СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
SOLID FUEL COMBUSTION METHOD, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам и устройствам для сжигания топлива. Оно может быть использовано в энергетике, на транспорте, химической промышленности и других отраслях.
Известны различные способы сжигания твердых топлив, основанные на обычном послойном или турбулентном горении, в том числе в кипящем слое крупных частиц и мелкодисперсных частиц в потоках, например: Канторович Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. М., Издательство АН СССР, 1958, 598 с. [1], Канторович Б.В., Миткалинный В.И., Делягин Г.Н., Иванов В.М. Гидродинамика и теория горения потока топлива. М., Издательство «Металлургия», 1971. 486 с.[2], Белоусов Е.В. Создание и совершенствование твердотопливных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Херсон. Издательство ОАО «ХГТ», 2006, 452 с.[3], Егоров А.Г. Процессы горения порошкообразного алюминия в прямоточных камерах реактивных двигательных установок. Самара, Издательство Самарского научного центра РАН, 2005, 376 с.[4], патент РФ №2230981 (2004 г.) [5], патент РФ №2327889 (2008 г.) [6], патент SU №4146370 (1979 г.) [7], патент SU №4193773 (1980 г.) [8], патент SU №5042400 (1991 г.) [9], патент РФ №2294486 (2007 г.) [10]. Однако известные способы не обеспечивают большие расходы топлива, требуют больших габаритов камер сгорания, и с их помощью обеспечить высокую полноту сгорания весьма затруднительно.
Известны различные устройства для сжигания твердых топлив, описанные, например, в некоторых монографиях [1-4], а также в патентах [5-10]. Однако они сложны и недостаточно технологичны.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ по патенту РФ №2339874 (2008 г.) [11], выбранный в качестве прототипа.
Известный способ сжигания угля в вихревом потоке [11] включает тангенциальный ввод газа, подачу угля и удаление продуктов сгорания. Процесс сжигания угля ведут с использованием инертного материала в зоне взаимодействия двух вихревых потоков, располагаемых последовательно друг за другом по ходу движения горючего газа. При этом частицы несгоревшего угля и инертного материала улавливают после выхода из второго вихревого потока с помощью центробежного поля и вновь возвращают через узел подачи угля на повторный дожиг в первый вихревой поток. Оптимальное значение скорости витания частиц угля и инертного материала в вихревых потоках достигают за счет изменения проходного сечения каналов с тангенциальным вводом газа.
Для известного способа характерна низкая производительность, сложность и недостаточная технологичность. Это связано с использованием камеры сгорания, развитой по длине, двух вихревых зон, а также долгим временем (иногда многократно) пребывания частиц угля в камере, обусловленным ограничением скорости обычного турбулентного горения. Все это в значительной степени снижает возможности способа, главным образом его производительности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство по патенту РФ №2132512 (1999 г.) [12], выбранное в качестве прототипа.
Известное устройство - вихревая камера сгорания, образованная экранами и/или обмуровкой, содержащая тангенциальные сопла дутья и газовыпускное окно в одной из торцевых стенок. Причем поперечные размеры камеры сгорания превышают расстояние между ее торцевыми стенками. При этом камера включена в контур циркуляции частиц с сепарационным устройством, накопительным бункером и питателем этих частиц. Контур циркуляции частиц снабжен поверхностями нагрева. Экраны в зоне вращения частиц закрыты износостойким материалом или обмуровкой. Тангенциальные сопла дутья расположены преимущественно внизу и на подъемном участке вихревого потока.
Известное устройство характеризуется низкой производительностью, имеет большие габариты и недостаточно технологично. В силу своего конструктивного исполнения и осуществляемого технологического процесса оно не обеспечивает высокой производительности. Известное устройство не может быть использовано для реализации детонационного горения твердого топлива. Овальная конструкция камеры сгорания, несимметрично расположенные относительно оси тангенциальные вводы воздуха и выходное отверстие, расположение места отвода инертных и несгоревших частиц, а также локализованная подача угля не могут создать равномерного по величине и степени перемешивания детонационно-способного слоя смеси угля и воздуха
Таким образом, недостатком известных способа и устройства являются низкая производительность, сложность и недостаточная технологичность.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является повышение производительности, а также упрощение способа сжигания твердого топлива и устройства для его осуществления и повышение их технологичности.
Задача решается посредством способа сжигания твердого топлива, включающего тангенциальный ввод окислителя, подачу твердого топлива и удаление продуктов сгорания. Согласно изобретению сжигание производят в детонационной волне путем создания непрерывно обновляемого детонационно-способного слоя смеси твердого топлива и окислителя (по величине, не менее критической для детонации), для этого создают сильно турбулизованное течение, сконцентрированное в плоском вихре, а твердое топливо используют в мелкодисперсном состоянии, при этом перед подачей в камеру сгорания твердое топливо смешивают с горючим газом (непрерывно газифицируют) и подают эту горючую смесь через профилированные отверстия в камеру сгорания, таким образом потоком окислителя в камере сгорания создают вихревое течение, обеспечивающее интенсивное перемешивание горючей смеси и окислителя, например воздуха, с последующим сжиганием образующейся смеси в детонационной волне, при этом твердое топливо подают в камеру сгорания непрерывно, а также непрерывно его газифицируют, причем используют указанное топливо и окислитель в соотношении, близком к стехиометрическому.
