Способ организации горения топлива и центробежная камера сгорания

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. Центробежная камера сгорания роторного типа содержит проницаемый 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 одного торца полого цилиндра с перфорированными стенками, внутри которого соосно ему установлено проницаемое цилиндрическое кольцо из 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. Также описан способ организации горения топлива в центробежной камере сгорания роторного типа. Технический результат: повышение полноты сгорания топлива, уменьшение концентрации вредных продуктов сгорания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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.

1. Центробежная камера сгорания роторного типа, содержащая проницаемый 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, отличающаяся тем, что ротор выполнен в виде открытого с одного торца полого цилиндра с перфорированными стенками, внутри которого соосно ему установлено проницаемое цилиндрическое кольцо из 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.

2. Центробежная камера сгорания роторного типа по п.1, отличающаяся тем, что проницаемое цилиндрическое кольцо ротора выполнено из композиции различных пористых материалов.

3. Центробежная камера сгорания роторного типа по п.1, отличающаяся тем, что проницаемое цилиндрическое кольцо выполнено из проницаемого пористого материала с каталитическими свойствами.

4. Центробежная камера сгорания роторного типа по п.1, отличающаяся тем, что гранулированный пористый наполнитель выполнен из материала с каталитическими свойствами.

5. Центробежная камера сгорания роторного типа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве гранулированного пористого наполнителя используют отходы металлургии, например мартеновский шлак.

6. Способ организации горения топлива в центробежной камере сгорания роторного типа по любому из пп.1-5, характеризующийся тем, что горение топливо-воздушной смеси осуществляют в камере сгорания, частично заполненной гранулированным наполнителем, затем процесс дожигания происходит внутри проницаемого пористого цилиндрического кольца ротора, при вращении которого происходит подсос воздуха.