СПОСОБ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ УГОЛЬНОЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2020 года по МПК F23D1/02 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига и стабилизации горения пылеугольных и водоугольных топливных смесей без использования дополнительных топлив розжига.

Известен способ сжигания низкосортных углей и плазменная горелка для его осуществления (патент RU №2059926, С 1, МКИ F23D 1/00, F23Q 13/00, 1992), заключающийся в генерировании электрической плазменной дуги в плазмотроне-запальнике со стержневыми электродами, нагреве аэросмеси в дуговой плазме, розжиге и стабилизации горения аэросмеси. Генерирование электрической плазменной дуги осуществляют в канале подачи аэросмеси, выполненном в горелке. Для чего в указанном канале первоначально генерируют электрическую плазменную дугу и ее плазменными потоками возбуждают основную дугу, при этом плазмотрон-запальник перемещают вдоль стержневых элементов по мере их эрозионного разрушения.

Недостатком указанного способа является высокая энергоемкость плазматрона запальника, а также малый объемный контакт дугового разряда плазматрона и пылеугольной смеси. При этом химическая активация пылеугольных частиц происходит только за счет термического воздействия дуговой плазмы с температурой до 6000 градусов на примыкающие к плазменной струе потоки топливной смеси. Локальное высокотемпературное воздействие на топливную смесь приводит к взрывообразному испарения минеральных компонентов топлива в этой локальной области с дальнейшей их конденсацией на поверхностях горелочного устройства, что ведет к ошлаковыванию этих поверхностей и снижению эффективности работы горелки. При этом существенная доля угольных частиц, не контактирующая с горячей плазмой, попадает в топку в холодном состоянии, не участвует в реакциях горения и способствует формированию механического уноса из топки.

Известен способ сжигания топлива, принятый в качестве прототипа (заявка №2019104859/06(009220) заключающийся в том, что воспламенение топлива производят электрическим разрядом, стабилизируют и интенсифицируют горение факела, воздействуя на зону образования пламени переменным электрическим током высокой частоты, образуя в зоне образования пламени диффузный электрический разряд, и обеспечивают поддержание электростатического потенциала предпламенной зоны на уровне обеспечивающем требуемые параметры горения факела.

Известно устройство плазменного воспламенения пылеугольная горелка, принятое в качестве прототипа, содержит корпус, стержневые электроды для генерирования электрической дуги, топливопровод и трубопровод вторичного воздуха, (патент RU №2410603, С 1, МКИ F23Q 5/00, F23Q 13/00, 2009). Корпус разделен поперечной перегородкой на резонансную и охлаждающую камеры, причем в центре перегородки выполнен проход вторичного воздуха и в нем установлены с возможностью продольного перемещения стержневые электроды, причем их рабочая часть направлена внутрь резонансной камеры, а электрическую дугу создают переменным током высокой частоты в резонансной камере с образованием акустического поля.

Недостатками указанного способа и устройства, принятых в качестве прототипов является локализация области активации топливовоздушной смеси в межэлектродной зоне разряда. Такая малая локализация не позволяет обеспечить достаточную активацию топливовоздушной смеси с повышенной влажностью, низким уровнем летучих компонентов, увеличенным размером фракции частиц в составе угольной смеси. В результате при перемешивании такого потока частично воспламененной топливовоздушной смеси со вторичным воздухом в горелке происходит затухание пламени и погасание факела в топке.

Задачей решаемая предлагаемым изобретением является осуществление процесса гарантированного воспламенения топливовоздушной смеси, имеющей повышенную влажность, низкий уровень летучих компонентов и увеличенный размер фракции частиц в составе угольный смеси.

Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата становится возможным благодаря формированию потока низкотемпературной воздушной плазмы электрического диффузионного разряда, закрученного в циклонном предтопке тангенциально и с перемешиванием с потоком исходной топливовоздушной смеси включающей частицы крупных и тяжелых фракций частиц, вращающихся в циклоне. Одновременно с этим по оси циклона подается независимый поток низкотемпературной воздушной плазмы электрического диффузионного разряда, воспламеняющий частицы с мелкой и легкой фракциями топливовоздушной смеси движущиеся по оси циклона. Воспламененный осевой поток малых и легких частиц за счет теплового излучения активирует воспламенение тангенциального потока с крупными и тяжелыми частицами. Дополнительная активация этого процесса обеспечивается активной диффузией свободных электронов из низкотемпературной плазмы осевого потока к стенкам циклона за счет формирования потенциала электрического смещения по отношению к электродам осевого потока плазмы. При этом повышенное содержание свободных электронов в потоке угольных частиц способствует формированию первичных ионов (как правило СНО⁺ и С₃Н₃⁺) в реакциях горения углеводородов.

