PL201808B1

PL201808B1 - Sposób sterowania procesem spalania w bezżużlowym palniku cyklonowym

Info

Publication number: PL201808B1
Application number: PL372458A
Authority: PL
Inventors: Boo Ljungdahl
Original assignee: Tps Termiska Processer Ab
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2009-05-29
Also published as: ATE401533T1; JP4181117B2; AU2003232869A1; JP2005527773A; US20050132942A1; SE522006C2; SE0201621D0; CN1320305C; US7261047B2; RU2004138287A; NO326381B1; EP1532393B1; CA2487335A1; HRP20041067A2; CN1656339A; BR0311340A; WO2003100320A1; RU2315907C2; AU2003232869B2; UA79967C2

Abstract

Sposób sterowania procesem spalania w bez zu z- lowym palniku cyklonowym polegaj acy na tym, ze po jego rozruchu doprowadza si e paliwo do cylindrycznej komory spalania palnika cyklonowego i gaz do spala- nia zawieraj acy tlen. Gaz do spalania zawieraj acy tlen doprowadza si e z pr edko sci a styczn a, przy czym okre sla si e doln a graniczn a pr edko sc gazu i górn a graniczn a pr edko sc gazu oraz utrzymuje si e pr edko sci gazu do spalania pomi edzy wspomnianymi granicznymi pr edko sciami gazu oraz utrzymuje si e jeden z dwóch stanów stechiometrycznych: stan pod- stechiometryczny i stan nadstechiometryczny, poprzez sterowanie ilo sci a doprowadzanego tlenu do ilo sci doprowadzanego paliwa, tj. obci azenia paliwem, i prze- chodzi si e do drugiego ze wspomnianych dwóch sta- nów stechiometrycznych z równoczesnym zapobiega- niem uzyskiwaniu przez gaz do spalania pr edko sci spoza przedzia lu okre slonego przez doln a graniczn a pr edko sc gazu i górn a graniczn a pr edko sc gazu. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania procesem spalania w bezżużlowym palniku cyklonowym. Chodzi o sterowanie procesem spalania w takim palniku po jego rozruchu.

Palnik podgrzewający albo piecowy typu cyklonowego można opisać jako „adiabatyczny palnik cykliczny z komorą spalania, do której doprowadza się stycznie gaz spalinowy, taki jak powietrze, w celu wytworzenia przepływu wirowego. Cząstki paliwa wprowadza się w strumień gazu, gdzie pod wpływem działającej na nie siły odśrodkowej są transportowane wzdłuż ściany komory. Korzystnie, w skł ad paliwa w palniku cyklonowym wchodzą czą stki rozdrobnione, ale, w porównaniu ze swobodnym palnikiem do spalania paliw stałych, zapotrzebowanie na materiał silnie rozdrobniony jest znacznie mniejsze.

W wielu zastosowaniach temperatura wewną trz palnika cyklonowego jest tak wysoka, ż e popiół z paliwa topi się i tworzy żużel, który trzeba stale usuwać z palnika. Jest to na ogół ta sytuacja, która występuje podczas spalania węgla. W innych zastosowaniach, na ogół podczas spalania drewna, steruje się temperaturą w taki sposób, żeby uniknąć przywierania stopionego popiołu.

W większości zastosowań palnik cyklonowy jest wyłożony materiałem ogniotrwałym, zapobiegającym korozji i minimalizującym straty ciepła. W powiązaniu z wysoką gęstością termiczną prowadzi to w przybliżeniu do temperatury adiabatycznej wewnątrz palnika.

W wielu zastosowaniach pożądane jest utrzymywanie temperatury w pewnym przedziale temperatur w celu uzyskania zadowalającego spalania węgla, z równoczesnym unikaniem wad, takich jak wspomniane powyżej przywieranie, w wysokich temperaturach. Najwyższą temperaturę uzyskuje się tuż przed stanem stechiometrycznym, tj. stanem, w którym ilość tlenu lub powietrza dodawanego w gazach do spalania jest równa iloś ci potrzebnej do cał kowitego spalenia paliwa. Jeż eli dodaje się mniej tlenu, tj. w stanie podstechiometrycznym, temperatura będzie mniejsza, przy czym to samo dotyczy sytuacji, kiedy dodaje się więcej tlenu, tj. w stanie nadstechiometrycznym, ponieważ nadmiar tlenu pełni rolę czynnika chłodzącego. Przedstawiono to na załączonej fig. 1.

Stosunek ograniczenia, tj. stosunek maksymalnego do minimalnego obciążenia roboczego paliwem dla danego palnika cyklonowego, jest ograniczony przez zapotrzebowanie na cyrkulację cząstek oraz przez ekstensywny wylot cząstek (wyłączanie). Innymi słowy, przepływ gazu lub prędkość gazu powinny być powyżej dolnej wartości granicznej w celu wprowadzenia cząstek paliwa, z równoczesnym unikaniem wyrzucenia ich w wyniku działania sił grawitacyjnych lub ciernych, oraz powinny również być poniżej górnej wartości granicznej w celu unikania wypływu cząstek z komory spalania przed całkowitym spaleniem.

Najpowszechniej jest stosowany żużlowy palnik cyklonowy. Pracują one w warunkach nadstechiometrycznych, przy czym głównym tego powodem jest unikanie środowiska korozyjnego w warunkach redukcyjnych podczas spalania węgli. Na ogół możliwy jest stosunek ograniczenia około 2:1. Żużlowy palnik cyklonowy jest używany do całkowitego topienia cząstek popiołu, które są usuwane głównie w postaci żużla. W przeciwieństwie do tego, bezżużlowy palnik cyklonowy pracuje w takich warunkach, w których wewnątrz palnika nie pojawia się silne ż u ż lowanie. Wskutek tego popiół jest usuwany głównie w postaci lotnych cząstek stałych popiołu. Bezżużlowe palniki cyklonowe mogą pracować albo w warunkach pod- albo nadstechiometrycznych, chociaż najpowszechniejsze są warunki podstechiometryczne. Na ogół możliwy jest stosunek ograniczenia 4:1. Działanie w warunkach podstechiometrycznych jest zalecane, ponieważ umożliwia to bardziej zwartą budowę palnika. Właściwe objętościowe natężenie przepływu gazów przez palnik cyklonowy (m³/kg paliwa) można uważać w przybliżeniu za proporcjonalne do stosunku stechiometrycznego, a zatem możliwe jest wyższe obciążenie termiczne w stanie podstechiometrycznym.

