Способ сжигания пылевидного топлива

Изобретение относится к области энергетики. Способ сжигания пылевидного топлива, заключающийся в том, что разделяют воздух методом адсорбирования азота на цеолите, формируют первый поток воздуха, обогащенный кислородом, и второй поток воздуха, обогащенный азотом, выделенным с поверхности цеолита методом его нагрева, затем второй поток воздуха разделяют на основной и дополнительный потоки, дополнительный поток смешивают с пылевидным топливом и смесь подают в начало камеры зажигания, причем часть смеси дополнительного потока воздуха и пылевидного топлива подают через плазмотрон в камеру зажигания, где формируют факел газификации части пылевидного топлива в условиях недостатка кислорода, от первого потока воздуха отделяют часть и посредством трубы отбора воздуха подают в камеру зажигания за выходной срез плазмотрона, после плазмотрона формируют факел зажигания части газифицированного в плазмотроне пылевидного топлива, которым воспламеняют смесь дополнительного потока воздуха и пылевидного топлива, продукты горения из камеры зажигания смешивают с основным потоком воздуха и при недостатке кислорода подают в камеру горения, оставшуюся часть первого потока, обогащенную кислородом, подают в камеру подготовки воздуха, где обрабатывают лазерным излучением твердотельного лазера с длиной волны 762±0,5 и/или 1268±0,5 нм, которая вызывает переход молекул кислорода из основного электронного состояния в возбужденное синглетное состояние $$O_2(b^1{\displaystyle {\sum }_g^{+})}$$ , путем подачи лазерного излучения в цилиндрическую камеру подготовки воздуха с зеркальной поверхностью, по меньшей мере, в одном месте под углом к ее поверхности, меньшим угла полного отражения от зеркальной поверхности цилиндрической камеры подготовки воздуха по винтообразной ломаной кривой с шагом между соседними витками винтообразной ломаной линии, большим линейного габаритного размера, измеренного вдоль оси цилиндрической камеры подготовки воздуха, обработанную часть первого потока воздуха с синглетным кислородом подают через коаксиальную перфорированную перегородку в пристеночную область камеры горения, при этом увеличивают концентрацию синглетного кислорода по направлению к выходу из камеры горения. Технический результат - снижение токсических выбросов и повышение стабильности процесса сжигания твердого пылевидного топлива. 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способам для подготовки и сжигания твердого топлива, преимущественно пылевидного топлива.

Известен способ 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 способа является неполная информация о путях и средствах использования предложения в теплотехнических установках.

Известен способ подготовки воздуха для работы камеры сгорания газотурбинного двигателя, заключающийся в том, что в камеру сгорания раздельно подают горючее и воздух, поток воздуха разделяют на две части, поток первичного воздуха смешивают с горючим и воспламеняют в полости жаровой трубы, потоком вторичного воздуха охлаждают стенки жаровой трубы, при этом воздействуют на поток вторичного воздуха и подают его через отверстия в стенке жаровой трубы камеры сгорания, причем воздействие на поток вторичного воздуха перед его подачей в камеру сгорания осуществляют лазерным излучением с возможностью обеспечения возбуждения молекулярного кислорода в синглетное состояние при многократном прохождении лазерного излучения между зеркалами (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 способа обработки воздуха является наличие зеркал, от которых отражается луч лазера, и высокие потери 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.

Известен способ сжигания пылевидного топлива (см. а.с. СССР №1774131, заявитель «Предприятие "УРАЛТЕХЭНЕРГО" производственного объединения по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей "СОЮЗТЕХЭНЕРГО", опубл. 07.11.1992), в котором описан процесс с постадийной подачей несколькими потоками топливовоздушной смеси с различным относительным содержанием топлива в них. Основной недостаток известного способа состоит в том, что в потоки с малым содержанием пылеугольного топлива для повышения стабильности горения добавляют второй вид топлива - газ.

Известен способ сжигания пылевидного топлива (см. патент на изобретение РФ №2153633, заявитель Акционерное общество открытого типа "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт", опубл. 27.07.2000), в котором описан способ подготовки воздуха и твердого топлива и его сжигания, включающий разделение воздуха на два потока, формирование первого потока, формирование второго потока, в котором имеется избыток воздуха, отделяют от первого потока часть воздуха, формируют третий поток, обогащенный топливом, в который вводят пылевидное твердое топливо и транспортируют его в начало камеры зажигания, причем часть твердого подают через плазмотрон, где формируют факел газификации части твердого топлива в условиях недостатка окислителя, от второго потока отделяют часть и формируют четвертый поток, обогащенный кислородом воздуха, который подают в конец камеры и формируют факел зажигания горения части газифицированного топлива, продукты горения в котором подают в основную часть первого потока, несущую пылевидное твердое топливо, зажигают его и подают в камеру горения. Основным недостатком известного способа является обработка плазмотроном воздуха с относительно большим содержанием якобы нейтрального азота, который является балластом и не влияет на процесс поддержания горения в факеле стабилизации горения, однако, проходя через плазмотрон, активируется и превращается в атомарный азот и окисляется кислородом воздуха в окислы азота, которые потом гасятся в восстановительной среде. Известный способ имеет наибольшее число совпадающих признаков и по этой причине выбирается в качестве прототипа.