Для реализации описанного способа по изобретению предложено устройство факельного сжигания топливовоздушной смеси, содержащее цилиндрический корпус циклонного предтопка, с торцевой крышкой и открытым противоположным торцом со стороны топки. К цилиндрической части корпуса на входе в циклон со стороны закрытого торца, тангенциально подведен патрубок исходной топливовоздушной смеси. На входе в циклон на диаметральной по отношению к топливовоздушному патрубку установлен патрубок вторичного воздуха с встроенной в него электродной системой формирования низкотемпературной высокочастотной плазмы. На входе в циклон со стороны торцевой крышки и по оси циклона установлен патрубок третичного воздуха с встроенной в него электродной системой формирования низкотемпературной высокочастотной плазмы. Торцевая крышка циклона электрически изолирована от цилиндрической части циклона. Между осевой электродной системой и цилиндрической частью циклона включен источник питания постоянного тока.

Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенные технические решения соответствует условию изобретательского уровня.

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами

На фиг. 1 представлено поперечное сечение устройства факельного сжигания топливовоздушной смеси. На фиг. 2 представлен вид со стороны торцевой крышки циклонного предтопка.

Предлагаемое устройство факельного сжигания топливовоздушной смеси содержит цилиндрический корпус циклонного предтопка 1 к которому присоединена торцевая крышка 2, тангенциальный патрубок топливовоздушной смеси 3, тангенциальный патрубок вторичного воздуха 4 с встроенной электродной системой 5, формирующей плазму диффузионного электрического разряда 6. К торцевой крышке 2 присоединен патрубок третичного воздуха 7 с встроенной электродной системой 8, формирующей плазму диффузионного электрического разряда 9. Внутреннее пространство циклонного предтопка условно разделено на зону 10 с частицами крупной и тяжелой фракций и зону 11 с частицами мелкой и легкой фракций. К торцевой крышке 2 подключается источник постоянного регулируемого напряжения 12. Корпус циклона примыкает к корпусу котла 13.

Предлагаемый способ и устройство факельного сжигания топливовоздушной смеси реализуется следующим образом.

В патрубок 7 третичного воздуха подается воздух, после чего подается высокочастотное напряжение на систему электродов 8 и активируется диффузионный электрический разряд 9, вытягивающийся с торца электродов по ходу движения воздуха из патрубка 7. В патрубок 4 вторичного воздуха подается воздух, после чего подается высокочастотное напряжение на систему электродов 5 и активируется диффузионный электрический разряд 6, вытягивающийся с торца электродов по ходу движения воздуха из патрубка 4. В циклоне устанавливается тангенциальное в зоне 10 и осевое в зоне 11 вихревое движение высоко ионизированного потока воздуха. В патрубок 3 подается первичная топливовоздушная смесь, состоящая из первичного (транспортирующего) воздуха и угольных частиц разной фракции по массе и размерам. Поток топливовоздушной смеси разделяется в пространстве циклона по фракциям. В зоне 10 оказываются частицы с более тяжелой и крупной фракцией, а в зоне 11 оказываются частицы с более легкой и мелкой фракцией.

Поток угольных частиц в зоне 10 подвергается активирующему воздействию низкотемпературной плазмы 6 в объеме перемешивания потоков. После активации поток частиц в этой зоне частично воспламеняется и формируется неустойчивый (пульсирующий) факел. В результате пульсаций горения слабо активированные и несгоревшие частицы потенциально могут участвовать в механическом уносе в топку котла.

Параллельно с этим процессом поток угольных частиц в зоне 11 подвергается активирующему воздействию низкотемпературной плазмы 9 в объеме перемешивания потоков. После активации поток частиц в этой зоне воспламеняется и формирует устойчивый факел, выходящий в топку котла 13. Устойчивое воспламенение топливовоздушной смеси в этой зоне обусловлено наличием там благоприятного для воспламенения состава топлива, содержащего меньше влаги и имеющего меньшие размеры.

Устойчивое горение факела в зоне 11 формирует интенсивное тепловое излучение в объем зоны 10 и таким образом активирует стабильное воспламенение топливовоздушной смеси в зоне 10 с формирование устойчивого факела в этой зоне в котором сгорают до этого слабо активированные крупные и тяжелые частицы угля. Как итог происходит воспламенения во всем поперечном сечении циклона на выходе в топку котла и формирование устойчивого факела из горелки, без механического уноса.

При включении источника регулируемого постоянного напряжения 12 формируется постоянный электрический потенциал между системой электродов 9 и корпусом циклона 1. При этом в зависимости от полярности прикладываемого напряжения происходит диффузия свободных электронов либо вдоль оси зоны 11, либо поперек зоны 11 в направлении зоны 10. Таким образом, происходит интенсификация воспламенения, либо в зоне 11 за счет вытягивая в этой зоне факела пламени, либо в зоне 10, за счет сплющивания и уширения факела пламени из зоны 11 в зону 10. Регулирование напряжения производиться в диапазоне 0-10 кВ, что влияет на интенсивность описанных процессов. Для разных вариантов топливовоздушной смеси подбирается оптимальное соотношение полярности и уровня напряжения.

