Способ сжигания топлива (варианты) и установка для его осуществления (варианты)

008046 Изобретение относится к сжиганию топлива и может найти применение в бытовой технике, теплоэнергетике, на предприятиях по сжиганию и переработке отходов. Известен способ сжигания топлива, при котором создают сильнозакрученный воздушный поток в периферийной зоне основной камеры сгорания в виде периферийного вихря, возбуждающего в приосевой зоне основной камеры сгорания находящийся в противотоке к нему вращающийся в том же направлении сильнозакрученный воздушный поток приосевой вихрь, дополнительно создают сильнозакрученный воздушный поток в первичной камере сгорания и формируют в ней поток топливо-воздушной смеси, которую затем поджигают и сжигают в первичной камере, а дожигание и разбавление продуктов сгорания первичной камеры осуществляют в приосевом вихре основной камеры сгорания, при этом выход продуктов сгорания приосевого вихря и начало формирования периферийного вихря находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей, причем для образования потока топливовоздушной смеси в первичной камере сгорания в ней создают сильнозакрученный активный поток, формирующий в плоскости его образования структуру потока с высоким радиальным градиентом статического давления, в качестве которого используют предварительно разогнанный сильнозакрученный поток первичного воздуха, и пассивный поток, в качестве которого используют топливо, поступающее в центральную часть создаваемого активного потока за счет формирования высоким радиальным градиентом статического давления высокого осевого градиента статического давления. Устройство для реализации указанного способа включает основную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройство подвода вторичного воздуха и расположенные в одном сечении, перпендикулярном центральной оси камеры сгорания, завихритель и канал выхода продуктов сгорания, первичную камеру сгорания, содержащую жаровую трубу, устройства подвода топлива и первичного воздуха,завихритель и воспламеняющее устройство, причем первичная камера сгорания установлена перед основной соосно с последней, жаровые трубы камер сгорания соединены, а устройство подвода топлива и выполненный в виде закручивающего соплового аппарата завихритель первичной камеры сгорания расположены на ее переднем торце в сечении, перпендикулярном центральной оси камеры, при этом устройство подвода первичного воздуха выполнено в виде сопла и расположено в закручивающем сопловом аппарате (патент РФ 2212003, кл. F 23R 3/00, 2003). Создание двух сильнозакрученных воздушных потоков усложняет реализацию способа сжигания и требует применения сложного устройства, которое необходимо оснащать закручивающим устройством и дополнительными камерами. Известен способ сжигания топлива, включающий подачу топлива и воздуха через топливный и воздушный каналы в смеситель с образованием топливо-воздушной смеси, которую подают в камеру сгорания и поджигают. Воздушный поток разделяют на центральный и периферийный закрученные потоки,смешивают их с образованием циркуляционных зон и подают в эти зоны топливо, выходящий из зоны сгорания вихревой поток раскручивают, преобразуя кинетическую энергию вращательного движения в потенциальную энергию давления, разбавляют, подавая дополнительные массы в начало процесса раскрутки, и одновременно с разбавлением и раскруткой дожигают. Установка для сжигания топлива содержит камеру сгорания с воспламеняющим элементом, устройство подачи топлива, устройство подачи воздуха и смеситель, имеющий топливный и воздушный каналы. Устройство подачи топлива расположено в центре лопаточного завихрителя (патент РФ 2215941, кл. F 23R 3/00, 2003). Необходимость создания центрального и периферийного закрученных потоков и их смешивание с образованием циркуляционных зон и дополнительное раскручивание вихревого потока усложняет способ и конструкцию установки. Для создания вихря необходимо наличие значительного объема установки, что повышает ее металлоемкость и энергоемкость, что приводит к снижению КПД. При этом не исключается возможность загрязнения окружающей среды продуктами неполного сгорания топлива. Задачей изобретения является