УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
PLANT FOR SOLID FUEL BURNING

Изобретение относится к теплоэнергетическим установкам, используемым в энергетике, металлургии и химической промышленности.
Наиболее близким техническим решением является устройство для сжигания топлива, включающее топливную горелку с воздуховодом, внутренний топливопровод с топливной форсункой, врезанный герметично в воздуховод, электроизолированный от топливной магистрали насосом, регулятор расхода топлива, датчики расхода топлива и окислителя, камеру сгорания, вытяжную трубу для отвода продуктов горения, центральный проходной электроизолятор, размещенный коаксиально снаружи воздуховода, жестко удерживающий электроизолятор внутри верхнего диффузора с расширительным воздуховодом, укрепленным на диффузоре и проходящим внутри второго конического диффузора, на котором механически закреплен фланцевым соединением на крышке верхнего диффузора, внутренний топливопровод с установленной на конце топливной форсункой с игольчатыми шипами, направленными в сторону пламени, топливную горелку, с установленными двумя кольцевыми электродами с шипам по периметру их внутренних окружностей, направленных в строну пламени, электроды, подвижно соединенные с подвижными штангами, вставленными в полые электроды, жестко закрепленные на металлических упорах и жестко присоединенные к верхнему диффузору, а штанги пропущены через верхние электроизоляторы, жестко укрепленные на верхней крышке корпуса топливной горелки, сверху подвижные штанги с высоковольтными клеммами, электрически присоединенные к двум плюсовым выходам высоковольтного преобразователя с диапазоном регулирования напряжения 2-80 кВ, содержащими полупроводниковый регулятор амплитуды и частоты выходного переменного напряжения в виде однофазного тиристорного преобразователя частоты, высоковольтный повышающий трансформатор трехобмоточного типа с промежуточными отводами высокого напряжения и со средней точкой выходной высоковольтный демодулятор в виде двух однофазных и двух полупериодных выпрямителей, присоединенных к отводам высоковольтного трансформатора, минусовый выход выпрямителя-демодулятора - общий и присоединен к топливной форсунке через внутренний топливопровод, топливная горелка, снабженная датчиками тока, включенными во входной и выходные электрические цепи высоковольтного преобразователя, датчиками параметров пламени, отходящих газов, расхода топлива и окислителя, все выходы которых присоединены через оптимизатор режима - цифровой процессор на выход управления амплитудой и частотой регулятора напряжения, который присоединен по электропитанию к однофазной сети переменного тока. (Патент РФ №2299901, М. кл. F23D 14/24, F23N 5/12, C10J 3/20, 1996 г.).
Недостатками известного устройства являются ограниченная область применения в реактивных или газотурбинных двигателях, сложная и ненадежная в эксплуатации конструкция с управляющими электродами и устройствами их механического перемещения не обеспечивает гарантированного высокого коэффициента полезного действия (кпд) при сжигании топлива.
Задачей предлагаемого изобретения является создание установки для сжигания топлива, надежной в эксплуатации, с гарантированным получением высокого кпд при сжигании топлива.
