СПОСОБ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
FLAME COMBUSTION OF FUEL

Предлагаемое техническое решение относится к области энергетики и может быть использовано для управления процессом факельного сжигания топлива, например, угольной пыли в энергетических котлах и топках для его оптимизации.
Аналогичные технические решения для факельного сжигания топлива известны см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1651041 и описание патента Российской Федерации №2514534, которые содержат нижеследующую совокупность существенных признаков: подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения, создают электродуговой разряд в зоне воспламенения, воспламеняют топливовоздушную смесь, производят факельное сжигание топлива в камере сгорания.
Все вышеперечисленные признаки являются общими с предлагаемым техническим решением.
Применение известных способов воспламенения и факельного сжигания топлива затруднено при сжигании низко реакционных топлив, например, угольной пыли, вследствие сложности обеспечения процесса воспламенения и поддержания горения факела. Это связано, в первую очередь, с относительно большими затратами электрической энергии составляющей 2-3% от тепловой мощности зажигаемого факела. Ресурс непрерывной работы устройств, реализующих данные способы, при этом составляет десятки часов, что затрудняет их применение для целей непрерывного использования для управления режимом горения топлива при его факельном сжигании.
Известен способ сжигания пылеугольного топлива, взятый нами за прототип, описанный в патенте №2498159, заключающийся в том, что создают электродуговой разряд в зоне воспламенения, подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения, осуществляют воспламенение топливовоздушной смеси в зоне воспламенения, создают диффузный электрический разряд и воздействуют диффузным электрическим разрядом на приграничную зону образования пламени факела горящего топлива и осуществляют факельное сжигание топлива.
Данные признаки являются общими с предлагаемым техническим решением.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из выше охарактеризованных аналогичных технических решений заключается в повышении эффективности стабилизации режима горения топлива при его факельном сжигании и обеспечении надежности воспламенения топлива с техническим составом, препятствующим формирование предпламенной ионизированной зоны факела, например, при повышенной влажности топлива.
Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что в известном техническом решении при факельном сжигании низко реакционного топлива, например, угольной пыли, при изменении ее технического состава (влажности, зольности и т.п.), может снижаться интенсивность хемоионизационных процессов и, как следствие, снижение электростатического потенциала предпламенной зоны факела, что приводит к неустойчивому горению топлива и погасанию факела.
Учитывая характеристику и анализ известных технических решений можно сделать вывод, что задача по обеспечению устойчивого воспламенения и стабилизации режима горения топлива при его факельном сжигании является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что в способе сжигания пылеугольного топлива, заключающемся в том, что создают электродуговой разряд в зоне воспламенения, подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения, осуществляют воспламенение топливовоздушной смеси в зоне воспламенения, создают диффузный электрический разряд, воздействуют диффузным электрическим разрядом на приграничную зону образования пламени и осуществляют факельное сжигание топлива, при этом устанавливают величину электростатического потенциала приграничной зоны образования пламени на заданном уровне, обеспечивающем требуемые параметры горения топлива при его факельном сжигании.
Проведенный анализ известных технических решений показал, что ни одно из них не содержит, как всей совокупности существенных признаков, так и отличительных признаков предлагаемого нами технического решения, поэтому оно соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Техническая сущность предлагаемого способа сжигания пылеугольного топлива заключается в следующем: создают электродуговой разряд в зоне воспламенения, подают топливовоздушную смесь в зону воспламенения, осуществляют воспламенение топливовоздушной смеси в зоне воспламенения, создают диффузный электрический разряд, воздействуют диффузным электрическим разрядом на приграничную зону образования пламени и осуществляют факельное сжигание топлива, при этом производят поддержание электростатического потенциала приграничной зоны образования пламени на заданном уровне.
Известно, [Лаутон Д., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения. / Пер. с англ. под ред. В.А. Попова. М.: Энергия, 1976. - 296 с], что от состояния предпламенной зоны зависит процесс образования пламени, устойчивость и интенсивность горения всего факела, что особенно важно при сжигании низко реакционного топлива (угольная пыль, водоугольное топливо) горение которого невозможно осуществить в обычных условиях, что требует применения дополнительных мер, например, предварительного нагревания топлива и окислителя.