W obecnym stanie techniki moż liwe jest nieznaczne sterowanie procesem spalania w palnikach cyklonowych i trudno jest uzyskać większy stosunek ograniczenia niż 4:1 w wypadku pracy palnika w pożądanym przedziale temperatur. Głównym powodem jest ograniczony czas przebywania cząstek paliwa wewnątrz komory spalania przy wysokim natężeniu przepływu gazu albo niewystarczająca cyrkulacja w komorze spalania przy niskim natężeniu przepływu gazu. Jednym z możliwych rozwiązań mających na celu uzyskanie większego stosunku ograniczenia jest zastosowanie dłuższego palnika. Jednakże taka konstrukcja jest kosztowna, masywna i wymaga dużo miejsca. Ponadto dłuższy palnik to znaczne trudności z rozmieszczeniem w wypadku konieczności wymiany konwencjonalnego istniejącego już palnika.

PL 201 808 B1

Celem wynalazku jest zapewnienie sposobu umożliwiającego lepsze sterowanie i regulowanie zwartego bezżużlowego palnika cyklonowego.

Innym celem wynalazku jest zapewnienie sposobu zwiększania możliwego stosunku ograniczenia dla danego palnika cyklonowego.

Te i inne cele, które staną się oczywiste po zapoznaniu się z dalszym opisem, uzyskuje się sposobem zdefiniowanym w załączonych zastrzeżeniach patentowych.

Sposób sterowania procesem spalania w bezżużlowym palniku cyklonowym polegający na tym, że po jego rozruchu doprowadza się paliwo do cylindrycznej komory spalania palnika cyklonowego i gaz do spalania zawierają cy tlen, wedł ug wynalazku charakteryzuje się tym, ż e gaz do spalania zawierający tlen doprowadza się z prędkością styczną, przy czym określa się dolną graniczną prędkość gazu i górna graniczną prędkość gazu oraz utrzymuje się prędkości gazu do spalania pomiędzy wspomnianymi granicznymi prędkościami gazu oraz utrzymuje się jeden z dwóch stanów stechiometrycznych: stan podstechiometryczny i stan nadstechiometryczny, poprzez sterowanie ilością doprowadzanego tlenu do ilości doprowadzanego paliwa, tj. obciążenia paliwem, i przechodzi się do drugiego ze wspomnianych dwóch stanów stechiometrycznych z równoczesnym zapobieganiem uzyskiwaniu przez gaz do spalania prędkości spoza przedziału określonego przez dolną graniczną prędkość gazu i górną graniczną prędkość gazu.

Korzystnie utrzymuje się temperaturę w komorze spalania w przedziale temperatur 700°C-1300°C, korzystnie 900°C-1100°C, gdzie każda temperatura we wspomnianym przedziale temperatur określa razem ze wspomnianymi granicznymi prędkościami gazu odpowiednie minimalne obciążenie paliwem i odpowiednie maksymalne obciążenie paliwem w celu przejścia z jednego spośród dwóch stanów stechiometrycznych do drugiego.

Korzystnie miesza się zawrócone gazy spalinowe lub inny gaz o niskiej zawartości tlenu, lub gaz obojętny, z zawierającym tlen gazem do spalania przed doprowadzeniem gazu do spalania do komory spalania zmniejszając w ten sposób wspomniane minimalne obciążenie paliwem w stanach podstechiometrycznych.

Korzystnie miesza się zawrócone gazy spalinowe, lub inny gaz o niskiej zawartości tlenu, lub gaz obojętny, z zawierającym tlen gazem do spalania przed doprowadzeniem gazu do spalania do komory spalania, zmniejszając w ten sposób, przy takim samym całkowitym natężeniu przepływu, stężenie tlenu, a tym samym powstawanie tlenków azotu w stanach nadstechiometrycznych.

Korzystnie przy utrzymywaniu stanu stechiometrycznego utrzymuje się w przybliżeniu stały stosunek stechiometryczny w celu sterowania temperaturą.

Korzystnie stosunek stechiometryczny utrzymuje się w określonych granicach, podczas gdy temperaturę w komorze spalania steruje się za pomocą pewnej ilości zawróconego gazu spalinowego albo innego gazu o niskiej zawartości tlenu, lub gazu obojętnego, do wymieszania z zawierającym tlen gazem spalinowym.

Korzystnie paliwo doprowadza się w postaci cząstek paliwa stałego, takich jak cząstki drewna, korzystnie tabletki drzewne, typowo rozdrobnione tabletki drzewne o średnicy do 4 mm.

Korzystnie w celu doprowadzania stosunkowo małej ilości paliwa do komory spalania, steruje się ilością gazu do spalania tak, żeby w komorze spalania przeważał stan nadstechiometryczny, kiedy zwiększa się ilość paliwa, zwiększa się ilość gazu do spalania poprzez zwiększanie prędkości, z jaką doprowadza się go do komory spalania, utrzymując w ten sposób stan nadstechiometryczny, przechodzi się do stanu podstechiometrycznego poprzez zmniejszanie względnej ilości gazu do spalania, poprzez zmniejszanie prędkości gazu do spalania, przed osiągnięciem przez prędkość gazu wspomnianej górnej prędkości granicznej gazu lub kiedy ilość paliwa jest taka, żeby można było uzyskać stan podstechiometryczny spełniający kryteria temperaturowe w komorze spalania na poziomie 700°C-1300°C, korzystnie 900°C-1100°C i prędkość gazu równą lub większą niż wspomniana dolna prędkość graniczna gazu.

Korzystnie po przejściu do stanu podstechiometrycznego, w skład sposobu wchodzi ponadto zwiększanie, w wypadku dalszego zwiększania ilości paliwa, ilości gazu do spalania poprzez zwiększanie prędkości, z jaką jest on doprowadzany do komory spalania, z równoczesnym utrzymywaniem stanu podstechiometrycznego.

