Спосіб вібровихрового спалювання водовугільного палива і пальник

Реферат: Винаходи можуть бути використані в котельно-теплофікаційному обладнанні для спалювання рідкого альтернативного палива, особливо водовугільного палива (далі – ВВП) і в'язкого коксохімічного. В запропонованому способі стиснене повітря від компресора подають в теплообмінник соплової частини пальника, нагрівають його, охолоджуючи при цьому камеру спалювання, потім направляють в віброзбудник, генерують акустичні коливання і вібрацію в межах 300-500 Гц і амплітуді 0,2-0,4 мм, підігрівають паливо в камері вихровій та подають в камеру спалювання, де змішують інтенсивними вихорами дуттьового повітря, створюючи дисперговану паливну суміш і спалюють її з максимальною теплопродуктивністю. Пальник "ЖАР" для вібровихрового спалювання ВВП містить кожух з камерою спалювання і регенеративною трубою з зазором для подачі повітря коаксіально для рівномірного охолодження камери спалювання, яка виготовлена з ребрами охолодження і теплообмінником для нагрівання стисненого і дуттьового повітря, забезпечена віброзбуджувачем з тангенціальним штуцером для подачі стисненого повітря та з бігунком сферичним, розміщеним в проточці тороподібній, а також з генератором акустичним та соплами тангенціальними, камерою вихровою з форсункою газовою з лопатками, причому в корпусі камери вихрової UA 114430 C2 (12) UA 114430 C2 виконані сопла похилі для подачі дуттьового повітря і сопло центральне для направлення робочих компонентів в камеру спалювання, в якій встановлені завихрювачі малий та великий, для вихрової подачі дуттьового повітря і надійного спалювання ВВП. Реалізація винаходів підвищує теплопродуктивність і повноту спалювання палива за рахунок використання принципів рідинного ракетного двигуна, в якому поліпшена якість підготовки паливної суміші. Застосування запропонованого способу та пальника "ЖАР" дозволяє спалювання ВВП з високою повнотою вигорання палива (98-99,7 %), різко скорочує утворювання і викиди твердих частинок мікронних фракцій (до 80-90 %), оксидів сірки (до 7085 %) і оксидів азоту (до 80-90 %). UA 114430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується вуглеводневої теплоенергетики і може бути використаний в котельнотеплофікаційному обладнанні для спалювання одночасно або поперемінно газоподібного, пилоподібного палива або рідкого альтернативного палива, особливо водовугільного палива (далі – ВВП) і в'язкого коксохімічного, при низькому тиску подачі. ВВП готують з високоякісних малозольних, зокрема бітумінозних вугіль з теплотою згоряння Qpн ≥ 35000 кДж/кг, вмістом мінеральних включень на суху масу Ас ≤ 2 %, виходом летких на горючу масу Vr ≥ 40 %. Спосіб спалювання ВВП розкритий в установці для спалювання водовугільної суспензії (1), що полягає в розпилюванні палива енергією стисненого повітря і спалюванні його. Установка містить форсунку з повітропідвідним корпусом та центральною трубою, периферійною і внутрішньою обичайками, встановленими за вихідним зрізом корпусу з кільцевим зазором, в якому розміщені похилі до осі корпусу перегородки, а периферійна обичайка встановлена з примиканням до вихідного зрізу корпусу і забезпечена додатковими співвісними периферійними і внутрішніми обичайками і перегородками, та відрізняється від відомих тим, що установка додатково забезпечена вентилятором для подачі збагаченого киснем повітря, оглядовим вікном і датчиком контролю полум'я, регулятором витрати водовугільної суспензії й повітря, електронним комутатором і трансформатором, а також свічкою запалення, камерою змішання з перфорованою стінкою і датчиком тиску повітря, двома відсічними клапанами. При цьому установка забезпечена розташованим у центральній трубі каналом для подачі в паливо газу для підпалювання водовугільної суспензії. Недоліком даного способу є недосконалий процес змішування водовугільної суспензії (палива) з повітрям, зриви полум'я при запалюванні і низька стабільність горіння паливної суміші підготовленої в даній форсунці. Відомий спосіб вихрового спалювання (2), що включає подачу палива через канали завихрювача і створення закрученої плівки в вихровій камері, подачу пари через наскрізні спіралеподібні тангенціальні канали парового завихрювача і формування вихору в область виходу паливної плівки з вихрової камери, видавлювання плівки палива з вихрової камери і її дроблення паровим вихором за три етапи. Перший етап полягає в поділі суцільного потоку рідини на кілька струменів в каналах паливного завихрювача. Другий