разработка экологически чистого способа сжигания газообразного,жидкого или измельченного твердого топлива и установки для сжигания топлива. Технический результат - повышение КПД установки, упрощение способа и конструкции установки,снижение металлоемкости и энергоемкости, - достигается тем, что в способе сжигания топлива в соответствии с первым вариантом изобретения, включающем подачу топлива и воздуха через топливный и воздушный каналы в смеситель с образованием топливо-воздушной смеси, которую подают в камеру сгорания и поджигают с последующим отводом продуктов сгорания, согласно изобретению, воздух подают под давлением 0,1-500 атм и осуществляют расширение потока в диффузорном участке воздушного канала, затем его сжатие в конфузорном участке воздушного канала для разгона потока и последующее смешивание с топливом при совмещении выходящих потоков топлива и воздуха в одной зоне смесительного патрубка, а при отводе продуктов сгорания осуществляют нагрев ими стенок камеры сгорания. Часть отводимых продуктов сгорания подают в камеру сгорания для дожигания. Осуществляют одновременную подачу твердого и жидкого, или твердого и газообразного, или жидкого и газообразного топлива. При необходимости в камеру сгорания подают окислитель. Установка для сжигания топлива в соответствии с первым вариантом, содержащая камеру сгорания с воспламеняющим элементом, устройство подачи топлива, устройство подачи воздуха, газоход с кана-1 008046 лами для выхода продуктов сгорания и для подачи воздуха, смеситель, имеющий топливный и воздушный каналы, согласно изобретению, снабжена смесительным патрубком, воздушный канал имеет диффузорный и конфузорный участки, топливный канал имеет конфузорный участок, который выполнен с внешней стороны конфузорного участка воздушного канала, при этом конфузорные участки воздушного и топливного каналов образуют воздушный и топливный жиклеры, которые расположены перед смесительным патрубком, а газоход расположен с внешней стороны камеры сгорания. В стенках камеры сгорания выполнены отверстия для подачи продуктов сгорания из газохода в камеру сгорания. Установка может быть снабжена по меньшей мере одним дополнительным устройством для подачи топлива, устройством для подачи окислителя и каналом для окислителя с конфузорным участком, который выполнен с внешней стороны конфузорного участка топливного канала. В способе сжигания топлива согласно второму варианту изобретения, включающем подачу топлива и воздуха через топливный и воздушный каналы в смеситель с образованием топливо-воздушной смеси,которую подают в камеру сгорания и поджигают с последующим отводом продуктов сгорания, согласно изобретению, топливо и воздух направляют в смеситель коаксиальными потоками, при этом воздух подают под давлением 0,1-500 атм и осуществляют сжатие потока воздуха и его разгон на выпускном участке воздушного канала, а при отводе продуктов сгорания осуществляют нагрев ими стенок камеры сгорания. Часть отводимых продуктов сгорания подают в камеру сгорания для дожигания. Осуществляют одновременную подачу твердого и жидкого, или твердого и газообразного, или жидкого и газообразного топлива. При необходимости дополнительно подают окислитель. В установке для сжигания топлива согласно второму варианту устройства, содержащей камеру сгорания с воспламеняющим элементом, устройство подачи топлива, устройство подачи воздуха, газоход с каналами для выхода продуктов сгорания и для подачи воздуха, смеситель, имеющий топливный и воздушный каналы, согласно изобретению, топливный канал имеет в поперечном сечении кольцевую форму, а воздушный канал установлен с внешней стороны топливного канала коаксиально ему, при этом выпускной участок воздушного канала выполнен конфузорным, а газоход расположен с внешней стороны камеры сгорания. В стенках камеры сгорания выполнены отверстия для подачи продуктов сгорания из газохода в камеру сгорания. Установка снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным устройством для подачи топлива и устройством для подачи окислителя с каналом для окислителя, соединенным с воздушным каналом. В способе сжигания топлива в соответствии с третьим вариантом изобретения, включающем подачу