Korzystnie w celu doprowadzania stosunkowo dużej ilości paliwa do komory spalania, steruje się ilością gazu do spalania tak, żeby w komorze spalania przeważał stan podstechiometryczny, kiedy zmniejsza się ilość paliwa, zmniejsza się ilość gazu do spalania poprzez zmniejszanie prędkości, z jaką jest on doprowadzany do komory spalania, utrzymują c w ten sposób stan podstechiometryczny,

PL 201 808 B1 przechodzi się do stanu nadstechiometrycznego poprzez zwiększanie względnej ilości gazu do spalania, poprzez zwiększanie prędkości gazu do spalania, przed osiągnięciem przez prędkość gazu wspomnianej dolnej prędkości granicznej gazu lub kiedy ilość paliwa jest taka, żeby można było uzyskać stan nadstechiometryczny spełniający kryteria temperaturowe w komorze spalania na poziomie 700°C-1300°C, korzystnie 900°C-1100°C i prędkość gazu równą lub mniejszą niż wspomniana górna prędkość graniczna gazu.

Korzystnie po przejściu do stanu nadstechiometrycznego, w skład sposobu wchodzi ponadto zmniejszanie, w wypadku dalszego zmniejszania ilości paliwa, ilości gazu do spalania poprzez zmniejszanie prędkości, z jaką jest on doprowadzany do komory spalania, z równoczesnym utrzymywaniem stanu nadstechiometrycznego.

Korzystnie wspomniana dolna prędkość graniczna gazu jest najniższą prędkością do utrzymywania co najmniej większości cząstek paliwa w stanie cyrkulacji w komorze spalania.

Korzystnie dla palnika cyklonowego z komorą spalania mającą centralną oś symetrii biegnącą poziomo, styczna dolna prędkość graniczna gazu Vg,t w górnej części komory spalania oblicza się poprzez rozwiązywanie następującego równania różniczkowego:

CdApPg

[Vg,t -Vp,t]² μ™,

V_p ²,t g ^coA) + -RR^{- m}Pg^sin M=^m„^Vf

5V.

P,t

P P,t δS spełniającego warunki graniczne V_p,_t = -^gR dla o = 180°. gdzie e = współczynnik tarcia

Cd = współczynnik oporu

Ap = pole powierzchni przekroju poprzecznego cząstki paliwa ńg = gęstość gazu do spalania o = kąt do pionu, tj. 180° w górnej części komory spalania

Vg,t = prędkość styczna gazu

Vp,t = prędkość styczna cząstki mp = masa cząstki g = stała grawitacyjna

R = promień komory spalania palnika cyklonowego

S = odległość, jaką przebywa cząstka wzdłuż obwodu.

Korzystnie dla palnika cyklonowego z komorą spalania mającą centralną oś symetrii biegnącą pionowo, styczną dolną prędkość graniczną gazu Vg,t oblicza się poprzez rozwiązywanie następującego równania:

Vg,t= „ tan(a) μ gR-A + μ tan(α)+1 ⁴ dp^ρ ^{3 P} PgCd i \ tan(a) μ . , _λ g^cos(a)+g —w ^sin α) μ tana) +1 gdzie

Vg,t = prędkość styczna gazu g = stała grawitacyjna

R = promień komory spalania palnika cyklonowego ά = kąt do poziomu e = współczynnik tarcia dp = średnica cząstki paliwa ńp = gęstość cząstki paliwa ńg = gęstość gazu do spalania

Cd = współczynnik oporu

PL 201 808 B1

Korzystnie górna prędkość graniczna gazu jest najwyższą prędkością dopuszczalną dla zapobiegania wypływaniu dużej ilości niespalonych cząstek paliwa z komory spalania, przy czym wspomniana prędkość wynosi 20-50 m/s, korzystnie 25-40 m/s, taka jak rzędu 30 m/s.

Reasumując wynalazek bazuje na poglądzie, że przechodząc ze stanu podstechiometrycznego do stanu nadstechiometrycznego w jednej i tej samej strefie komory spalania w bezżużlowym palniku cyklonowym możliwe jest uzyskanie lepszej regulacji i większego stosunku ograniczenia niż obecnie.

Powszechnie, pożądane jest utrzymywanie temperatury w komorze spalania palnika cyklonowego w ograniczonym przedziale temperatur. Im niższa temperatura w komorze spalania, tym wolniejsze natężenie spalania cząstek węgla (pozostałości po pirolizie), a tym samym również gromadzenie się węgla wewnątrz palnika skutkujące możliwą mniejszą wydajnością wylotową z palnika cyklonowego. Korzystnie, dolna wartość graniczna przedziału temperatur wynosi co najmniej 700°C, a bardziej korzystnie 900°C. Jednakże w pewnych warunkach, takich jak w wypadku specyficznego materiału palnego, wartość graniczna może być nawet mniejsza, taka jak 600°C. Górna wartość graniczna przedziału temperatur zależy, między innymi, od topienia i przywierania spalonego paliwa. Korzystnie, górna wartość graniczna przedziału temperatur wynosi co najwyżej 1300°C, a korzystnie 1100°C. Jednakże w pewnych warunkach, takich jak w wypadku specyficznego materiału palnego, wartość graniczna może być nawet wyższa, taka jak 1400°C. Oznacza to, że ilość gazu do spalania powinna być sterowana w odniesieniu do ilości paliwa znajdującego się w komorze spalania w celu utrzymywania temperatury w pożądanym przedziale. Innymi słowy, zgodnie z co najmniej jednym przykładem wykonania wynalazku, jeden z dwóch warunków stechiometrycznych: stan podstechiometryczny i stan nadstechiometryczny, jest utrzymywany poprzez sterowanie ilością doprowadzanego tlenu do ilości doprowadzanego paliwa.

Zatem, jeżeli obciążenie, tj. ilość paliwa doprowadzanego do komory spalania zmniejsza się, wtedy może również zmniejszyć się natężenie przepływu gazów do spalania, w celu utrzymania tego samego stanu stechiometrycznego. Dlatego najniższe możliwe natężenie przepływu gazu lub prędkości gazu umożliwiające utrzymanie cząstek paliwa w stanie cyrkulacji powoduje zazwyczaj ustalenie dolnej wartości granicznej obciążenia. Jeżeli palnik cyklonowy pracuje w warunkach podstechiometrycznych, to możliwe jest zmniejszenie obciążenia nie tylko do dolnej wartości granicznej, dla której natężenie przepływu gazu będzie na granicy niewystarczalności dla ruchu cyrkulacyjnego, ale również do jeszcze mniejszego obciążenia poprzez przejście do stanu nadstechiometrycznego przy wspomnianej wartości granicznej obciążenia. Oznacza to gwałtowne dostarczenie nadmiaru gazu do spalania, co umożliwia znaczne zmniejszenie obciążenia. Istnieje możliwość utrzymania pożądanego przedziału temperatur zarówno w stanie podstechiometrycznym jak i nadstechiometrycznym.

