УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ПЫЛЕВИДНОГО ТОПЛИВА
DEVICE FOR COMBUSTION OF POWDERED FUEL

Изобретение относится к области энергетики, в частности, к устройствам для подготовки и сжигания пылевидного топлива, преимущественно пылеугольного топлива.
Известно выполнение устройства подготовки воздуха путем адсорбционного разделения его на два потока, обогащенного кислородом и азотом (см. Обзор. информ. «Получение кислорода и азота адсорбционным разделением воздуха» авторы В.Н. Глупанов, Ю.И. Шумяцкий, Ю.А. Серегин, С.А. Брехнер. - М. [б. и.], 1991. - 47 с.: ил. - (Пром. и сан. очистка газов. Серия ХМ-14: Обзор. информ. ЦИНТИХИМнефтемаш), недостатком известного устройства является неполная информация о путях и средствах использования предложения в теплотехнических установках.
Известно устройство для сжигания топлива (см. патент РФ № RU 2505749 С1, заявитель Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова", опубл. 27.01.2014), основным недостатком известного устройства получения синглетного возбужденного состояния кислорода в части обработки воздуха является наличие зеркал, от которых отражается луч лазера, и высокие потери его энергии при многократном отражении, что не позволяет создать надежное поле лазерного излучения, так как сами зеркала находятся в зоне воздействия высокой температуры и охлаждаются потоком воздуха, а места отражения лазерного луча еще нагреваются из-за поглощения части лазерного излучения, что разрушает поверхность зеркал или требует дополнительного охлаждающего устройства мест отражения лазерного луча.
Известно (см. патент РФ №2215305, заявители Закрытое акционерное общество «Группа компаний «Премиум»» и Хоменко Александр Андреевич, опубл. 37.09.2003) плазмохимическое устройство подготовки воздуха и пылевидного топлива с камерой для его горения, содержащее устройство подачи воздуха, устройство подготовки воздуха с камерой подготовки воздуха, устройство плазмохимической обработки пылевидного топлива, включающее плазмотрон, и камеру горения, а также трубопроводы, связывающие их. Основным недостатком известного устройства является установка плазмотрона в основном потоке воздушно-пылетопливной смеси, что приводит к плазменной активации молекулярного азота и образованию атомарным азотом с кислородом воздуха окислов азота, для гашения которых необходимо создавать дополнительно восстановительную атмосферу или использовать другие средства удаления NOX.
Известно (см. патент РФ №2425284, заявители Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Читинский государственный университет (ЧитГУ) и ООО "Отраслевой центр плазменно-энергетических технологий РАО "ЕЭС России" (ООО "ОЦПЭТ РАО "ЕЭС России"), опубл. 27.07.2011) устройство для сжигания пылевидного топлива с камерой для его горения, содержащее устройство подачи воздуха, устройство подготовки воздуха с камерой подготовки воздуха, устройство плазмохимической обработки топлива, включающее плазмотрон, и камеру горения, а также трубопроводы, связывающие их. Основным недостатком известного устройства также является установка плазмотрона в основном потоке воздушно-пылетопливной смеси, что приводит к возможности плазменной активации молекулярного азота и образованию атомарным азотом с кислородом воздуха окислов азота, для гашения которых необходимо создавать дополнительно восстановительную атмосферу или использовать другие средства удаления NOX.
Известно (см. патент РФ №2153633, заявитель Акционерное общество открытого типа "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт", опубл. 27.07.2000) устройство для сжигания пылевидного топлива, содержащее устройство подачи воздуха, устройство подготовки воздуха с камерой подготовки воздуха, устройство плазмохимической обработки топлива, включающее плазмотрон или другое устройство с лазерным лучом, и камеру горения, а также трубопроводы, связывающие их.
Техническим результатом является снижение выбросов токсических веществ и повышение стабильности работы устройства для сжигания пылевидного топлива.