14
15
12
14
Поставленная задача достигается тем, что в установке для сжигания твердого топлива, включающей топливную горелку с воздуховодом, топливопроводом и топливной форсункой, регулятор и датчики расхода топлива, окислителя, камеру сгорания, вытяжную трубу для отвода продуктов сгорания, рабочий электрод, размещенный выше факела пламени, высоковольтный преобразователь напряжения с минусовым и плюсовым выходами, соединенными с топливной форсункой, рабочим электродом и центральным проходным электроизолятором, размещенным снаружи топливной форсунки коаксиально, датчики с кабелями параметров пламени (температурой) и отходящих газов, датчики тока в цепи высоковольтного преобразователя в виде последовательно соединенных кабелями с сетью полупроводникового регулятора амплитуды и частоты выходного переменного напряжения, высоковольтного повышающего трансформатора, выходного высоковольтного демодулятора с минусовым выходом, соединенным через кабель с рабочим электродом и плюсовым выходом, соединенным через кабель с топливной форсункой, выходы датчиков расхода топлива, окислителя, параметров пламени и отходящих газов, тока соединены через кабель с оптимизатором режима, соединенного через кабель с полупроводниковым регулятором амплитуды и частоты, новым является то, что топливная горелка снабжена форсуночной коробкой в виде полого цилиндра с входным патрубком в верхней части под крышкой, в отверстие в центре крышки жестко установлена топливная форсунка, выполненная в виде циклона, корпус которого в нижней части выполнен конической формы, а в верхней - цилиндрической формы, к форсунке жестко прикреплен входной тангенциальный патрубок под углом, равным 24°, к горизонтальной касательной линии корпуса, внутри которого по центральной оси установлен рабочий электрод, выполненный в виде металлического стержня с иглами, прикрепленными по четыре под углом 90° друг к другу в горизонтальной плоскости по всей высоте стержня и закрепленный герметично через центральный проходной электроизолятор в центре отверстия крышки топливной форсунки, воздуховод оснащен вентилятором подачи окислителя, перед входом в вентилятор подачи окислителя в воздуховод установлены датчик расхода окислителя и регулируемый вентиль, соединенные через кабели с оптимизатором режима, а между датчиком расхода окислителя и входом в вентилятор к воздуховоду соединен трубопровод подачи пара с датчиком расхода пара и регулируемым вентилем, между выходом вентилятора подачи окислителя в паровоздуховод и входным патрубком форсуночной коробки в паровоздуховод установлен активатор паровоздушной смеси, выполненный в виде полого цилиндра, сверху герметично закрытого крышкой с отверстием в центре, в которое герметично установлен излучатель с кабелем для подсоединения с генератором рабочих частот 10÷10 Гц, в нижней части активатор паровоздушной смеси герметично закрыт, в верхней части активатора паровоздушной смеси под крышкой установлен тангенциально входной патрубок, в нижней части активатора паровоздушной смеси установлен тангенциально выходной патрубок, на топливопроводе установлен вентилятор подачи твердого топлива, перед входом в вентилятор подачи твердого топлива установлены датчик расхода топлива и регулируемый вентиль, соединенные через кабели с оптимизатором режима, а между датчиком расхода топлива и входом в вентилятор подачи твердого топлива к топливопроводу подсоединен трубопровод подачи пара с датчиком расхода пара и регулируемым вентилем, между выходом вентилятора подачи топлива в паротопливопроводе и входным патрубком форсунки в паротопливопровод установлен активатор паротопливной смеси, выполненный в виде полого цилиндра, сверху герметично закрытого крышкой с отверстием в центре, в которое герметично установлен излучатель с кабелем для соединения с генератором рабочих частот 10÷10 Гц, в нижней части активатор паротопливной смеси герметично закрыт, в верхней части активатора паротопливной смеси под крышкой установлен тангенциально входной патрубок, в нижней части активатора установлен тангенциально выходной патрубок, в активаторе паротопливной смеси на внутренней поверхности по высоте установлены три завихрителя во взаимоперпендикулярных плоскостях.
Высота и ширина входного тангенциального патрубка форсуночной коробки равны
1
1
а= 0,5 Д,
1
где а - высота входного патрубка форсуночной коробки;
1
Д - внутренний диаметр форсуночной коробки;
1
1,
в= 0,25 Д
1
где в - ширина входного патрубка форсуночной коробки;
1
Д - внутренний диаметр форсуночной коробки.
Высота форсуночной коробки равна
1
1
Н= 1,5-2,0 Д,
1
где Н - высота форсуночной коробки;
1
Д - внутренний диаметр форсуночной коробки.
Иглы на металлическом стержне выполнены с расстоянием по высоте стержня между иглами, равным
2
h = а,
где h - расстояние по высоте стержня между иглами;
2
а - высота входного патрубка форсунки.
Расстояние от острия каждой иглы до внутренней поверхности топливной форсунки равно
2
с = 0,5 Д,
где с - расстояние от острия каждой иглы до внутренней поверхности топливной форсунки;
2
Д - диаметр электроизолятора.
