СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF FUEL BURNING STABILITY AND EFFICIENCY IMPROVEMENT IN VORTEX FURNACE OF POWER PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно, к способу устойчивости и эффективности процесса сжигания топлива в вихревой топке энергетической установки. Изобретение может быть использовано в других областях промышленности, в частности в установках по глубокой переработке угля в другие виды топлива или при утилизации промышленных и бытовых отходов.
Эффективность процесса горения связана со временем удержания частиц топлива в реакционной зоне - чем больше частички топлива находятся при высокой температуре внутри топки, тем более эффективно используется его теплотворная способность. Время удержания можно увеличивать как за счет турбулизации потока, так и за счет его стабилизации внутри замкнутого пространства. Известен способ стабилизации вихревого потока путем регулирования его параметров [патент РФ №2174875, 2001 г., B04C 5/04; B01D 45/12], включающий ввод газа через тангенциальные щелевые каналы с изменяемой геометрией. При регулировании параметров вихревого потока изменениям подвергают тангенциальную составляющую скорости движения вихревого потока и его сечение, оптимальные значения которых достигаются за счет изменения пропускной способности тангенциальных щелевых каналов.
Данный способ эффективен для камер сгорания ракетных двигателей, но он практически неприемлем для установок большой и малой энергетики, в которых устойчивость и эффективность процесса сжигания топлива выходит на первый план, а недожог и пережог топлива напрямую связан с их рентабельностью. В известном способе стабилизации вихревого потока турбулизация струи способствует повышению ее эффективности, но не решает вышеуказанных проблем большой и малой энергетики. К тому же он весьма трудоемок и дорог в процессе реализации.
Известен другой способ и устройство для сжигания угля в вихревой топке [патент РФ №2339874, 2008 г., F23B 7/00; F23K 1/00; F23C 5/24], включающий тангенциальный ввод газа и использование повторного возврата несгоревших частиц топлива в реакционную зону за счет воздействия на них двух вихревых потоков, располагаемых последовательно друг за другом по ходу движения горючего газа. При этом для эффективного возврата несгоревших частиц в реакционную зону используется инертный материал, циркулирующий по замкнутому контуру - первая вихревая камера, вторая вихревая камера, центробежный ловитель для несгоревших частиц топлива, циклон и узел ввода угольного топлива.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что известный способ весьма трудоемок в реализации и малоэффективен в процессе эксплуатации ввиду необратимых потерь, которые неизбежны при высокотемпературном рециклинге инертного материала и несгоревших частиц топлива.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ сжигания угольной пыли в вихревой топке [патент РФ №2418237, 2010 г., F23C 5/24; F23K 1/00], в котором дожег несгоревших частиц топлива осуществляется при помощи дополнительной горелки, использующей механоактивированный уголь микропомола, и установки ее в зоне взаимодействия двух вихревых потоков, вращающихся в противоположных направлениях относительно друг друга.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что он также как и ранее описанные способы, весьма трудоемок в реализации и малоэффективен в процессе эксплуатации. Установка дезинтегратора и дополнительной горелки для подсветки непосредственно возле вихревой топки накладывает дополнительные требования по безопасности и весьма сильно усложняет процесс регулирования при резком изменении параметров внешней среды и поступления неконденсационного вида топлива.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков регулирования процесса сжигания топлива в вихревой топке энергетической установки.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении более эффективного и простого способа повышения устойчивости и эффективности процесса сжигания топлива в вихревой топке энергетической установки, исключающего использование дорогостоящего и сложного в эксплуатации оборудования.
Согласно изобретению в способе повышения устойчивости и эффективности процесса сжигания топлива в вихревой топке энергетической установки, включающем формирование и стабилизацию вихревого потока, формирование вихревого потока осуществляют за счет симметричного и зеркального расположения горелок на противоположных стенках вихревой топки и направленного выхода горячего газа, а стабилизацию осуществляют за счет разделения основного вихревого потока, как минимум, на два сопряженных вихря, которые образуют за счет изменения угла наклона внутренней поверхности нижнего пода и смещения выпускных отверстий верхнего пода вихревой топки относительно продольной оси вихревой топки. При этом векторы вращательной и поступательной скоростей движения сопряженных вихрей относительно продольной оси вихревой топки выполняют по траектории двойной спирали в одном направлении, в то время как векторы угловых скоростей вращения сопряженных вихрей вокруг их собственных осей направляют в противоположные стороны друг относительно друга, при их проекции на плоскость перпендикулярную продольной оси вихревой топки.
Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что при прямоугольном поперечном сечении вихревой топки предпочтение отдают образованию только одной пары сопряженных вихрей, в то время, как при ее квадратном сечении основной вихревой поток делят уже на две пары сопряженных вихрей, а при круглом ее сечении вихревой поток делят на три и более пар сопряженных вихрей. При этом оси вращения сопряженных вихрей располагаются на равноудаленном расстоянии от близлежащих стенок вихревой топки.
Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что направленный выход горячего газа обеспечивают с помощью направляющих управляемых решеток, которые устанавливают в отверстиях верхнего пода вихревой топки.
