Нвч-плазмотрон

НВЧ-плазмотрон для розпалювання суміші вугільного пилу або подрібненої біомаси, який складається з камери для НВЧ-плазменнотермохімічної підготовки пиловугільно-повітряної суміші, хвилеводу, в якому відбувається ініціація 3 тким терміном дії і забезпечує можливість одержати однорідний та легко контрольований плазмовий факел. Відомий спосіб підпалу пиловугільної суміші в пальнику котла, який використовує генерування низькотемпературної плазми в електродуговому плазмотроні. Плазма в свою чергу запалює пиловугільну суміш, яку струменем повітря прокачують крізь муфельну форсунку до котла [пат. RU 223091 F23 05/00 F230D1/00, від 2004р.]. Недоліком цього способу є мала ефективність дії плазмоїду, оскільки в полум'я плазмового факелу потрапляє тільки повітря, а часточки вугілля не подрібнюються під впливом високої температури плазми, оскільки залишаються поза її дії. Крім того, способу властиві загальні недоліки обладнання для електродугового розряду, а саме: невисока експлуатаційна надійність, короткий термін служби електродів, низька температура плазмового факелу. Відомий пристрій для НВЧ - плазмового підпалу, який містить камеру термохімічної обробки пиловугільної суміші та плазмотрон. Плазмотрон має резонаторну камеру, до якої через штирьову антену подається мікрохвильова енергія. За своєї конструкції плазмотрон є циліндричним резонатором, в якому електромагнітне поле створює умови для виникнення високочастотного пробою. Високочастотний пробій ініціює процес іонізації газу, яким заповнений резонатор і, відповідно, виникнення плазмового факелу [пат. RU 2201554 F23Q5/0, від 2003p.]. За допомогою струменю повітря факел подається до камери термохімічної обробки пиловугільної суміші, в яку одночасно через декілька каналів підводиться паливо. Недоліком цього способу є те, що плазмовий факел формується окремо від потоку пиловугільної суміші і має вигляд тонкого короткого шнура. Це обумовлює неефективну взаємодію плазмоїда з паливом, що є наслідком малого часу і площі взаємодії вугільних часток з плазмовим факелом. Прототипом запропонованого способу обрано спосіб НВЧ-плазмової технології запалювання і стабілізації згоряння вугілля [пат. UA 8305 U 7 F23Q5/00, від 2005p.]. Сутність способу полягає в тому, що пиловугільна суміш частково (не більш ніж 40% загальної маси подається до камери НВЧ- плазмотермохімічної підготовки палива пальникового пристрою), де формується стартовий НВЧ-плазмопиловугільно-повітряний факел на виході з плазмотрона. В цьому стартовому факелі відбувається виділення летучих компонентів вугілля і частково газифікується коксовий залишок. Отримане паливо запалюється з наступним потоком пиловугільно-повітряної суміші. Таким чином на виході первинного потоку пиловугільноповітряної суміші утворюють імпульсну чи пульсуючу плазму при температурі 1100-1200 К. Недоліком способу є те, що температура вивільнення летючих компонентів вугілля та газифікації досягається при безперервному режимі генерування НВЧ-потужності. Це веде до збільшення вихідної потужності НВЧ-генератора. Зважаючи на 49129 4 те, що світові ціни на НВЧ-генератор промислового призначення встановились на рівні 1000$ US за 1кВт вихідної потужності, зменшення витрати НВЧенергії є суттєвим при виготовленні обладнання для запалення пальникового пристрою за допомогою НВЧ-плазмового факелу. В основу корисної моделі поставлено задачу оптимізації схеми збудження високочастотного пробою та виникнення плазмової іонізації газу і стабілізації генерації НВЧ-енергії в умовах пробою, які є дестабілізуючим фактором надійної роботи магнетрона. Поставлена задача вирішується тим, що до схеми НВЧ-живлення плазмового пальникового пристрою додатково введений імпульсний модулятор, який накопичує від джерела високої постійної напруги енергію і періодично розряджає накопичувач через навантаження – магнетрон. Тривалість імпульсу складає 2-5мксек, скважність 0,4-2, відповідно, пікова потужність по відношенню до середньої потужності, яка генерується в безперервному режимі, зростає на 1,8-1,5 від її значення. Таким чином, при незмінному значенні вихідної потужності НВЧ-генератора досягається температура плазмового факелу, яка складає 1500-3000 К. В свою чергу, більш висока температура плазмового факелу прискорює реакцію вивільнення летучих речовин та газифікації вугілля і сприяє інтенсивному загорянню пиловугільної суміші в пальниковому пристрої. Підвищена температура згоряння також сприяє розкладанню шкідливих речовин викидів: оксидів азоту, оксиду вуглецю, а також оксидів сірки. Наявність в димових газах бенз(а)пірена або диоксинів більш шкідливе для біосфери Землі, ніж викиди NOx або SO2. Викидам цих шкідливих речовин запобігає використання плазми з середньо масовими температурами 1500-3500 К. Температура плазмового факелу понад 1500 К дозволяє здійснити деструкцію