СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПЛАМЕНЕМ Российский патент 2019 года по МПК F23C99/00 

Изобретение относится к технологиям сжигания газообразного углеводородного топлива в топке котлов, под действием внешнего электрического поля постоянной отрицательной напряженности. Способ интенсификации и управления пламенем при горении топлива в котлах включает увеличение скорости горения, повышение жаропроизводительности, снижение избытка воздуха в топке, увеличение скорости нарастания температуры смеси, снижение вредных выбросов СО и NO_x и повышение мощности котла.

Способ заключается в воздействии внешнего электрического поля постоянной отрицательной напряженности на факел пламени в топке с внедрением в топку кольцевых электродов. Внедрение электродов возможно в уже существующие котельные установки, без существенной реконструкции котла. Способ основан на повышении частоты столкновений и сокращении длинны свободного пробега молекул.

Изобретение относится к способам сжигания для получения теплоты и может быть использовано в системах сжигания газообразного углеводородного топлива, применяемых в широком спектре отраслей промышленности (обжиг, плавка, пирометаллургия и т.п.), коммунальном хозяйстве (сжигание отходов, бойлерные и т.п.), энергетике (различные виды двигателей внутреннего сгорания, теплоэнергетические установки и т.п.) и т.д. для получения работы и/или получения энергии.

Из уровня техники известен способ улучшения сжигания в условиях внешнего электрического поля - патент RU №2663969 «Способ интенсификации процесса горения топлива» и, взятый за прототип, патент RU №2125682 «Способ интенсификации и управления пламенем».

Известные способы обладают универсальностью по топливу - твердое, жидкое и газообразное и по агрегатному состоянию каталитической добавки, но имеют свои недостатки. А именно - обладают сложным расположением электродов применительно к реальным топкам котлоагрегатов, так как воздействие идет высокой напряженности для пламени и вероятно происходит в пробойном состоянии. Так же данные способы не учитывают различия воздействия электрических полей различной напряженности. И воздействие идет при помощи поля напряженностью свыше 2 кВ/см, что сложно реализовать для высокоионизированных факелов углеводородных топлив.

Целью изобретения является устранение данных недостатков.

В предложенном способе горение топливно-воздушной смеси происходит в несколько этапов. На первом этапе происходит нагрев холодной смеси до температуры самовоспламенения. Проходя температуру самовоспламенения начинается экзотермическая реакция горения с переходом вещества из газообразного состояние в состояние высокоионизированной квазинейтральной плазмы с высокой концентрацией заряженных частиц. Достигая температуры жаропроизводительности смеси, вещество переходит в газообразное состояние дымовых газов.

Характеристики жаропроизводительности, скорости фронта факела и его длины зависят от скорости прохождения реакции. Скорость реакции между молекулами, соответствующими максвелловскому распределению зависит от частоты столкновения частиц:

Внешне электрическое поле будет воздействовать силой F на заряженные частицы плазмы (1) и молекулы имеющие дипольный момент в ходе реакции (2), изменяя вектор скорости движения частиц и снижая длину свободного пробега.

Технический результат данного способа - увеличение скорости окисления топлива, повышение жаропроизводительности, увеличение скорости нарастания температуры окисления, более полное сгорание топлива, снижение избытка воздуха в топке с сохранением полноты сгорания топлива, снижение вредных выбросов СО и NO_x вплоть до нижнего порога обнаружения газоанализатора.

Способ пояснен на примере схемы - Фиг. 1. Предлагается следующая схема расположения электродов в топке котла, где 1 - электрод с зарядом, 2 - направление движения топливной смеси, 3 - корпус горелки, 4 - дальний заземленный электрод, 5 - факел пламени.

Способ реализуется следующим образом:

Воздействие на форму и скорость реакции производится подачей напряжения отрицательного потенциала на электрод 1 расположенный близ плоскости среза горелок и заземления электрода 4. Так же возможна подача отрицательного электрического потенциала на электрод 4 с заземлением электрода 1. Выбор электрода под напряжением выбирается опытным путем на разной нагрузке котла.

Воздействие на экологические характеристики котла, а именно на концентрацию СО и NO_x в дымовых газах производится подачей отрицательного потенциала на дальний заземленный электрод 4, расположенный на дальней стенке топки котла, либо на расстоянии от этой стенки в сторону горелки, с подбором оптимального диаметра и расстояния между электродами опытным путем в зависимости от конфигурации факела пламени и геометрических характеристик топки котла.

Под действием силы на заряд, происходит увеличение скорости частицы в направлении совпадающим с вектором силовых линий электрического поля постоянной отрицательной напряженности, и ее снижение в направлении перпендикулярном линиям действия силы, тем самым ограничивая свободу движения частиц имеющих заряд в направлении перпендикулярном силовым линиям электрического поля постоянной отрицательной напряженности. Частота столкновения заряженных частиц повышается, ввиду снижения сечения столкновений, так как свободное перемещение частиц пламени факела горелки 6 происходит с ограничением в направлении перпендикулярном силовым линиям поля. Поле воздействуя торможением на заряженную частицу в плоскости перпендикулярной силовым линиям будет вызывать тормозное излучение, повышая светимость факела пламени 5, в том числе в ИК диапазоне, что приведет к повышению теплопередачи в топке.

Настройка системы ведется по анализу дымовых газов. Напряженность электрического поля для снижение вредных примесей в дымовых газах, напряжение на втором электроде подбирают опытным путем. Повышение температуры происходит при максимуме прикладываемого допробойного напряжения на электрод с зарядом 1. Сокращение длины факела пламени 5 контролировать по смотровым окнам.

Увеличение длины факела пламени горелки 5 возможно при подаче отрицательного потенциала на дальний заземленный электрод 4, что поднимет эффективность работы котлоагрегата в режимах работы ниже номинального, ввиду более равномерного заполнения факелом топочного объема.

Таким образом, предложенный способ интенсификации и управления пламенем позволяет существенно увеличить скорость окисления топлива, повысить жаропроизводительность, увеличить скорость нарастания температуры окисления, снизить избыток воздуха в топке с сохранением полноты сгорания топлива, снизить вредные выбросы СО и NOx вплоть до нижнего порога обнаружения газоанализатора.

Изобретение относится к области энергетики. Способ интенсификации и управления пламенем путем подачи в зону горения топливно-окислительной смеси газообразных углеводородных топлив под действием внешнего электрического поля постоянной отрицательной напряженности заключается в том, что первый электрод устанавливают вокруг среза горелки, второй - на противоположной стенке котла и электроды имеют форму кольца из тугоплавких материалов, благодаря чему электрическое поле постоянной отрицательной напряженности до 150 кВ/м генерируется между кольцевыми электродами, расположенными по ходу движения топливно-воздушной смеси, и воздействует на частоту столкновения частиц, тем самым влияя на скорость прохождения реакции. Изобретение позволяет увеличить скорость горения, повысить жаропроизводительность, снизить избыток воздуха в топке, снизить вредные выбросы СО и NO_x. 1 ил.

Способ интенсификации и управления пламенем путем подачи в зону горения топливно-окислительной смеси газообразных углеводородных топлив под действием внешнего электрического поля постоянной отрицательной напряженности, отличающийся тем, что первый электрод устанавливают вокруг среза горелки, второй - на противоположной стенке котла и электроды имеют форму кольца из тугоплавких материалов, благодаря чему электрическое поле постоянной отрицательной напряженности до 150 кВ/м генерируется между кольцевыми электродами, расположенными по ходу движения топливно-воздушной смеси, и воздействует на частоту столкновения частиц, тем самым влияя на скорость прохождения реакции.