СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПЛАМЕНЕМ Российский патент 1999 года по МПК F23N5/00 F23G5/00 

Изобретение относится к огневым технологиям, применяемым в различных отраслях промышленности, а также в теплоэлектростанциях, в двигателях внутреннего сгорания.

Известны способы управления горением пламени путем регулирования подачи топлива и окислителя [1].

Существующие способы управления горением не позволяют существенно интенсифицировать процесс горения при одновременном снижении расхода окислителя (воздуха) и топлива (горючих веществ).

В результате увеличения объема подаваемого воздуха в зону горения соответственно возрастает и объем отходящих токсичных газов.

Наиболее близким техническим решением является способ, содержащий операции регулирования подачи топлива, воздуха и других горючих веществ в зону горения пламени [2].

Недостаток состоит в увеличении объема отходящих токсичных газов с увеличением подачи окислителя.

Прототип - существующий способ не позволяет интенсифицировать горение пламени при одновременном улучшении экологической чистоты отходящих газов.

Целью изобретения является устранение данных недостатков.

Способ управления и интенсификации горения пламени любых горючих веществ путем регулируемой подачи в зону горения окислителя, например воздуха, горючего вещества, например, жидкого топлива, и различных добавок, например воды, легкоионизируемых присадок, жидких или твердых отходов, причем вначале измеряют геометрические параметры пламени (высоту, диаметр), температуру и экологические параметры отходящих газов, например дымности окиси углерода, азота, углеводородов, затем обрабатывают пламя (от устья до вершины) сильным продольным электрополем с напряженностью не менее 1 кВ/см, например путем изменения напряженности и межэлектродного расстояния приложения поля, и вращают пламя с регулируемой частотой вращающимся поперечным электрическим (электромагнитным) полем, причем регулируют параметры электрополей (электрические - частоту, напряженность и пространственные - межэлектродное расстояние продольного поля и диаметр и высоту подъема системы пространственно сдвинутых на 120^o поперечных электродов, например сегментных) в зависимости от геометрических, тепловых параметров пламени, тонкую регулировку электрополей осуществляют в функции экологических параметров отходящих газов (C, CO, C_nH_m, NO), причем осуществляют электростатический распыл топливовоздушной смеси в зону горения пламени, также регулируют геометрическую форму пламени, например конусность, наклон, высоту, объем, площадь, изменением геометрических параметров упомянутых электрополей, например изменением наклона их осей приложения к оси пламени, расстоянием приложения полей к пламени, регулируют температуру, светимость и форму пламени путем изменения тока эмиссии от источника продольного электрополя, например путем смены его полярности, изменением напряженности поля, регулированием площади эмиссионной поверхности электродов, размещенных под пламенем.

Способ пояснен на примере устройства (чертеж).

Устройство для реализации предложенного способа содержит источник пламени 1, например горелку либо чашу с горючими веществами, трехфазную систему электродов 2, сдвинутых под 120^o, центральный и изолированный от горелки и от земли электрод 3 с игольчатым венцом 4, размещенным жестко на поперечной штанге 5 и подвижно на хотя бы одной вертикальной направляющей штанге 6, и устройством передвижения 7, например электродвигателем с реечно-винтовой парой, причем электрод 3 и горелка 1 электрически изолированы и присоединены к выходам высокого напряжения источника продольного электрополя 8, управляемого схемой управления 9, а выходы электродов 2 присоединены к трехфазному регулируемому по частоте и напряжению источнику поперечного поля 10 со схемой управления 11, причем входы схем управления 9 и 11 присоединены через управляющий логически функциональный блок 12 к датчикам 13 режима горения пламени и состава отходящих газов (T^oC, C, CO, C_nH_m, NO) и датчику ионизации (высота пламени) и др., на вход горелки 1 через регулятор 14, присоединенный к блоку 12, подают в горелку 1 топливо (Т) и воздух (В), причем горелка 1, электрод 3, штанги 5 и 6 дополнены электроизоляторами 15.

Пламя обозначено на чертеже позицией 16, а отходящие газы - 17.

Способ реализуется следующим образом: после подачи окислителя (В) и топлива (Т) в горелку 1 и воспламенения смеси, например, электроискровым способом измеряют высоту и другие параметры горения датчиками 13, после чего поднимают электрод 3 посредством устройства 7 на высоту, при которой венец 4 находится на 1 - 5 см выше вершины пламени 16, после чего подают на пламя 16 продольное и поперечное вращающиеся электрополя от блоков 8 и 10, раскручивают пламя 16 поперечным полем и одновременно осуществляют интенсификацию горения пламени регулированием напряженности продольного электрополя от блока 8, причем дополнительно управляют параметрами упомянутых электрополей в функции температуры пламени и др. (блок датчиков - 13).

Благодаря введению в пламя потока внешних электронов и выведению из пламени ионов регулируемой интенсивностью через венец 4 и электрод 3 от блока 8 возрастает интенсивность горения пламени, а дополнительное регулируемое вращение пламени трехфазным вращающимся электрополем через электроды 2 от блока 10 позволяет дополнительно застабилизировать пламя 16, повысить степень смешивания и дробления горящей топливовоздушеной смеси, т.е. также повысить интенсивность горения.