етап полягає в деформації декількох струменів в тонку плівку рідини в вихровій камері. Третій етап полягає в закінченні тонкої плівки рідини з соплового отвору в високошвидкісний паровий вихор, де відбувається дроблення плівки на окремі краплі, їх подальше роздрібнення і випаровування при високій швидкості взаємодії. На цьому етапі паливні краплі отримують додатковий імпульс від парового вихору і надалі з великою швидкістю стикаються зі супутнім повітряним потоком, оточуючи форсунку, чим забезпечується підвищення інтенсивності їх аеродинамічного дроблення, однак необхідність подачі пари обмежує область застосування даного способу. Крім того, даний винахід не дозволяє знизити викид шкідливих речовин в атмосферу після згоряння рідкого палива, зокрема CO, CH і оксидів азоту. Для реалізації запропонованого способу розроблена новітня паромеханічна форсунка (2), з каналами завихрювача, які мають звужуючу частину, горло і розширювальну частину. Дана форсунка забезпечує якісне розпилювання палива за рахунок додаткового впливу швидкісного, високоінтенсивного парового вихору на плівку, що витікає із соплового отвору вихрової камери. Створення парового вихору в тій області, куди здійснюється витікання млявої плівки палива, призводить до істотного збільшення відносної швидкості їх взаємодії. Паливна плівка захоплюється паровим вихором і збільшення швидкості руху паливних крапель дозволяє підвищити дрібність розпилу палива при постійному тиску подачі і витраті розпилюючого агента або ж зменшити тиск подачі і витрати розпилу агента при більш високій якості розпилу в порівнянні з відомими способами. Однак даний винахід має серйозні недоліки, які полягають у наступному. Перше – конструктивна складність і невисока надійність в роботі. Друге – неможливість регулювання в широких межах частоти і амплітуди порушуваних коливань в процесі роботи, що в свою чергу не дозволяє оперативно змінювати режими роботи форсунки з метою встановлення оптимальних співвідношень палива і окислювача. Тому вищевказані причини обумовлюють проведення подальших розробок і поліпшень. Також відомий спосіб вихрового спалювання і відцентрового розпилення палива (3) без використання пари. Він полягає в підводі рідкого палива до форсунки, подачі його через канали завихрювача в вихрову камеру, створення закрученої плівки палива системою струменів в вихровій камері і видавлювання плівки палива з вихрової камери. Паливо надходить у форсунку під тиском і подається тангенціально через канали завихрювача в вихрову камеру, де під впливом твердих стінок набуває гвинтовий рух. Під дією відцентрової сили паливні струмки розмазуються по криволінійній стінці при вихровому русі в вихровій камері і видавлюються до соплового отвору. У сопловому каналі рідина рухається уздовж його стінки у вигляді тонкої плівки, а центр заповнює так званий повітряний вихор. При витіканні з сопла в первинний потік 1 UA 114430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 повітря тонка плівка розпадається, утворюючи факел у вигляді порожнього конуса. Однак даний спосіб спалювання передбачає підігрів палива і тиск подачі більше 3 МПа. Відомий спосіб вихрового спалювання (4), який включає підведення рідкого палива до форсунки, подачу його через канали завихрювача в вихрову камеру, створення закрученої плівки палива системою струменів в вихровій камері і видавлювання плівки палива з вихрової камери. При цьому забезпечують плавне натікання потоку палива на стінку вихрової камери через назовні вхідні отвори спіралевидних каналів завихрювача, що розширюються, і збільшують швидкість руху потоку палива в звужуючих спіралевидних каналах. Форсунка для розпилювання рідкого палива складається з полого циліндричного корпусу і встановленого всередині нього завихрювача, що являє собою порожнисте тіло обертання з двома торцями, один з яких заглушений, а в протилежному виконанні наскрізні тангенціальні канали, що мають у перетині форму прямокутника, і сопла з вихровою камерою. Бічні стінки каналів завихрювача виконані спіралевидними, а глибина каналів зменшується по довжині. Внутрішня спіралевидна стінка зближується з зовнішньою по довжині каналу. Тиск подачі палива перед форсункою зазвичай обмежують величиною 3,5 МПа, через це швидкість витікання палива з каналів завихрювача не перевищує 50-55 м/с. Збільшення швидкості паливної струменя за рахунок зменшення втрати повного тиску при затіканні палива в канал і подальшого розгону потоку всередині каналу дозволить помітно зменшити