УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ТОПКУ

Заявляемое техническое решение относится к теплоэнергетике, а именно, к топочным устройствам, работающим на жидком углеводородном топливе, например, в сушильных установках, хлебопекарных печах, а также теплогенераторах, таких как отопительные котлы, паровые котлы, нагреватели воздуха и т.п.
В связи с постоянным ростом цен на энергоносители энергосбережение становится важным показателем эффективности работы устройств.
Стоимость энергоресурсов оказывает большое влияние на цену продукции при ее производстве, в частности, при производстве хлебобулочных изделий.
В эксплуатации находится еще достаточно большое количество хлебопекарных печей старой конструкции, работающих на недорогом жидком углеводородном топливе, таком как солярка, мазут. Недостатком известных устройств подачи топлива (форсунок) является невозможность регулирования режима подачи топлива
Известны устройства для сжигания жидкого топлива, например мазута. Мазут под высоким давлением подается в форсунку, он должен быть подогрет до жидкого состояния, отфильтрован, осветлен от воды в расходных баках и с помощью пара или механически, в зависимости от нагрузки, распылен в топке котла. (В.М. Чепель. Сжигание газов в топках котлов и печей, и обслуживание газового хозяйства предприятий, с.201, 1965) [1].
Недостатком таких устройств является сложность, недостаточная эффективность сжигания топлива, выброс горючих газов в атмосферу. Данный способ сжигания топлива имеет сложную, дорогостоящую, технологию подготовки к сжиганию, работает только на строго определенном виде топлива, не позволяет сжигать отходы нефтеперерабатывающих заводов и других производств.
Передача энергии от продуктов сгорания в топке котла в основном осуществляется путем лучистого переноса.
Газообразное и жидкое топливо сжигают, применяя специальные устройства - газовые горелки и форсунки.
Процесс горения, происходящий в топке, заключается во взаимодействии горючей части топлива, распыляемого форсунками, с кислородом воздуха.
Известное устройство по а.с. СССР №1273688, реализующее способ подготовки жидкого топлива к сжиганию, состоит из топливного резервуара, устройства подачи воды, двух смесителей, эмульгатора и форсунок [2]. В известном решении в топочную камеру из форсунок поступает эмульгированная смесь топлива и воды в соотношении, позволяющим уменьшить расход жидкого топлива. Недостатком известного устройства является сложность устройства, связанная необходимостью предварительного получения водотопливной эмульсии.
Известно применение впрыска воды в топочную камеру с целью экономии горючего и уменьшения вредных выбросов продуктов сгорания в окружающую среду (См. УДК 662.753.325:621.311.22. Лучистый теплообмен в паровом котле ТЭЦ при добавлении воды в зону горения с целью снижения выбросов токсичных веществ. А.А. Румынский, с.н.с., к.ф.-м.н. Интернет ресурс «теплообменкрафт + экология».
«Вода в бензобаке. Сенсация, которой сто лет». Журнал "Химия и Жизнь" 1981 №5.
«Впрыск воды». Интернет ресурс Яндех. Страница Дениса "BIGMAN" Гродецкого.
«Впрыск воды: гидроподхват?». Интернет ресурс Яндех. BFM.RU.Кризис-навигатор.
«Форсирование ТРД впрыскиванием жидкости». По книге Стечкина "Теория реактивных двигателей", Оборонгиз 1958. Интернет ресурс Яндех.From Andrey Platonov).
Известно техническое решение по а.с. СССР №1239456 «Форсунка» [3], содержащее корпус с топливным соплом и установленный напротив него на штанге конусный рассекатель, ориентированный вершиной в сторону сопла, при этом рассекатель имеет сквозной канал цилиндрической формы, подключенный через штангу к источнику воды, причем штанга установлена с возможностью продольного перемещения и поворота относительно своей оси. Известное устройство является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному техническому решению.
Недостатком известного устройства является конструктивная и технологическая сложность, а также громоздкость конструкции.
Кроме того, такая система подачи воды не обеспечивает надежной работы устройства.
Техническая задача заключается в создании простого по конструкции и в обслуживании универсального устройства для подачи жидкого предварительно неподготовленного углеводородного топлива или отходов производств нефтепереработки в топку.