В связи с тем, что интенсивность горения пламени достигается при минимальных расходах воздуха, то снижается объем и возрастает качество очистки отходящих газов, т.е. осуществлена экологически чистая огневая технология горения пламени.

Интенсификация горения пламени достигается также тем, что топливовоздушно-водяную смесь электростатически распыляют до молекулярного уровня в сильном продольном электрическом поле между горелкой 1 и венцом 4 электрода 3.

В результате молекулярного распыления смеси улучшаются условия сгорания топливовоздушной смеси даже при дефиците окислителя. Углеводороды топлива в сильном электрическом поле сильно ионизируются, дробятся с восстановительной реакцией получения водорода и углерода, причем водород становится дополнительным энергоемким топливом, при сгорании которого пламя увеличивает светимость и температуру, достаточную для дожигания углерода в пламени.

Способ позволяет изменять, регулировать геометрические размеры пламени 16 путем изменения геометрических параметров электрополей от источников 8, 10, например изменением наклона осей приложения электроплей к пламени, например изменением наклона центрального электрода 3 относительно вертикали (первоначальной оси пламени), достигается загибание пламени 16 в эту же сторону, подъем электрода 3 приведет к увеличению конусности пламени, увеличение площади игольчатого венца 4 приведет к увеличению площади пламени 16, его температуры (T^oC), неизменной напряженности продольного электрополя.

Аналогично изменение плоскости вращения поперечного электрополя относительно пламени, а также частоты вращения от источника 10 приведет к изменению направления и объема пламени 16, например к его фокусировке при увеличении частоты вращения поля, что практически применимо, например, в металлообработке (резка, местный нагрев),
Изменением тока эмиссии с венца 4 можно регулировать интенсивность горения и высоту пламени 16.

При отрицательном потенциале на венце 4 пламя 16 "тянется" к венцу, увеличивая свою высоту, при смене полярности на венце 4 продольного электрополя от блока 8 пламя 16, напротив, "прижимается" к горелке 1.

Регулирование тока эмиссии венца 4 возможно также изменением площади венца, регулированием напряженности продольного электрополя.

Таким образом, способ позволяет существенно повысить управляемость процессом горения пламени, а также значительно (в 1,5 - 2 раза) повышает интенсивность горения.

Обозначения к чертежу.

"Способ интенсификации и управления пламенем"
1 - горелка либо чаша
2 - трехфазная система электродов, сдвинутых под 120^o
3 - электрод центральный
4 - венец
5 - поперечная штанга
6 - направляющая штанга
7 - устройство передвижения
8 - источник продольного электрополя
9 - схема управления
10 - источник поперечного поля
11 - схема управления
12 - логически функциональный блок
13 - датчики режима горения пламени
14 - регулятор подачи топливовоздушной смеси
15 - электроизоляторы
16 - пламя
17 - отходящие газы
T^oC - температура пламени
C - углерод (сажа, дымность)
CO - окись углерода
C_nH_m - углеводороды
NO - окись азота
σ - электропроводность (высота) палмени
f_пл - частота вращения пламени
f_п - частота вращения поля (электрического, электромагнитного)
Т - топливо
В - воздух
H₂O - вода
Д - добавки
f₁, f₂ - частота импульсов
α₁,α₂ - скважность импульсов
18 - втулка крепленияр

Использование: огневые технологии, применяемые в различных отраслях промышленности. Сущность изобретения: интенсификация горения пламени осуществляется путем обработки пламени сильным продольным электрополем (2 кВ/см и выше) и вращающимся сильным поперечным электрополем, например, посредством трехфазной системы электродов и трехфазного высоковольтного источника. Способ содержит также операции измерения высоты пламени и других его параметров, изменения межэлектродного расстояния приложения продольного поля к пламени с одновременной регулировкой напряженности поля. Способ позволяет также вращать пламя поперечным электрополем, что повышает степень перемешивания и дробления топливовоздушной смеси и дополнительно интенсифицирует горение. Предложенная новая операция элекстростатического распыления топлива в зону горения продольным электрополем до молекулярного уровня дополнительно интенсифицирует процесс горения пламени и снижает расход топлива. Способ позволяет регулировать также геометрию пламени, его температуру и теплопроводность изменением геометрии и электрических параметров упомянутых электрополей, например фокусировать пламя, что весьма необходимо, например, при термообработке металлов и сплавов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ интенсификации и управления пламенем путем подачи в зону горения топливоокислительной смеси, ее электростатического распыления, воспламенения и сжигания в продольном электрическом поле, отличающийся тем, что устанавливают межэлектродное расстояние приложения продольного электрического поля на 1 - 5 см, например, от горелки до дополнительного электрода больше длины факела пламени, напряженность продольного электрического поля устанавливают не менее 1 кВ/см и закручивают топливовоздушную смесь и пламя вращающимся переменным электрическим полем. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управляют интенсивностью горения пламени путем изменения величин напряженности и частоты продольного и вращающегося переменного электрического поля. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что управляют интенсивностью горения пламени путем изменения тока электронной эмиссии в зону горения при неизменной напряженности продольного электрического поля, а именно путем регулирования площади эмиссионной игольчатой поверхности венца электрода, размещенного над пламенем. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно в зону пламени вводят различные добавки (воду, жидкие и твердые отходы, легкоионизируемые вещества).