органічних та неорганічних сполук з дуже високою швидкістю та високою ступінню перетворення. Таким чином, застосування імпульсного модулятора в схемі НВЧ-запалення пиловугільної суміші дозволяє інтенсифікувати процес газифікації вугілля і досягнути ефективного спалювання вугілля без додаткових витрат газу або нафтопродуктів при використанні НВЧ-генератора з вихідною потужністю, зменшеною в 1,5 рази в порівнянні з прототипом. Крім того, за рахунок підвищеної температури плазми значно зменшується навантаження на очищення димових викидів. Для забезпечення надійної, стабільної та довготривалої роботи пальникового пристрою треба забезпечити належні умови для захисту магнетрона та умови повної передачі НВЧ-потужності, яку генерує магнетрон, через хвилеводний тракт до навантаження, тобто, до площини утворення плазмоїда. З цією метою до схеми пальникового пристрою додатково включають такі пристрої: циркулятор та трансформатор опорів. Застосування хвилеводного циркулятора при вихідній потужності НВЧ-генератора, яка перевищує 1,5-2кВт, захищає магнетрон від нагріву та псування зворотною хвилею електромагнітної потужності, яка з'являється при неідеально узгодженому навантаженні. Реа 5 льний технологічний процес подачі та згоряння палива не може відбуватися за однакових параметрів у часі. Тому ідеальне узгодження, при якому вся НВЧ-потужність подається до камери термохімічної обробки палива, неможливе. Виникнення зворотної хвилі крім загрози ушкодження магнетрона є негативним явищем навіть при використанні циркулятора, тому що при потраплянні зворотної хвилі до циркулятора, НВЧ-енергія розсіюється в баластному навантаженні і не використовується по призначенню. Для створення узгодження хвилеводного тракту і запобігання розповсюдження зворотної хвилі до складу пальникового пристрою додають хвилеводний трансформатор опорів. Настройка за допомогою трансформатора електричної довжини коаксіального тракту, утвореного зовнішнім та внутрішнім провідниками плазмоїду, забезпечує створення на виході коаксіального воловоду режиму хвилі, що біжить, і запобігає виникненню зворотної хвилі. Введення настроювального пристрою дозволяє збільшити надійність пальникового пристрою та підвищити ефективність згоряння палива за рахунок усунення втрати НВЧенергії на розсіювання зворотної хвилі. Для реалізації заявленого способу використовується пальниковий пристрій, до складу якого входить: камера 1 для НВЧ-плазменнотермохімічної підготовки пиловугільно-повітряної суміші, хвилевод 3, в якому відбувається ініціація плазмового розряду, магнетронний генератор НВЧ-енергії 4, блок високовольтного живлення аноду магнетрона 5, імпульсний модулятор 6, феритовий Y-циркулятор 7, водяне навантаження 8, трансформатор опорів 9, керамічна радіопрозора діафрагма 10, яка попереджає потрапляння пиловугільної суміші до хвилеводного каналу, короткозамикач 11, канал діагностики параметрів підпалу плазмового факелу та пристрій обробки інформації 12. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 49129 6 Заявлений спосіб НВЧ-плазмового підпалювання та стабілізації горіння вугілля здійснюється наступним чином. НВЧ-коливання від магнетронного генератора 4 перетворюють в імпульсно-модульовані сигнали за допомогою імпульсного модулятора 6. Через Yциркулятор та радіопрозору керамічну діафрагму 10 імпульсні сигнали потрапляють до хвилеводу 3, де у розряднику виникає плазмоїд. Використання діафрагми попереджає потрапляння вугільного пилу в хвилеводний тракт, де розташований трансформатор опорів, і попереджує псування хвилеводного обладнання, оскільки вугіль має високе значення тангенсу діелектричних втрат і добре поглинає електромагнітну енергію. Нагрів вугільного пилу, який може накопичуватися в тракті під час роботи пальникового пристрою, приведе до його загоряння та пошкодження хвилеводного тракту. Максимальна ступінь передачі НВЧ-енергії до запального пристрою досягається настройкою електричної довжини хвилеводного тракту за допомогою трансформатору опорів, що забезпечує виникнення в площині утворення плазмоїду 13 режиму хвилі, що біжить. Завдяки підвищеній напрузі електромагнітного поля температура плазмоїду досягає 1500-3500 К, що дозволяє швидко запалити пиловугільну суміш, яку у кількості 20-40% подають струменем повітря до зони виникнення плазмоїду. В камері для НВЧ-плазменнотермохімічної підготовки пиловугільно-повітряної суміші поступово додають рештку пиловугільної суміші. Під дією дуже високої швидкості запалювання часток вугілля звільняються летючі речовини вугілля і частково газифікується коксовий залишок. Отриманий горючий газ подається до котла замість природного газу та змішується з основним потоком вугільної пилі чи подрібненого органічного палива на вході в котел чи в інше технологічне устаткування. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601