топлива и воздуха через установленные под углом друг к другу топливный и воздушный каналы в смеситель с образованием топливо-воздушной смеси, которую подают в камеру сгорания и поджигают с последующим отводом продуктов сгорания, согласно изобретению, воздух подают под давлением 0,1-500 атм, а при отводе продуктов сгорания осуществляют нагрев ими стенок камеры сгорания. Часть отводимых продуктов сгорания подают в камеру сгорания для дожигания. Осуществляют одновременную подачу твердого и жидкого, или твердого и газообразного, или жидкого и газообразного топлива. В установке для сжигания топлива в соответствии с третьим вариантом, содержащей камеру сгорания с воспламеняющим элементом, устройство подачи топлива, устройство подачи воздуха, газоход с каналами для выхода продуктов сгорания и для подачи воздуха, смеситель, имеющий топливный и воздушный каналы, установленные под углом друг к другу, согласно изобретению, газоход расположен с внешней стороны камеры сгорания. В стенках камеры сгорания выполнены отверстия для подачи продуктов сгорания из газохода в камеру сгорания. Установка снабжена по меньшей мере одним дополнительным устройством для подачи топлива. Подача воздуха под давлением 0,1-500 атм и осуществление расширения потока с последующим его сжатием и разгоном в первом варианте изобретения обеспечивает необходимую степень разряжения на участке выхода потока воздуха из конфузорной части через воздушный жиклер, что способствует интенсивной инжекции топлива в конфузорный участок топливного канала и далее через топливный жиклер в смесительный патрубок. Установка конфузорных участков воздушного и топливного каналов, образующих воздушный и топливный жиклеры, перед смесительным патрубком обеспечивает возрастание скорости потока воздуха и топлива за счет преобразования потенциальной энергии в кинетическую. При этом каждый из потоков выбрасывается с высокой скоростью в смесительный патрубок для образования топливо-воздушной смеси. Для получения тонкодисперсной смеси с оптимальным соотношением топлива и воздуха потоки должны сходится в одной ограниченной зоне (точке). При выполнении условия совмещения выходящих потоков в одной зоне смесительного патрубка, образованная топливо-воздушная смесь полностью сгорает без образования сажи и оксидов углерода. За счет этого повышается КПД установки.-2 008046 Направление во втором варианте изобретения топлива и воздуха в смеситель коаксиальными потоками и сжатие потока воздуха и его разгон на выпускном участке воздушного канала, обеспечивает необходимую степень разряжения на участке выхода потока воздуха из конфузорной части, что способствует интенсивной инжекции топлива и получению тонкодисперсной смеси. Подача воздуха под давлением 0,1 - 500 атм обеспечивает необходимые условия распыления топливо-воздушной смеси. Нагрев в каждом из вариантов изобретения стенок камеры сгорания выходящими газами повышает рабочую температуру в камере и эффективность сжигания топлива, что снижает энергоемкость установки и повышает КПД. При работе данных вариантов установки не требуется создание вихревых потоков, что позволяет значительно снизить ее объем и металлоемкость. Давление, при котором осуществляют подачу воздуха, зависит от вида топлива, его вязкости и температуры. Если используют газообразное топливо, то давление может быть минимальным - 0,1 атм. При повышении вязкости топлива давление воздуха соответственно должно быть увеличено. При использовании в качестве топлива тяжелых углеводородов или твердого топлива воздух подают под давлением 500 атм. За счет подачи воздуха под давлением и нагрева камеры сгорания выходящими газами рабочая температура в камере сгорания достигает 1500 С и более, поэтому необходимо изготавливать ее из термостойкого материала. Каждый из указанных вариантов установки может иметь автономные устройства для нагрева воздуха и топлива. Кроме того, воздух и топливо могут нагреваться выходящими из топки газами. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез первого варианта установки; на фиг. 2 - продольный разрез второго варианта установки; на фиг. 3 - продольный разрез третьего варианта установки. Установка для сжигания топлива в соответствии с первым вариантом содержит камеру сгорания 1 с воспламеняющим элементом 2, устройство подачи топлива 3, устройство подачи воздуха 4, газоход 5 с каналами для выхода продуктов сгорания 6 и для подачи воздуха 7, смеситель 8, имеющий топливный 9 и воздушный 10 каналы, смесительный патрубок 11. Воздушный канал 10 имеет диффузорный 12 и конфузорный 13 участки, топливный канал имеет конфузорный участок 14, который выполнен с внешней стороны конфузорного участка воздушного канала, при этом конфузорные участки 13, 14 воздушного и топливного каналов образуют воздушный и топливный жиклеры, которые расположены перед смесительным патрубком 11, а газоход 5 расположен с внешней стороны камеры сгорания 1. В стенках камеры сгорания 1 выполнены отверстия 15 для подачи продуктов сгорания из газохода 5 в камеру сгорания 1. Установка может быть снабжена по меньшей мере одним дополнительным устройством 16 для подачи топлива. Каналы для выхода продуктов сгорания 6 сообщены с теплообменником (не показан). Для дополнительной подачи воздуха в камеру сгорания могут быть установлены дополнительные каналы (не показаны). Установка может иметь устройство для подачи окислителя 17 и канал для окислителя с конфузорным участком 18, который выполнен с внешней стороны конфузорного участка топливного канала 9. Установка для сжигания топлива в соответствии со вторым вариантом изобретения содержит камеру сгорания 1 с воспламеняющим элементом 2, устройство подачи топлива 3, устройство подачи воздуха 4, газоход 5 с каналами 6 для выхода продуктов сгорания и 7 для подачи воздуха, смеситель 8, имеющий топливный 9 и воздушный 10 каналы. Топливный канал 9 имеет в поперечном сечении кольцевую форму, а воздушный канал 10 установлен с внешней стороны топливного канала 9 коаксиально ему, при этом выпускной участок 11 воздушного канала 10 выполнен конфузорным, а газоход 5 расположен с внешней стороны камеры сгорания 1. В стенках камеры сгорания 1 выполнены отверстия 12 для подачи продуктов сгорания из газохода 5 в камеру сгорания 1. Установка снабжена по меньшей мере одним дополнительным устройством для подачи топлива (не показано) и устройством 13 для подачи окислителя с каналом 14 для окислителя, соединенным с воздушным каналом 10. Установка для сжигания топлива в соответствии с третьим вариантом изобретения содержит камеру сгорания 1 с воспламеняющим элементом 2, устройство подачи топлива 3, устройство подачи воздуха 4,газоход 5 с каналами для выхода 6 продуктов сгорания и для подачи 7 воздуха, смеситель 8, имеющий топливный 9 и воздушный 10 каналы, установленные под углом друг к другу. Газоход 5 расположен с внешней стороны камеры сгорания 1. В стенках камеры сгорания 1 выполнены отверстия 11 для подачи продуктов сгорания из газохода 5 в камеру сгорания 1. Установка может быть снабжена по меньшей мере одним дополнительным устройством для подачи топлива (не показано) и дополнительным воздушным каналом (не показан).-3 008046 Каждый из указанных вариантов установки может иметь автономные устройства для нагрева воздуха и топлива (не показаны). Кроме того, воздух и топливо могут нагреваться выходящими из топки газами. Реализация способа и работа первого варианта установки осуществляется следующим образом. Подают газообразное топливо с помощью устройства 3 и воздух с помощью устройства 4, например, компрессора соответственно через топливный 9 и воздушный 10 каналы в смеситель 8 с образованием топливо-воздушной смеси, которую подают в камеру сгорания 1 и поджигают воспламеняющим элементом 2, например электродуговым. Воздух подают под давлением 0,1 атм и осуществляют расширение потока в диффузорном участке 12 воздушного канала, затем его сжатие в конфузорном участке 13 воздушного канала для разгона потока. При этом обеспечивается необходимая степень разряжения на участке выхода потока воздуха из конфузорной части 13, образующей на выходном конце воздушный жиклер, что способствует интенсивной инжекции топлива в конфузорный участок 14 топливного канала и далее через калиброванное отверстие на конце участка 14, образующего топливный жиклер, в смесительный патрубок 11. Смешивание воздуха с топливом осуществляют при совмещении выходящих