СПОСОБ СВЧ-РОЗЖИГА ДРЕВЕСНОГО ВИДА ТОПЛИВА (ДРЕВЕСНЫЕ ОТХОДЫ, ДРОВА) С ВЫСОКИМ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕМ
METHOD FOR SUPER HIGH FREQUENCY IGNITION OF WOOD-TYPE FUEL (WOOD RESIDUE, FIREWOOD) WITH HIGH MOISTURE CONTENT

Изобретение относится к технологии розжига (поджогу) в энергетических котлах древесного твердого топлива с высоким значением влажности. Способ заключается в кратковременном СВЧ воздействии на влажное твердое топливо в высокоградиентном СВЧ поле с введением в топку направленного потока СВЧ излучения. Твердое топливо в виде кусков, гранул или сыпучем виде размещается в топке котлоагрегата и подвергается воздействию СВЧ поля. Поджог материалов происходит до возникновения на поверхности топлива глубоких трещин и повышения температуры топлива до образования раскаленных углей. Окончанием стадии процесса розжига является возникновение незатухающего факела активационных летучих углеводородов, выходящих из топлива.
Монтаж СВЧ-генератора возможен в уже существующие котельные установки, без существенной реконструкции котла. Метод основан на избирательном воздействии электромагнитного поля дипольные молекулы воды, которые, поглощая микроволновое излучение, приобретают колебательное движение, непрерывно ориентируясь в направлении меняющегося поля. Неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их заряда, в результате чего и повышается частота их столкновений. Данные процессы являются причиной молекулярного трения, что приводит к тепловыделению и нагреванию диэлектрического материала изнутри.
Частота микроволн электромагнитного поля составляет 2450 МГц или 2,45 ГГц. Микроволны воздействуют на молекулы воды в предмете, заставляя их вращаться с частотой миллионы раз в секунду, создавая молекулярное трение, что в свою очередь приводит к нагреванию предмета.
Скорость распространения микроволн зависит от среды или материала, в котором они движутся. Данные значения характеризуются абсолютным показателем преломления среды, равная отношению скоростей с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости в среде:
где ξ, μ - электрическая и магнитная проницаемость среды;
С - скорость распространения волн в вакууме;
V - скорость распространения волн в среде.
Зная, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света С, равной 300000 км/с, делаем вывод что длина волны L микроволнового излучения данной частоты в воздухе будет составлять 12,25 см.
Из справочных данных определяем интервалы длин волны для древесины при различных значениях влажности:
1) Абсолютно сухой колеблется от 4,53 до 8,58 см;
2) Древесины с влажность 20% от 2,61 до 2,9 см;
3) Древесины с влажность 45% от 1,92 до 2,0 см.
Таким образом для создания эффекта «запирания» микроволн внутри облучаемого предмета нужно обеспечить его размеры не менее значения длины волны для данной среды. В данном случае будет происходить внутреннее отражение волн от поверхностного слоя, что приведет к резонансному колебанию и образованию «стоячих волн» внутри тела. Амплитуда данных колебаний будут находиться в центре тела. Тем самым будет увеличено тепловыделение внутри тела. Поэтому СВЧ-нагрев происходит не от краев облучаемого предмета, если бы микроволны впитывались в поверхность, а изнутри.
x
Технический результат - быстрый и эффективный нагрев с последующим розжигом топлива до температуры 250-300°С; сокращение продолжительности розжига (от 2,5 до 10 минут) в десятки раз при сравнении с традиционным способом и без применения дополнительных энергоносителей; разогрев внутренних слоев топлива до температуры 300-350°С; снижение вредных выбросов СО и ΝΟ на 5-12%; повышение мощности котла при сглаживании циклов порционной загрузки топлива (от 3 до 7%); разложение сложных углеводородов в более простые и более горючие в глубине кусков топлива до начала горения и как следствие снижение потерь механического недожога; возможность регулирования режимов наладки мощностей котлоагрегатов при разных состояниях влажного топлива без предварительной обработки.
Изобретение относится к технологии розжига (поджогу) твердого древесного топлива (древесных отходов, дров) с высоким значением влажности и может быть использовано в широком спектре отраслей промышленности (обжиг, плавка, пирометаллургия и т.п.), коммунальном хозяйстве (сжигание отходов, бойлерные и т.п.), энергетике (различные виды двигателей внутреннего сгорания, теплоэнергетические установки и т.п.) и т.д. для получения работы и/или получения энергии.
Из уровня техники известен способ СВЧ-градиентной активации угольного топлива по патенту RU 2458107 С2, 10.11.2010 и способ СВЧ-градиентной активации угольного топлива с использованием защитной пленки, RU 2514826 С1, 01.10.2012.
Известен способ сжигания угольного топлива при дополнительном поджоге струи угольной пыли в котлах при пропускании этой струи через плазменные дуги, формируемые плазмотроном с электродами. В результате частицы угольной пыли нагреваются и при дальнейшем движении внутри большого энергетического котла быстрее сгорают (Жуков М.Ф. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука, 1995. - 304 с.; Иманкулов Э.Р. и др. Плазменный розжиг и стабилизация горения факела донецкого АШ // Теплоэнергетика. - 1990. - №1. - С. 51-53). Недостатки такого метода: высокое потребление электроэнергии плазмотроном, иногда до 10% от вырабатываемой электроэнергии котлом ТЭЦ, загрязнение струи угольной пыли частицами материала электродов плазмотрона, быстрый износ электродов плазмотрона, метод не может быть применен к малым по мощности (менее 0,1 МВт) энергетическим котлам, так как плазмотроны - это сложные и дорогие технические устройства и окупаться они могут только при работе на больших электростанциях и на пылеугольных котлах мощностью более 30 МВт.
