Способ сжигания топлива
FUEL COMBUSTION METHOD

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в горелочных устройствах на тепловых электростанциях, в котельных и т.д. для интенсификации и стабилизации горения пылеугольного топлива.
Аналогичные технические решения для факельного сжигания топлива известны см. например, описание изобретения к авторскому свидетельству SU №1059360 и описание патента RU №21600414 и №2610370 которые содержат нижеследующую совокупность существенных признаков: подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения, создают электрический разряд в зоне воспламенения, воспламеняют топливовоздушную смесь, производят сжигание топлива в камере сгорания.
Известен способ сжигания, описанный в книге (Лаутон Д., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения / Пер. с англ. под ред. В.А. Попова. М.: Энергия, 1976. - 296 с.), который содержит следующую совокупность существенных признаков: подают пылеугольное топливо и воздух в зону воспламенения, осуществляют воспламенение пылеугольного топлива в зоне воспламенения и производят факельное сжигание топлива.
Все вышеперечисленные признаки являются общими с предлагаемым техническим решением.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из охарактеризованных выше аналогичных технических решений, заключается в увеличении интенсификации теплоотдачи факела, температуры факела, реакционных свойств топлива и при минимальных энергетических затратах.
Известен способ сжигания предварительно подготовленной топливной смеси (SU 1245803 A1, 1984) выбранный за прототип, который содержит зоны подачи смеси и горения топлива, и воздействия на факел электрическим полем заданной напряженности для создания электрического разряда. Данные признаки являются общими с предлагаемым техническим решением.
Недостатком способа-прототипа является 1) Низкая эффективность (2,4%); 2) использование коронного разряда, который имеет ограниченное воздействие, для такого разряда характерно протекание процессов ионизации только возле коронирующего электрода (Токарев А.В. коронный разряд и его применение. – Бишкек: КРСУ, 2009 – 138 с.); 3) Сложность реализации на промышленных объектах в связи с подачей электрического тока на корпус горелочного устройства, что влияет на условия эксплуатации.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание более эффективного, надежного, простого и недорогого способа интенсификации процессов горения, который позволит существенно увеличить интенсификацию теплоотдачи факела, температуру факела, реакционные свойств топлива и при минимальных энергетических затратах.
Известно (В.Н.Кондратьев, Е.Е.Никитин. Кинетика и механизм газофазных реакций, «Наука», Москва, 1974 г. стр.339-341), что электрический разряд в газах создает сверхравновесные концентрации атомов, радикалов и возбужденных молекул, что приводит к многократному повышению температуры и к образованию большого количества активных частиц, ускоряющих цепные реакции окисления горючего.
Известно (Е.Н. Еремин. Элементы газовой электрохимии. МГУ, Москва, 1961 г. 10 с.), что переход от тлеющего в дуговой разряд происходит при токах около 1А.
Известно (Е.Н. Еремин. Элементы газовой электрохимии. МГУ, Москва, 1961 г. 80 с.), что в зависимости от формы самостоятельного разряда, меняется воздействие на газовую среду. В тлеющем разряде в основном преобладают ионизационные процессы, возникающие вблизи электродов, при дуговом разряде, основной характеристикой которого, является наличие локальной высокотемпературной плазмы (дуги).
Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата становится возможным благодаря комплексному воздействию на топливо, за счет высокочастотного электрического разряда, при котором интенсифицируются химические (возбуждение и диссоциации молекул) и ионизационных процессов в зоне воздействия электрического разряда на топливную смесь. Достижение представленных процессов возможно при организации электрического разряда на электродах, расположенных в корневой зоне факела, в области высокочастотного перехода от тлеющего к дуговому разряду. Это позволяет задействовать процессы воздействующие на газовую фазу как при дуговом, так и при тлеющем разряде. Достигается это следующим образом: после получения тлеющего разряда увеличивают силу тока, после некоторого предела, связанного с размерами электродов, начинает увеличиваться и плотность тока на катоде. В результате, количество энергии, выделяющееся на единице работающей поверхности катода, возрастает и его температура повышается. На поверхности катода появляется раскаленное пятно, из которого исходит разряд, уже перестающий быть тлеющим и переходящий в дуговой. Далее потенциалы электродов меняются и процесс повторяется. В зависимости от характеристик подаваемого топлива принимаются следующие показатели: частота порядка 20-50 кГц, и силой тока около 0,1-1А, напряжение при этом составляет 3-20 кВ. Основные процессы, протекающие при дуговом разряде (более 1 А): при действии очень высокой температуры, развивающейся в искровом канале, молекулы газа, разлагаются на более или менее мелкие части - атомы и радикалы. Попадая затем в среду, имеющую более низкую температуру, и взаимодействуя с исходными молекулами, а также между собой, активные частицы могут инициировать различные реакции (Е.Н. Еремин. Элементы газовой электрохимии. МГУ, Москва, 1961 г. с. 12). При этом тлеющий разряд характеризуется высокой ионизацией около электродного пространства.  При этом так как электроды не находятся в зоне высоких температур факел и омываются потоком холодных газов, повышаются эксплуатационные характеристики электродной системы.
Основными процессами, протекающими при горении топлива в этой области, являются:
2
2
• Выделение кислородо-содержащих радикалов, как из состава воздуха, так и из состава топлива (HO*, HO*, RO*, RO*), которые сами по себе повышают реакционную способность системы, окисление топлива такими реагентами протекает при минимуме энергетических затрат;
• Под воздействием высокого напряжения атомы топлива переходят в возбужденное состояние;
• Термическая активация топливной смеси электрическим разрядом (температура в разряде достигает 10000 К);
• Термическая активация за счет теплового выделения факела исходящего от воспламеняемого топлива;
За счет интенсификации процессов сгорания представленных выше, получается косвенный эффект в виде снижения количества подаваемого воздуха необходимого для организации горения топлива, что в свою очередь позволяет увеличить эффективность топочных устройств и повысить экологические характеристики работы горелочных устройств, например за счет снижения подаваемого количества воздуха снижается образование окислов азота.
Техническая сущность предлагаемого способа сжигания топлива заключается в следующем:
- подают поток топливовоздушной смеси в зону воспламенения факела;
- на электроды подают высокочастотное напряжение с показателями необходимыми для перехода разряда из тлеющего в дуговой;
- осуществляют воспламенение топливовоздушной смеси электрическим разрядом;
- производят интенсификацию горения топливовоздушной смеси под действием процессов возникающих при формировании электрических разрядов;
- осуществляют сжигание топливовоздушной смеси.