Техническим результатом, на который направлено заявляемое решение, является упрощение устройства для подачи топлива в топку, и как следствие, снижение массы и габаритов устройства.
Заявленный технический результат достигается путем создания устройства с независимым впрыском воды непосредственно в топку теплогенератора, параллельно подаче жидкого углеводородного топлива. Топка в этом случае играет и роль смесительной камеры одновременно. Такая конструкция обеспечивает полное сжигание топлива за счет распыления топлива на мельчайшие частицы, насыщения его кислородом. Присутствие распыленной воды в топочной камере дает возможность экономить топливо и уменьшить вредные выбросы в атмосферу.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что устройство для подачи топлива в топку, содержит подводящие магистрали, в том числе магистраль для подачи топлива с топливной форсункой и магистраль для подачи воды с узлом впрыска, при этом подводящие магистрали выполнены с обеспечением подачи топлива и воды параллельно, при этом топливная форсунка соединена с устройством нагнетания воздуха с обеспечением подачи воздуха перпендикулярно направлению подачи топлива, причем узел впрыска воды и узел впрыска топлива размещены в корпусе топочной камеры.
Заявленное техническое решение иллюстрируется следующими фигурами.
Фиг.1 - схема заявляемого устройства;
Фиг.2 - схема пламени горения топлива в топочной камере.
Устройство для подачи топлива в топку (фиг.1) содержит подводящие магистрали: магистраль 1 для подачи воды с узлом впрыска 3 и магистраль 2 для подачи топлива с топливным соплом 4 (форсункой). Подводящие магистрали выполнены с обеспечением параллельной подачи топлива и воды в топку 6. Топливная форсунка 4 соединена с устройством 7 нагнетания воздуха с обеспечением подачи воздуха перпендикулярно направлению подачи жидкого топлива. В качестве устройства 7 используют промышленный вентилятор с
числом оборотов 2800 об/мин. Узел впрыска 3 воды и узел впрыска 4 топливовоздушной смеси размещены в корпусе топочной камеры 6.
Внутренний размер топочной камеры 6 много больше диаметра сопел узла 3 впрыска воды и узла 4 впрыска топлива, что обеспечивает фактор внезапного расширения струй воды и топлива при входе в камеру сгорания 6.
Работа заявляемого устройства.
Известно, что при низких температурах наличие топлива и воздуха (окислителя) не обеспечивает их химического соединения, называемого горением. Горение начинается только после того, как частицы топлива прогрелись до температуры, обеспечивающей им энергию активации, достаточную для вступления в реакцию.
Предварительный подогрев, необходимый для зажигания топлива, первоначально создается внесением в топку горящего факела, искры или другого источника высокой температуры. В дальнейшем частицы горящего топлива, горячие газы, а также накаленные теплоизлучающие стенки топочной камеры способствуют подогреву и протеканию реакции горения вновь поступающей топливно-воздушной смеси.
Процесс горения жидкого топлива проходит следующие стадии: смешение капель топлива с воздухом, подогрев их и испарение, термическое разложение (расщепление), образование газовой фазы, воспламенение и завершение оксидирования (горения) газовой фазы. Стадии эти неотделимы одна от другой и в какой-то, мере совмещаются.
Образовавшаяся после прохождения первых стадий горения газовая смесь легко воспламеняется и быстро сгорает.
Если процесс нагрева и испарения частиц топлива протекает быстро, то при достаточном количестве кислорода создаются наиболее благоприятные условия для полного горения, в противном случае происходит глубокий распад углеводородов с образованием трудносжигаемых частиц. Мелкое распыление частиц топлива и равномерное их распределение увеличивают активную поверхность реакции, облегчают нагрев и испарение частиц и способствуют процессу быстрого и полного горения.
Жидкое углеводородное топливо (солярка, мазут) под высоким давлением через запорную арматуру из магистрали 2 поступает в форсунку 4, где насыщается кислородом воздуха, нагнетаемым вентилятором 7. При условии
тонкого, равномерного распыления топлива и хорошего смешения его с воздухом создаются наилучшие условия горения жидкого топлива.
Вследствие подачи воздуха из устройства 7 перпендикулярно потоку продуктов сгорания происходит максимальное насыщение топлива кислородом, что является также благоприятным фактором для полноценного сгорания.