Технический результат достигается устройством для сжигания пылевидного топлива, которое содержит устройство сжатия воздуха, устройство подготовки воздуха с камерой подготовки воздуха, устройство плазмохимической обработки пылевидного топлива, включающее плазмотрон, и камеру горения, а также трубопроводы, связывающие их. Согласно изобретению устройство подготовки воздуха снабжено устройством разделения воздуха с возможностью разделения воздуха по основным компонентам на цеолитовом наполнителе, выполненное с возможностью периодического нагревания цеолита, с одним входным трубопроводом, первым и вторым выходными трубопроводами, соответственно, для первого потока воздуха с повышенным содержанием кислорода и для второго потока воздуха с повышенным содержанием азота, второй выходной трубопровод сообщен с трубопроводом подачи пылевидного топлива камерой зажигания, в которой установлено устройство плазмохимической обработки твердого пылевидного топлива, выполненное кольцевым, и сообщено с первым выходным трубопроводом посредством трубы отбора воздуха с повышенным содержанием кислорода, расположенной в камере зажигания во внутренней части кольцевого устройства плазмохимической обработки пылевидного топлива, выходной срез трубы выступает за выходной срез плазмотрона, так чтобы при его работе его низкотемпературная плазма не могла достигнуть выходного среза трубы отбора воздуха (это можно получить опытным или расчетным путем), причем внутренняя поверхность камеры подготовки воздуха выполнена зеркальной, а устройство подготовки воздуха выполнено в виде твердотельного лазера с излучением длиной волны 762±0,5 и/или 1268±0,5 нм, выход которого направлен под углом к зеркальной поверхности камеры подготовки воздуха, меньшим угла полного отражения от зеркальной поверхности камеры подготовки воздуха, с возможностью образования лучом лазера, по меньшей мере, однозаходной винтообразной ломаной линии, шаг которой между соседними витками меньше линейного габаритного размера (l) выходного окна твердотельного лазера, измеренного вдоль оси камеры подготовки воздуха. Камера подготовки воздуха сообщена с камерой горения через перфорированную перегородку, расположенную коаксиально зеркальной поверхности и имеющую переменное отношение перфорации, то есть отношение площади отверстий перегородки к общей площади перегородки, соответственно меньшее в зоне дожигания смеси и большее в зоне разбавления.
Предложение поясняется чертежами:
На фиг. 1 схематично показано устройство для сжигания пылевидного топлива с устройством ввода лазерного луча в камеру подготовки воздуха с предполагаемой проекцией винтообразной ломаной линии, получаемой при многократном его отражении;
На фиг. 2 показан поперечный разрез камеры горения в месте расположения устройства ввода лазерного луча в камеру подготовки воздуха с проекцией винтообразной ломаной линии, получаемой при многократном его отражении.
Устройство для сжигания пылевидного топлива содержит схематично показанное устройство 1 сжатия воздуха, устройство 2 подготовки воздуха с камерой 3 подготовки воздуха, устройство 4 плазмохимической обработки пылевидного топлива, включающее плазмотрон 5, и камеру 6 горения, а также трубопроводы, связывающие их. Устройство 2 подготовки воздуха снабжено устройством 7 разделения воздуха с возможностью разделения воздуха по основным компонентам на цеолитовом наполнителе, выполненное с возможностью периодического нагревания цеолита, с одним входным трубопроводом 8 и первым 9 и вторым 10 выходными трубопроводами, соответственно, 9 для первого потока воздуха с повышенным содержанием кислорода и 10 для второго потока воздуха с повышенным содержанием азота, второй выходной трубопровод 10 сообщен с трубопроводом 11 подачи пылевидного топлива и камерой 12 зажигания, в которой установлено устройство 4 плазмохимической обработки пылевидного топлива, выполненное кольцевым, и сообщено с первым выходным трубопроводом посредством трубы 13 отбора воздуха с повышенным содержанием кислорода, расположенной в камере зажигания во внутренней части кольцевого устройства 4 плазмохимической обработки пылевидного топлива, выходной срез трубы 13 отбора воздуха выступает за выходной срез плазмотрона 5, причем внутренняя поверхность 15 камеры 3 подготовки воздуха выполнена зеркальной, а устройство 2 подготовки воздуха выполнено в виде твердотельного лазера 16 с излучением длиной волны 762±0,5 и/или 1268±0,5 нм, выход 17 которого, например выполненный в виде полупрозрачного фокусирующего зеркала или световода и т.