Известен способ сжигания угольного топлива в виде угольной пыли в высокочастотной СВЧ-плазме (Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом // Горение и плазмохимия, - т. 4, №2, 2007, С. 103-109; Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. СВЧ-плазмотрон со свободно парящим плазмоидом // Сб. докл. VI Всероссийской конференции "Горение твердого топлива" 8-10 ноября 2006, Новосибирск: ИТ СО РАН, 2006; Буров В.Ф., Стрижко Ю.В. СВЧ-плазмотрон: для зажигания угольной пыли используем свободно парящий плазмоид. Оборудование. Разработки. Технологии, №2 (02), 2007, с. 45-48; Патент РФ №2328095, дата подачи заявки: 23.06.2006). В этом способе СВЧ-плазма, формируемая безэлектродным плазмотроном, зажигается также в основании струи угольного порошка, поступающего в топку котла, однако разряд плазменного типа создается за счет ионизации газа, несущего угольный порошок. Недостатки этого метода: низкий, менее 10-15%, КПД, т.к. почти вся энергия СВЧ разряда уходит на нагрев плазмообразующего газа и поддержание газового разряда, а частицы угольного топлива поглощают только малую долю затрачиваемой энергии (менее 10-15%); СВЧ-плазма в основании струи очень нестабильна и требуются специальные сложные конструкции с газовыми потоками для реализации метода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому СВЧ-розжиг древесного вида топлива (древесные отходы, дрова) с высоким влагосодержанием является «Способ СВЧ-градиентной активации угольного топлива» (патент РФ №2458107, дата подачи заявки: 10.11.2010). В этом способе активации угольного топлива, включающем СВЧ воздействие на угольное топливо, производят СВЧ-градиентную активацию в высокоградиентном СВЧ-поле в режиме управления скоростью нарастания СВЧ-поля до возникновения в куске угля трещин глубокого разлома, не приводящих к его полному разрушению.
Изобретение относится к технологии подготовки угольного топлива разных сортов к сжиганию в энергетических котлах разного типа, но имеет свои недостатки:
1) При СВЧ-градиентной внутренней активации происходит СВЧ-нагрев внутреннего объема угольного куска, образование и нагрев паров воды, что приводит к резкому образованию щелей в угольном куске от центра до самой ее поверхности. Через щели начинают выделяться летучие углеводороды, как легкие, так и тяжелые, легкие углеводороды преимущественно воспламеняются над поверхностью угля, а тяжелые углеводороды преимущественно образуют аэрозоль из углеводородов в атмосфере над поверхностью угля, что не позволяет уменьшить температуру воспламенения топлива до 500-600°С и увеличить полноту сгорания топлива до 98% по содержанию углеводородов в первичном угле. А также по данной причине при достижении высоких порогов температуры возможны микровзрывы в конвективных поверхностях нагрева и газоходах с уносимыми из топки котлоагрегата твердыми частицами несгоревшего топлива;
2) Отсутствует информация о возможности его применения на другие виды твердого топлива;
3) В связи с малым значением влагосодержания от 5 до 10% и низким значением диэлектрической проницаемости угольного топлива от 1,2 до 1,81 воздействие СВЧ слишком энергозатратно при относительно небольшом КПД;
4) Отсутствует информация об эффекте «запирания» волн внутри топлива.
Предлагается кратковременное СВЧ воздействие на влажное древесное топливо в высокоградиентном СВЧ поле с введением в топку направленного потока СВЧ излучения. Твердое топливо в виде кусков, гранул или сыпучем виде (размером 3-10 см для обеспечения частичного «запирания» волн внутри топлива) размещается в топке котлоагрегата и подвергается воздействию СВЧ поля. Поджог материалов происходит до возникновения на поверхности топлива глубоких трещин и повышения температуры топлива до образования раскаленных углей. Окончанием стадии процесса розжига является возникновение незатухающего факела активационных летучих углеводородов выходящих из топлива. Процесс повторяется при новой загрузке порции топлива. Защита от СВЧ излучения достигается путем создания защитных экранов на поверхности топки котлоагрегата.
x
Воздействие на топливо и регулирование скоростью реакции производится подачей СВЧ излучения магнетроном на порцию влажного топлива. Воздействие на экологические характеристики котла, а именно на концентрацию СО, NO, водяных паров в дымовых газах и образование сажи производят за счет изменению мощности и продолжительности микроволнового излучения с применением анализа дымовых газов.
Пример
Описанные ранее выводы были получены из ряда проведенных экспериментов с различными видами топлива при разных значениях их влажности и фракции, результаты которых приведены в таблицах 1 и 2.
Продолжительность СВЧ-воздействия на топливо для снижения вредных примесей в дымовых газах подбирают опытным путем. Начало процесса воспламенения контролируется световыми датчиками и датчиками температуры, а также возможно в ручном режиме по смотровым окнам.