СПОСОБ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩЕГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА В ФОРКАМЕРЕ Российский патент 2004 года по МПК F23C11/00 F23C1/10 

Изобретение относится к способам зажигания и стабилизации горения углеродосодержащего жидкого топлива, используемого в котельных установках, топочных устройствах и других теплогенерирующих установках.

Известен способ зажигания и стабилизации водоугольного топлива (ВУТ) с помощью горящего слоя твердого топлива. (Исаев В.В. Исследование процесса сжигания отходов углеобогащения над слоем топлива. В сб. "Новые методы сжигания топлива и вопросы горения". М.: Наука, 1969 г., 212 с.).

Недостатком известного способа является наличие постоянно поддерживаемого слоевого сжигания твердого топлива, что усложняет технологическую схему и эксплуатацию топливных установок сжигающих ВУТ, снижает экономическую эффективность применения ВУТ.

Известен способ зажигания и стабилизации горения жидкого топлива, включающий подачу и распыление топлива, розжиг и стабилизация его горения производится с использованием теплоты, получаемой при сжигании дополнительного высокореакционного топлива (мазута, котельно-печного топлива, солярового масла и т.п.) и подогревом дутьевого воздуха. (Некрасов В.Г. Исследование процессов распыливания водоугольных суспензий и форсунок для сжигания их. Автореф. диссертации... канд.техн.наук. Алма-Ата, 1972 г., 16 с.).

Недостатком известного способа является необходимость наличия двух видов топлив основного ВУТ и розжигового (природного или другого горючего газа, или жидкого), сложность технологической схемы и ее эксплуатации, необходимость наличия системы зажигания высокореакционного топлива, повышенные требования к взрыво- и пожаробезопасности установки.

Известен способ сжигания жидкого, преимущественно ВУТ, включающий подачу и распыление топлива, розжиг и стабилизацию его горения с использованием потока термической плазмы, генерируемой электродуговым нагревателем газа, который формируется внутри струи распыленного жидкого топлива, соосно с ней, а с внешней стороны струи организуют поток горячего воздуха, либо смеси воздуха и горячих газов, преимущественно рециркулирующих из зоны горения (Патент РФ №2134841, кл. F 23 Q 5/00, 1997 г.).

Недостатками данного способа являются:

- повышенные энергозатраты на розжиг и стабилизацию горения ВУТ, поскольку поток термической плазмы взаимодействует с распыленным топливом в приосевой зоне, наиболее бедной окислителем (воздухом), что задерживает процессы воспламенения и горения, а следовательно, для компенсации низкой концентрации окислителя необходимо повысить температуру смеси за счет подвода плазмотроном большего количества энергии;

- низкая эффективность способа, поскольку при расположении топливных форсунок вокруг сопла плазмотрона, из которого истекает высокотемпературная струя (2500-4000°С), в форсунках при температурах выше 100°С будет происходить процесс коксования ВУТ, приводящий к частичному, а затем и полному перекрытию поперечного сечения форсунок прококсовавшимися частицами угля и прекращению топливоподачи;

- отрицательное воздействие на окружающую природную среду, поскольку при взаимодействии высокотемпературной плазменной струи (2500-4000°С), с частицами угля, парами воды и азотом, входящим в состав воздуха, образуются вредные вещества CN, CHN (Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Крюков В.Г. и др. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. М.: Наука, 1989, с.204).

Наиболее близким к заявляемому способу, по своей технической сущности (прототипом), является способ зажигания (воспламенения) и стабилизации горения водоугольного топлива в форкамере, включающий подачу, распыливание топлива и тепловую обработку распыленной форсункой струи топлива у устья струи топлива потоком термической плазмы, генерируемой электродуговым нагревателем газа, в предварительно разогретой потоком плазмы до 500-750°С форкамере, при этом длину потока плазмы формируют, исходя из условия того, что поток плазмы полностью пронизывает струю распыленного ВУТ (Патент РФ №2145038, кл. F 23 Q 5/00, 1997 г.).

Следует отметить, что в патенте не определено, какой смысл имеет словосочетание "разогретой потоком плазмы до 500-750°С форкамере", как температуры стенки форкамеры или как температуры среды, находящейся внутри форкамеры. Из текста патента следует, что "прогрев форкамеры осуществляется до появления светимости внутренней поверхности участка форкамеры", откуда следует, что температурный интервал 500-750°С характеризует температуру стенки форкамеры.