п., направлен под углом к зеркальной поверхности камеры подготовки воздуха, меньшим угла полного отражения от зеркальной поверхности 15 камеры 3 подготовки воздуха, с возможностью образования лучом лазера 16, по меньшей мере, однозаходной винтообразной ломаной линии 18, шаг 19 h которой между соседними витками больше линейного габаритно размера l выходного окна 20 в зеркальной поверхности 15 для размещения выхода 17 твердотельного лазера 16, камера подготовки воздуха 3 сообщена с камерой горения 6 через перфорированную перегородку 21, расположенную коаксиально зеркальной поверхности 15 и имеющую переменное отношение перфорации, то есть отношение площади отверстий 22 перегородки (показаны условно) к общей площади перегородки 21, соответственно меньшее в зоне 23 дожигания смеси и большее в зоне 24 разбавления продуктов неполного сгорания смеси кислородом в его синглетном состоянии. Отверстия 22 перфорации могут иметь различную форму, например, в виде выштамповок с полукруглым сечением, направленных открытой частью по направлению потока рабочего тела, что как козырек от дождя защищает камеру подготовки воздуха от попадания в нее твердых частиц шлака, аналогичные формы широко известны, используются в камерах сгорания и жаровых трубах и предотвращают попадание частиц шлака или других твердых частиц в камеру 3 подготовки воздуха. Нижняя часть камеры 6 горения имеет шлакосборник 25.
Устройство 7 разделения воздуха с возможностью разделения воздуха по основным компонентам на цеолитовом наполнителе может быть выполнено различным образом. Например, в виде непрерывно работающего устройства, схематично показанного на фиг. 1. Оно состоит из цеолитового наполнителя, выполненного в виде усеченного конуса, установленного с возможностью вращения, в котором могут устанавливаться трубы трубчатого теплообменника или электрические нагревательные элементы, которые выполнены с возможностью периодического сообщения с источником тепла или подвода электрической энергии к нагревателям. При сообщении с первым трубопроводом цеолит нагревается и с его поверхности десорбируется азот. После прокачки воздуха цеолит охлаждается и снова может использоваться для адсорбции азота из воздуха. Конус вращается и его части последовательно нагреваются и охлаждаются и переносят азот из одного потока воздуха в другой, при этом процесс идет непрерывно и на выходе получаются два потока с разным относительным процентным содержанием кислорода и азота. Далее цикл повторяется.
Самое простое устройство периодического действия может иметь две емкости с цеолитом, в одной из которых происходит адсорбция азота, а в другой десорбция, путем нагрева цеолита. Воздух на выходе из первой емкости будет иметь большее относительное процентное содержание кислорода, чем на выходе из второй емкости, а относительное процентное содержание азота будет противоположным, то есть меньше в первом и больше во втором. Затем выходы емкостей пересоединяют попарно-перекрестно с трубопроводами, то есть первую емкость со вторым трубопроводом, а вторую с первым, процесс продолжается. Затем цикл повторяют снова.
Устройство для сжигания пылевидного топлива работает следующим образом.
Воздух из атмосферы поступает в устройство 1 сжатия воздуха, например центробежный компрессор, и под давлением направляется в устройство 2 подготовки воздуха, где разделяется на два потока (см. работу этого устройства выше), первый из которых направляется в первый трубопровод 9 для первого потока воздуха, обогащенного кислородом, а второй направляется во второй трубопровод 10 для второго потока воздуха, обогащенного азотом. Трубопровод 10 для второго потока воздуха сообщен с трубопроводом 11 подачи пылевидного топлива, в котором часть воздуха, обогащенного азотом, смешивается с пылевидным топливом и поступает в устройство 4 плазмохимической обработки пылевидного топлива. Часть взвешенного в воздухе пылевидного топлива поступает на вход плазмотрона 5, обрабатывается в нем низкотемпературной плазмой, твердые частицы пылевидного топлива газифицируются, кислород и азот воздуха ионизируются. При движении по устройству 4 плазмохимической обработки топлива (при недостатке окислителя, т.е. кислорода) атомарный азот воздуха, сера, соединения азота и водород из газифицированного пылевидного топлива соединяются, образуя аммиак, соединения серы и другие продукты газификации и неполного сгорания пылевидного топлива. При дальнейшем движении по камере зажигания 12 указанные продукты смешиваются с воздухом, обогащенным кислородом, поступающим из трубы 13 отбора воздуха из трубопровода 9 первого потока воздуха, в камере зажигания 12 смесь зажигается и стабильно горят все активированные ионизацией составляющие, такие как сажа, аммиак или монооксид углерода, в факеле зажигания, который воспламеняет оставшуюся в трубопроводе 11 пылегазовую смесь, которая горит в условиях недостатка кислорода в начале камеры 6 горения. Температура горения при этом не может быть очень высокой, при которой повторно могут образовываться окислы азота. На уступе сразу на выходе потока в камеру 6 горения образуется устойчивый вихрь, и с его помощью происходит возврат и подсос горящих продуктов неполного сгорания в корень факела горения потока пылевидного топлива в смеси с воздухом, что должно стабилизировать ее горение.