товщину плівки і підвищити якість розпилу палива. Однак потрібно попередній підігрів палива і високий тиск подачі. Відомий спосіб спалювання з вібраційним розпилюванням рідкого палива, розкритий в пристрої (5). Спосіб включає підведення рідкого палива до розпилювача через патрубок із встановленою на ньому вібраційною системою. В результаті вібрації підвищується ефективність розпилення при спрощенні конструкції, а також розширюються функціональні можливості. Недоліком даного способу розпилювання є значні втрати повного тиску потоку палива при затіканні в канали завихрювача, а також пульсація і висока швидкість витікання струменя в'язкого палива з каналів форсунки, що обумовлює розпорошення на великі краплі. Для підвищення теплопродуктивності виникає необхідність суттєвого збільшення габаритів пальника, тиску потоку палива, а саме головне – тверді частки вугілля руйнують шнекову або тангенціальну форсунку. Відомий спосіб термоабразивної обробки Гальченко (6) включає охолодження соплової частини камери згоряння стисненим повітрям, підігрів палива і підготовку паливної суміші в форкамері, подачу її в камеру згоряння і спалювання. Цей спосіб дозволяє збільшити ресурс роботи пальника, тому що аеросуміш подається по струнній форсунці, розміщеній по осі пальника, в зону займання паливної суміші в напрямі подачі останньої. За прототип взятий найбільш близький за технічною сутністю спосіб термоабразивної обробки та машина "БОБР" для його здійснення (7). Машина "БОБР" виконана на базі МікроРРД (рідинний ракетний двигун), який включає кожух з регенеративною трубою і камеру згоряння з форкамерою. Високоентальпійну надзвукову струмінь одержують при горінні паливної суміші попередньо нагрітої, що зумовлює підвищення сумарної енергії дисперсної та дисперсійної складових. Воду та тверді частини подають у зону догоряння паливної суміші, при цьому використовують стиснуте повітря та вуглеводневе паливо. Для підвищення теплопродуктивності прискорювач обладнаний розташованим у ньому повітряним ежектором та містить додаткову камеру згоряння з тангенціальними отворами біля її днища, струминними форсунками та ультразвуковими диспергаторами, які виконані у вигляді стаканів та розміщені співвісно згаданим форсункам. Даний спосіб та машина для його здійснення покращують підготовку паливної суміші, але не пристосовані для спалювання ВВП і в'язкого палива. Таким чином, відомі способи не дозволяють з необхідною повнотою спалювати ВВП і в'язке паливо, особливо коксохімічне паливо при тиску подачі менше 3,5 МПа, а саме головне отримувати високу теплопродуктивність при малих габаритах пальника. Розглянуті пристрої характеризуються конструктивною складністю, низькою надійністю і довговічністю роботи. У зв'язку з цим виникла виробнича необхідність підвищити якість підготовки і повноту спалювання палива при зниженні тиску його подачі. Задачею винаходу є підвищення теплопродуктивності і повноти спалювання за рахунок поліпшення способу підготовки палива для РРД. Ця задача, в запропонованому способі і розробленому пальнику "ЖАР", здійснюється наступним чином: стиснене повітря від компресора подають в теплообмінник соплової частини пальника, нагрівають його, охолоджуючи при цьому камеру згоряння, потім направляють в віброзбуджувач, генерують акустичні коливання і вібрацію в межах 300-500 Гц і амплітуду 0,2-0,4 мм, підігрівають паливо в камері вихровій, яке попередньо розпилюють в дифузорі. Розпилене паливо влітає в вихрову камеру, нагрівається вихорами стисненого повітря віброзбуджувача, потім численними 2 UA 114430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 потоками дуттьового повітря, стискається перемішується в соплі центральному і подається в камеру згоряння де змішується з вихорами дуттьового повітря і спалюється. Ці технологічні операції дозволяють спалювати ВВП, котре постійно піддається впливу перепадів температури і частинки вуглецю починають притягуватися один до одного, і таким чином формують грудки. Такі "згустки" не можуть згоріти повністю, оскільки частина їх знаходиться в недосяжній зоні для кисню. Коли паливо проходить через камеру вихрову з акустичними коливаннями і вібраціями, розсіюються утворені "згустки" на більш дрібні складові, що в свою чергу призводить до поліпшення доступу до них кисню і в результаті отримуємо більш повне згоряння палива. Запропонований спосіб спалювання ВВП в потоці дуттьового повітря обумовлює паралельне протікання процесів випаровування рідкої фази з обсягу крапель і