В качестве твердого топлива может быть использован, например, уголь, органические отходы, порошки металлов.
В качестве окислителя используют кислород, воздух, их смеси, углекислый газ для металлов.
Для осуществления транспортировки твердого топлива и подачи его в камеру сгорания, а также повышения детонационно-способности горючей смеси твердое топливо газифицируют горючим газом, например водородом, метаном, синтез-газом.
Твердое топливо подают в камеру сгорания непрерывно, например, с помощью попеременно работающей поршневой системы или шнековой системой.
Задача также решается посредством устройства сжигания твердого топлива, содержащего камеру сгорания, выполненную в виде полузамкнутого плоского кольцевого канала, ограниченного двумя плоскими стенками и цилиндрической поверхностью, с расположенными вдоль нее профилированными отверстиями (форсунками), системы подачи твердого топлива, окислителя и отвода продуктов, при этом профилированные отверстия для подачи окислителя направлены тангенциально или под углом к цилиндрической поверхности. Согласно изобретению диаметр упомянутого канала намного больше расстояния между плоскими стенками (для обеспечения необходимой структуры течения), по крайней мере, одна из плоских стенок имеет выходное отверстие для продуктов детонации, при этом устройство снабжено средством для непрерывной подачи твердого топлива в камеру сгорания, выходное отверстие для продуктов детонации расположено по оси камеры сгорания.
Профилированные отверстия для горючей смеси направлены под углом к профилированным отверстиям для окислителя.
Камера сгорания снабжена средством (например, вставкой), позволяющим частично или полностью перекрывать выходное отверстие для продуктов детонации.
В качестве средства для непрерывной подачи твердого топлива в камеру сгорания может быть использована, например, поршневая система или шнековая система.
Одна или обе плоские стенки камеры сгорания могут иметь в центре выходное отверстие для продуктов детонации, а также инертных примесей (например, породы, песка и т.п.), которые концентрируются в пограничных слоях плоских стенок.
На входе в камеру сгорания установлено устройство для насыщения твердого топлива горючим газом.
На выходе из камеры сгорания может быть установлен бункер для сбора твердых остатков, разбрасываемых в стороны центробежными силами.
Очищенные в ходе детонационного сжигания газообразные продукты подают на газовую турбину или используют для нагрева теплоносителя.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретений, заключается в повышения производительности, упрощении способа и устройства и повышении их технологичности.
Изобретение поясняется фиг.1, где приведена схема устройства сжигания твердого топлива.
c1
c1
c1
c2
Устройство содержит камеру сгорания 1, выполненную в виде полузамкнутого плоского кольцевого канала, образованного стенками (на фиг.1 не показаны): одной цилиндрической с диаметром d и двумя плоскими радиальными, расположенными одна от другой на расстоянии Н. Диаметр d упомянутого канала больше расстояния Н между плоскими стенками. При этом отношение d/H выбирается в зависимости от конкретных условий. Для выхлопа продуктов детонации одна из плоских стенок (возможно и обе) имеет выходное отверстие 2 с диаметром d, расположенное по оси камеры сгорания 1. Возможна установка в упомянутое отверстие 2 вставки или его полное перекрытие (не показано). В корпус камеры сгорания 1 вмонтированы кольцевые коллекторы окислителя 3 и горючей смеси 4. Коллекторы 3 и 4 соединены с полостью камеры сгорания 1 профилированными отверстиями (форсунками) 5 и 6, равномерно расположенными вдоль цилиндрической поверхности. При этом отверстия 5 подачи окислителя (кислород, воздух, их смеси, углекислый газ для металлов) направлены тангенциально или под углом к цилиндрической поверхности камеры сгорания 1, а отверстия 6 подачи горючей смеси направлены под углом к отверстиям 5 подачи окислителя. Имеется инициирующая свеча 7. Система для непрерывной подачи мелкодисперсного твердого топлива (уголь, органические отходы, порошки металлов) включает в себя поршневую систему 8 (или шнековую), датчик 9 перемещения поршня, байпасы 10 и 11, трубопровод 12. На входе в камеру сгорания 1 установлено устройство для насыщения твердого топлива горючим газом. На выходе из камеры сгорания 1 может быть установлен бункер 13 для сбора твердых остатков, разбрасываемых в стороны центробежными силами.
