастотные, и низкочастотные колебания. Вследствие этого технология дает возможность оптимизировать время нахождения топлива в зоне горения, управлять процессом шлакообразования, в том числе размером частиц шлака, и регулировать состав выбросов в атмосферу.

В зависимости от мощности котлоагрегата система может иметь:
- массу источника питания 2 - 20 кг, блока возбуждения (генератора) 4 - 60 кг;
- энергопотребление 5 - 30 КВА.

В качестве материала электродов могут быть использованы любые жаростойкие металлы и сплавы, включая чугун и углеродистую сталь. Срок службы электродов составляет не менее 9 месяцев.

Технология подготовки теплофикационной воды также основана на использовании высокочастотного одноэлектродного плазменного разряда и практически тех же конструктивных элементов системы поджига угля. Отличительной особенностью данной системы водоподготовки является формирование в водной среде «виртуальной мембраны» при помощи одноэлектродного разряда, обеспечивающего разделение воды и ионов солей, как катионов, так и анионов, а также осаждение органических соединений вместе со шламом. В результате очищенная вода по своим характеристикам приближается к дистиллированной. Технология водоподготовки практически не зависит от состава воды, а необходимая степень очистки определяется варьированием параметров плазмы по результатам предварительного анализа воды.

Установка водоподготовки конструктивно состоит из блока очистки, блока управления и шламонакопителя. В качестве конструкционных материалов используются обычные углеродистые стали. Сменяемые элементы отсутствуют.

Технология водоподготовки может быть использована для снабжения населения и технологического персонала питьевой водой, а также в системе очистки сточных вод.

6. Экономические показатели. Предполагается обеспечить экономию угля на МСК не менее чем на 10% от существующего потребления и полностью исключить использование жидкого углеводородного топлива для поджига и сопровождения горения угля. Применение данной технологии позволит расширить ассортимент сжигаемого углесодержащего топлива за счет вовлечения в процесс шламов от обогащения угля. Кроме того, экономические показатели МСК будут повышены еще и за счет сокращения платежей на охрану окружающей среды (так как прекратятся выбросы продуктов неполного сгорания угля в атмосферу).

Применение технологии водоочистки позволит увеличить ресурс теплообменников котлоагрегатов не менее чем на 50% при сохранении коэффициента теплопередачи.