СПОСОБ ЭФФЕКТИВНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF EFFICIENT FUEL COMBUSTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области энергетики, а именно к способу сжигания топлива (жидкого, твердого, газообразного) в отопительных котлах индивидуального и коллективного пользования, и может быть использовано в энергетике, в жилищно-коммунальном хозяйстве для обеспечения отопления, горячего водоснабжения, и др.
-4
Известен способ сжигания топлива в кипящем слое путем струйной подачи смеси первичного воздуха и топлива и вторичного воздуха с использованием водяного пара, при этом сжигание топлива ведут при температуре 1700-2600 К (1427°C-2327°C) и давлении 10-1-10 МПа, причем топливно-воздушную смесь подают вместе с водяным паром противотоком вторичному воздуху. В известном изобретении интенсификация сжигания топлива происходит за счет диссоциации водяного пара, который находится в устройстве, на водород и кислород, и последующего их сгорания вместе с топливом (см. пат. UA №101008, МПК F23C 9/00, 10/20, опубл. 25.02.2013, Бюл. №4).
Однако известный способ имеет следующие недостатки:
- сжигание топлива с диссоциацией водяного пара, который находится в устройстве, на водород и кислород происходит при высоких температурах и пониженном давлении, следовательно, для осуществления способа необходимо герметичное и крепкое оборудование.
Известный способ сжигания топлива, который включает не менее чем три стадии (см. патент ЕР 0558669 В1, от 16.09.1998). Сначала смешивают в определенных соотношениях топливо/воздушно-газовую смесь для получения горючей смеси и осуществляют ее поджог в присутствии атмосферного воздуха, прогревают смесь при 325°C и проводят последующее не менее чем двухстадийное горение в отсутствие атмосферного воздуха и катализаторов, при этом используют не один катализатор, а смесь катализаторов, на первой каталитической стадии используют палладий, его соли, платину, нанесенные на металлическую подкладку, которая имеет несколько продольных проходов для прохождения горючей смеси. Таким образом, используют не просто палладий, а палладий, который заблаговременно был нанесен на металлическое основание, выполненное в форме продольных проходов вдоль направления движения горючей смеси, которая выходит из зоны каталитического горения.
На второй каталитической стадии используют дополнительные катализаторы. Лучшими дополнительными катализаторами является серебро, золото, рутений, родий, платина, иридий или осмий, при этом активный металлический катализатор наносят на одну сторону металлического основания, на второй стадии способ горения осуществляют при повышенном давлении и температуре больше чем 800°C. Например, при 10 атмосферах.
Известный способ выбран в качестве прототипа.
Прототип и изобретение, которое заявляется, имеют следующие общие признаки:
- осуществляют подачу топлива в камеру сгорания, его поджог в присутствии атмосферного воздуха с последующим каталитическим горением без доступа атмосферного воздуха с использованияем водяного пара при сжигании топлива.
Однако известный способ имеет следующие недостатки:
- не менее чем двухстадийное каталитическое горение без доступа атмосферного воздуха в присутствии катализаторов: палладий, серебро, золото, рутений, родий, платина, иридий или осмий, при этом активный металлический катализатор наносят на одну сторону металлического основания, а втораую и последующие стадии способа горения осуществляют при повышенном давлении и температуре больше чем 800°C.
Известен отопительный котел, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, кожух, установленный на корпусе котла с обеспечением водяной рубашки, цилиндрический теплообменник, установленный в верхней части корпуса котла с зазором, камеру сгорания, установленную в нижней части корпуса котла, в котором выполнено отверстие для подачи топлива, дверной проем, средство подачи воздуха, при этом в камере сгорания топлива установлена наклонная испарительная площадка так, что верхний край наклонной испарительной площадки расположен со стороны дверного проема, отверстие для подачи топлива выполнено со стороны дверного проема и в него установлена трубка подачи топлива, при этом труба подачи топлива установлена непосредственно на верхний край наклонной испарительной площадки, а средство подачи воздуха выполнено в виде вентилятора, закрепленного на дне кожуха котла (см. пат. RU №2546370, МПК F24H 1/00, 1/24, опубл. 10.04.2015). Однако известный отопительный котел имеет следующие недостатки:
- используется лишь для жидкого топлива;
- имеет низкую эффективность сжигания топлива.
Известно устройство сжигания твердых углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах, содержащее камеру сгорания, выполненную с возможностью подачи топлива, газогенератор, систему подачи водяного пара в камеру сгорания, систему подачи воды, камера сгорания снабжена колосниками (см. пат. RU №2304251, МПК F23C 3/00, опубл. 10.08.2007, бюл. №22).
Известное устройство избрано в качестве прототипа.
Прототип и устройство, которое заявляется, имеют следующие общие признаки:
- содержит камеру сгорания, выполненную с возможностью подачи топлива и снабженную колосниками, оборудованную системой подачи воды, водяного пара и средствами контроля избытка водяного пара.