Высота и ширина входного тангенциального патрубка форсунки равны
2
3
а= 0,5 Д,
2
где а - высота входного патрубка форсунки;
3
Д - внутренний диаметр цилиндрической части форсунки;
2
3
в= 0,25 Д,
2
где в - ширина входного патрубка форсунки;
3
Д - внутренний диаметр цилиндрической части форсунки.
В установке для сжигания твердого топлива топливная горелка снабжена форсуночной коробкой, выполненной в виде полого цилиндра с входным патрубком в верхней части под крышкой для закрутки окислителя в вихрь и безопасной подачи закрученного окислителя в факел.
В установке для сжигания твердого топлива топливная форсунка жестко установлена в отверстие в центре по вертикальной оси крышки форсуночной коробки для получения оптимального смешения окислителя и топлива в факеле.
В установке для сжигания твердого топлива топливная форсунка выполнена в виде циклона, корпус которого в нижней части выполнен конической формы, а в верхней - цилиндрической формы, к которой жестко прикреплен входной тангенциальный патрубок под углом, равным 24°, к горизонтальной касательной линии корпуса для закрутки топлива в вихрь с минимальными потерями давления и безопасной подачей закрученного топлива в факел.
В установке для сжигания твердого топлива внутри топливной форсунки по центральной оси установлен рабочий электрод в виде металлического стержня с иглами, прикрепленными по четыре под углом 90° друг к другу в горизонтальной плоскости по всей высоте стержня и закреплен герметично через центральный проходной электроизолятор в центре отверстия крышки топливной форсунки для эффективной и безопасной ионизации топлива.
В установке для сжигания твердого топлива воздуховод оснащен вентилятором подачи окислителя для паровоздушной смеси в форсунку, а также для эффективного смешения окислителя с топливом в факеле.
В установке для сжигания твердого топлива перед входом в вентилятор подачи окислителя в воздуховод установлены расходомер окислителя и регулируемый вентиль для измерения и регулирования расхода окислителя в факеле.
В установке для сжигания твердого топлива между расходомером окислителя и входом в вентилятор к воздуховоду подсоединен трубопровод подачи пара с расходомером пара и регулируемым вентилем для подачи пара в окислитель с измерением и регулированием его расхода.
14
15
В установке для сжигания твердого топлива между выходом вентилятора подачи окислителя в паровоздуховод и входным патрубком форсуночной коробки в паровоздуховод установлен активатор паровоздушной смеси, корпус которого выполнен в виде полого цилиндра, сверху герметично закрытого крышкой с отверстием в центре, в которое герметично установлен излучатель с кабелем и клеммой для подсоединения с генератором рабочих частот 10÷10 Гц, в нижней части корпуса активатор паровоздушной смеси герметично закрыт, в верхней части корпуса активатора паровоздушной смеси под крышкой установлен тангенциально входной патрубок, в нижней части корпуса активатора паровоздушной смеси установлен тангенциально выходной патрубок для эффективного озонирования молекул кислорода воздуха в паровоздушной смеси посредством ее обработки в корпусе активатора излучением с одновременным вихревым смешиванием озона с паром, абсорбции озона частицами пара и стабилизации молекул озона.
В установке для сжигания твердого топлива топливопровод оснащен вентилятором подачи пылеугольного топлива для экономичного преодоления гидравлического сопротивления в топливопроводе, паротопливопроводе, активаторе паротопливной смеси и форсунке, а также для эффективного смешения топлива с окислителем в факеле.
В установке для сжигания твердого топлива перед входом в вентилятор подачи топлива в топливопроводе установлены расходомер топлива и регулируемый вентиль для измерения и регулирования расхода топлива в факеле.
В установке для сжигания твердого топлива между расходомером топлива и входом в вентилятор к топливопроводу подсоединен трубопровод подачи пара с расходомером пара и регулируемым вентилем для подачи пара в топливо с измерением и регулированием его расхода.
