ПАРОПЛАЗМЕННОЕ ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО С ВНУТРИЦИКЛОВОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ ТОПЛИВА
STEAM PLASMA BURNER DEVICE WITH IN-CYCLE GASIFICATION OF FUEL

Устройство относится к теплоэнергетике, в частности, к водородной энергетике, и может быть использовано для получения тепловой энергии из воды в дополнение к тепловой энергии углеводородного топлива.
Известно устройство [Патент США №7070634, МПК B01J 19/08; B01J 7/00, опубл. 04.07.2006], реализующее способ получения водорода из воды, смешанной с углеводородным топливом, путем воздействия на эту смесь плазменным разрядом и нагревом, при этом углеводородная компонента смеси в присутствии плазмы становится катализатором диссоциации воды на водород и кислород при невысокой температуре нагрева. Данное устройство предназначено для газификации топлива и полученные с его помощью газы могут использоваться в горелочных устройствах.
Известна теплогенераторная установка, реализующая способ получения водородсодержащего газа из воды путем многостадийного увеличения температуры воды и диссоциации ее молекул под воздействием тепла и присутствия углеводородсодержащего катализатора [Патент RU №2478688, МПК C10G 47/00, C01B 3/02, C01B 3/32]. Данное устройство для получения водородсодержащего газообразного топлива использует высокую температуру нагрева смеси водяного пара с углеводородным топливом без электрического воздействия. При повышении температуры из углеводородной составляющей смеси выделяется водород, который затем способствует температурному разложению молекул воды.
Недостатком данного устройства является наличие в конструкции реакторных камер, работающих в условиях давления и высокой температуры паров и газов. Камеры и соединительные каналы закоксовываются в переходных режимах нагрева и охлаждения при включении и выключении установки и требуют технического обслуживания, что осложняет эксплуатацию теплогенераторной установки и снижает ее эксплуатационную надежность.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является прямоточное устройство для сжигания топлива [Патент RU №2429410, МПК F23D 11/00, опубл. 20.09.2009], огневая камера которого выполнена в виде линейной цепи сопел Лаваля, в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входом последующего сопла так, что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего, при этом на торце первого сопла установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды, а каждое последующее сопло Лаваля содержит форсунку для подачи в него дополнительной воды или пара.
Недостатком прототипа является высокая стоимость используемой в нем технологии диссоциации воды с помощью электрической дуги, к эксплуатационным недостаткам которой относится электроэрозионный износ разрядных электродов и необходимость частой остановки теплогенерирующей установки для замены электродов устройства. Рекомбинация атомарного водорода происходит в основном в зоне действия дугового разряда, при этом локальный рост температуры в этой зоне еще более осложняет условия работы электродов. С ростом тепловой мощности устройства пропорционально возрастает потребляемая электрическая мощность и увеличиваются соответствующие расходы на выполнение технических условий подсоединения устройства к электрической сети питания. С учетом перечисленных недостатков устройство не имеет широкого применения.
Запасы углеводородного сырья истощаются, стоимость его добычи постоянно возрастает. В этой связи использование плазмы совместно с водяным паром в углеводородных горелочных устройствах с целью повышения эффективности и экономии углеводородного топлива за счет повышения роли водорода в горении является актуальным решением.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании прямоточного пароплазменного горелочного устройства с внутрицикловой газификацией углеводородного топлива простой конструкции.
Техническим результатом является повышение его надежности за счет устранения износа электродов и повышение его эффективности за счет обеспечения предельно возможной полноты сгорания углеводородной компоненты.
Для решения поставленной задачи в пароплазменном горелочном устройстве с внутрицикловой газификацией топлива, содержащем огневую камеру, выполненную в виде линейной цепи сопел Лаваля, в которой выход предыдущего сопла соединен со входом последующего сопла цепи так, что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего. На торце первого сопла установлена форсунка, имеющая канал для подачи в него перегретого пара, канал для подачи углеводородного топлива и возвратный канал, а в зоне критического сечения первого сопла Лаваля соосно с ним установлен плазменный электрод, электрически подсоединенный к источнику плазмообразующего электрического тока и изолированный электрически от первого сопла Лаваля и корпуса, охватывающего линейную цепь сопел Лаваля, при этом огневая камера сопел Лаваля снабжена воздушным каналом для подачи в нее воздуха и каналом возврата плазмы из огневой камеры в возвратный канал форсунки.
Плазменный электрод, установленный в зоне критического сечения первого сопла Лаваля на пути движения смеси углеводородного топлива с водяным паром вдоль оси огневой камеры, создает электромагнитный разряд, способствующий при относительно низкой температуре перегретого водяного пара выделению из топлива первичного водорода и повышению за счет этого концентрации водорода во внутренней полости первого сопла Лаваля до уровня, необходимого для осуществления дальнейшей реакции. Реакция протекает при небольшой мощности электромагнитного разряда и не создаются условия для износа и эрозии плазменного электрода.