Устройство работает следующим образом:
Мелкодисперсное твердое топливо под действием давления горючего газа на поршень вытесняется в трубопровод 12, где начинается его смешение с горючим газом через байпас 10 и продолжается в коллекторе 4. Затем образовавшаяся горючая смесь поступает через профилированные отверстия 6 в камеру сгорания 1, попадая в вихревой поток окислителя, поступающего в камеру сгорания 1 через профилированные отверстия 5 из коллектора 3. Окислитель в коллектор 3 подается либо из ресивера, либо компрессором (не показаны). Система измерения с помощью датчика 9 фиксирует расход твердого топлива. Расход воздуха также регистрируется. Удаление остатков угля из коллектора 4 после перемещения поршня в крайнее правое положение происходит через второй байпас 11. Образующуюся в камере сгорания 1 смесь поджигают тепловым импульсом от свечи 7, вырабатываемым источником для инициирования (не показан). В смеси за время нескольких десятков миллисекунд формируется самоподдерживающаяся вращающаяся (спиновая) или пульсирующая детонационная волна. Продукты детонации выбрасываются из выходного отверстия 2. Газовая компонента сосредотачивается в ядре потока, а тяжелые твердые компоненты собираются в пограничных слоях у плоских стенок камеры сгорания 1 и выбрасываются из выходного отверстия 2 по периферии потока, оседая в бункере 13 для сбора твердых остатков.
Для сохранения непрерывности процесса необходимо иметь, по крайней мере, две поршневые системы подачи, работающие по очереди - одна работает, другая загружается. Возможна также непрерывная подача твердого топлива с помощью шнека и т.д.
Очищенные в ходе детонационного сжигания газообразные продукты, имеющие высокие давления и скорости, могут быть непосредственно поданы на газовую турбину или использованы для нагрева теплоносителя. Кроме того, быстрые химические превращения во фронте детонационной волны при высокой температуре и давлении препятствуют образованию токсичных окислов азота в потоке продуктов горения.
Изобретение иллюстрируется примерами:
c1
c2
t
A
Пример 1. d=204 мм, d=100 мм, Н=15 мм, топливо - древесный активированный уголь с размером частиц 5-20 мкм с расходом G=0.3 кг/с +5% водорода; окислитель - воздух с расходом G=2.6 кг/с, коэффициент избытка горючего ϕ≈1.3. Реализован непрерывный детонационный режим с двумя волнами (n=2), вращающимися в одном направлении со скоростью D=1.6 км/с.
c1
c2
Пример 2. d=204 мм, d=70 мм, Н=15 мм, топливо и окислитель, а также их расходы такие же, как в примере 1. Реализован режим с одной вращающейся волной (n=1, D=1.83 км/с).
1
c2
Пример 3. dc=204 мм, d=50 мм, Н=15 мм, топливо и окислитель, а также их расходы, близкие к указанным в примере 1. Реализован режим с пульсирующей радиальной детонационной волной, имеющей частоту f=4.8 кГц.
Применение заявляемого способа, основанного на организации особого вида вихревого течения горючей смеси, позволит сжигать детонационным способом твердое топливо, при этом мощность установки при тех же габаритах камеры сгорания может быть значительно увеличена (до сотни раз). Сжигание угля приведет к значительному экономическому эффекту при минимальных вредных выбросах в атмосферу. Высокоэнтальпийный поток газообразных продуктов можно направлять непосредственно на лопатки турбины, минуя парогенераторный цикл. Детонация стабилизирует процесс сжигания, делает его более устойчивым и управляемым, тем самым повышается надежность и технологичность работы камеры сгорания, а также улучшаются условия труда и техники безопасности.
Изобретение применимо для камер сгорания различного назначения:
стационарных энергетических установок, МГД-генераторов, двигателей на транспорте, химических реакторов. При использовании в химической промышленности возможна инверсия - твердые окислители и газообразные горючие. Не исключена возможность работы двигателей на твердом топливе и на других планетах в отличной от Земли атмосфере (например, сжигание алюминия в среде углекислого газа на Венере).
В настоящее время остро стоит проблема эффективного сжигания твердых топлив, поскольку реально нависла угроза истощения нефтяных запасов в недрах Земли и ведется поиск альтернативных топлив, одним из которых является уголь. В отличие от известного (низкоскоростного и низкотемпературного способа дефлаграционного горения, «размазанного» по всей камере) предлагаемый (быстрый и высокотемпературный) детонационный способ позволяет приблизить решение этой проблемы.
Источники информации
1. Канторович Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива. М., Издательство АН СССР, 1958, 598 с.
2. Канторович Б.В., Миткалинный В.И., Делягин Г.Н., Иванов В.М. Гидродинамика и теория горения потока топлива. М., Издательство «Металлургия», 1971, 486 с.
3. Белоусов Е.В. Создание и совершенствование твердотопливных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Херсон. Издательство ОАО «ХГТ», 2006, 452 с.
4. Егоров А.Г. Процессы горения порошкообразного алюминия в прямоточных камерах реактивных двигательных установок. Самара, Издательство Самарского научного центра РАН, 2005, 376 с.
5. Патент РФ №2230981 (2004 г.).
6. Патент РФ №2327889 (2008 г.).
7. Патент SU №4146370 (1979 г.).
8. Патент SU №4193773 (1980 г.).
9. Патент SU №5042400 (1991 г.).
10. Патент РФ №2294486 (2007 г.).
11. Патент РФ №2339874 (2008 г.).
12. Патент РФ №2132512 (1999 г.).