Недостатками известного способа являются:

- температура воспламенения и стабилизации горения водоугольного топлива не может характеризоваться температурой стенки форкамеры 500-750°С, которая соответствует условиям воспламенения ВУТ в конкретной форкамере. В то же время, температурный диапазон 500-750°С примерно на 250° выше истинной температуры воспламенения ВУТ. Температуру воспламенения и стабилизации горения ВУТ характеризует температура, которая имеет место именно в зоне распыленного ВУТ. Значения температуры стенки форкамеры и в зоне распыливания ВУТ связаны друг с другом и зависят от конструкции форкамеры и организации способов теплообмена между струей плазмы и стенками форкамеры, и имеется качественное соответствие, а именно чем выше температура стенки форкамеры, тем выше температура внутри нее;

- повышенные энергозатраты, связанные с неэффективностью предварительного прогрева стенок форкамеры до температур стенки 500-750°С, только за счет плазмотрона, поскольку высокотемпературная струя плазмы (2500-4000°С), нагревая стенки форкамеры, в основном за счет лучистого теплового потока, покидает объем форкамеры, не передав ей большую часть своей тепловой энергии;

- повышенные энергозатраты на розжиг и стабилизацию горения ВУТ в форкамере, связанные с локальным воспламенением ВУТ вдоль направления струи плазматрона, воспламеняющего сравнительно небольшую часть от общего количества распыленного топлива, вследствие чего полное воспламенение струи топлива происходит после смешения струи плазматрона и воспламененной им части топлива, из-за чего плазмотрон должен работать в течение всего времени выхода форкамеры на установившийся температурный режим;

- отрицательное воздействие на окружающую среду газообразных продуктов реакций, образующихся под воздействием высокотемпературной плазменной струи;

- приведенная в патенте длина потока плазмы ошибочна, поскольку не учитывает искривление струи плазмы под воздействием струи распыленного ВУТ (Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960 г., с.581-596).

Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности процессов воспламенения (розжига) и стабилизации горения жидкого, преимущественного водоугольного топлива в форкамере.

Указанная цель достигается тем, что в способе воспламенения и стабилизации горения углеродосодержащего жидкого топлива в форкамере, включающем подачу, распыление топлива и тепловую обработку распыленной форсункой струи топлива в предварительно разогретой форкамере, предварительный разогрев форкамеры и тепловую обработку распыленной струи топлива осуществляют с помощью открытого реактора нагрева сверхвысокими частотами (СВЧ-реактора), при этом осуществляется контроль стабилизации горения топлива по температурам в зоне горения и стенке форкамеры при каждом уменьшении мощности СВЧ-реактора.

Отличием является и то, что случае, если в качестве углеродосодержащего жидкого топлива используют водоугольное топливо, предварительный разогрев стенок форкамеры осуществляют до температуры, соответствующей температуре в зоне воспламенения топлива в диапазоне 200-450°С, а если используют водомазутное топливо, предварительный разогрев стенок форкамеры осуществляют до температуры, соответствующей температуре в зоне воспламенения топлива в диапазоне 150-250°С.

Существенным отличием заявляемого способа от прототипа является то, что разогрев форкамеры и распыленного ВУТ производиться не с помощью локальной высокотемпературной струи газа, а с помощью открытого реактора нагрева сверхвысоких частот (СВЧ-реактора), позволяющего производить нагрев всей среды, находящейся в зоне воспламенения, до заданной температуры воспламенения, более низкой, чем температура плазменной струи, что предотвращает появление вредных выбросов в продуктах горения.

В отличие от прототипа, тепловой обработке подвергается не часть распыленной струи топлива, а весь объем распыленного топлива в зоне воспламенения, что способствует зажиганию и горению топлива во всем объеме зоны воспламенения, не требует, как в прототипе, перемешивания плазменной струи и воспламененной им части топлива с остальной частью распыленного топлива для его последующего воспламенения и сжигания.

Необходимо также отметить, что, в отличие от прототипа, тепловой обработке подвергается не только распыленное топливо, но и водяной пар, присутствующий в воздухе, подаваемом для сжигания в горелку. Этот нагрев воздуха также способствует лучшему воспламенению и стабилизации процесса горения топлива.

В отличие от прототипа, разогрев стенок форкамеры производится не высокотемпературной плазменной струей, истекающей в общий топочный объем, а за счет нагрева среды, находящейся в объеме форкамеры, до высокой температуры (1000-1500°С) и поддержания ее на заданном уровне, что уменьшает энергозатраты на ее разогрев. Поскольку в обоих случаях теплообмен между средой, находящейся в объеме форкамеры, и ее стенкой происходит, в основном, путем лучистого теплообмена, сокращение энергозатрат на разогрев стенок форкамеры примерно равно отношению расхода плазменной струи (в прототипе) к количеству среды, находящейся в объеме форкамеры (по предлагаемому изобретению).

