RU2694268C1

RU2694268C1 - Method for intensification and control of flame

Info

Publication number: RU2694268C1
Application number: RU2018104632A
Authority: RU
Inventors: Денис Владимирович Суворов
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-07-11

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of power engineering. Method for intensification and control of flame by supplying into combustion zone of fuel-oxidant mixture of gaseous hydrocarbon fuel under action of external electric field of constant negative intensity consists in that first electrode is installed around burner section, second electrode is installed on opposite wall of boiler and electrodes have ring shape of refractory materials, owing to which electric field of constant negative intensity of up to 150 kV/m is generated between annular electrodes located in the direction of fuel-air mixture movement, and affects the collision frequency of particles, thereby affecting the rate of passage of the reaction.

EFFECT: invention increases combustion speed, increases heat output, reduces excess air in the furnace, reduces harmful emissions of CO and NO_x.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологиям сжигания газообразного углеводородного топлива в топке котлов, под действием внешнего электрического поля постоянной отрицательной напряженности. Способ интенсификации и управления пламенем при горении топлива в котлах включает увеличение скорости горения, повышение жаропроизводительности, снижение избытка воздуха в топке, увеличение скорости нарастания температуры смеси, снижение вредных выбросов СО и NO_x и повышение мощности котла.The invention relates to technologies for the combustion of gaseous hydrocarbon fuel in the boiler furnace, under the action of an external electric field of constant negative tension. The method of intensification and control of the flame during fuel combustion in boilers includes an increase in the burning rate, an increase in heat productivity, a decrease in the excess air in the furnace, an increase in the rate of rise of the temperature of the mixture, a reduction in harmful emissions of CO and NO _x and an increase in boiler power.

Способ заключается в воздействии внешнего электрического поля постоянной отрицательной напряженности на факел пламени в топке с внедрением в топку кольцевых электродов. Внедрение электродов возможно в уже существующие котельные установки, без существенной реконструкции котла. Способ основан на повышении частоты столкновений и сокращении длинны свободного пробега молекул.The method consists in the action of an external electric field of constant negative intensity on the flame of the flame in the furnace with the introduction of ring electrodes into the furnace. The introduction of electrodes is possible in already existing boiler installations, without significant reconstruction of the boiler. The method is based on increasing the frequency of collisions and reducing the free path of molecules.

Изобретение относится к способам сжигания для получения теплоты и может быть использовано в системах сжигания газообразного углеводородного топлива, применяемых в широком спектре отраслей промышленности (обжиг, плавка, пирометаллургия и т.п.), коммунальном хозяйстве (сжигание отходов, бойлерные и т.п.), энергетике (различные виды двигателей внутреннего сгорания, теплоэнергетические установки и т.п.) и т.д. для получения работы и/или получения энергии.The invention relates to combustion methods for obtaining heat and can be used in the combustion systems of gaseous hydrocarbon fuel used in a wide range of industries (burning, smelting, pyrometallurgy, etc.), utilities (waste incineration, boiler rooms, etc.). ), energy (various types of internal combustion engines, heat and power plants, etc.), etc. for work and / or energy.

Из уровня техники известен способ улучшения сжигания в условиях внешнего электрического поля - патент RU №2663969 «Способ интенсификации процесса горения топлива» и, взятый за прототип, патент RU №2125682 «Способ интенсификации и управления пламенем».From the prior art a method of improving combustion in conditions of an external electric field is known - patent RU No. 2663969 "Method of intensifying the process of burning fuel" and, taken as a prototype, patent RU No. 21255682 "Method of intensifying and controlling the flame."

Известные способы обладают универсальностью по топливу - твердое, жидкое и газообразное и по агрегатному состоянию каталитической добавки, но имеют свои недостатки. А именно - обладают сложным расположением электродов применительно к реальным топкам котлоагрегатов, так как воздействие идет высокой напряженности для пламени и вероятно происходит в пробойном состоянии. Так же данные способы не учитывают различия воздействия электрических полей различной напряженности. И воздействие идет при помощи поля напряженностью свыше 2 кВ/см, что сложно реализовать для высокоионизированных факелов углеводородных топлив.The known methods have versatility for fuel - solid, liquid and gaseous and for the aggregative state of the catalytic additive, but have their drawbacks. Namely, they have a complex arrangement of electrodes as applied to real furnaces of boiler units, since the impact is high for the flame and probably occurs in the breakdown state. Also, these methods do not take into account the differences in the effects of electric fields of different intensity. And the impact comes with a field strength of more than 2 kV / cm, which is difficult to implement for highly ionized hydrocarbon fuel torches.