потоков топлива и воздуха в одной зоне смесительного патрубка 11. Расход топлива регулируют с помощью вентиля (не показан) таким образом, чтобы обеспечивалось оптимальное соотношение его с воздухом. Это определяют визуально по цвету пламени, оно должно быть голубого цвета. В этом случае снижается недожог и обеспечивается высокий КПД установки. Регулирование расхода топлива может осуществляться в автоматическом режиме с помощью регулирующего устройства (не показано), которое связано с газоанализатором, установленном на выходном патрубке для продуктов сгорания. Отвод продуктов сгорания производится через газоход 5, который расположен с внешней стороны камеры сгорания, при этом осуществляют нагрев стенок камеры горячими газами. Это позволяет значительно повысить рабочую температуру в камере и повысить КПД установки. Часть отводимых продуктов сгорания может быть подана в камеру сгорания для дожигания через отверстия 15. Для более эффективного дожигания топливо-воздушной смеси через патрубки 7 осуществляют дополнительную подачу воздуха. Из газохода продукты сгорания через патрубки 7 направляют к теплообменнику (не показан). Воздух, подаваемый в канал 10, может быть нагрет до необходимой температуры, например 100 С или выше, в этом случае при дополнительной подаче жидкого топлива оно испаряется и образованная топливо-воздушная смесь поступает в камеру сгорания в газообразном состоянии, что повышает полноту сгорания и эффективность установки. Для этого устанавливают дополнительное устройство для подачи топлива 16. В топливном канале 9 могут быть установлены продольные перегородки (не показаны) для того, чтобы от каждого из устройств 3 и 16 поток топлива транспортировался по соответствующему сектору до смешивания в смесителе 11. Это повышает универсальность установки и не требует переоборудования ее при переходе от одного вида топлива к другому. При сжигании топлива, содержащего тяжелые углеводороды, дополнительно подают окислитель с помощью устройства 17 через канал с конфузорным участком 18. В качестве окислителя используют кислород, озон или другой компонент. Работа второго варианта установки осуществляется следующим образом. Подают жидкое, газообразное или измельченное твердое топливо с помощью устройства 3 и воздух с помощью устройства 4, например компрессора, соответственно через топливный 9 и воздушный 10 каналы в смеситель 8. Топливо и воздух направляют в смеситель 8 коаксиальными потоками, при этом воздух подают под давлением 20 атм и осуществляют сжатие потока воздуха и его разгон на выпускном участке 11 воздушного канала 10. При выходе потока воздуха через жиклер, образованный на выпускном конце участка 11, с большой скоростью происходит инжекция топлива, выходящего из топливного жиклера, образованного на выпускном конце канала 9 и смешивание топлива с воздухом с образованием тонкодисперсной смеси. При необходимости воздух нагревают от 50 до 1000 С. Образованные в результате сгорания топливо-воздушной смеси газы отводятся в газоход 5, при этом осуществляется нагрев ими стенок камеры сгорания 1, после чего продукты сгорания направляют к теплообменнику (не показан) через газоанализатор (не показан). Часть отводимых продуктов сгорания подают в камеру сгорания через отверстия 12 для дожигания. Может быть осуществлена одновременная подача твердого и жидкого, или твердого и газообразного, или жидкого и газообразного топлива. Для этого устанавливают дополнительное устройство для подачи топлива (не показано). Расход топлива регулируют визуально по цвету пламени или в автоматическим режиме, в зависимости от состава отходящих газов. При снабжении установки устройством для подачи окислителя 13 через канал 14 подают кислород,озон или иной окисляющий агент в воздушный канал 10 для более эффективного сжигания топлива. Реализация способа и работа установки в соответствии с третьим вариантом изобретения осуществляется следующим образом. Подают твердое или вязкое жидкое топливо с помощью устройства 3 и воздух под давлением 500 атм с помощью устройства 4 через установленные под углом друг к другу топливный 9 и воздушный 10-4 008046 каналы и через топливный и воздушный жиклеры, образованные на выпускных