Jak już wspomniano, działanie palnika cyklonowego jest ograniczone przez a) minimalną lub niższą ograniczającą prędkość gazu zapewniającą cyrkulację cząstek paliwa, oraz b) maksymalną lub górną ograniczającą prędkość gazu ustaloną przez wartość graniczną tam, gdzie wypływ niespalonych cząstek staje się za wysoki. Dla danego pieca cyklonowego i danego paliwa możliwe jest wybranie albo pracy w warunkach nadstechiometrycznych przy stosunkowo niskim obciążeniu maksymalnym, albo praca w warunkach podstechiometrycznych przy stosunkowo wysokim obciążeniu minimalnym. Łącząc ze sobą tryby działania można zwiększyć stosunek ograniczenia.

Według jednego z aspektów wynalazku, zapewniono sposób sterowania procesem spalania w palniku cyklonowym. Wedł ug tego sposobu, doprowadza się paliwo do cylindrycznej komory spalania palnika cyklonowego oraz wprowadza się zawierający tlen gaz do spalania, taki jak powietrze, ze styczną składową prędkości do wspomnianej komory spalania tak, żeby zapewnić co najmniej częściową cyrkulację paliwa wzdłuż ściany komory, dla paliwa, które ma być zgazowane lub spalone. Dla wspomnianego gazu do spalania określa się dolną graniczną prędkość gazu i górną graniczną prędkość gazu. Prędkość gazu do spalania jest utrzymywana pomiędzy wspomnianymi granicznymi wartościami prędkości gazu. W komorze spalania utrzymuje się stan podstechiometryczny lub nadstechiometryczny poprzez sterowanie ilością doprowadzanego tlenu do ilości doprowadzanego paliwa. W skł ad tego sposobu wchodzi ponadto przechodzenie z jednego ze wspomnianych stanów stechiometrycznych do drugiego z równoczesnym zapobieganiem uzyskiwaniu przez gaz do spalania prędkości wykraczającej poza przedział wyznaczony przez dolną graniczną prędkość gazu i górną graniczną prędkość gazu.

Oznacza to, że bez względu na kierunek przechodzenia, tj. ze stanu podstechiometrycznego do stanu nadstechiometrycznego, lub na odwrót, prędkość gazu do spalania nie będzie mniejsza niż dolna prędkość graniczna gazu i nie większa niż górna graniczna prędkość gazu. Odnosi się to zarówno

PL 201 808 B1 do sytuacji przed jak i po przejściu z jednego stanu stechiometrycznego do drugiego, a także do sytuacji w trakcie rzeczywistego przechodzenia z jednego stanu do drugiego.

Dla danej temperatury w komorze spalania, wspomniana temperatura wyznacza, łącznie ze wspomnianymi prędkościami granicznymi gazu, możliwy obszar przejściowy, tj. przedział obciążeń paliwem, dla którego możliwe jest przejście lub przemiana z jednego spośród stanów stechiometrycznych do drugiego według zasad z co najmniej jednego przykładu wykonania wynalazku. Minimalne obciążenie paliwem i maksymalne obciążenie paliwem dla wspomnianego przedziału zależy od temperatury.

Stwierdzono, że mieszając zawracane spaliny z zawierającym tlen gazem do spalania przed doprowadzeniem gazu do spalania do komory spalania, rozszerza się możliwy obszar przejściowy. Innymi słowy, dla każdej danej temperatury dodanie zawracanych spalin do zawierającego tlen gazu do spalania powoduje obniżenie minimalnego obciążenia paliwem w odniesieniu do sytuacji, w której nie dodaje się zawracanych spalin.

Dodanie zawracanych spalin wpływa zarówno na stan podstechiometryczny jak i nadstechiometryczny. Stosunek ograniczenia w stanach podstechiometrycznych można dalej powiększyć, jeżeli wymiesza się zawrócone gazy spalinowe z gazem do spalania przed doprowadzeniem gazu do spalania do komory spalania. Efekt jest dwojaki. Po pierwsze zawrócone spaliny zwiększają przepływ gazu bez zwiększania ilości ciepła uwalnianego z paliwa. Stosunek stechiometryczny zależy od ilości gazu zawierającego tlen. Ponieważ część tego gazu zawierającego tlen można zastąpić spalinami w zasadzie niezawierają cymi tlenu (albo zawierają cymi bardzo mał o tlenu) stan podstechiometryczny można uzyskać dla nawet mniejszego obciążenia niż w wypadku, kiedy nie zawraca się spalin, nie pogarszając efektu cyrkulacji. Zatem minimalną wartość graniczną natężenia przepływu gazu osiąga się przy niższym obciążeniu. Po drugie zawrócone spaliny służą jako balast. Zatem potrzebny jest dodatkowy gaz zawierający tlen, taki jak powietrze do spalania, w celu uwolnienia więcej ciepła z paliwa, a tym utrzymywania temperatury, i, innymi słowy, przesunięcia stosunku stechiometrycznego nieco bliżej 1. Oznacza to, że minimalna wartość graniczna jest osiągana przy jeszcze mniejszym obciążeniu.

W stanach nadstechiometrycznych dodatkowe spaliny częściowo zastę pują nadmiar powietrza do spalania. Gazy spalinowe działają jak balast, co oznacza, że jedna i ta sama ilość paliwa ogrzewa większą masę, umożliwiając w ten sposób użycie mniejszej ilości powietrza do spalania do chłodzenia. W wypadku pozostawania całkowitej ilości przepływu gazu na tym samym poziomie, korzyść polega na tym, że zmniejsza się stężenie tlenu. Zatem powstaje mniej tlenku azotu.

Głównym efektem stosowania zawracanych spalin jest zwiększenie rozpiętości obciążeń, dla jakiej możliwe jest działanie w stanach podstechiometrycznych.

Ewentualną alternatywą dla zawracanych spalin umożliwiającą uzyskanie podobnego wyniku, tj. rozszerzenia możliwego obszaru przejściowego, jest mieszanie gazów do spalania z jakimś gazem obojętnym albo gazem zawierającym mniejsze stężenie procentowe tlenu.