В отличие от прототипа, заданный интервал температур воспламенения и устойчивого горения 200-450°С для ВУТ и 150-250°С для водомазутного топлива характеризует именно те температуры, которые должны иметь место в зоне воспламенения и горения, а не ничего не определяющую температуру стенки форкамеры. Присутствие воды в ВУТ и водомазутном топливе, в которой поглощается СВЧ излучение, способствует более быстрому нагреву топлива в целом, что способствует его воспламенению и стабилизации процесса горения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема, характеризующая предлагаемый способ зажигания и стабилизации жидкого топлива в форкамере.

На первом этапе производят тарировку форкамеры. Включают открытый СВЧ-реактор 1 и после прогрева стенок форкамеры до установившего температурного состояния (соответствующего подведенной мощности СВЧ-реактора), которое контролируют термопарой 2, через топливную форсунку горелки 3 в форкамеру подают расход воды, соответствующий расходу топлива, и соответствующий расход воздуха на распыливание. Величину температуры в ожидаемой зоне воспламенения 4 топлива в камере контролируют с помощью термопары 5. Зона воспламенения 4 расположена на некотором расстоянии от среза топливной форсунки, при перемещении через которое топливная смесь нагревается от температуры впрыска до температуры воспламенения. Приближено расстояние до зоны воспламенения может быть определено расчетным путем, которое затем уточняется экспериментально. Путем регулирования мощности развиваемой открытым СВЧ-реактором 1 добиваются достижения заданного уровня температуры в зоне воспламенения 4, и определяют момент времени, начиная с которого температура внутренней стенки форкамеры практически перестает изменяться, что соответствует установившемуся температурному состоянию форкамеры. В результате проведенной тарировки определяют режим выхода форкамеры на установившееся температурное состояние при наличии расхода воды и воздуха, то есть определяются временные интервалы и мощности СВЧ-реактора, которые обеспечивают выход форкамеры на заданный тепловой режим. Такая тарировка выполняется для всех заданных режимов расхода топлива.

При проведении рабочих запусков последовательность действий следующая. В соответствии с данными тарировочных испытаний, с помощью открытого СВЧ-реактора 1, устанавливается стационарный тепловой режим форкамеры, соответствующий заданному массовому расходу топлива и воздуха, но без фактической подачи воды и воздуха, вследствие чего температуры в зоне воспламенения и стенок форкамеры будут выше, чем в тарировочных испытаниях. После прогрева стенок форкамеры до установившегося температурного состояния в нее впрыскивается топливо воздухом. С целью предотвращения срыва процесса розжига (воспламенения) расход топлива плавно изменяют от минимально возможного, по условиям топливоподачи, до заданного значения. Контрольным параметром, свидетельствующим о правильности заданного (подобранного) темпа роста топливоподачи, является рост температур в зоне воспламенения 4 и стенке форкамеры за счет тепловыделения от горения топлива, контролируемых термопарами 5 и 2. После выхода на установившийся режим по топливоподаче и установившийся температурный режим в зоне горения топлива и стенке форкамеры производят ступенчатое снижение мощности, развиваемой СВЧ-реактором 1. Контроль стабилизации процесса горения при каждом уменьшении мощности СВЧ-реактора осуществляют по температуре в зоне горения и стенке форкамеры. Если при снижении мощности, развиваемой СВЧ-реактором, температура в зоне воспламенения топлива 4 снижается ниже 200-450°С, это является свидетельством того, что для стабилизации процесса горения топлива необходим подвод сторонней энергии, который, в данном случае, обеспечивается открытым СВЧ-реактором 1. В этом случае СВЧ-реактор обеспечивает воспламенение и стабилизацию горения, выполняя в последнем случае функцию "дежурного факела", обеспечивающего непрерывность процесса горения. В отсутствие организации такой поддержки стабильность процесса горения может нарушиться, и процесс горения может прекратиться. Например, если водомазутная топливная смесь плохо перемешана, то, из-за наличия прослоек воды, которые в преимущественном виде поступают в данный промежуток времени в форкамеру, возможно прекращение процесса горения топливной смеси. В случае ВУТ, одной из причин прекращения стабильного горения может также быть недостаточная гомогенизация топлива или забор его из верхней части резервуаров, содержащих сравнительно большее количество водной фазы.