концах каналов 9, 10, в смеситель 8 с образованием топливо-воздушной смеси, которую направляют в камеру сгорания 1 и поджигают. Воспламеняющим элементом 2 может быть нить накаливания или электроды, между которыми зажигают дугу, а также элемент 2 может быть электроискровым. Для регулирования процесса сгорания топливо-воздушной смеси через патрубки 7 осуществляют дополнительную подачу воздуха. Газообразные продукты сгорания отводят через газоход 5 и при отводе продуктов сгорания осуществляют нагрев ими стенок камеры сгорания 1, повышая рабочую температуру в камере. При необходимости часть отводимых продуктов сгорания подают в камеру сгорания 1 через отверстия 11 для дожигания, а воздух подогревают до 500 С. Может быть осуществлена дополнительная подача жидкого или газообразного топлива. Для этого устанавливают дополнительное устройство для подачи топлива (не показано). Расход топлива регулируют визуально по цвету пламени или в автоматическим режиме, в зависимости от состава отходящих газов, пропускаемых через газоанализатор. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сжигания топлива, включающий подачу топлива и воздуха через топливный и воздушный каналы, образование топливо-воздушной смеси и ее сжигание в камере сгорания с последующим отводом продуктов сгорания, которыми осуществляют нагрев стенок камеры сгорания, при этом производят ускорение потока воздуха в конфузорном участке воздушного канала, отличающийся тем, что топливовоздушную смесь образуют в смесителе, воздух подают под давлением до 500 атм, а в топливном канале создают разрежение для всасывания топлива в смеситель за счет ускорения потока воздуха в конфузорном участке воздушного канала, при последующем смешивании воздуха с топливом совмещают выходящие потоки топлива и воздуха в одной зоне смесителя для образования смеси при выходе потока воздуха из конфузорного участка воздушного канала, а в камеру сгорания подают готовую топливовоздушную смесь. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть отводимых продуктов сгорания подают в камеру сгорания для дожигания. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют одновременную подачу твердого и жидкого, или твердого и газообразного, или жидкого и газообразного топлива. 4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что в смеситель дополнительно подают окислитель. 5. Установка для сжигания топлива, содержащая камеру сгорания с воспламеняющим элементом,устройство подачи топлива, устройство подачи воздуха, газоход с каналами для выхода продуктов сгорания, топливный и воздушный каналы, выпускной участок воздушного канала выполнен конфузорным,а газоход расположен с внешней стороны камеры сгорания, отличающаяся тем, что она снабжена смесителем, выпускной участок топливного канала выполнен конфузорным, при этом конфузорные участки воздушного и топливного каналов образуют воздушный и топливный жиклеры, которые установлены с возможностью совмещения выходящих потоков топлива и воздуха в одной зоне смесителя для подачи готовой топливо-воздушной смеси в камеру сгорания. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что в стенках камеры сгорания выполнены отверстия для подачи продуктов сгорания из газохода в камеру сгорания. 7. Установка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным устройством для подачи топлива. 8. Установка по пп.5, 6 или 7, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для подачи окислителя с каналом для окислителя, соединенным с воздушным каналом. 9. Установка по пп.5, 6 или 7, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для подачи окислителя и каналом для окислителя с конфузорным участком, который выполнен с внешней стороны конфузорного участка топливного канала. 10. Установка по пп.5, 6, 7, 8 или 9, отличающаяся тем, что смеситель снабжен смесительным патрубком, а конфузорный участок топливного канала выполнен с внешней стороны конфузорного участка воздушного канала. 11. Установка по пп.5, 6, 7, 8 или 9, отличающаяся тем, что топливный канал имеет в поперечном сечении кольцевую форму. 12. Установка по пп.5, 6, 7, 8 или 9, отличающаяся тем, что топливный и воздушный каналы установлены под углом друг к другу.