12
14
В установке для сжигания твердого топлива между выходом вентилятора подачи топлива в паротопливопровод и входным патрубком форсунки в паротопливопровод установлен активатор паротопливной смеси, корпус которого выполнен в виде полого цилиндра, сверху герметично закрытого крышкой с отверстием в центре, в которое герметично установлен излучатель с кабелем и клеммой для подсоединения с генератором рабочих частот 10÷10 Гц, в нижней части корпус активатора паротопливной смеси герметично закрыт, в верхней части корпуса активатора паротопливной смеси под крышкой установлен тангенциально входной патрубок, в нижней части корпуса активатора установлен тангенциально выходной патрубок - для эффективного разложение молекул воды на радикалы водорода и кислорода в паротопливной смеси посредством ее обработки в корпусе активатора излучением с одновременным вихревым смешиванием радикалов водорода и кислорода с топливом, их абсорбции твердыми частицами топлива и тем самым - стабилизации.
В установке для сжигания твердого топлива в корпусе активатора паротопливной смеси на внутренней поверхности по высоте установлены три завихрителя во взаимоперпендикулярных плоскостях для эффективного перемешивания паротовливной смеси в процессе ее обработки излучением.
В установке для сжигания твердого топлива высота и ширина входного тангенциального патрубка форсуночной коробки равны
1
а = 0,5 Д,
где а - высота входного патрубка форсуночной коробки;
1
Д - внутренний диаметр форсуночной коробки;
1
в = 0,25 Д,
где в - ширина входного патрубка форсуночной коробки;
1
Д - внутренний диаметр форсуночной коробки;
и высота форсуночной коробки равна
1
1
Н= 1,5-2,0 Д,
где Н - высота форсуночной коробки;
1
Д - внутренний диаметр форсуночной коробки;
1
1
Н= 1,5-2,0 Д,
где Н - высота форсуночной коробки;
1
Д - внутренний диаметр форсуночной коробки;
- для минимизации гидравлического сопротивления форсуночной коробки и формирования внутри форсуночной коробки стабильного паровоздушного вихря. В установке для сжигания твердого топлива иглы на металлическом стержне выполнены с расстоянием по высоте стержня между иглами, равным:
2,
h = a
где h - расстояние по высоте стержня между иглами;
2
а - высота входного патрубка форсунки.
Расстояние от острия каждой иглы до внутренней поверхности топливной форсунки равно
2,
с = 0,5 Д
где с - расстояние от острия каждой иглы до внутренней поверхности топливной форсунки;
2
Д - диаметр электроизолятора - для эффективной и безопасной ионизации частиц твердого топлива в форсунке.
В установке для сжигания твердого топлива высота и ширина входного тангенциального патрубка форсунки равны:
3,
а = 0,5 Д
где а - высота входного патрубка форсунки;
3
Д - внутренний диаметр цилиндрической части форсунки;
3,
в = 0,25 Д
2
где в - ширина входного патрубка форсунки;
3
Д - внутренний диаметр цилиндрической части форсунки;
- для минимизации гидравлического сопротивления форсунки и формирования внутри форсунки стабильного паротопливного вихря.
Предлагаемая установка для сжигания твердого топлива поясняется чертежами:
На фиг.1 изображена схема установки для сжигания твердого топлива;
Фиг.2 - вид топливной горелки спереди;
Фиг.3 - вид топливной горелки сверху;
Фиг.4 - вид активатора паровоздушной смеси спереди;
Фиг.5 - вид активатора паровоздушной смеси сверху;
Фиг.6 - вид активатора паротопливной смеси спереди;
Фиг.7 - вид активатора паротопливной смеси сверху.