Далее топливовоздушная смесь поступает в топочную камеру 6.
Параллельно подаче топлива в топку 6 подают под давлением через регулировочный клапан магистрали 1 воду, где она смешивается с параллельно подаваемой под давлением струей углеводородного топлива, поступающей из форсунки 4. В топочной камере происходит процесс дисперсного распыления и горение смеси.
Внутренний размер топочной камеры 6 много больше диаметра сопел узла 3 впрыска воды и узла 4 впрыска топлива, что обеспечивает фактор внезапного расширения струй воды и топлива при входе в камеру сгорания 6. Это обеспечивает равномерность смешения топлива с водой и повышает интенсивность перемешивания компонентов вследствие внезапного расширения струй.
В топочную камеру 6 из форсунок 3 и 4 поступает вода и топливо в соотношении, позволяющем уменьшить расход жидкого топлива. Опытным путем заявителем получено оптимальное соотношение вода-топливо, равное 1:10.
Предварительный подогрев, необходимый для зажигания топлива, первоначально создается внесением в топку горящего факела, искры или другого источника высокой температуры. В дальнейшем частицы горящего топлива, горячие газы, а также накаленные теплоизлучающие стенки топочной камеры способствуют подогреву и протеканию реакции горения вновь поступающей топливно-воздушной смеси.
В соответствии со схемой пламени топочного факела 5 (фиг.2) самая высокая температура пламени достигается в зоне «О». Разогретое пламя касается противоположной стенки 8 топочной камеры 6. Молекулы водорода, получаемые при разложении воды под влиянием высокой температуры распадаются на атомы. Такое состояние газа является неустойчивым, при соприкосновении с поверхностью стенки камеры газ снова возвращается в прежнее состояние, и отдельные атомы вновь объединяются в молекулы. Последний процесс сопровождается большим выделением тепла, которое наряду с теплом, развиваемым горелкой используется в топке теплогенератора.
2
Снижение температуры сгорания топлива при впрыске воды влияет на химические реакции горения. В результате уменьшается концентрация образующихся окислов азота и углерода. Присутствие воды ускоряет превращение СО-CO. Экспериментальным путем заявителем выявлено, что лучшие условия горения в топке создаются при соотношении вода-топливо, равное 1:10.
В камере 6 сгорания происходит полное сгорание углеводородных продуктов топлива в кислороде воздуха при соотношении вода-топливо, равное 1:10.
Продукты сгорания из камеры 6 сгорания по каналу (не показано) выходят в атмосферу. Выделяемое при горении топлива тепло передается излучением от пламени нагреваемому объекту (хлебопекарная печь, сушилка и т.п.).
В углеводородном топливе при полном сгорании водорода образуется водяной пар; при полном сгорании углерода-углекислый газ.
Водяные пары, образующиеся в результате взаимодействия водорода топлива с кислородом воздуха, уносятся вместе с дымом в атмосферу.
Количество подаваемой в топливо воды должно ответствовать количеству сжигаемого топлива. Если воды слишком много, то снижается температура в зоне сгорания и процесс сжигания топлива ухудшается: горение протекает неравномерно, так как появляются продукты неполного сгорания, что можно обнаружить по цвету пламени факела и черного дыма.
Горение факела, его температура регулируется визуально по цвету факела и по цвету дыма изменением подачи воды и топлива. Полное сгорание топлива осуществляется за счет оптимального соотношения топлива и воды, обеспечении более качественного распыливания воды и топлива за счет направленных параллельно сопел; более полным насыщением топлива кислородом воздуха за счет подачи воздуха перпендикулярно направлению подачи жидкого топлива.
Заявляемое устройство - простое по конструкции, технологичное в изготовлении и надежное в эксплуатации может широко использоваться с минимальными финансовыми затратами на действующих агрегатах (хлебопекарных печах, сушильных установках и пр.), работающих на недорогом жидком углеводородном топливе, таком как солярка, мазут.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. В.М. Чепель. Сжигание газов в топках котлов и печей, и обслуживание газового хозяйства предприятий. М, 1965.
2. Авторское свидетельство СССР №1273688. Способ подготовки жидкого топлива к сжиганию.
3. Авторское свидетельство СССР №1239456. Форсунка. (наиболее близкий аналог).