Co prawda możliwe jest zmienianie ilości gazu do spalania (takiego jak powietrze) w celu sterowania temperaturą w komorze spalania, ale alternatywą jest używanie zawracanych spalin (albo obojętnego lub gazu zawierającego mniej tlenu) w celu sterowania temperaturą w komorze spalania. Stanowi to zaletę, kiedy pożądane jest utrzymywanie zadanego stosunku stechiometrycznego, gdzie temperaturą steruje się zmieniając ilość zawracanego gazu dodawanego do gazu do spalania. Prędkość gazu jest utrzymywana w zadanych granicach.

Według co najmniej jednego przykładu wykonania wynalazku, stanami stechiometrycznymi steruje się bez mieszania jakiejś dodatkowej ilości gazu obojętnego lub zawracanych spalin z gazem do spalania. W tym wypadku możliwe jest utrzymywanie w przybliżeniu stałego stosunku stechiometrycznego pomiędzy tlenem a paliwem nierównego 1, tj. w jednym z dwóch stanów: podstechiometrycznym i nadstechiometrycznym, poprzez sterowanie iloś cią gazu doprowadzanego do spalania, w zależ noś ci od ilości doprowadzanego paliwa. Jeden w zasadzie stały stosunek stechiometryczny jest utrzymywany przed czynnością przejścia z jednego stanu stechiometrycznego do drugiego, a drugi stosunek jest utrzymywany po czynności przejścia z jednego stanu stechiometrycznego do drugiego. Zatem, jeżeli istnieje stosunkowo małe obciążenie, tj. do komory spalania jest doprowadzana mała ilość paliwa, to istnieje możliwość utrzymywania w przybliżeniu stałego stosunku nadstechiometrycznego do chwili przejścia do, w przybliżeniu, stałego stosunku podstechiometrycznego, przy czym ten stan przejścia zależy, między innymi, od wielkości obciążenia. Termin „w przybliżeniu stały stosunek stechiometryczny należy rozumieć jako umożliwiający takie zmiany stosunku stechiometrycznego, które zaPL 201 808 B1 pewniają temperaturę w pewnym pożądanym przedziale temperatur. Na przykład, głównie w celach ilustracyjnych, odwołano się do fig. 1, na której dla przedziału temperatur 1200°C-1300°C stosunek podstechiometryczny powinien wynosić około 0,4-0,45, a stosunek nadstechiometryczny powinien wynosić około 1,8-2. Zatem, przed i po czasie przejścia, ale nie podczas przechodzenia, kiedy obciążenie zwiększa się lub zmniejsza, ilość gazu do spalania zwiększa się i zmniejsza, odpowiednio tak, żeby utrzymać w przybliżeniu stały stosunek stechiometryczny.

Istnieją różne możliwości sterowania ilością gazów do spalania doprowadzaną do komory spalania. Czynnikiem ograniczającym jest dolna prędkość graniczna gazu i górna prędkość graniczna gazu w komorze spalania. Prędkość gazu do spalania doprowadzanego z wlotu gazu do spalania, będzie w przybliżeniu utrzymywana podczas wpływania gazu i jego stycznego płynięcia w komorze spalania, tj. Straty mogą być uważane za pomijalnie małe. Mając to na uwadze prostoliniowa konstrukcja przednia ma zapewnić wlot gazu do spalania o stałym polu powierzchni przekroju poprzecznego. Zwiększając lub zmniejszając ilość gazu do spalania wpływającego do komory spalania, steruje się prędkością gazu. Alternatywnie można wybrać dostarczanie gazu do spalania tak, żeby uzyskać stałą prędkość (na poziomie pomiędzy granicznymi prędkościami gazu) i zamiast tego zmieniać pole powierzchni otworu wlotowego. Duże pole powierzchni otworu stosuje się, kiedy pożądane jest duże natężenie przepływu, tj. duża ilość gazu, natomiast małe pole powierzchni otworu stosuje się, kiedy pożądana jest mała ilość gazu. Pożądana ilość gazu zależy od ilości paliwa, jak już opisano wcześniej. Jeszcze jednym alternatywnym sposobem sterowania jest zmienianie zarówno pola powierzchni przekroju poprzecznego wlotu jak i prędkości stosowanego gazu do spalania. Zatem we wszystkich trzech przypadkach steruje się natężeniem przepływu gazu, tj. objętością na jednostkę czasu.

W rurociągu zasilającym w gaz moż na usytuować prędkoś ciomierz lub przepływomierz do pomiaru i obliczania prędkości gazu do spalania. Odpowiednio, można zastosować urządzenia pomiarowe, takie jak prędkościomierz lub przepływomierz, do obliczania ilości paliwa doprowadzanego do komory spalania. Takie pomiary i obliczenia odpowiednio służą jako podstawa do decydowania o czasie przejścia z jednego stanu stechiometrycznego do innego.

Opisany sposób realizacji procesu spalania w palniku cyklonowym można stosować do paliwa stałego, ciekłego lub gazowego. Stwierdzono, że nadaje się on zwłaszcza do paliw stałych. Paliwem stałym jest oczywiście pewien rodzaj biopaliwa. Paliwo stałe może być w postaci cząstek, takich jak cząstki drewna, korzystnie tabletki drzewne, typowo pokruszone tabletki drzewne o średnicy do 4 mm.

W wypadku uż ywania cząstek paliwa stałego, najniższa prędkość do utrzymywania co najmniej większości cząstek paliwa w stanie krążenia w komorze spalania jest ustalana jako wspomniana dolna graniczna wartość graniczna gazu. Dolną graniczną prędkość graniczną gazu można również ustalić na bazie największych wymiarów cząstek paliwa albo na jakiejś innej zasadzie. Na przykład, pewien typ cząstek paliwa, który wpływa do komory spalania, będzie szybko uwalniał swoją materię lotną, zmniejszając w ten sposób gęstość cząstek. W takich wypadkach może okazać się z tego względu odpowiednie oparcie minimalnej lub dolnej stycznej prędkości gazu na gęstości cząstek uzyskanych po skasowaniu lotności. Dla cząstek drewna gęstość ta wynosi typowo na poziomie 250 kg/m³, około czwartą część gęstości cząstek przed wpłynięciem do komory spalania.

Dla „leżącego palnika cyklonowego, tj. zaopatrzonego w komorę spalania z centralną osią symetrii biegnącą poziomo, dolna graniczna prędkość gazu jest, korzystnie, ustalana tak, żeby były spełnione pewne kryteria u góry komory spalania.