14
13
12
14
Установка для сжигания топлива, включающая топливную горелку 1 с воздуховодом 2, топливопроводом 3 и топливной форсункой 4, регуляторы (регулирующие вентили) 5, 6 и датчики 7 и 8 расхода топлива, окислителя, камеру сгорания 9, вытяжную трубу 10 для отвода продуктов сгорания, рабочий электрод 11, размещенный выше факела пламени, высоковольтный преобразователь напряжения 12 с минусовым 13 и плюсовым 14 выходами, соединенными с топливной форсункой 4, рабочим электродом 11 и центральным проходным электроизолятором 15, размещенным снаружи коаксиально, датчики с кабелями 16, 17 параметров (температуры) пламени и отходящих газов, датчики с кабелями 18, 19 тока в цепи высоковольтного преобразователя 12 в виде последовательно соединенных кабелями с сетью 20 полупроводникового регулятора 21 амплитуды и частоты выходного переменного напряжения, высоковольтного повышающего трансформатора 22, выходного высоковольтного демодулятора 23 с минусовым выходом 13, соединенным через кабель с рабочим электродом 11 и плюсовым выходом 14, соединенным через кабель с топливной форсунки датчики 7, 8, 16, 17, 18, 19 расходов топлива и окислителя, параметров пламени и отходящих газов, тока соединены через кабели с оптимизатором 24 режима, соединенного через кабель с полупроводниковым регулятором 21 амплитуды и частоты, топливная горелка 1 снабжена форсуночной коробкой 25, выполненной в виде полого цилиндра с тангенциальным входным патрубком 26 в верхней части под крышкой 27, в отверстие 28 в центре крышки 27 жестко установлена по вертикальной оси топливная форсунка 4, выполненная в виде циклона, корпус которого в нижней части 29 выполнен конической формы, а в верхней 30 - цилиндрической формы, к которой жестко прикреплен входной тангенциальный патрубок 31 под углом, равным ά=24°, к горизонтальной касательной линии к верхней части 30 циклона, внутри которого по центральной оси установлен рабочий электрод 11, выполненный в виде металлического стержня с иглами 32, прикрепленными по четыре иглы 32 под углом β=90° друг к другу в горизонтальной плоскости по всей высоте стержня рабочего электрода 11 внутри топливной форсунки 4 и закрепленный герметично через центральный проходной электроизолятор 15 в отверстии 33 в центре крышки 34 топливной форсунки 4, окислителя и регулирующий вентиль 6, а между датчиком 8 расхода окислителя и входом в вентилятор 35 подачи окислителя к воздуховоду 2 подсоединен трубопровод 36 подачи пара с датчиком 37 расхода пара и регулирующим вентилем 38, соединение через кабели с оптимизатором 24 режима, между выходом вентилятора 35 подачи окислителя в паровоздуховод 39 и входным патрубком 26 форсуночной коробки 25 в паровоздуховод 39 установлен активатор 40 паровоздушной смеси, выполненный в виде полого цилиндра, сверху герметично закрытого крышкой 41 с отверстием 42 в центре, в которое герметично установлен излучатель 43 с кабелем для подсоединения с генератором 44 рабочих частот 10÷10 Гц, в нижней части активатор 40 паровоздушной смеси герметично закрыт, в верхней части активатора 40 паровоздушной смеси под крышкой 41 установлен тангенциально входной патрубок 45, в нижней части активатора 40 паровоздушной смеси установлен тангенциально выходной патрубок 46, на топливопроводе 3 установлен вентилятор 47 подачи твердого топлива, перед входом в вентилятор 47 подачи топлива в топливопроводе 3 установлены датчик 7 расхода топлива и регулирующий вентиль 5, а между датчиком 7 расхода топлива и входом в вентилятор 47 подачи топлива к топливопроводу 3 подсоединен трубопровод 48 подачи пара с датчиком 49 расхода пара и регулирующим вентилем 50, соединенные через кабели с оптимизатором 24 режима, между выходом вентилятора 47 подачи топлива в паротопливопровод 51 и входным тангенциальным патрубком 31 топливной форсунки 4 в паротопливопровод 51 установлен активатор 52 паротопливной смеси, выполненный в виде полого цилиндра, сверху герметично закрытого крышкой 53 с отверстием 54 в центре, в которое герметично установлен излучатель 55 с кабелем для подсоединения с генератором 56 рабочих частот 10÷10 Гц, в нижней части активатор 52 паротопливной смеси герметично закрыт, в верхней части активатора 52 паротопливной смеси под крышкой 53 установлен тангенциально входной патрубок 57, в нижней части активатора 52 установлен тангенциально выходной патрубок 58, в активаторе 52 паротопливной смеси на внутренней поверхности по высоте установлены три завихрителя 59 потока паротопливной смеси во взаимоперпендикулярных плоскостях.
