Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЁРДОГО ПЫЛЕВИДНОГО ТОПЛИВА В ДИНАМИЧЕСКОМ ФАКЕЛЕ МАЛОЙ ДЛИНЫ

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к топочной технике, и может быть использовано в системах сжигания угольной пыли.

Большинство современных горелочных устройств основаны на прямоточной подачи пылевоздушной смеси в зону активного горения топочной камеры. Во многом это обусловлено простотой и дешевизной изготовления горелочных устройств, а также относительно их низким сопротивлением, позволяющими использовать менее мощные дутьевые вентиляторы/насосы. Однако форма и длина факела в таком случае может быть чрезвычайно длинной и непригодной для использования, например, в водогрейных котлах небольшой мощности. В связи с этим возникает интерес к горелочным устройствам, работающим на пылевидном твердом топливе с коротким факелом, обеспечивающим при этом максимально возможное дожигание топлива (уменьшение теплопотерь от химической неполноты сгорания). Подобные устройства позволят создавать топочные камеры меньших габаритов.

Известен достаточно эффективный способ сжигания пылевидного топлива по патенту РФ №2557967, в котором пылевидное топливо подают в камеру зажигания через плазмотрон, которым воспламеняют смесь 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. Однако такой способ экономически дорог, а потому не целесообразен для использования в водогрейных котлах небольшой мощности.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ изобретения по патенту РФ №2548706, при котором помол и механоактивацию угля осуществляют внутри камеры дезинтегратора с получением угля микропомола, который далее транспортируют в вихревую растопочную горелку, где происходит его интенсивное перемешивание с вторичным воздухом с получением пылевоздушной смеси, воспламенение и последующее сжигание которой при растопке пылеугольного котла осуществляют непосредственно в топочном объеме пылеугольного котла.

Известно пылеугольное горелочное устройство по патенту РФ №2059927, содержащее горелку, установленную по оси горелочного устройства с соосными каналами вторичного воздуха и аэросмеси, и два наклоненных под углом к другу канала подачи топлива. Это устройство дополнительно снабжено двумя наклоненными под углом навстречу друг другу каналами подачи воздуха, угол наклона которых совпадает с углом наклона каналов подачи топлива, горелка является вихревой или щелевой, при этом каналы вторичного воздуха и аэросмеси щелевой горелки расположены параллельно друг другу. В таких устройствах организована подача пылевоздушной смеси по двух каналам, находящимся под небольшим (10÷45°) углом друг к другу. Потоки смеси, соударяясь, образуют веерообразное течение, обеспечивающее распространение топлива только в одной плоскости.

Известна форсунка по патенту РФ №2377468, принятая за прототип, содержащая трубу подачи высококонцентрированной смеси пыли твердого топлива с воздухом - пыли высокой концентрации (ПВК) или аэропыли - в горелку или в факел горелки, в которой размещены завихритель и конусный рассекатель, установленный в выходном участке трубы и обращенный вершиной конуса навстречу потоку аэропыли, причем на боковой поверхности выходного участка трубы в зоне установки рассекателя выполнены, по меньшей мере, два окна для выпуска струй аэропыли, а сам завихритель размещен по ходу потока аэропыли перед окнами и вершиной конуса рассекателя.

Недостатком указанных известных технических решений является сравнительно невысокая интенсивность смешения топлива непосредственно в факеле горелочного устройства, приводящая к замедлению процессов горения из-за медленного подвода окислителя к топливу.

Задачей заявленного технического решения является получение более эффективного способа сжигания пылевидного твердого топлива и создание горелочного устройства, обеспечивающего такой способ.

Техническим результатом изобретения является повышение интенсивности смешения пылевидного твердого топлива с окислителем в зоне реакций горения и тем самым обеспечение по возможности наиболее полного сжигания топлива при укорочении длины факела.

Повышение интенсивности перемешивания достигается в заявляемом способе сжигания пылевидного твердого топлива за счет турбулизации подаваемого в зону горения топлива, обеспечиваемой конструкцией горелочного устройства, через которое происходит подача пылевидного твердого топлива в зону горения, где происходит его интенсивное перемешивание с вторичным воздухом с получением пылевоздушной смеси, воспламенение и последующее сжигание.