Технический результат - снижение токсических выбросов и повышение стабильности процесса сжигания твердого пылевидного топлива.

Технический результат достигается способом сжигания пылевидного топлива, включающим разделение воздуха методом адсорбирования азота на цеолите, формируют первый поток воздуха, обогащенный кислородом, и второй поток воздуха, обогащенный азотом, выделенным с поверхности цеолита методом его нагрева, затем второй поток воздуха разделяют на основной и дополнительный потоки, дополнительный поток смешивают с пылевидным топливом, и смесь подают в начало камеры зажигания, причем часть смеси дополнительного потока воздуха и пылевидного топлива подают через плазмотрон в камеру зажигания, где формируют факел газификации части пылевидного топлива в условиях недостатка кислорода, от первого потока воздуха отделяют часть и посредством трубы отбора воздуха подают в камеру зажигания за выходной срез плазмотрона, после плазмотрона формируют факел зажигания части газифицированного в плазмотроне пылевидного топлива, которым воспламеняют смесь дополнительного потока воздуха и пылевидного топлива, продукты горения из камеры зажигания смешивают с основным потоком воздуха и при недостатке кислорода подают в камеру горения, оставшуюся часть первого потока, обогащенную кислородом, подают в камеру подготовки воздуха, где обрабатывают лазерным излучением твердотельного лазера с длиной волны 762±0,5 и/или 1268±0,5 нм, которая вызывает переход молекул кислорода из основного электронного состояния в возбужденное синглетное состояние $$O_2(b^1{\displaystyle {\sum }_g^{+})}$$ , путем подачи лазерного излучения в цилиндрическую камеру подготовки воздуха с зеркальной поверхностью, по меньшей мере, в одном месте под углом к ее поверхности, меньшим угла полного отражения от зеркальной поверхности цилиндрической камеры подготовки воздуха по винтообразной ломаной кривой с шагом между соседними витками винтообразной ломаной линии, большим линейного габаритного размера (l), измеренного вдоль оси цилиндрической камеры подготовки воздуха, обработанную часть первого потока воздуха с синглетным кислородом подают через коаксиальную перфорированную перегородку в пристеночную область камеры горения, при этом увеличивают концентрацию синглетного кислорода по направлению к выходу из камеры горения.

В камере зажигания сразу после плазмотрона продукты газификации пылевидного топлива и отдельные атомы высокоактивного атомарного азота, смешиваясь с остальным потоком, несущим пылевидное топливо, остужают и из-за недостатка кислорода взаимодействуют с водородом, другими продуктами газификации пылевидного топлива и между собой, образуя, например, аммиак и молекулярный азот. В конце камеры зажигания продукты газификации и аммиак сгорают в факеле, обогащенном кислородом, что будет способствовать стабильному горению факела в камере зажигания. Основная часть второго потока воздуха и большая часть пылевидного топлива находятся в условиях недостатка кислорода, но под воздействием стабильного факела в камере зажигания воспламеняется, горит и частично газифицируется. На уступе камеры горения образуется вихрь, который возвращает продукты газификации в корневую зону факела горения пылевидного топлива, что повышает стабильность этого факела горения.

В камере подготовки воздуха из-за малых потерь лазерного луча на отражение зеркальная поверхность камеры им почти не нагревается и не разрушается. Незначительные по амплитуде колебания зеркальных стенок немного изменяют траекторию движения и отражения лазерного луча по ломаной винтообразной кривой. Это приводит к увеличению облучаемого объема первого потока воздуха и изменяет положение пятен отражения лазерного луча на зеркальной поверхности камеры подготовки и соответственно снижает нагрев отдельных локальных ее участков. При этом при движении первого потока воздуха, обогащенного кислородом, по камере обработки воздуха доля синглетного кислорода возрастает, а следовательно, возрастает его поступление в камеру горения, что приводит к увеличению эффективности воздействия цепных реакций доокисления СО, окислов азота и серы, сажи и т.п.

На фиг. 1 схематично показано устройство подготовки воздуха и пылевидного топлива с камерой для его горения и с устройством ввода лазерного луча в камеру подготовки воздуха с предполагаемой проекцией винтообразной ломаной линии, получаемой при многократном его отражении, которое позволяет реализовать предложенный способ.