Целью изобретения является устранение данных недостатков.The aim of the invention is to eliminate these disadvantages.

В предложенном способе горение топливно-воздушной смеси происходит в несколько этапов. На первом этапе происходит нагрев холодной смеси до температуры самовоспламенения. Проходя температуру самовоспламенения начинается экзотермическая реакция горения с переходом вещества из газообразного состояние в состояние высокоионизированной квазинейтральной плазмы с высокой концентрацией заряженных частиц. Достигая температуры жаропроизводительности смеси, вещество переходит в газообразное состояние дымовых газов.In the proposed method, the combustion of the fuel-air mixture occurs in several stages. At the first stage, the cold mixture is heated to its autoignition temperature. Passing through the autoignition temperature, an exothermic combustion reaction begins with the substance passing from the gaseous state to the state of highly ionized quasineutral plasma with a high concentration of charged particles. Reaching the temperature of the heat production of the mixture, the substance enters the gaseous state of the flue gases.

Характеристики жаропроизводительности, скорости фронта факела и его длины зависят от скорости прохождения реакции. Скорость реакции между молекулами, соответствующими максвелловскому распределению зависит от частоты столкновения частиц:The characteristics of heat output, the speed of the flame front and its length depend on the speed of the reaction. The rate of reaction between molecules corresponding to the Maxwell distribution depends on the frequency of particle collisions:

Внешне электрическое поле будет воздействовать силой F на заряженные частицы плазмы (1) и молекулы имеющие дипольный момент в ходе реакции (2), изменяя вектор скорости движения частиц и снижая длину свободного пробега.Externally, the electric field will affect the force F on the charged plasma particles (1) and molecules having a dipole moment during the reaction (2), changing the particle velocity vector and reducing the free path.

Технический результат данного способа - увеличение скорости окисления топлива, повышение жаропроизводительности, увеличение скорости нарастания температуры окисления, более полное сгорание топлива, снижение избытка воздуха в топке с сохранением полноты сгорания топлива, снижение вредных выбросов СО и NO_x вплоть до нижнего порога обнаружения газоанализатора.The technical result of this method is an increase in the rate of oxidation of the fuel, an increase in heat production, an increase in the rate of rise of the oxidation temperature, a more complete combustion of the fuel, a decrease in excess air in the furnace while maintaining complete combustion of the fuel, a reduction in harmful emissions of CO and NO _x up to the lower detection threshold of the gas analyzer.

Способ пояснен на примере схемы - Фиг. 1. Предлагается следующая схема расположения электродов в топке котла, где 1 - электрод с зарядом, 2 - направление движения топливной смеси, 3 - корпус горелки, 4 - дальний заземленный электрод, 5 - факел пламени.The method is illustrated by the example of the scheme - FIG. 1. The following arrangement of electrodes in the boiler furnace is proposed, where 1 is the electrode with charge, 2 is the direction of movement of the fuel mixture, 3 is the burner body, 4 is the far grounded electrode, 5 is the flame.

Способ реализуется следующим образом:The method is implemented as follows:

Воздействие на форму и скорость реакции производится подачей напряжения отрицательного потенциала на электрод 1 расположенный близ плоскости среза горелок и заземления электрода 4. Так же возможна подача отрицательного электрического потенциала на электрод 4 с заземлением электрода 1. Выбор электрода под напряжением выбирается опытным путем на разной нагрузке котла.The shape and speed of the reaction are affected by applying a negative potential voltage to the electrode 1 located near the cut-off plane of the burners and grounding electrode 4. It is also possible to apply a negative electric potential to the electrode 4 with the electrode grounding 1. The choice of a live electrode is chosen experimentally at different boiler loads .