Dla komory spalania palnika cyklonowego z poziomą osią symetrii i kołowym przekrojem poprzecznym w płaszczyźnie pionowej, gaz krążący w komorze spalania może być uważany jako nierozprężający się, i dlatego jego styczna prędkość obwodowa jest równa prędkości wlotowej gazu.

Na cząstki paliwa działa pięć sił, a mianowicie:

Siła grawitacji F_g = - m_p g

Vp²,t

Siła odśrodkowa F = m — ^{c p} _R

Siła tarcia ^Ff = ~μ™ρ^αΝ

PL 201 808 B1

Opór styczny ^Fd,t = CdApPg

[Vg,r -Vp,t]²

Opór promieniowy ^Fdr = CdApPg

[Vg,r-Vp,t]² gdzie mp = masa cząstki g = stała grawitacyjna

R = promień komory spalania palnika cyklonowego

Vg,t = prędkość styczna gazu

Vg,r = prędkość promieniowa gazu

Vp,t = prędkość styczna cząstki

Vp,r = prędkość promieniowa cząstki e = współczynnik tarcia aN = przyspieszenie w kierunku normalnym

Cd = współczynnik oporu

Ap = pole powierzchni przekroju poprzecznego cząstki paliwa ń = gęstość gazu do spalania

Dolna graniczna prędkość gazu wynika, korzystnie, z sytuacji, w której zapobiega się spadnięciu cząstki znajdującej się w najwyższym położeniu (na górze) na dół. Jest to taka sytuacja, w której siła grawitacji i promieniowa siła oporu są zrównane z siłą odśrodkową, co skutkuje zerowym tarciem. Graniczna prędkość styczna cząstki będzie wynosić:

Vp,t= g + Cd~ P..

mp 2

[Vg r -Vp,t]²

	-
.Ί	>3 1-

g+

Cd Pg d p Pp ^Vg,r ^-Vp,r g,r p,r

Opór promieniowy można założyć jako pomijalnie mały, a graniczna prędkość styczna cząstki (Vp,t) jest wyrażana jako:

Jednakże styczna prędkość gazu wewnątrz komory spalania musi być większa niż graniczna prędkość cząstki. Dolną graniczną wartość prędkości gazu można znaleźć rozwiązując następujące równanie różniczkowe, a zatem wyznaczając prędkość gazu zabezpieczając pożądaną prędkość cząstki na górze palnika cyklonowego.

Fd,t + Ff + Fg = mp p,t

Ót

ÓV_vt = m V —— ^{p p,t} ÓS

Zatem:

CdApPg

[Vg t -Vp t]²

-μη, _V2 g ^cosO+-R^{- m}pg ^sin O= ^mpV.

ÓV,

ÓS

Tutaj φ jest kątem względem pionu, tj. 180° na górze komory spalania, a S jest odległością przebytą przez cząstkę wzdłuż obwodu.

Rozwiązując względem prędkości stycznej gazu Vg,t zadając pożądaną prędkość cząstki u góry Vp,t = -JgR , znajduje się, że (V_gt) zwiększa promień komory spalania palnika cyklonowego i zwiększa średnicę cząstki.

W wypadku „stojącego palnika cyklonowego, tj. przy komorze spalania z centralną osią symetrii biegnącą pionowo i kołowym przekrojem poprzecznym w płaszczyźnie poziomej, siły działające na

PL 201 808 B1 cząstkę są podobne jak dla cyklonu „leżącego z dodatkiem pionowej siły oporu. Jednakże, dla uproszczenia, zarówno promieniowe jak i pionowe siły uważa się za pomijalnie małe. Przyjmując takie założenie, styczna dolna prędkość graniczna gazu Vg,t jest obliczana poprzez rozwiązanie następującego równania (które zostanie dalej omówione w powiązaniu z fig. 11):

Vg,t= _gR ^(α)-μ + μ tan(α)+1 ⁴ d_p — ^pCd ι \ tan(a)-μ . ι \ g^cos(a)+g —^sinα) μ tana) 1 gdzie

Vg,t = prędkość styczna gazu g = stała grawitacyjna

R = promień komory spalania palnika cyklonowego ά = kąt do poziomu e = współczynnik tarcia dp = średnica cząstki paliwa ńp = gęstość cząstki paliwa ńg = gęstość gazu do spalania Cd = współczynnik oporu

Alternatywnie, dolna graniczna prędkość gazu może być wyznaczona empirycznie, tj. przeprowadzając badania konkretnego palnika cyklonowego opalanego specyficznym paliwem. Sposób według wynalazku można zastosować bez względu na sposób wyznaczenia dolnej prędkości granicznej gazu.

Korzystnie, górna wartość graniczna prędkości gazu jest ustalana na poziomie największej prędkości dopuszczalnej dla minimalizowania ilości nieopalonych cząstek paliwa wypływających z komory spalania, przy czym wspomniana prędkość wynosi 20-50 m/s, korzystnie 25-40 m/s, na przykład rzędu 30 m/s. Inną definicją górnej granicznej prędkości gazu jest 3-6 razy dolna graniczna prędkość gazu, typowo 4 razy.

Można oczekiwać, że skuteczność oddzielania, tj. tendencja cząstek do przemieszczania się wzdłuż ściany komory spalania, mogłaby zwiększyć się do nieskończoności, ponieważ rośnie styczna prędkość gazu. Jednakże w praktyce, przemieszczanie się cząstek ku centralnej osi komory spalania zaczyna być dość zauważalna przy pewnej prędkości ze względu na zwiększoną turbulencję i zrywanie wiru wewnątrz cylindrycznej komory spalania w palniku cyklonowym. Chociaż nie jest proste obliczenie górnej prędkości granicznej gazu, to rozumie się samo przez się z doświadczenia, że typowa wartość wynosi około 30 m/s.

Innym aspektem ograniczania możliwej górnej prędkości gazu jest stężenie objętościowe nieopalonych cząstek paliwa wewnątrz komory spalania. Istnieje czas spalenia węgla (pozostałego po skasowaniu lotności paliwa), który jest ograniczony. Dla danej temperatury ilość nieopalonego węgla wewnątrz komory spalania palnika cyklonowego jest proporcjonalna do obciążenia, a tym samym również stycznej prędkości gazu. Przy pewnym obciążeniu stężenie niespalonych cząstek paliwa stanie się tak duże, iż ponowne ich porywanie będzie dość zauważalne. W stanach nadstechiometrycznych prawdopodobne jest, że czynnikiem ograniczającym jest ponowne porywanie cząstek z powodu wysokiej prędkości stycznej. Podczas pracy w stanie podstechiometrycznym bardziej prawdopodobne jest porywanie wskutek dławienia przez cząstki paliwa.