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 реализации способа 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, выполнено 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 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.

Работа устройства сжигания пылевидного топлива заключается в следующем.

Воздух из атмосферы поступает в устройство 1 сжатия воздуха, например центробежный компрессор, и под давлением направляется в устройство 2 подготовки воздуха, где его разделяют методом адсорбирования на цеолите, формируют первый поток воздуха, обогащенный кислородом, и направляют его в первый трубопровод 9 для первого потока воздуха, а второй поток воздуха, обогащенный азотом, направляют во второй трубопровод 10 для второго потока воздуха. Второй поток воздуха разделяют на основной и дополнительный потоки. Дополнительный поток направляют в трубопровод 11 подачи пылевидного топлива, в котором дополнительный поток воздуха, обогащенного азотом, смешивается с пылевидным топливом, и направляют в устройство 4 плазмохимической обработки пылевидного топлива. Часть смеси из взвешенного в воздухе пылевидного топлива и дополнительного потока воздуха подают на вход плазмотрона 5, где смесь обрабатывается 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 третьим потоком воздуха, поступающим из трубы 13 отбора воздуха, выходной срез которой расположен за выходным срезом плазмотрона 5. После плазмотрона смесь зажигается в камере зажигания 12, и при этом стабильно горят все активированные ионизацией составляющие, такие как сажа, аммиак или монооксид углерода, которые формируют факел зажигания, воспламеняющий оставшуюся в трубопроводе 11 смесь дополнительного потока воздуха с пылевидным топливом, которая, смешиваясь с основным потоком, горит в условиях недостатка кислорода и поступает в камеру 6 горения. Температура горения при этом не может быть очень высокой, при которой повторно могут образовываться окислы азота. На уступе сразу на выходе второго 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 оставшуюся часть первого потока воздуха, обогащенного кислородом, подают из трубопровода 9 в камеру 3 подготовки воздуха, где ее обрабатывают 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 габаритно 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, измеренного вдоль оси камеры 3 подготовки воздуха. 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 синглетным кислородом, подают в пристеночную область камеры горения через перфорированную стенку, и он 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. По длине камеры 3 подготовки воздуха концентрация синглетного кислорода возрастает, что способствует возрастанию интенсивности процесса доокисления указанных выше продуктов неполного сгорания пылевидного топлива. Минеральные негорючие вещества, составляющие основу шлака, выпадают из потока и поступают в шлакосборник.

Выделяющееся тепло можно использовать известными способами с помощью известных средств.

Способ сжигания пылевидного топлива, включающий разделение воздуха методом адсорбирования азота на цеолите, при этом
формируют первый поток воздуха, обогащенный кислородом, и
второй поток воздуха, обогащенный азотом, выделенным с поверхности цеолита методом его нагрева,
затем второй поток воздуха разделяют на основной и дополнительный потоки,
дополнительный поток смешивают с пылевидным топливом и смесь подают в начало камеры зажигания,
причем часть смеси дополнительного потока воздуха и пылевидного топлива подают через плазмотрон в камеру зажигания, где формируют факел газификации части пылевидного топлива в условиях недостатка кислорода,
от первого потока воздуха отделяют часть и посредством трубы отбора воздуха подают в камеру зажигания за выходной срез плазмотрона,
после плазмотрона формируют факел зажигания части газифицированного в плазмотроне пылевидного топлива, которым воспламеняют смесь дополнительного потока воздуха и пылевидного топлива,
продукты горения из камеры зажигания смешивают с основным потоком воздуха и при недостатке кислорода подают в камеру горения,
оставшуюся часть первого потока, обогащенную кислородом, подают в камеру подготовки воздуха, где обрабатывают лазерным излучением твердотельного лазера с длиной волны 762±0,5 и/или 1268±0,5 нм, которая вызывает переход молекул кислорода из основного электронного состояния в возбужденное синглетное состояние $$O_2(b^1{\displaystyle {\sum }_g^{+})}$$ , путем подачи лазерного излучения в цилиндрическую камеру подготовки воздуха с зеркальной поверхностью, по меньшей мере, в одном месте под углом к ее поверхности, меньшим угла полного отражения от зеркальной поверхности цилиндрической камеры подготовки воздуха по винтообразной ломаной кривой с шагом между соседними витками винтообразной ломаной линии, большим линейного габаритного размера l, измеренного вдоль оси цилиндрической камеры подготовки воздуха,
обработанную часть первого потока воздуха с синглетным кислородом подают через коаксиальную перфорированную перегородку в пристеночную область камеры горения, при этом увеличивают концентрацию синглетного кислорода по направлению к выходу из камеры горения.