Для инициирования начала горения в зоне воспламенения создают электрическую высокочастотную дугу с помощью электродов, изолированных относительно металлоконструкций горелочного устройства, размещенных в этой зоне и подключенных к источнику высокочастотного тока. Величину тока выбирают в диапазоне 0,1÷2А. Для обеспечения устойчивости горения электрической дуги напряжение холостого хода источника тока может варьироваться от сотен до десятков тысяч вольт. Частота переменного тока выбирается из условия обеспечения образования диффузного электрического разряда в зоне образования пламени при загорании факела, которую выбирают в диапазоне частот от 5÷50 кГц. В качестве источника высокочастотного тока могут быть использованы широко распространенные в промышленности преобразователи частоты. Для обеспечения заданного электростатического потенциала предпламенной зоны относительно металлоконструкций горелки один из электродов присоединяют к одному из полюсов источника постоянного напряжения регулируемой величины 0÷5 киловольт для поддержания потенциала этой области на заданном уровне, не зависящем от интенсивности хемоионизанионных процессов в зоне воспламенения факела, которые, в свою очередь, зависят от технического состава топлива, температуры и других факторов влияющих на интенсивность инжекции электронов и ионов в предпламенную зону, при этом другой полюс источника постоянного напряжения присоединяют к металлическому корпусу горелки. При зажигании пылеугольного топлива электрической дугой, ток дуги инициирует процессы хемоионизации и ионы и электроны перед зоной воспламенения формируют высоко ионизированную предпламенную зону, обеспечивая при этом формирование диффузного разряда, который обеспечивает устойчивость и интенсивность горения топливовоздушной смеси в виде факела. При помощи источника постоянного напряжения устанавливают необходимый потенциал пред пламенной зоны вне зависимости от уровня процессов хемоионизаии в горящем факеле, тем самым обеспечивают требуемые параметры горения топлива, например, температуру его горения.
Изменение электростатического потенциала предпламенной зоны происходит за счет подачи напряжения на один электродов от высоковольтного источника постоянного напряжения относительно корпуса горелки, при этом диффузный разряд, благодаря относительно высокой электропроводности, приобретает равный электростатический потенциал, который и обеспечивает требуемый электростатический потенциал предпламенной зоны. При изменении этого потенциала происходит изменение интенсивности ионного ветра, увлекающего продукты горения факела в зону воспламенения и поддерживающие процессы воспламенения топлива наряду с химическими процессами в высоко ионизированных областях диффузного разряда и предпламенной зоны факела. При снижении величины напряжения источника постоянного напряжения происходит снижение потенциала предпламенной зоны воспламенения, при этом снижается концентрация зарядов в предпламенной зоне факела, величина ионного ветра и, как следствие, интенсивность горения факела вплоть до его погасания. На рисунке (Фиг. 1) схематично показан механизм формирования потенциала предпламенной зоны при подаче отрицательного электростатического потенциала на диффузный электрический разряд, где 1 - корпус горелки; 2 - источник переменного высокочастотного тока; 3 - источник постоянного напряжения; 4 - электроды; 5 - зона диффузного разряда, 6 - предпламенная зона, 7 - высокотемпературные продукты горения топлива.
При подаче положительного потенциала в зону диффузного разряда (Фиг. 2) с ростом его величины потенциал предпламенной зоны снижается и соответственно интенсивность ионного «ветра», что снижает устойчивость воспламенения топлива. Увеличивая электростатический потенциал диффузного разряда можно обеспечить высокую скорость электронов, инжектируемых из зоны воспламенения, обладающих высокой ионизирующей способностью, и создать высоко ионизированную предпламенную зону, обеспечивающую высокую интенсивность химических процессов в обеспечивающих устойчивость горения факела.
Предпочтение знака электростатического потенциала, налагаемого на диффузный разряд, выбирается от вида сжигаемого топлива, условий его сжигания и из условия обеспечения требуемых параметров при факельном сжигании топлива.