1
2
На фигуре 1 схематично представлен способ формирования и стабилизации вихревого потока при прямоугольном поперечном сечении вихревой топки, где: 1 - продольная ось вихревой топки; 2 - выпускные отверстия для выхода горячего газа; 3 - верхний под вихревой топки; 4 - одна пара сопряженных вихрей; 5 - нижний под; 6 - отклоняющие пластины; ,  - векторы угловых скоростей вращения сопряженных вихрей вокруг своих осей; . - вектор угловой скорости вращения пары сопряженных вихрей вокруг продольной оси вихревой топки; ,  - векторы поступательных скоростей движения пары сопряженных вихрей вдоль продольной оси вихревой топки; δ, δ - смещения осей отверстий для выхода газа;  - вектор поступательной скорости движения пары сопряженных вихрей.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем. Заявленный способ повышения устойчивости и эффективности процесса сжигания топлива в вихревой топке энергетической установки в большей степени предназначен для нужд большой и малой энергетики, но это не исключает его использование в других отраслях промышленности. Действующие котловые агрегаты обходятся пока без применения таких технологий и современных средств управления, однако ужесточение норм по экологии и их рентабельности вынуждают эксплуатационников обращать внимание на эти проекты. Основным показателем, определяющим рентабельность, сегодня принято считать соотношение «топливо-воздух». От того насколько грамотно будет выбрано это соотношение зависит и экология, и экономичность процесса сжигания. Недостаток воздуха при горении вызывает неполное сгорание и, как следствие, ведет к перерасходу топлива. В то время как избыток воздуха также приводит к перерасходу топлива на нагрев лишнего воздуха в составе отходящих газов. В обоих случаях сжигание топлива сопровождается повышением выбросов в атмосферу высокотоксичных газов. Другой путь к решению данной проблемы лежит в интенсификации процесса сжигания топлива за счет увеличения времени удержания частиц топлива в реакционной зоне. Турбулизация потока способствует не только увеличению времени удержания частиц топлива в реакционной зоне, но и существенно увеличивает поверхность горения, а, следовательно, исключает химический недожог топлива. Однако простые методы турбулизации потока не всегда приносят ожидаемый эффект и, поэтому, отодвигаются на второй план.
Предлагаемый способ трудоемок в процессе исследования, так как визуализация и расчет вихревых потоков для реальных систем практически невыполним, однако, после выявления определенных закономерностей, его использование не вызывает особых трудностей. К таким закономерностям в первую очередь следует отнести формирование и стабилизацию вихревого потока за счет образования сопряженных вихрей. Взаимовлияние сопряженных вихрей друг на друга непредсказуемо и в реальных условиях не всегда может быть выявлено расчетным путем, поэтому вопросы моделирования таких процессов являются первоочередными задачами. Проведенные в ИТ СО РАН модельные эксперименты показали, что при определенной конфигурации сопряженные вихри обладают повышенной устойчивостью к возмущающим факторам и легко поддаются расчету.
1
2
В предлагаемом способе вихревой поток формируют и стабилизируют с помощью определенного скейлинга приемов. Горелочные устройства в вихревой топке необходимо располагать симметрично и зеркально на противоположных ее стенках. При этом совершенно неважно, как будет выполнен ее внутренний объем. Он может быть выполнен как в виде прямоугольника, так и в виде квадрата или цилиндра из огнеупорной керамики или из другого материала, например, из жаростойкой высокопрочной листовой стали. Другими необходимыми условиями для образования вихревого потока являются смещение выпускных отверстий для горячего газа 2 на величины δ и δ, относительно продольной оси 1 вихревой топки и наличие отклоняющих пластин 6 (лопаток) в нижнем поде 5 вихревой топки. Этот скейлинг уже позволяет формировать вихревой поток в виде сопряженных вихрей. Еще одним необходимым условием, обеспечивающим устойчивость образующихся сопряженных вихрей, является установка в отверстиях для горячего газа направляющих решеток. С их помощью можно заставить вращаться сопряженные вихри вокруг своих осей как по часовой стрелке, так и против нее, при проекции вектора угловой скорости . на плоскость перпендикулярную продольной оси вихревой топки. Однако при моделировании было обнаружено, что более предпочтительным вариантом для устойчивости сопряженных вихрей относительно друг друга является случай, когда векторы угловых скоростей вращения сопряженных вихрей вокруг их собственных осей,  и , направлены в противоположные стороны. Особенно это было наглядно видно при одновременном запуске сразу нескольких пар сопряженных вихрей, когда каждая сопряженная пара вихрей мгновенно начинала взаимодействовать с другой примыкающей к ней парой сопряженных вихрей. В одном случае такое содружество приводило к их смыканию и помпажу, а в другом случае - к взаимному отталкиванию и образованию новой более устойчивой структуры их перемещения относительно продольной оси вихревой топки.
Предлагаемый способ позволяет вести процесс сгорания топлива при весьма малых расходах воздуха, так как уменьшение коэффициента избытка воздуха, помимо снижения потерь теплоты с уходящими газами, также является весьма эффективным средством подавления образования оксидов азота.
Технический эффект от использования предложенного изобретения состоит в следующем. Предложенный способ повышения устойчивости и эффективности процесса сжигания топлива в вихревой топке энергетической установки существенно улучшает как экономические его параметры, так и экологические. Автоматизация процесса сжигания при данном способе не требует ни сложного оборудования, ни дорогостоящих устройств для улучшения его экологических параметров. Его можно использовать как на уже существующих энергетических комплексах, так и на вновь создаваемых. Недожог и пережог топлива, как и выброс токсичных газов в данном способе сведены к минимуму.