Предлагаемое изобретение позволяет сжигать трудновоспламеняемую топливовоздушную угольную смесь, без механического уноса, с минимальными удельными затратами энергии без использования дополнительного топлива.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных и т.п. для обеспечения самостоятельного розжига и стабилизации горения пылеугольных и водоугольных топливных смесей без использования дополнительных топлив розжига. Способ факельного сжигания топливовоздушной угольной смеси заключается в том, что создают электрический разряд в зоне воспламенения, подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения, воздействуют диффузным электрическим разрядом на зону образования пламени и осуществляют сжигание топлива. Первичный поток топливовоздущной смеси, активированный электрическим разрядом, закручивают в циклонном предтопке с обеспечением разделения фракций топливовоздушной смеси. Вторичный воздушный поток закручивают в циклонном предтопке по ходу первичного потока топливовоздушной смеси путем их перемешивания. Во вторичном воздушном потоке формируют диффузный электрический разряд низкотемпературной воздушной плазмы, который активирует частицы крупной и тяжелой фракций топливовоздушной смеси, вращающиеся в циклонном предтопке по спирали при перемешивании потоков. Одновременно с этим вдоль оси циклонного предтопка формируют третичный воздушный поток, в котором формируют независимый диффузный электрический разряд, поток плазмы которого перемешивается с потоком частиц мелкой и легкой фракций топливовоздушной смеси, движущейся вдоль оси циклонного предтопка, и воспламеняет его. Воспламененный осевой поток частиц мелкой и легкой фракций топливовоздушной смеси за счет теплового излучения активирует воспламенение тангенциального потока частиц крупной и тяжелой фракций топливовоздушной смеси, с формированием единого факела при выходе в топку. Изобретение позволяет сжигать трудновоспламеняемую топливную угольную смесь без механического уноса с минимальными удельными затратами энергии, без использования дополнительного топлива. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ факельного сжигания топливовоздушной угольной смеси, заключающийся в том, что создают электрический разряд в зоне воспламенения, подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения, воздействуют диффузным электрическим разрядом на зону образования пламени и осуществляют сжигание топлива, отличающийся тем, что первичный поток топливовоздушной смеси, активированный электрическим разрядом, закручивают в циклонном предтопке с обеспечением разделения фракций топливовоздушной смеси, вторичный воздушный поток закручивают в циклонном предтопке по ходу первичного потока топливовоздушной смеси путем их перемешивания, во вторичном воздушном потоке формируют диффузный электрический разряд низкотемпературной воздушной плазмы, который активирует частицы крупной и тяжелой фракций топливовоздушной смеси, вращающиеся в циклонном предтопке по спирали при перемешивании потоков, одновременно с этим вдоль оси циклонного предтопка формируют третичный воздушный поток, в котором формируют независимый диффузный электрический разряд, поток плазмы которого перемешивается с потоком частиц мелкой и легкой фракций топливовоздушной смеси, движущейся вдоль оси циклонного предтопка, и воспламеняет его, воспламененный осевой поток частиц мелкой и легкой фракций топливовоздушной смеси за счет теплового излучения активирует воспламенение тангенциального потока частиц крупной и тяжелой фракций топливовоздушной смеси, с формированием единого факела при выходе в топку.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеспечивается активная диффузия свободных электронов из низкотемпературной плазмы осевого потока к стенкам циклонного предтопка за счет формирования потенциала электрического смещения по отношению к электродам осевого потока плазмы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторичный воздушный поток, закручивают в циклонном предтопке по ходу первичного потока топливовоздушной смеси несколькими независимыми потоками - ступенями активации, размещаемыми по ходу движения первичного потока топливовоздушной смеси, при этом в каждой такой ступени размещают независимые электродные блоки с формированием диффузионного электрического разряда.

4. Устройство для реализации способа факельного сжигания топливовоздушной угольной смеси, содержащее корпус, к которому подведены топливопровод и воздухопровод с установленной электродной системой с источником питания для генерирования электрического разряда, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде цилиндрического циклонного предтопка, с торцевой крышкой с одной стороны и открытым торцом со стороны топки, при этом к цилиндрической части корпуса на входе в циклонный предтопок со стороны закрытого торца тангенциально подведены патрубок первичной топливовоздушной смеси и патрубок вторичного воздуха с встроенной в него электродной системой формирования диффузного электрического разряда, а на входе в циклонный предтопок со стороны торцевой крышки и по оси циклонного предтопка установлен патрубок третичного воздуха с встроенной в него независимой электродной системой формирования диффузного электрического разряда.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что торцевая крышка циклонного предтопка электрически изолирована от цилиндрической части циклонного предтопка, и между торцевой осевой электродной системой и цилиндрической частью циклонного предтопка включен источник питания постоянного напряжения.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что по ходу движения топливовоздушной смеси в циклонном предтопке тангенциально установлено несколько патрубков вторичного воздуха с электродными системами формирования диффузного электрического разряда.