Установка для сжигания твердого топлива работает следующим образом.
14
15
На вход вентилятора 35 подачи окислителя через воздуховод 2 и через трубопровод 36 поступает воздух и водяной пар, которые в улитке вентилятора 35 подачи окислителя перемешиваются, и образованная паровоздушная смесь вентилятором 35 подачи окислителя нагнетается через паровоздуховод 39 и тангенциальный входной патрубок 45 в активатор 40 паровоздушной смеси, в котором происходит озонизация молекул кислорода воздуха под действием излучения частотами 10÷10 Гц от излучателя 43 и генератора 44, интенсивное перемешивание образованных молекул озона с водяным паром, абсорбция молекул озона каплями воды внутри активатора 40 паровоздушной смеси, далее активированная паровоздушная смесь поступает из тангенциального входного патрубка 45 активатора 40 паровоздушной смеси через паровоздухопровод 39 и тангенциальный входной патрубок 26 в форсуночную коробку 25, в которой происходит закручивание в вихрь паровоздушной смеси и затем вихрь паровоздушной смеси с выхода форсуночной коробки 25 поступает в камеру сгорания 9.
12
14
Одновременно на вход вентилятора 47 подачи твердого топлива через топливопровод 3 и через трубопровод 48 поступает твердое топливо и водяной пар, которые в улитке вентилятора 47 подачи топлива перемешиваются и образованная паротопливная смесь вентилятором 47 подачи топлива нагнетается через паротопливопровод 51 и тангенциальный входной патрубок 57 в активатор 52 паротопливной смеси, в котором происходит радикализация молекул воды пара под действием излучения частотами 10÷10 Гц от излучателя 55 и генератора 56, интенсивное турбулентное перемешивание образованных радикалов с частицами измельчаемого топлива при взаимодействии с завихрителями 59 внутри активатора 52 паротопливной смеси, далее активированная паротопливная смесь поступает из тангенциального выходного патрубка 58 активатора 52 паротопливной смеси через паротопливопровод 51 и тангенциальный входной патрубок 31 в топливную форсунку 4, в которой происходит электростатическая ионизация частиц топлива под действием электростатического поля между рабочим электродом 11 с иглами 32 и корпусом топливной форсунки 4, образующего при подаче высоковольтного напряжения на рабочий электрод 11 с иглами 32 и корпуса электродом 11 с иглами 32 и корпусом топливной форсунки 4, образующего при подаче высоковольтного напряжения на рабочий электрод 11 с иглами 32 и корпуса топливной форсунки 4 от высоковольтного преобразователя напряжения 12, далее паротопливная смесь с выхода топливной форсунки 4 поступает в камеру сгорания 9.
В камере сгорания 9 активированные паровоздушная и паротопливная смеси сгорают с образованием отходящих газов, которые через вытяжную трубу 10 удаляются. Воздуховод 2, трубопроводы 36, 48 подачи пара и топливопровод 3 оснащены датчиками расхода 7, 8, 37, 49 и регулирующими вентилями 5, 6, 38, 50, связанными с оптимизатором 24 режима, посредством которого производится автоматическая оптимизация расходов пара, окислителя и топлива в зависимости от показаний датчиков с кабелями 16, 17 температуры пламени факела и продуктов сгорания.
Технический результат использования установки для сжигания топлива состоит в том, что в ней гарантированно получают кпд сгорания твердого топлива 92÷94% благодаря озонированию активированной паровоздушной смеси, радикализации активированной паротопливной смеси, высоковольтной поляризации и электростатическому распылению паротопливной смеси, автоматической оптимизации расходов пара, топлива и окислителя в зависимости от показаний датчиков температуры пламени факела и продуктов сгорания.