Если при снижении мощности СВЧ-реактора, в том числе при его полном отключении, температура в зоне воспламенения топлива 4 выходит на установившееся значение, лежащее внутри диапазона 200-450°С или выше для ВУТ, а температура стенки форкамеры сохраняется примерно постоянной, это означает, что используемое ВУТ вышло на режим самостабилизации процесса горения в условиях данной форкамеры. В этом случае СВЧ-реактор обеспечивает только функции воспламенения топливной смеси, поскольку после воспламенения режим горения поддерживается автоматически, то есть нет необходимости поддерживать его стабильное горение за счет каких-либо дополнительных мероприятий.

Конкретный выбор температурных режимов зажигания и стабилизации горения ВУТ зависит от реакционных свойств угля, выхода летучих, его зольности, массовой концентрации угля в ВУТ, конструктивных особенностей (размеров) форкамеры. При выборе основных технологических параметров необходимо руководствоваться следующими соображениями. Температура 200°С в зоне распыливания ВУТ рекомендуется для топлив на основе высокореакционных углей, с большим выходом летучих, большой массовой концентрацией угля в ВУТ, малой зольности угля и меньшей дисперсностью твердой фазы (факторы расположены по степени уменьшения влияния). Температуры 450°С в зоне распыливания ВУТ рекомендуются для низкореакционных углей, с малым выходом летучих, меньшей массовой концентрацией угля в ВУТ, большей зольностью и большей дисперсностью твердой фазы в ВУТ.

Учитывая многообразие факторов, определяющих температуру воспламенения ВУТ, эта величина должна быть определена экспериментально в каждом случае отдельно.

Для дисперсности "- 300 мкм", содержании твердой фазы от 48% (бурые угли) и до 62% (каменные угли) и зольности на уровне 15-25%, ориентировочные значения температур воспламенения составляют: бурые угли - 200°С, каменный марки Д - 250°С, марки СС (экибастузский) - 350°С, марки Г (донецкий) - 400°С, антрацит - 450°С.

Аналогичный подбор режима работы СВЧ-реактора проводится и для водомазутного топлива.

В настоящее время в ГУП НПО "Гидротрубопровод" по предлагаемому способу разработана конструкторская документация и ведется изготовление опытного образца.

Изобретение относится к способам зажигания и стабилизации горения углеродосодержащего жидкого топлива. Способ воспламенения и стабилизации горения углеродосодержащего жидкого топлива в форкамере включает подачу, распыление топлива и тепловую обработку распыленной форсункой струи топлива, в предварительно разогретой форкамере, тепловую обработку распыленной струи топлива и предварительный разогрев стенки форкамеры осуществляют с помощью открытого реактора нагрева сверхвысокими частотами (СВЧ-реакторе), при этом осуществляют контроль стабилизации горения топлива по температурам в зоне горения и стенке форкамеры при каждом уменьшении мощности СВЧ-реактора. В качестве углеродосодержащего жидкого топлива используют водоугольное топливо, при этом предварительный нагрев стенки форкамеры осуществляют до температуры, соответствующей температуре в зоне воспламенения топлива в диапазоне 200-450°С. В качестве углеродосодержащего жидкого топлива может быть использовано водомазутное топливо, при этом предварительный нагрев стенки форкамеры осуществляют до температуры, соответствующей температуре в зоне воспламенения топлива в диапазоне 150-250°С. Изобретение позволяет повысить эффективность и экономичность процессов воспламенения (розжига) и стабилизацию горения жидкого топлива. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ воспламенения и стабилизации горения углеродосодержащего жидкого топлива в форкамере, включающий подачу, распыление топлива и тепловую обработку распыленной форсункой струи топлива в предварительно разогретой форкамере, отличающийся тем, что тепловую обработку распыленной струи топлива и предварительный разогрев стенки форкамеры осуществляют с помощью открытого реактора нагрева сверхвысокими частотами (СВЧ-реакторе), при этом осуществляют контроль стабилизации горения топлива по температурам в зоне горения и стенке форкамеры при каждом уменьшении мощности СВЧ-реактора.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродосодержащего жидкого топлива используют водоугольное топливо, при этом предварительный нагрев стенки форкамеры осуществляют до температуры, соответствующей температуре в зоне воспламенения топлива в диапазоне 200-450°С.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродосодержащего жидкого топлива используют водомазутное топливо, при этом предварительный нагрев стенки форкамеры осуществляют до температуры, соответствующей температуре в зоне воспламенения топлива в диапазоне 150-250°С.