Заявляемое горелочное устройство для сжигания пылевидного твердого топлива содержит канал подачи высококонцентрированной смеси пыли твердого топлива. Этот канал имеет прямоугольную форму и установлен внутри воздушного короба подачи вторичного воздуха, а выпускное отверстие канала перекрыто арочным элементом, выполненным в виде плоской пластины, имеющей габариты, идентичные габаритам выходного отверстия канала, и установленной по потоку напротив выходного отверстия канала на расстоянии, равном ширине выходного отверстия.

Турбулизация подаваемого в зону горения топлива достигается за счет исполнения выходного отверстия в форме прямоугольного отверстия, перекрытого арочным элементом п-образной формы. В этом случае поступающая в топочное пространство пылевоздушная смесь имеет высокую завихренность, что в свою очередь ускоряет турбулентное смешение окислителя и топлива в зоне реакций. Увеличение интенсивности турбулентного смешения обеспечивается автоколебательным течением (ru-эффект, [1]), возникающим при поступлении топливовоздушной смеси в рабочее пространство через отверстие предлагаемого горелочного устройства. При турбулентном режиме истечения (число Рейнольдса Re>5000) из данного отверстия в пространстве, локализованном арочным элементом, наблюдается нестационарное взаимодействие двух встречно-соосных потоков, истекающих из торцевых сторон арочного элемента, каждый из которых поочередно свободно истекает в топочное пространство, поджимая другой. За счет наличия в рассматриваемой гидродинамической системе обратной связи поджатый поток увеличивает свой напор и через небольшой промежуток времени преодолевает созданный другим потоком сопротивление и начинает свободное распространение в топочное пространство. Частоту колебаний можно определить из условия постоянства числа Струхаля, равного для данного течения 0,25. За масштаб длины при расчете частоты колебаний следует брать высоту арочного элемента.

Известно, что для обеспечения полного сгорания топлива требуется подвод необходимого количества окислителя, определяемого из стехиометрии брутто-реакции горения для конкретного состава топлива. Процесс горения сопровождается образованием большого количества продуктов сгорания. Являясь более не горючими, они препятствуют к диффузии окислителя к оставшемуся топливу. По этой причине в горелочное устройство подают заведомо большее количество воздуха и создают топочные камеры больших размеров с целью увеличения времени пребывания частиц топлива в зоне реакции и тем самым увеличения вероятности прохождения полного догорания топлива. Для увеличения скорости смешения предлагается искусственно за счет гидродинамической неустойчивости встречно соосных потоков инициализировать вихревое течение, в значительной степени способствующее подводу окислителя к топливу.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг. 1-3). На фиг. 1 представлено продольное сечение горелочного устройства, на фиг. 2 представлен вид спереди на горелочное устройство, на фиг. 3 представлен разрез Α-A горелочного устройства (с фиг. 1).

Горелочное устройство состоит из короба 1 для подачи вторичного воздуха 2 с установленным внутри коробом 3 для подачи пылевоздушной смеси 4. В канале подачи пылевоздушной смеси исполнено выходное отверстие 5 прямоугольной формы, напротив которого вверх по потоку установлена плоская пластина 6 с габаритами, соответствующими габаритам выходного отверстия 5.

Пылеугольная горелка работает следующим образом.

Пылевоздушную смесь подают в топочное пространство по каналу 4, заканчивающееся прямоугольным отверстием 5, перекрытого плоской пластиной 6, на некотором расстоянии внутрь канала. Пылевоздушная смесь, обтекая препятствие в виде установленной пластины, разделяется на два встречно-соосных потока. Вследствие соударения образуемых потоков и их неустойчивости возникает автоколебательное истечение пылевоздушной смеси в топочное пространство с высокой амплитудой и частотой колебаний. Наличие достаточно равномерно распределенной концентрации пыли в факеле горелочного устройства обеспечивает устойчивое воспламенение, а высокая турбулизация потока за счет автоколебательного истечения способствует активному перемешиванию топлива и воздуха и интенсивному сгоранию.

Литература

1. Бурцев С.И., Денисихина Д.М. Расчетное исследование течений, формирующихся при истечении воздуха из прямоугольных отверстий, перекрытых аркой // Материалы Междунар. Науч.-Тех. Конф. «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». - М. - 2005.