СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
SOLID FUEL COMBUSTION INTENSIFICATION METHOD

Способ относится к энергетике, металлургической промышленности, а именно к сжиганию твердого топлива: угля, торфа, древесины.
Процесс сжигания твердого топлива общеизвестен. До этого времени известно значительное количество способов интенсификации сжигания твердого топлива. Одним из способов является интенсификация горения пламени с увеличением концентрации кислорода при дутье, которое приводит к увеличению концентрации атомов и кислородосодержащих радикалов в зоне горения.
Известен способ кислородно-конверторной выплавки стали [см. Казаков Н.Ф., Осокин A.M., Шишкова А.П. Технология металлов и вторых конструкционных материалов. - М.: Металлургия, 1975. - 688 с.]. Суть данного метода заключается в продувке жидкого чугуна кислородом через фурму. В процессе продувки высокотемпературной массы кислородом достигается окисление трудноокисляемых примесей. Наиболее интенсивное окисление примесей проходит на поверхности контакта кислородной струи с металлом.
Недостатки - применение дорогого окислителя; непроизводственные затраты окислителя в связи с большим проскоком кислорода; необходимость получения окислителя по дополнительной сложной и металлоемкой технологии.
2
3
2
X
2
Известен в литературе способ интенсификации химических каталитических гетерофазных процессов путем обработки зоны катализа электрическим разрядом [А.С. №1036347, кл. B01D 35/06 // B01D 51/00. Электрофильтр. 30.04.1982, Столяренко Г.С. "Механизм радикальных химических реакций в гетерофазных озонных системах НО-О-О-NO-SO" // Вестник Черкасского инженерно-технологического института - №3 -1999. - с.81-85]. Влияние электрического разряда на химические гетерофазные процессы приводит к возможности прохождения реакций при температурах на 300-500 градусов ниже, чем без действия, что объясняется электронной, волновой, световой активацией процесса дополнительно к температурной активации.
Недостатки - технология исследовалась при низких концентрациях реагирующих компонентов, что приводило к повышению удельных энергетических затрат на создание электрического разряда.
За прототип выбран «Способ интенсификации и управлением пламенем» [Пат. №2125682 Россия, МКИ F23 №005/00 F 236005/00].
Способ интенсификации горения происходит путем обработки пламени сильным продольным электрическим полем (2 кВ/см и выше) и сильным поперечным электрическим полем, которое вращается, например, с помощью трехфазной системы электродов и трехфазного высоковольтного источника. Способ содержит также операции измерения высоты пламени и других его параметров, изменения межэлектродного расстояния наложения продольного поля к пламени с одновременным регулированием напряженности поля. Способ предоставляет возможность также вращать пламя поперечным электрическим полем, что увеличивает степень перемешивания и измельчения топливно-воздушной смеси и дополнительно интенсифицирует горение. Предлагаемая новая операция электростатического введения топлива в зону горения продольным электрическим полем к молекулярному уровню дополнительно интенсифицирует процесс горения пламени и снижает расход топлива. Способ дает возможность регулировать также геометрию пламени, его температуру и теплопроводность изменением геометрии и электрических параметров вышеуказанных электрических полей, например фокусировать пламя, что является достаточным, например, при термической обработке металлов и сплавов.
Недостатки - высокие удельные энергозатраты, которые снижают энергоэффективность процесса, необходимость перемешивания и электростатического распыления топлива, сложность регулирования процесса горения.
В основу изобретения поставлена задача дополнить термическую составляющую активации процесса горения электронной, волновой, световой, электрокаталитической активацией, обеспечив максимальную степень выгорания углерода из твердого топлива.
Сущность изобретения заключается в горении топливно-воздушной смеси в электрическом поле с помощью катализатора, находящегося в зоне горения и на который подается высокое напряжение, что приводит к снижению энергий активации всех эндотермических стадий реакций горения за счет образования атомов кислорода, радикалов углерода и кислородосодержащих радикалов.
Поставленная задача решается при совмещении зоны разряда, зоны горения и электронно-каталитических процессов синтеза низкотемпературной плазмы, которая создается между двумя электродами путем подачи высокого напряжения на электроды, причем электроды выполняются или из металлов переменной валентности, или из их окисей, или из другого токопроводящего материала с нанесением катализатора. Напряжение на электродах подается в пределах 5-20 кВ.
Сравнительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа наличием создания низкотемпературной плазмы и электрокаталитических процессов в зоне горения. Это приводит к приближению скоростей термокаталитической и электрокаталитической деструкции углерода и углеводородов, которые десорбируются из угля, к увеличению скоростей окисления углеродосодержащих соединений к углекислому газу и воды за счет высокой концентрации кислородосодержащих радикалов, к повышению степени выгорания углерода из твердого топлива, к экономии твердого топлива. В связи с тем, что каталитические плазменные и окислительные процессы сведены в одну зону и по сравнению с прототипом затраты электроэнергии снижаются на 3 порядка, что дает возможность получить высокую удельную экономию топлива. Затраты топлива на создание низкотемпературной плазмы не превышают 2-5% от полученного энергетического эффекта по предлагаемому способу.
Способ сжигания заключается в следующем.
Способ по своей сущности состоит из физических и термохимических стадий. Проводится измельчение топлива, транспортирование топлива и воздуха в зону сгорания, перемешивание топлива и воздуха и сжигание в камере сгорания различных конструкций. Интенсификация процесса сгорания по прототипу с использованием электрического поля относится к зоне смешения и горения, в которой совмещены процессы горения, окислительные радикальные процессы, каталитические активации топлива.
Предложенное техническое решение объясняется чертежами: на Фиг.1 - схема установки; на Фиг.2 - сравнительная зависимость изменения температуры теплоносителя.
Технологическая схема на Фиг.1 содержит: 1 - камеру сгорания; 2 - зону сгорания топлива; 3 - электротермическую трубку зажигания топливно-воздушной смеси; 4 - емкость с водой, что нагревается; 5 - подовую сетку; 6 - термостатическую изоляцию; 7 - высоковольтный электрод; 8 - источник питания; 9 - заземление.
Пример конкретного выполнения способа.
Поток воздуха, который содержит пылевидное твердое топливо, поступает в камеру сгорания 1. Он проходит сквозь сетку 7, подовую сетку 5 и поступает в зону сгорания 2. Электрическим зажиганием 3 достигается температура зажигания топливно-воздушной смеси и после этого выключается. Установленный стационарный процесс горения, который определяется по скорости нагревания точно замеренного объема теплоносителя 4 (в данном случае воды). Подачей электрического напряжения 5-20 кВ от источника питания 8, 9 на сетку 7, покрытую катализатором, интенсифицирует процесс горения. Этот режим определяется по скорости нагревания равного объема теплоносителя.
На Фиг.2 показаны зависимости сравнительного изменения температуры воды от времени при проведении холостого опыта и эксперимента с разрядом. При сжигании угля с разрядом наблюдается ускорение нагрева воды, что свидетельствует о выделении большего количества тепла, чем при холостом опыте (На показаниях кривых видно три зоны: А - зона установления равномерного процесса горения (начало кривых от 0 до 2 минут); Б - зона равномерного горения угля: прямолинейный участок в середине кривой от 2 до 16 минут; и С - зона угасания процесса горения (после 16 минуты)). Для расчетов мощности сгорания угля и эффективности электроактивации использован участок равномерного горения.
Удельная мощность выделения тепла при холостом опыте достигает в среднем 73 Вт/г, тогда как при использовании разряда достигает в среднем 94,5 Вт/г, что больше на 18,6% и в свою очередь снижает удельный расход топлива на ту же величину.
Определена степень выгорания угля при проведении обоих опытов. Для этого была определена зольность угля и степень выгорания угля без разряда и с разрядом. Степень выгорания угля при холостом опыте составляет приблизительно 72% (что приближенно соответствует котлам, которые имеют топки с цельной решеткой); степень выгорания угля при использовании разряда достигает 89%. Степень увеличения выгорания составила в среднем 17,45%.
При выведении катализаторной сетки высоковольтного электрода из зоны сгорания скорости нагрева теплоносителя сближаются и эффект интенсификации горения топлива снижается, а содержание углерода в золе приближается к значению, полученному при холостом опыте.
Таким образом, предложенный способ интенсификации процесса горения приводит к экономии топлива, более полному выгоранию твердого топлива и увеличению коэффициента полезного действия процесса горения.
Заявляемое техническое решение позволяет создать установку интенсификации горения твердого топлива для действующих котлов любой мощности. Внедрение технического решения не требует изменений или перестройки топок котлов; электрическое оборудование для создания электрического разряда и низкотемпературной плазмы стандартное; катализаторы, напыленные на сетку высокого напряжения - общедоступны.
Опытный образец в виде стендовой установки изготовлен и испытан заявителями.