Воздействие на экологические характеристики котла, а именно на концентрацию СО и NO_x в дымовых газах производится подачей отрицательного потенциала на дальний заземленный электрод 4, расположенный на дальней стенке топки котла, либо на расстоянии от этой стенки в сторону горелки, с подбором оптимального диаметра и расстояния между электродами опытным путем в зависимости от конфигурации факела пламени и геометрических характеристик топки котла.The impact on the environmental characteristics of the boiler, namely the concentration of CO and NO _x in the flue gases is made by applying a negative potential to the far grounded electrode 4 located on the far wall of the boiler furnace, or at a distance from this wall towards the burner, with the selection of the optimum diameter and distance between the electrodes empirically depending on the configuration of the flame and the geometric characteristics of the boiler furnace.

Под действием силы на заряд, происходит увеличение скорости частицы в направлении совпадающим с вектором силовых линий электрического поля постоянной отрицательной напряженности, и ее снижение в направлении перпендикулярном линиям действия силы, тем самым ограничивая свободу движения частиц имеющих заряд в направлении перпендикулярном силовым линиям электрического поля постоянной отрицательной напряженности. Частота столкновения заряженных частиц повышается, ввиду снижения сечения столкновений, так как свободное перемещение частиц пламени факела горелки 6 происходит с ограничением в направлении перпендикулярном силовым линиям поля. Поле воздействуя торможением на заряженную частицу в плоскости перпендикулярной силовым линиям будет вызывать тормозное излучение, повышая светимость факела пламени 5, в том числе в ИК диапазоне, что приведет к повышению теплопередачи в топке.Under the action of a force on a charge, the particle speed increases in a direction that coincides with a vector of force lines of an electric field of constant negative intensity, and decreases in the direction perpendicular to the lines of action of the force, thereby restricting the freedom of movement of particles having a charge in a direction perpendicular to the force lines of the electric field of a constant negative tensions. The frequency of collisions of charged particles increases due to the reduction of the collision cross section, since the free movement of the flame particles of the torch of the burner 6 occurs with a restriction in the direction perpendicular to the field lines of force. The field acting by braking on a charged particle in the plane perpendicular to the power lines will cause bremsstrahlung, increasing the luminosity of the flame of the flame 5, including in the IR range, which will increase the heat transfer in the furnace.

Настройка системы ведется по анализу дымовых газов. Напряженность электрического поля для снижение вредных примесей в дымовых газах, напряжение на втором электроде подбирают опытным путем. Повышение температуры происходит при максимуме прикладываемого допробойного напряжения на электрод с зарядом 1. Сокращение длины факела пламени 5 контролировать по смотровым окнам.The system is set up by analyzing the flue gases. The electric field strength to reduce harmful impurities in the flue gas, the voltage at the second electrode is chosen empirically. The temperature rise occurs at the maximum of the applied breakdown voltage on the electrode with charge 1. Control the reduction of the flame length of the flame 5 through the observation ports.

Увеличение длины факела пламени горелки 5 возможно при подаче отрицательного потенциала на дальний заземленный электрод 4, что поднимет эффективность работы котлоагрегата в режимах работы ниже номинального, ввиду более равномерного заполнения факелом топочного объема.An increase in the flame length of the burner 5 is possible when a negative potential is applied to the far grounded electrode 4, which will increase the efficiency of the boiler in operating modes below the nominal, due to a more uniform filling of the furnace volume with the torch.

Таким образом, предложенный способ интенсификации и управления пламенем позволяет существенно увеличить скорость окисления топлива, повысить жаропроизводительность, увеличить скорость нарастания температуры окисления, снизить избыток воздуха в топке с сохранением полноты сгорания топлива, снизить вредные выбросы СО и NOx вплоть до нижнего порога обнаружения газоанализатора.Thus, the proposed method of intensification and control of the flame can significantly increase the oxidation rate of the fuel, increase the heat output, increase the rate of increase of the oxidation temperature, reduce the excess air in the furnace while maintaining complete combustion of fuel, reduce harmful emissions of CO and NOx up to the lower threshold of gas analyzer detection.

Claims

The method of intensification and control of the flame by supplying the gaseous hydrocarbon fuels to the combustion zone of the fuel-oxidant mixture under the influence of an external electric field of constant negative intensity, characterized in that the first electrode is installed around the burner cut, the second is on the opposite wall of the boiler and the electrodes are ring-shaped from refractory materials, so that an electric field of constant negative voltage up to 150 kV / m is generated between the ring electrodes located n about the course of movement of the fuel-air mixture, and affects the frequency of collision of particles, thereby affecting the speed of the reaction.