2
Но известное устройство сложное в изготовлении, имеет много электрических приводов, работает под давлением 1,5-3,0 кг⋅с/см и не может быть использовано для сжигания топлива (жидкого, твердого, газообразного) в отопительных котлах индивидуального и коллективного пользования.
В основу изобретения поставлена задача создания высокоэффективного способа сжигания топлива при одновременном уменьшении вредных выбросов в атмосферу.
Поставленная задача решена группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, а именно двумя изобретениями.
В первом изобретении поставленная задача решена в способе эффективного сжигания топлива, который включает подачу топлива в камеру сгорания, его поджог в присутствии атмосферного воздуха с последующим каталитическим горением без доступа атмосферного воздуха тем, что сжигание топлива осуществляют в два этапа: на первом этапе осуществляют сжигание топливно-воздушной смеси до образования насыщенного пара в парогенераторе, на втором этапе проводят пиролиз водяного пара при одновременном сжигании топлива без доступа атмосферного воздуха, при этом водяной пар подают в камеру сгорания отопительного котла при температурном режиме 400-960°C и атмосферном давлении, а  как катализатор используют железо, никель и/или их окислы, которые размещены на колоснике.
Новым в изобретении, которое заявляется, является то, что сжигание топлива осуществляют в два этапа: на первом этапе осуществляют сжигание топливно-воздушной смеси с образованием водяного пара в парогенераторе, на втором этапе проводят пиролиз водяного пара при одновременном сжигании топлива без доступа атмосферного воздуха, при этом водяной пар подают в камеру сгорания отопительного котла при температурном режиме 400-960°C и атмосферном давлении, а  как катализатор используют железо, никель и/или их окислы, которые размещены на колоснике.
Известно, что дрова - наиболее распространенный вид топлива, они горят при температуре 800-900°C.
2
2
Известно, что сжигание углеводородного топлива предполагает подачу атмосферного воздуха в зону горения. Также известно, что в воздухе содержится около 21% кислорода, необходимого для горения, а основная часть воздуха - азот, который служит балластом, отбирающим для своего нагрева тепло из зоны горения. При этом часть азота воздуха окисляется с образованием ядовитого газа - диоксида азота NO. Кроме того, необходимость иметь постоянный проток атмосферного воздуха в камере сгорания приводит к выносу и неполному использованию кислорода воздуха, и, как следствие, существует необходимость иметь избыточное количество подаваемого воздуха, а неполное сгорание углеводородного топлива приводит к уменьшению теплотворной способности топлива и выбросам в атмосферу продуктов неполного сгорания топлива, угарного газа, золы и SO. Процесс горения любого вида топлива сводится, в основном, к окислению углерода и водорода, а также их производных. Например, при нагревании до 350°C в присутствии в качестве катализатора железа или никеля происходит разложение метана.
Способ эффективного сжигания топлива, который заявляется, в присутствии водяного пара и продуктов ее разложения включает подачу водяного пара в зону горения топлива, его контакт с топливом в присутствии катализатора и в отсутствие кислорода воздуха с последующим взаимодействием топлива и продуктов его сгорания с водяным паром, при этом пиролиз водяного пара происходит при температуре 400-960°C и атмосферном давлении, а как катализатор используют железо, никель и/или их оксиды.
2
Таким образом кислород, необходимый для горения топлива, извлекается из воды путем ее каталитического низкотемпературного пиролиза в камере сгорания. При этом полученный из воды кислород покрывает потребности горения топлива, в результате чего отсутствует необходимость в использовании кислорода из атмосферного воздуха. Из-за отсутствия в зоне горения топлива атмосферного азота образование диоксида азота NO не происходит. А наличие в зоне горения топлива дополнительного горючего газа водорода, как продукта пиролиза воды, приводит к увеличению времени горения топлива и его более полному сгоранию. Что в свою очередь существенно снижает выбросы вредных веществ в атмосферу. Кроме того, отсутствует расход тепла на нагрев азота воздуха, а происходит расходование этого тепла на более полное сгорание продуктов разложения топлива. Все вышесказанное приводит к увеличению времени сгорания одного и того же количества топлива в 2-3 раза по отношению ко времени сгорания топлива в обычных условиях, а также к существенной экономии топлива, снижению количества выбросов вредных газов в атмосферу.
Во втором изобретении поставленная задача решена устройством для эффективного сжигания топлива, которое состоит из камеры сгорания, выполненной с возможностью подачи топлива и обеспеченной колосниками, устройство оборудовано системой подачи воды, водяного пара и средствами контроля избытка водяного пара тем, что устройство выполнено в виде отопительного котла, связанного с атмосферой через дымоход, дополнительно оборудованного парогенератором, который оснащен системой подачи водяного пара в камеру сгорания, при этом парогенератор установлен на дымоходе или исполняет роль дымохода, а его стенки выполнены двойными с возможностью заполнения пространства между ними водой, при этом камера сгорания оснащена колосниками, средство контроля избытка водяного пара выполнено в виде отрывного клапана. А система подачи водяного пара от парогенератора к камере сгорания расположена наружу или внутри отопительного котла.
