СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА И ЦЕНТРОБЕЖНАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ
METHOD OF COMBUSTING FUEL AND CENTRIFUGAL COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к системам сжигания горючих материалов и топлив с целью получения тепла, а также утилизации отходов и может быть использовано в энергетике, теплотехнике, металлургии и в экологических целях.
Известна система сжигания (заявка RU №2006114686, МПК F23G 5/02, опубликована 2007.12.20) смеси горючих материалов с водой для термического разложения воды, содержащая наружный кожух, которым окружен корпус вращающейся камеры сгорания, имеющий отверстие для подачи текучего материала, и отверстие для отвода отходящих газов, и отверстие для выпуска шлака, причем корпус камеры сгорания состоит из внутреннего и наружного цилиндров, где внутренний цилиндр корпуса камеры сгорания образован из термостойкого материала, который прижимается к наружному цилиндру под действием центробежных сил. Система сжигания оснащена комплексом дополнительных устройств для подготовки, смешения и подачи реагентов, а также сбора, разделения продуктов сгорания.
Недостатками изобретения являются сложность и громоздкость всего комплекса системы сжигания.
Известно энергопреобразующее устройство роторного типа (патент RU 2256861, МПК F28D 11/02, 2003 г.), выбранное за прототип. Устройство содержит ротор, установленный на валу с возможностью вращения, коллекторы подвода и отвода рабочей среды, причем ротор выполнен из проницаемого во всех направлениях ячеисто-пористого материала в виде, например, диска, конуса, усеченного конуса, шара, при этом коллектор отвода рабочей среды и тепла размещен по периферии ротора. В качестве одного из примеров устройство применялось для сжигания природного газа, где использовали ротор в виде плоского диска, изготовленного из керамического высокопористого ячеистого материала с каталитическим покрытием из композиции оксида марганца и палладия или платины.
Недостатками данного технического решения является возможность его использования для сжигания только газообразного топлива и применение в качестве каталитического покрытия композиций, содержащих благородные металлы.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективной центробежной камеры сгорания для сжигания различного топлива: газообразного, жидкого и твердого, а также органических отходов. Кроме того, для повышения полноты сгорания и уменьшения концентрации вредных продуктов сгорания возможно применение дешевых каталитических материалов, например, пористого мартеновского шлака.
Поставленная задача достигается благодаря тому, что способ организации горения топливо-воздушной смеси осуществляют в центробежной камере сгорания роторного типа, частично заполненной гранулированным наполнителем, и затем дожигают внутри проницаемого пористого цилиндрического кольца ротора, обеспечивающего подсос воздуха.
Центробежная камера сгорания содержит пористый ротор, установленный в корпусе-улитке на валу с возможностью вращения от привода, коллекторы подвода топлива и воздуха и отвода продуктов сгорания и рабочей среды. Ротор выполнен в виде открытого с внешнего торца полого цилиндра с перфорированными стенками, внутри которого и соосно ему установлено цилиндрическое кольцо из проницаемого пористого материала, при этом часть свободного пространства между проницаемым цилиндрическим кольцом и валом заполнена гранулированным пористым наполнителем, ограниченным сетчатым кольцом для возможности размещения между ним и валом топлива, а открытая торцевая поверхность полого цилиндра частично закрыта пластиной в виде диска с центральным отверстием, превышающим диаметр вала для возможности подачи топлива, при этом в свободном пространстве между цилиндрическим и сетчатым кольцом размещен гранулированный наполнитель.
Цилиндрическое кольцо ротора может быть выполнено из композиции различных проницаемых пористых материалов, из проницаемого пористого материала с каталитическими свойствами.
Гранулированный наполнитель ротора может быть выполнен из материала с каталитическими свойствами, или в качестве гранулированного наполнителя используют отходы металлургии, например мартеновский шлак.
Положительный эффект достигается благодаря тому, что способ организации горения топливо-воздушной смеси осуществляют в центробежной камере с дисковым ротором, выполненным из проницаемых пористых материалов с различными свойствами, который обеспечивает горение топлива различного фазового состава во вращающейся пористой камере сгорания. При этом происходит одновременное всасывание воздуха и топлива, продуктивное горение образующейся топливо-воздушной смеси в каталитически активном наполнителе, догорание продуктов с участием дополнительно подсасываемого с торца в пористое цилиндрическое кольцо воздуха и эвакуация газообразных и твердых (золы) продуктов сгорания с целью получения тепла в отходящих газах, а также при радиационном излучении от раскаленных поверхностей камеры сгорания.
Проницаемое пористое цилиндрическое кольцо обладает целым рядом уникальных свойств: при вращении проницаемая пористая поверхность его всасывает окружающую среду своими торцевыми поверхностями и выбрасывает ее (или продукты реакций) с цилиндрической поверхности, причем при наличии ограждающих поверхностей вокруг цилиндрического кольца можно получать различные конфигурации течений среды в около и внутри кольцевого пространства. Кроме того, всесторонняя проницаемость пористых материалов, высокие тепло- и массообменные характеристики, большая удельная поверхность, к тому же обладающая каталитической активностью, обеспечивают полноту и экологическую чистоту сгорания топлива.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники, и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.
На чертеже изображена схема центробежной камеры сгорания роторного типа.