2
3
Перегретый водяной пар, подаваемый через форсунку в горелочное устройство, является важным компонентом осуществляемой в горелочном устройстве химической реакции и одновременно используется для диспергации углеводородного топлива, для подогрева огневой камеры перед розжигом и для продувки огневой камеры по окончании работы устройства. На всех этапах работы устройства электромагнитный разряд во внутренней полости огневой камеры, электрическими полюсами которого являются с одной стороны электропроводящие поверхности огневой камеры, а с другой плазменный электрод, создает условия в огневой камере для протекания сложной экзотермической реакции горючей смеси с максимальным КПД. Электромагнитный разряд возбуждает атомы веществ горючей смеси, повышая их активность в реакции горения. При оптимальном количестве углеводородного топлива электромагнитная энергия разряда вместе с тепловой энергией расходуется на разложение воды и топлива, причем при наличии электромагнитной энергии рабочий химический процесс в огневой камере начинается при более низких температурах. Разряд способен эффективно нарабатывать в плазме огневой камеры активные радикалы, ионы и атомы, такие, как, например, Н, ОН, СН, О и др. Дефицит кислорода в реакции при необходимости покрывается путем добавления в огневую камеру воздуха или газообразного кислорода.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. показана принципиальная схема одного из вариантов конструкции пароплазменного горелочного устройства с внутрицикловой газификацией топлива, включающего два сопла Лаваля.
Устройство включает, последовательно соединенные сопла Лаваля, на примере - сопло Лаваля 1 и сопло Лаваля 2, внутренние полости которых при таком соединении образуют огневую камеру 3. На входном торце сопла Лаваля 1 установлена форсунка 4, имеющая канал 5 для подачи через него в огневую камеру 3 перегретого водяного пара, канал 6 для подачи через него углеводородного топлива и возвратный канал 7, предназначенный для осуществления рециркуляции плазмы в огневой камере 3. В зоне критического сечения сопла Лаваля 1 соосно с ним установлен плазменный электрод 8, который с помощью электрического проводника присоединен к источнику плазмообразующего электрического тока 9, при этом известными техническими средствами (например, использование керамического изолятора) обеспечена электрическая изолированность плазменного электрода 8 от контакта с соплом Лаваля 1 и корпусом 10. Корпус 10 имеет преимущественно цилиндрическую форму и охватывает закрепленные в нем сопло Лаваля 1, сопло Лаваля 2, форсунку 4, плазменный электрод 8. В зону докритического сечения сопла Лаваля 2 подводится воздушный канал 11, связанный с атмосферой, и канал возврата плазмы 12, связанный с возвратным каналом 7 форсунки 4.
Устройство работает следующим образом.
Перед пуском устройства в работу в первую очередь в него через канал 5 подают перегретый водяной пар и разогревают им внутреннюю полость огневой камеры 3 до температуры приблизительно 300-400°С. После этого включают в работу источник плазмообразующего электрического тока 9 с одновременной подачей углеводородного топлива через канал 6. В момент включения источник плазмообразующего электрического тока 9 создает на плазменном электроде 8 завышенный потенциал, обеспечивающий электрический пробой среды в промежутке между плазменным электродом 8 и внутренней поверхностью огневой камеры 3, в результате которого происходит розжиг горючей смеси в огневой камере 3. Возможный дефицит кислорода в огневой камере 3 в режиме розжига компенсируется путем подачи воздуха через воздушный канал 11 в зону докритического сечения сопла Лаваля 2 огневой камеры 3. Из этой же зоны докритического сечения сопла Лаваля 2 отбирается часть горючей смеси с воздухом, находящейся в состоянии плазмы, для подачи через канал возврата плазмы 12 в возвратный канал 7 форсунки 4 как в режиме розжига, так и в рабочем режиме. После воспламенения рабочей смеси в огневой камере 3 устройство нагревается и переходит в рабочий режим, в котором средствами управления температура на выходе огневой камеры 3 поддерживается на заданном уровне, например 1300°С, а потенциал на плазменном электроде 8 снижается. Задача плазменного электрода 8 в рабочем режиме - увеличивать выработку молекулярного и атомарного водорода из компонентов реакции при заданной температуре по сравнению с течением реакции условиях отсутствия электрического воздействия. Избыток водорода повышает вероятность соединения атомарного водорода в молекулы с выделением тепловой энергии, увеличивает эффективность работы горелочного устройства. Для достижения этой цели в рабочем режиме топливная смесь, состоящая из воды и углеводородов, проходит внутри плазменного электрода 8, где энергия смеси повышается за счет электромагнитной энергии плазмы. Расход перегретого водяного пара и углеводородного топлива, температуру перегретого водяного пара в рабочем режиме согласуют так, чтобы обеспечивать предельную полноту сгорания углеводородного топлива.
В качестве источника плазмообразующего электрического тока 9 в одном из вариантов осуществления изобретения используется генератор электромагнитной энергии, а в качестве плазменного электрода 8 - согласованный с генератором объемный резонатор.
По окончании работы устройства в первую очередь отключают источник плазмообразующего электрического тока 9 и подачу углеводородного топлива через канал 6, оставляя на некоторое время подачу перегретого водяного пара для продувки огневой камеры 3.
Для увеличения тепловой мощности предлагаемого устройства необходимо использовать дополнительные сопла Лаваля в линейной цепи. Количество сопел Лаваля определяется при расчете требуемой тепловой мощности устройства. Реакция протекает при повышении мощности, но при этом не создаются условия для износа и эрозии плазменного электрода.
Таким образом, использование углеводородного топлива в пароплазменном горелочном устройстве устраняет проблему электрической эрозии и износа плазменных электродов, значительно снижает потребляемую электрическую мощность. При этом повышение эффективности обеспечивается за счет предельной полноты сгорания углеводородов различной плотности в горелочном устройстве путем простой настройки расходных параметров рабочего процесса в огневой камере 3.