горіння органічної маси палива на їх агломеровані поверхні. Займання ВВП починається відразу ж після його якісного розпилювання, як кажуть, "на зрізі форсунки". Воно починається з гетерогенних реакцій між компонентами ВВП і далі горіння триває в основному навколо кожної краплі палива. Цей же механізм тепломасообмінних процесів у поєднанні з гетерогенними реакціями на поверхні крапель призводить, в кінцевому рахунку, до утворення тільки повних окислів по завершенні процесу горіння, високою повнотою вигоряння палива (98-99,7 %) і різким зниженням механічної неповноти згоряння. Технічний результат досягається за рахунок того, що спосіб вібровихрового спалювання покращує розпилювання палива багаторазовими вихорами в камері вихровій і камері спалювання, акустичними коливаннями і вібрацією в межах 300-500 Гц і амплітуді 0,2-0,4 мм, а саме головне нагрівом повітря та палива перед подачею їх в камеру спалювання. Суть винаходу пояснюється за допомогою ілюстрацій, де на фіг. 1 показаний поздовжній розріз пальника "ЖАР", на фіг. 2 – теплообмінник, на фіг. 3 – характерний перетин віброзбуджувача, на фіг. 4 – залежність теплопродуктивності від частоти коливань, на фіг. 5 – залежність теплопродуктивності від амплітуди коливань. Пальник "ЖАР" (див. фіг. 1) включає в себе кожух 1 із камерою 2 спалювання і трубою 3 регенеративною, встановлених з зазором для подачі повітря і коаксіально для рівномірного охолодження, містить камеру 4 вихрову для розпилювання та підігріву палива з форсунки 5 дифузорної і форсунки 6 газової з лопатками 7, теплообмінник 8 (див. фіг. 2), ребра 9 охолодження, віброзбуджувач 10 (див. фіг. 3), штуцер 11 тангенціальний, бігунок 12 сферичний розміщений в проточці 13, сопла 14 тангенціальні, генератор 15 акустичний, сопла 16 похилі, сопло 17 центральне, завихрювач 18 малий, завихрювач 19 великий, обтічник 20, екран 21 тепловий, повітропровід 22 подавальний, повітропровід 23 зворотний, ребро 24 зовнішнє і днище 25 пальника. Пальник "ЖАР" (див. фіг. 1) працює наступним чином: спочатку подається дуттьове повітря в повітряний колектор з закруткою між кожухом 1, днищем 25, і обтічник 20 в зазор між трубою 3 регенеративною, і камерою 2 спалювання, охолоджує її, і ребра 24 зовнішні. Газ подається в пальник через форсунку 6 газову з лопатками 7 завихрюється, проходить в камеру 4 вихрову, де змішується з повітрям, що виходить з похилих сопел 16, а потім надходить через сопло 17 центральне всередину пальника, розширяється за рахунок відцентрових сил і згорає, нагріваючи при цьому камеру 2 спалювання, особливо її соплову частину. Потім стиснене повітря нагнітають в повітропровід 22 подавальний і направляють його в теплообмінник 8 на ребра 9 охолодження, а потім в повітропровід 23 зворотний і через штуцер 11 віброзбуджувача 10 тангенціальний подають в проточку 13. Потік стисненого повітря штовхає і розганяє бігунок 12 сферичний, який починає обертатися зі швидкістю 90-130 м/сек., при цьому стиснене повітря генерує в порожнині генератора 15 акустичного акустичні коливання. Стиснене повітря або пар через сопла 14 тангенціальні влітає в камеру 4 вихрову і інтенсивно закручується. Паливо з трубопроводу надходить в форсунку 5 дифузорну і розділяється на безліч потоків, які розпилюються в камері 4 вихровій і утворюється хмара наповнена паливом, потім стискається в соплі 17 центральному і влітає в камеру 2 спалювання, де за рахунок закрутки потоків дуттьового повітря через завихрювач 18 малий та через завихрювач 19 великий разом з паливом утворюється приосьова зона зворотних струмів, яка і стабілізує полум'я, витрату ВВП підвищують, а газ зменшують. Екран 21 тепловий захищає дуттьове повітря від нагріву об обтічник 20. Експериментальні дослідження пальника вібровихрового "ЖАР-750" з діаметром камери спалювання – 360 мм і об'ємом – 124.4 л. підтвердили переваги новітніх розробок, котрі дозволяють спалювати ВВП з високою повнотою вигорання палива (98-99,7 %). В основу роботи пальника закладені встановлені методом наближення оптимальних значень і визначення впливу відхилення однієї з характеристик на основні показники, енергії й у 3 UA 114430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 кінцевому рахунку – теплопродуктивності. Встановлені, на фіг. 4, емпіричні залежності теплопродуктивності від частоти коливань, підтверджують, що оптимальними треба прийняти в межах 300-500 Гц. На фіг. 5 залежність теплопродуктивності від амплітуди коливань, оптимальними прийнято 0,2-0,4 мм. Таким чином, в пальнику "ЖАР" реалізований спосіб вібровихрового спалювання ВВП, який суміщає використання ефекту підігріву компонентів палива, багаторазово закрученого струменя стисненого і дуттьового повітря, розпилювання палива кінетичною енергією вихрових потоків, акустичних коливань середовища та вібрацією. Аналіз результатів експериментальних досліджень і досвіду експлуатації, підтверджують наступні переваги в порівнянні з відомими механічними, паромеханічними і паровими пальниками: - застосування запропонованого способу та пальника "ЖАР" дозволяє спалювати ВВП з високою повнотою вигорання палива (98-99,7 %), різко скорочує утворювання і викиди твердих частинок мікронних фракцій (до 80-90 %), оксидів сірки (до 70-85 %) і оксидів азоту (до 80-90 %). - зниження питомої витрати палива на 15-17 % і вище за рахунок ефективного спалювання, що досягається високою якістю його розпилу в акустичному і вихровому полях; - зниження питомої витрати пари на розпил палива в 1,5-2,5 рази в порівнянні з паровими форсунками. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Патент № 2334914. Установка для спалювання водовугільної суспензії. Автори: Воронов В.О.; Незаметдінов А.Б., Александров В.І. Патентовласник: Державна освітня установа вищої професійної освіти "Санкт-Петербурзький державний гірничий інститут імені Г.В. Плеханова (технічний університет)" (RU). 2. Патент № 2360182. Спосіб розпилювання рідкого палива і пристрій для його реалізації. Автори: Корнілов В.М., Корнілов А.В., Романов О. Патентовласник: Корнілов В.М. (RU). 3. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теорія горіння і топкові пристрої. М., Енергія, 1976, стр. 191. 4. ГОСТ 17356 89. Пальники на газоподібному і рідкому пальному. М, Мінгазпром СРСР, 1990. стор. 7. 5. Патент № 2369803. Спосіб розпилювання рідкого палива і пристрій для його реалізації. Автори: Корнілов В.М, Корнілов А.В., Романов О.В. Патентовласник: Корнілов В.М. (RU). 6. Патент № 1148209. Спосіб термоабразивної обробки Гальченко. Автор і власник: Гальченко М.О. (SU). 7. Патент № 88152. Спосіб термоабразивної обробки та машина для його здійснення. Автори і співвласники: Гальченко М.О. і Аніщєнко А.В. (UA) – Прототип. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб вібровихрового спалювання водовугільного палива, що включає охолодження камери спалювання повітрям і підігрів його при цьому, розпилення палива форсункою і акустичними коливаннями, підігрів розпиленого палива і вихрове змішування його з повітрям, який відрізняється тим, що стиснене повітря від компресора подають в теплообмінник соплової частини пальника, нагрівають його, охолоджуючи при цьому камеру спалювання, потім направляють в віброзбуджувач, генерують акустичні коливання і вібрацію, підігрівають паливо в камері вихровій, яке попередньо розпилюють в форсунці дифузорній, де відбувається розрив потоку спільними акустичними коливаннями і вібрацією, далі подають розпилене паливо в камеру вихрову, нагрівають його вихорами стиснутого повітря з віброзбуджувача, потім численними потоками дуттьового повітря стискають в соплі центральному і направляють в камеру спалювання, де змішують інтенсивними вихорами дуттьового повітря, створюючи дисперговану паливну суміш, і спалюють її з максимальною теплопродуктивністю. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що забезпечують максимальну теплопродуктивність пальника згаданими акустичним впливом і вібрацією при частоті коливань віброзбуджувача в межах 300-500 Гц і амплітуді 0,2-0,4 мм. 3. Пальник для вібровихрового спалювання водовугільного палива, що містить кожух з камерою спалювання, форсунку дифузорну для рідкого палива, який відрізняється тим, що в кожусі встановлена регенеративна труба із зазором для подачі повітря коаксіально для рівномірного охолодження камери спалювання, яка виготовлена з ребрами охолодження і теплообмінником для нагрівання стиснутого і дуттьового повітря, забезпечена віброзбуджувачем з тангенціальним штуцером для подачі стиснутого повітря, з бігунком сферичним, розміщеним в проточці тороподібній, з соплами тангенціальними та з генератором акустичним, камерою вихровою, форсункою газовою з лопатками, в корпусі камери вихрової виконані сопла похилими для подачі дуттьового повітря, і соплом центральним для направлення робочих компонентів в 4 UA 114430 C2 камеру спалювання, в якій установлені завихрювачі малий та великий для вихрової подачі дуттьового повітря. 5 UA 114430 C2 6 UA 114430 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7