Центробежная камера сгорания роторного типа, в которой реализуется указанный способ горения топливо-воздушной смеси, содержит ротор 1, размещенный в обечайке-улитке 2 с коллектором ввода воздуха и топлива 3 и коллектором вывода продуктов сгорания 4, выходного патрубка 5 для отходящих газов, бункера для сбора золы 6, привода 7, а также системы подачи топлива 8 и запального устройства 9. Ротор 1 выполнен в виде открытого с внешнего торца полого цилиндра 10 с перфорированными стенками, внутри которого соосно ему установлено цилиндрическое кольцо 11 из проницаемого пористого материала. Открытая торцевая поверхность полого цилиндра 10 частично закрыта пластиной 12 в виде диска с центральным отверстием. При этом в объеме между проницаемым пористым цилиндрическим кольцом 11, стенкой полого цилиндра 10, пластиной 12 и сетчатым кольцом 13 размещен гранулированный наполнитель 14 с каталитическими свойствами. В качестве гранулированного наполнителя могут быть использованы отходы металлургии, например мартеновский шлак. Полый цилиндр 10 ротора установлен на валу 15 привода 7 посредством втулки 16. Коллектор ввода топлива и воздуха 3 имеет заслонку (на чертеже не показано) для регулировки подачи воздуха в пористое цилиндрическое кольцо 11. Центральное отверстие пластины 12 превышает диаметр вала 15 для удобства подачи твердого топлива, например уголь.
Способ организации горения в центробежной камере сгорания роторного типа осуществляется следующим образом.
При включении привода 7 вращение вала 15 с втулкой 16 передается ротору 1. Внутри полого цилиндра 10 ротора 1 создается разрежение, вызывающее одновременное всасывание воздуха через коллектор 3 и отверстие в пластине 12 (диаметр которого больше диаметра вала для подачи твердого топлива) и топлива, подаваемого из системы подачи топлива 8 (жидкое или газообразное) в полость ротора, где образовавшаяся смесь топлива и воздуха поджигается от запального устройства 9. Под действием центробежных сил смесь устремляется через сетчатое кольцо 13 в слой каталитически активного гранулированного наполнителя 14, где происходит активное горение, после чего продукты сгорания проходят в проницаемое пористое цилиндрическое кольцо 11, где с участием подсасываемого дополнительного воздуха из коллектора 3 в его открытую торцевую поверхность происходит догорание несгоревших продуктов, которые затем через отверстия периферийной части цилиндра 10 ротора выбрасываются в коллектор вывода продуктов сгорания 4, на вертикальной стенке которого происходит фазовая сепарация продуктов сгорания: газообразные продукты поступают в выходной патрубок 5, а твердые (зола) продукты ссыпаются в бункер 6.
Пример 1.
Топливо, например, газообразное поступает в ротор вместе с воздухом, где реагенты перемешиваются и воспламеняются от запального устройства. Сгорание топлива происходит в слое гранулированного пористого наполнителя 4, затем продукты сгорания центробежными силами выводятся в проницаемое пористое цилиндрическое кольцо 11, где происходит их догорание с участием дополнительно подсасываемого воздуха и эвакуация из ротора через отверстия на периферии полого цилиндра 10 ротора. Нагретый от теплоты сгорания гранулированный пористый наполнитель 4 является воспламенителем и стабилизатором горения последующих порций газообразного топлива.
Пример 2
Горение жидкого топлива организуют аналогично, причем предпочтительна его подача в мелкораспыленном виде, например, с помощью форсунки для лучшего перемешивания с воздухом и продуктивного сгорания.
Пример 3
Горение твердого топлива, например гранулированных углей или органических отходов, осуществляется его засыпкой через центральное отверстие в пластине 12 в полость цилиндра 10 ротора 1 в свободное пространство между втулкой 16 и сетчатым кольцом 13, ограничивающим наполнитель 14, и розжигом твердого топлива (угля). Под действием центробежных сил горящие куски твердого топлива прижимаются к наполнителю 14, в котором происходит сгорание продуктов газификации и недогоревших продуктов аналогично газообразному топливу. Образующиеся при горении твердого топлива зольные частицы под действием центробежных сил проходят через сетчатое кольцо, слой наполнителя 14, проницаемое цилиндрическое кольцо 11, играющего роль колосника, и эвакуируются из ротора через отверстия в периферийной части полого цилиндра 10. При сжигании твердых топлив роль наполнителя могут выполнять сами горящие гранулы топлива.
Предложенный способ организации горения топлива и устройство для его реализации в центробежной камере сгорания благодаря использованию комбинации пористых материалов со специфическими функциональными характеристиками обеспечивают одновременную подачу топлива и окислителя (воздуха), при активном их перемешивании, к зоне горения, воспламенение, стабилизацию и полноту сгорания топливо-воздушной смеси в проницаемой пористой среде с каталитическими свойствами, догорание несгоревших продуктов с участием дополнительно всасываемого воздуха, вывод и фазовую сепарацию экологически чистых продуктов сгорания с целью получения тепла в нагретых отходящих газах и в энергии радиационного излучения раскаленных поверхностей камеры сгорания. Центробежная камера сгорания универсальна для сжигания газообразных, жидких и твердых топлив.
Источники информации
1. Заявка RU №2006114686, МПК F23G 5/02, опубликована 2007.12.20.
2. Патент RU 2256861, МПК F28D 11/02, 2003 г. - прототип.