Procedura wyznaczania górnej granicznej prędkości gazu może się zmieniać, np. w wyniku prowadzenia badań dla konkretnego palnika cyklonowego opalanego specyficznym paliwem. Sposób według wynalazku może być stosowany bez względu na sposób wyznaczania górnej lub dolnej prędkości granicznej gazu. Mają one funkcję ograniczania wartości. Na przykład, według co najmniej jednego przykładu wykonania wynalazku, czynność przechodzenia z jednego spośród dwóch stanów stechiometrycznych do drugiego, jest wykonywana tuż przed dojściem gazu do jednej ze wspomnianych prędkości granicznych gazu. Według co najmniej jednego z innych przykładów wykonania wynalazku, wspomniane przejście do innego spośród wspomnianych dwóch stanów jest realizowane kiedy ilość doprowadzanego paliwa w aktualnym stanie stechiometrycznym, mogłoby wymagać, w innym stanie stechiometrycznym, takiej ilości gazu do spalania, która odpowiada prędkości przepływu gazu, która znajduje się w przedziale granicznych prędkości gazu.

PL 201 808 B1

Jak wspomniano powyżej, sposób według wynalazku zapewnia stosunek ograniczenia dla palników cyklonowych, który jest znacznie większy niż byłoby to możliwe do uzyskania w dzisiejszym stanie techniki. Pomimo, że pożądane byłoby utrzymywanie temperatury w pewnym przedziale, zarówno w stanie podstechiometrycznym jak i nadstechiometrycznym, wspomniany przedział może być obecnie dość użyteczny do dalszego zwiększania stosunku ograniczenia. Pomimo, że wewnątrz palnika cyklonowego można zalecać przedział temperatury pomiędzy 900°C-1100°C, to przedział ten można rozszerzyć do 700°C-1300°C, a nawet jeszcze bardziej. Na przykład, jeżeli ktoś może dopuścić w stanach podstechiometrycznych temperaturę wyższą niż normalna, na przykład, możliwie bliską lub prawie równą 1300°C, potrzebne jest więcej tlenu niż zwykle w celu podwyższenia temperatury dla tej samej wielkości obciążenia. Ponieważ dopuszcza się wprowadzanie do palnika cyklonowego więcej gazu zawierającego tlen w stosunku do wielkości obciążenia, oznacza to, że stosunek stechiometryczny jest bliższy 1, w wyniku czego dolne obciążenie minimalne jest dopuszczalne, przy równoczesnym wprowadzaniu wystarczającej ilości gazu do trzymania cząstek w stanie cyrkulacji. Podobnie, w stanach nadstechiometrycznych może być dopuszczalna stosunkowo niższa temperatura, tj. więcej tlenu w stosunku do obciążenia. Prowadzi to również do możliwie niskiego obciążenia minimalnego.

Nawet, jeżeli jest możliwe stosowanie zmiennych temperatur, to w wielu wypadkach może być pożądane utrzymywanie możliwie równej temperatury. Może to zwłaszcza odnosić się do rzeczywistego czasu przechodzenia ze stosunku podstechiometrycznego do nadstechiometrycznego i na odwrót. Dlatego, korzystnie, takie przejście jest realizowane szybko tak, żeby w miarę możliwości utrzymać taki sam poziom temperatur. Można to osiągnąć za pomocą układu regulacji, np. składającego się z komputera, przepł ywomierzy do paliwa i gazu do spalania oraz zaworów. Uk ł ad ten moż na zaprogramować w następujący sposób. Podczas pracy w stanie nadstechiometrycznym pojawia się warunek, że zmniejszająca się ilość wlotowego gazu do spalania prowadzi do wzrostu temperatury. Zadaje się również minimalny dopuszczalny stosunek stechiometryczny, powyżej 1,0. W stanach podstechiometrycznych wspomniany warunek jest zmieniany do sytuacji, kiedy zwiększona ilość wlotowych gazów do spalania skutkuje zwiększeniem temperatury, a minimalny stosunek stechiometryczny jest zastępowany maksymalnym, który jest poniżej 1,0. W punkcie przechodzenia do działania w stanie podstechiometrycznym, układ regulacji uzyskuje chwilowo nowe warunki, co oznacza, że przejście uzyskuje się z szybkością, z jaką zawór/zawory może/mogą zmienić położenie. Powrotna zmiana stanu oraz wartość graniczna są stosowane podczas przechodzenia ze stanu podstechiometrycznego do stanu nadstechiometrycznego.

Z powyższego opisu jest jasne, że sposób według co najmniej jednego przykładu wykonania wynalazku umożliwia zmianę pomiędzy gazyfikacją (tj. stanem podstechiometrycznym) przy wyższych obciążeniach i spalaniem przy niższych obciążeniach. Wynalazek umożliwia realizację tego podczas pracy palnika cyklonowego, a nie tylko podczas jego rozruchu. Ponadto, w odróżnieniu od znanych dotychczas palników, które mogą równocześnie pracować w stanach podstechiometrycznych w jednej strefie i w stanach nadstechiometrycznych w innej strefie, obecny sposób umożliwia używanie jednej i tej samej strefy palnika cyklonowego do przechodzenia pomię dzy dwoma ró ż nymi stanami stechiometrycznymi.

Powinno być również jasne, że koncepcja według wynalazku umożliwia zwiększenie stosunku ograniczenia (związek pomiędzy największym i najmniejszym możliwym obciążeniem, jakie może być zrealizowane w palniku cyklonowym). Może to być użyteczne, na przykład, kiedy pożądane jest zmienianie parametrów wylotowych do pieca połączonego z palnikiem cyklonowym, na ogół w okręgowych instalacjach grzejnych (do 30-50 MW) lub nawet w bojlerach domowych (dwa 100 kilowatów). Temperatura w palniku może być trzymana stosunkowo na poziomie stałym w trakcie działania, jednakże ilość paliwa, a tym samym wydajność na wylocie, może być zmieniana, np. w zależności od pracy w dzień czy w nocy. Zwię kszony stosunek ograniczenia palnika cyklonowego umoż liwia zmienianie pomiędzy zapotrzebowaniem na większą lub mniejszą wydajność. W znanych dotychczas palnikach czasami może być konieczne przerwanie pracy palnika ze względu na niemożliwość uzyskania wystarczająco małej wydajności, a tym samym konieczne jest ponowne uruchomienie palnika w razie konieczności ponownego większego zapotrzebowania. Jednakże obecna koncepcja, według wynalazku, zapewnia większy możliwy zakres regulacji.

