СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
FUEL BURNING METHOD

Предлагаемое техническое решение относится к области переработки твердого топлива, содержащего в своем составе компоненты с различной реакционной способностью, например угольная пыль, и может быть использовано для более стабильного сжигания топлива в топке и подавления образования оксидов азота.
л
т
т
Известен способ сжигания твердого пылеугольного топлива, см. патент Российской федерации на изобретение №2199058, включающий формирование потоков воздуха, смеси топлива с воздухом, поджигание смеси в топке и ее сжигание, причем на начальной стадии соотношение воздух-топливо, соответствующее коэффициенту избытка воздуха по отношению к летучим α>1, a по отношению ко всему топливу α=0.2…0,8. По мере выгорания углерода топлива к смеси подмешивают воздух и к моменту полного выгорания углерода избыток воздуха достигает величины α≥1.
Общими признаками предлагаемого технического решения и вышеохарактеризованного технического решения являются:
- формирование потоков воздуха, смеси топлива с воздухом;
- поджигание смеси;
- сжигание смеси при различных избытка воздуха.
т
Недостатками известного способа является то, что горение топлива на начальной стадии происходит за счет горения высокореакционной составляющей топлива, при этом блокируются гетерогенные реакции окисления углерода, как менее реакционного компонента топлива. После сгорания высокореакционной составляющей топлива идет сжигание углерода топлива, что требует, вследствие его низкой реакционной способности, принимать дополнительные меры для обеспечения устойчивости процесса горения полученной топливной смеси, например значительное повышение избытка воздуха в топке (α≥1,3), что приводит к образованию термических окислов азота и росту тепловых потерь с уходящими газами.
Известен способ сжигания топлива, описанный в книге [Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с. - (Низкотемпературная плазма. Т. 16), стр. 86], в котором подают смесь угля и воздуха в камеру термической подготовки топлива, производят нагревание и воспламенение топливной смеси с помощью плазменной струи, производят сжигание части углерода до выхода летучих компонентов из угля и частичную газификацию коксового остатка, затем подают полученную топливную смесь и вторичный воздух в топку котла и производят сжигание топливной смеси.
Общими признаками аналогичного и предлагаемого технического решения являются:
- подводят угольную пыль к горелкам с помощью первичного воздуха в качестве смеси угольной пыли с первичным воздухом;
- производят частичное сжигание и газификацию угольной пыли до выхода летучих компонентов топлива;
- в зоне воспламенения горелок за счет пиролиза угольной пыли из смеси угольной пыли с первичным воздухом получают первичный газ с горючими газообразными компонентами;
- производят подачу полученной топливной смеси и смешивают ее в топке с вторичным воздухом;
- сжигают топливную смесь в топке.
Недостатком известного способа является то, что нагревание и зажигание производят низкотемпературной плазмой, температура плазменной струи превышает 6000°C. Это приводит к интенсивному процессу выхода летучих компонентов топлива и их сжиганию на начальном этапе горения топлива. Вследствие обеднения содержания кислорода в топливной смеси замедляются гетерогенные процессы окисления углерода и его газификации. Кроме того, высокотемпературное воздействие на топливную смесь приводит к испарению минеральных компонентов топлива с дальнейшей их конденсацией на частицах угля и на поверхностях горелочных устройств, что ведет к их ошлаковыванию и препятствует протеканию процессов окисления углеродной части топлива. В итоге, практически вся основная часть высокореакционного топлива выгорает до выхода в топку и поступающая в топку топливная смесь содержит коксовый остаток угля, покрытый минеральной пленкой, и незначительную часть несгоревшего топлива находящегося в газовой фазе, т.е. реакционность топливной смеси снижается в сравнении с первоначальной, что приводит к снижению эффективности сжигания топлива.
Известно также аналогичное техническое решение, см. патент Российской федерации на изобретение №2147708, который выбран в качестве прототипа и который содержит следующую совокупность существенных признаков:
- подводят угольную пыль к горелкам с помощью первичного воздуха в качестве смеси угольной пыли с первичным воздухом;
- в зоне воспламенения горелок за счет пиролиза угольной пыли из смеси угольной пыли с первичным воздухом получают первичный газ с горючими газообразными компонентами;
- в зоне воспламенения снижают избыток воздуха за счет снижения его доли в топливной смеси или увеличения доли горючих компонентов топлива в топливной смеси;
- дополнительно часть первичного воздуха в смеси угольной пыли с первичным воздухом заменяют дымовым газом;
- производят подачу полученной смеси первичного газа с оставшейся частью твердого топлива и смешивают ее с вторичным воздухом;
- сжигают топливную смесь в топке.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:
- подводят угольную пыль к горелкам с помощью первичного воздуха в качестве смеси угольной пыли с первичным воздухом;
- в зоне воспламенения горелок за счет пиролиза угольной пыли из смеси угольной пыли с первичным воздухом получают первичный газ с горючими газообразными компонентами;
- в зоне воспламенения снижают избыток воздуха за счет снижения его доли в топливной смеси или увеличения доли горючих компонентов топлива в топливной смеси;
- производят подачу полученной смеси первичного газа с оставшейся частью твердого топлива в топку и смешивают ее с вторичным воздухом;
- сжигают топливную смесь в топке.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из охарактеризованных выше аналогичных технических решений, заключается в более высокой степени газификации углерода, повышении доли топливных компонентов, находящихся в газовой фазе, за счет газификации углерода и, как следствие, в снижении доли углерода в топливной смеси, дожигаемой в топке.
Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что в процессе пиролиза угольной пыли, в первую очередь, происходит выделение летучих компонентов, содержащихся в угле, которые обладают более высокой реакционной способностью и при дальнейшем сжигании блокируют реакции окисления углерода. При дожигании коксового остатка, из условия обеспечения устойчивости горения смеси коксовых частиц и воздуха, требуется повышенное содержание окислителя, что приводит генерации образования оксидов азота в топке и росту тепловых потерь с уходящими газами.
Учитывая характеристику и анализ известных технических решений, можно сделать вывод, что задача по созданию способов сжигания топлива, имеющих более высокую эффективность горения топлива и подавления образования оксидов азота при его сжигании, является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что подводят угольную пыль к горелкам с помощью первичного воздуха в качестве смеси угольной пыли с первичным воздухом, в зоне воспламенения горелок за счет пиролиза угольной пыли из смеси угольной пыли с первичным воздухом получают первичный газ с горючими газообразными компонентами, в зоне воспламенения снижают избыток воздуха за счет снижения его доли в топливной смеси или увеличения доли горючих компонентов топлива в топливной смеси, производят подачу полученной смеси первичного газа с оставшейся частью твердого топлива, смешивают ее с вторичным воздухом и производят дожигание полученной топливной смеси в топке, причем в зоне воспламенения снижают температурный порог окисления углерода, например, за счет электрического воздействия на топливную смесь, известного и описанного в литературе [Д.А. Ягодников, А.В. Воронецкий. Влияние внешнего электрического поля на особенности процесса воспламенения и горения. Журнал, «Физика горения и взрыва», №3, 1994 г., с. 3-12], или широко известными каталитическими методами, замедляют процесс выхода высокореакционных компонентов топлива и за счет увеличения степени газификации углеродной части топлива снижают ее содержание в получаемой топливной смеси, при этом повышают долю газообразных компонентов топлива в топливной смеси, дожигаемой в топке.
т
Снижение температуры окисления углерода известными методами (например, воздействием электрических полей на топливную смесь, применением катализаторов) приводит к замедлению процесса пиролиза угля и активной газификации углерода, при этом в топочное пространство подается высокореакционная топливная смесь из летучих выделенных при окислении углерода, окиси углерода, коксового остатка и углеводородных соединений, образовавшихся из воды, содержащейся в топливе, что обеспечивает устойчивость горения газифицированного топлива в топке при избытках окислителя, близких к стехиометрическому значению. Снижение образования оксидов азота на начальной стадии воспламенения происходит за счет горения топлива при низких избытках воздуха при значениях α=0.2…0,5, дожигание топливной смеси в топке производят при медленном смесеобразовании, что также способствует снижению образования оксидов азота. Высокая реакционная способность топливной смеси с высоким содержанием горючих компонентов, находящихся в газовой фазе, и малым содержанием коксового остатка обеспечивает устойчивость и высокую степень выгорания топлива.
В чем и проявляется достижение вышеуказанного результата.
Техническая сущность предлагаемого способа сжигания топлива заключается в следующем:
- подводят угольную пыль к горелкам с помощью первичного воздуха в качестве смеси угольной пыли с первичным воздухом;
- в зоне воспламенения горелок за счет пиролиза угольной пыли из смеси угольной пыли с первичным воздухом получают первичный газ с горючими газообразными компонентами;
- в зоне воспламенения снижают избыток воздуха за счет снижения его доли в топливной смеси или увеличения доли горючих компонентов топлива в топливной смеси;
- обеспечивают протекание процесса газификации углерода до выхода летучих компонентов топлива за счет снижения температуры протекания гетерогенных химических реакций, например, электрическим или каталитическим воздействием на топливную смесь;
- производят подачу полученной смеси первичного газа с оставшейся частью твердого топлива и смешивают ее с вторичным воздухом;
- сжигают топливную смесь в топке.
Снижение температуры воспламенения углерода приводит к замедлению процесса пиролиза топлива и к его газификации на стадии его воспламенения. В результате этого снижается доля кислорода, расходуемого на окисление летучих компонентов топлива, вследствие замедления их выхода из топлива, что в конечном итоге обеспечивает высокую реакционную способность топливной смеси при ее дожигании в топке. Таким образом, обеспечивается более стабильный процесс горения топлива при избытках воздуха, близких к стехиометрическому значению.
Предлагаемый способ сжигания топлива может быть использован для сжигания других видов топлива, например промышленных горючих отходов, содержащих компоненты топлива с различной реакционной способностью.