При этом поступающий из трубопровода 9 воздух, обогащенный кислородом, обрабатывается лазером для получения его синглетного состояния, так как внутренняя поверхность 15 камеры 3 подготовки воздуха выполнена зеркальной, а устройство 2 подготовки воздуха выполнено в виде твердотельного лазера 16 с излучением длиной волны 762±0,5 и/или 1268±0,5 нм, выход 17 которого, например выполненный в виде полупрозрачного фокусирующего зеркала или световода и т.п., направлен под углом к зеркальной поверхности камеры 3 подготовки воздуха, меньшим угла полного отражения от зеркальной поверхности 15 камеры 3 подготовки воздуха, с возможностью образования лучом лазера 16, по меньшей мере, однозаходной винтообразной ломаной линии 18, шаг 19 которой между соседними витками больше линейного габаритного размера l выходного окна 20, расположенного на зеркальной поверхности камеры 3, выхода 17 твердотельного лазера 16, т.е. линейного размера устройства для размещения выхода 17 твердотельного лазера 16 на зеркальной стенке вдоль оси камеры горения, многократное отражение лазерного луча от зеркальной поверхности происходит без потерь и не может повредить зеркальную поверхность. При этом следует отметить, что лазерный луч имеет конечные размеры и при отражении от криволинейной поверхности будет происходить его расфокусировка и увеличение объема облученного воздуха и будет расти масса синглетного состояния кислорода в нем, этому будет способствовать увеличенное процентное содержание кислорода в потоке. Далее воздух, обогащенный кислородом, в том числе обогащается модификацией в его синглетном состоянии, поступает в камеру горения через перфорированную стенку и доокисляет продукты неполного сгорания, такие как сажа, монооксид углерода (угарный газ), оксиды азота и серы. Кислород в его синглетном состоянии инициирует по схеме цепной реакции окисление указанных продуктов неполного сгорания до углекислого газа или молекулярного азота. Минеральные негорючие вещества, составляющие основу шлака, выпадают из потока и поступают в шлакосборник.
Выделяющееся тепло можно использовать известными способами с помощью известных средств.
Перечень позиций
1 - Устройство сжатия воздуха
2 - Устройство подготовки воздуха
3 - Камера подготовки воздуха
4 - Устройство плазмохимической обработки пылевидного топлива
5 - Плазмотрон
6 - Камера горения
7 - Устройство разделения воздуха
8 - Входной трубопровод устройство разделения воздуха
2
9 - Первый трубопровод для первого потока воздуха O
2
10 - Второй трубопровод для второго потока воздуха N
11 - Трубопровод подачи твердого пылевидного топлива
12 - Камера зажигания
2
13 - Труба отбора воздуха из трубопровода первого потока воздуха O
2
14 - Выходное сечение трубы 13 отбора воздуха O
15 - Внутренняя зеркальная поверхность камеры 3 подготовки воздуха
16 - Твердотельный лазер
17 - Выход твердотельного лазера 16
18 - Однозаходная винтообразная ломаная линия
19 - Шаг однозаходной винтообразной ломаной линии
20 - Окно на внутренней зеркальной поверхности камеры 3 подготовки воздуха для выхода 17 твердотельного лазера 16
21 - Перфорированная перегородка
22 - Отверстия
23 - Зона дожигания
24 - Зона разбавления
25 - Шлакосборник