Новым во втором изобретении является то, что устройство выполнено в виде отопительного котла, связанного с атмосферой через дымоход, дополнительно оборудованного парогенератором, который оснащен системой подачи водяного пара в камеру сгорания, при этом парогенератор установлен на дымоходе или исполняет роль дымохода, а его стенки выполнены двойными с возможностью заполнения пространства между ними водой, при этом камера сгорания оснащена колосниками, средство контроля избытка водяного пара выполнено в виде отрывного клапана. А система подачи водяного пара от парогенератора к камере сгорания расположена снаружи или внутри отопительного котла.
Технический результат изобретения, которое заявляется, заключается в интенсификации процессов горения и теплообмена, повышении эффективности сгорания топлива.
Внешний вид парогенератора приведен на фиг. 1, где: а) вид сбоку, в) вид сверху.
Отопительный котел, оборудованный парогенератором, приведен на фиг. 2-3, где:
1 - корпус парогенератора,
2 - полость для воды,
3 - внутренняя стенка парогенератора,
4 - уровень воды,
5 - подрывной клапан,
6 - устройство для подведения воды,
7 – пробка,
8 – штуцер,
9 - паропровод, расположенный снаружи отопительного котла,
10 – катализатор,
11 – дымоход,
12 - отопительный котел,
13 - паропровод, расположенный внутри котла,
14 – колосники,
15 - камера сгорания (топка),
16 - устройство для подачи топлива,
17 - устройство для подачи воздуха,
18 - устройство для подачи водяного пара в камеру сгорания,
19 - технологический узел для ревизии.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
Парогенератор наполняют водой до необходимого уровня. В камеру сгорания отопительного котла 15 через устройство подачи топлива 16 загружают любое топливо и поджигают его. Устройство для подачи воздуха 17 открыто. В дымоход 11 поступают горячие дымовые газы и отдают тепло воде, которая находится в парогенераторе 1. Парогенератор 1 размещается на дымоходе 11 отопительного котла 12 или внутренняя стенка парогенератора 3 образует дымоход. Для обеспечения безопасности на парогенераторе 1 установлен подрывной клапан 5. Водяной пар по паропроводу 9, расположенному снаружи или внутри 13 отопительного котла 12, направляется в камеру сгорания 15. Устройство подачи воздуха 17 закрывается и водяной пар проходит по паропроводу 9 или 13 сквозь устройство 18 для подачи водяного пара в камеру сгорания 15. Дальше водяной пар сквозь колосники 14 поступает на катализатор 10, который разогревается, при этом температура горения топлива достигает 400-960°C.
Происходит пиролиз водяного пара на водород и кислород. Кислород окисляет топливо и поддерживает его горение. Водород горит и выделяет дополнительное тепло. При таких температурах все химические реакции проходят с большой скоростью. При этом сгорание топлива происходит при закрытом устройстве подачи воздуха 17. Проведение горения топлива в этих условиях позволяет одновременно увеличить количество полезного тепла на 28,4%, а также снизить потери полезного тепла, уходящего с дымовыми газами, и повысить пирометрический эффект горения. Выделяющегося кислорода хватает на качественное горение топлива. Эксперимент показал, что даже пеллеты, которые требуют большого количества кислорода и дополнительного наддува воздухом, горят при закрытом устройстве для подачи воздуха 17. Опытным путем установлено стабильное увеличение времени горения всех видов топлива. При одинаковом весе дров время их горения при работающем парогенераторе 1 увеличивается 2-2,5 раз, а угля в 2,5-3 раза, при этом увеличивается количество получаемого тепла. Например, 1,6 кг дров в процессе сгорания обычным способом за 25-30 минут своего горения подогревают 150 литров воды на 4 градуса. При работающем парогенераторе 1 эти же 1,6 кг дров горят 70-80 минут и разогревают этот же объем воды на 6 градусов. При сжигании угля желательно использовать мелкую фракцию или угольную пыль, они сгорают лучше. Очень хорошие результаты получены при сжигании остатков шинной переработки (сажи) и угля. В процессе горения угля время его сгорания увеличилось в 2,5 раза, то есть более 2,5 часа по сравнению с одним контрольным часом. При этом 2,2 кг угля в присутствии работающего парогенератора 1 подогревают 150 литров воды на 6 градусов выше, чем такое же количество угля при сжигании обычным способом. В процессе горения топлива при работающем парогенераторе 1 из дымохода не идет дым. Поскольку в камеру сгорания топлива 15 не подается воздух, содержащий азот, резко уменьшаются выбросы диоксида азота в атмосферу.
Все перечисленное выше приводит к значительному снижению выбросов в атмосферу вредных веществ и к существенной экономии углеводородного топлива по сравнению с известным способом сжигания топлива.