Przedmiot zgłoszenia jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ilustrujący zależność pomiędzy stosunkiem stechiometrycznym a temperaturą adiabatyczną, kiedy jako paliwo są używane tabletki drzewne; fig. 2 - schemat ilustrujący teoretyczną minimalną prędkość cząstki na górze komory spalania w funkcji średnicy komory spalania; fig. 3 PL 201 808 B1 schemat ilustrujący obliczeniową dolną prędkość graniczną w funkcji średnicy cząstki i średnicy komory spalania; fig. 4 - inny schemat ilustrujący obliczeniową dolną prędkość graniczną gazu w funkcji średnicy cząstki i średnicy komory spalania; fig. 5 - schemat ilustrujący stosunek ograniczenia w zależności od stosunku stechiometrycznego i względnego przepływu gazu; fig. 6 - inny schemat ilustrujący stosunek ograniczenia; fig. 7 - schemat ilustrujący stosunek ograniczenia w wypadku dodawania do gazu do spalania zawróconych gazów spalinowych; fig. 8 - inny schemat ilustrujący stosunek ograniczenia w wypadku dodawania do gazu do spalania zawróconych gazów spalinowych; fig. 9 - jeszcze inny schemat ilustrujący stosunek ograniczenia w wypadku dodawania do gazu do spalania zawróconych gazów spalinowych; fig. 10 - kolejny schemat ilustrujący stosunek ograniczenia w wypadku dodawania do gazu do spalania zawróconych gazów spalinowych; fig. 11 - siły działające na cząstkę w stoją cym palniku cyklonowym.

Na fig. 1 pokazano schemat ilustrujący zależność pomiędzy stosunkiem stechiometrycznym a temperaturą adiabatyczną, kiedy jako paliwo są używane tabletki drzewne. Tabletki drzewne mogą mieć niższą wartość opałową (albo ciepło spalania netto) rzędu 18,2 MJ/kg. Na schemacie pokazano, że najwyższą temperaturę uzyskuje się dla stosunku stechiometrycznego około 0,95. Jeżeli dostarcza się więcej tlenu w stosunku do zapotrzebowania do całkowitego spalenia paliwa, tj. występuje stan nadstechiometryczny, to temperatura staje się niższa. Na przykład, stosunek stechiometryczny rzędu 2,0 skutkuje temperaturą adiabatyczną 1200°C. Podobnie, jeżeli dostarcza się mniej tlenu tak, że uzyskuje się stan bardziej podstechiometryczny, temperatura również staje się niższa. Na przykład, stosunek stechiometryczny 0,5 skutkowałby temperaturą około 1400°C. Jak już opisano, w celu uzyskania zadowalającej zdolności do działania, może okazać się pożądane utrzymywanie temperatury w pewnym przedziale. Zatem, dla tego konkretnego paliwa, gdyby po żądane był o dział anie w przedziale temperatur 1100°C-1300°C, stosunki pod- i nadstechiometryczne byłyby utrzymywane w przybliżeniu na poziomie, odpowiednio, 0,37-0,45 i 1,8-2,25.

Na fig. 2 pokazano schemat ilustrujący teoretyczną minimalną prędkość cząstki w górnej części komory spalania w leżącym palniku cyklonowym w funkcji średnicy komory spalania. Jak już opisano wcześniej, dolne graniczne natężenie przepływu gazu jest ustalane na podstawie sytuacji, w której zapobiega się opadaniu w dół cząstki w najwyższym położeniu (u góry) w komorze spalania. Jeżeli zakłada się, że opór promieniowy jest pomijalny, to styczna prędkość cząstki (Vp,t) wynosi Vp,t = JgR . Pokazano to na fig. 2. Na przykład, w wypadku komory spalania o średnicy około 0,3 m, 0,6 m lub 1,2 m można uzyskać minimalną prędkość cząstki u góry około, odpowiednio, 1,2 m/s, 1,7 m/s i 2,4 m/s.

Na fig. 3 pokazano schemat ilustrujący obliczeniową dolną prędkość graniczną gazu w funkcji średnicy cząstki i średnicy komory spalania w leżącym palniku cyklonowym. Styczna prędkość gazu (Vg,t) musi być wyższa niż minimalna prędkość cząstki (Vp,t). Jak już opisano wcześniej, styczna prędkość gazu (V_g,t) powinna być tak duża, żeby prędkość cząstki w górnym położeniu (φ = 180°) w komorze spalania palnika cyklonowego była większa niż obliczeniowa minimalna prędkość cząstki (Vp,t). Używając tych danych jako warunku granicznego otrzymuje się prędkość gazu z następującego równania różniczkowego:

CdApPg

[Vg,t -Vp,t]² μη_ν g cos (φ)

Vp²,t p,t

R ^mpg^{sin (}φ)=^mp^Vp

Można stwierdzić, że dolna prędkość graniczna gazu (Vg,t) rośnie wraz ze wzrostem promienia komory spalania w palniku cyklonowym oraz średnicy cząstki. Pokazano to na fig. 3. Oś pozioma na schemacie odpowiada średnicy cząstki w mm, a oś pionowa odpowiada dolną prędkość graniczną gazu w m/s. Narysowano trzy krzywe, gdzie krzywa dolna jest dla średnicy komory spalania 0,3 m, krzywa środkowa jest dla średnicy komory spalania 0,6 m, a krzywa górna jest dla średnicy komory spalania 1,2 m. Do obliczeń przyjęto współczynnik tarcia 0,5, współczynnik oporu 0,44, gęstość gazu 0,28 kg/m³, i gęstość cząstki około 1000 kg/m³. Na schemacie widać, że dla średnicy cząstki, na przykład, 2,0 mm (np. rozdrobnionych tabletek drzewnych) dolna prędkość graniczna gazu wynosi około 11 do 13 m/s w zależności od wymiarów komory spalania. Dla mniejszej średnicy cząstki, na przykład, 0,5 mm (takich jak rozdrobniona tabletka) dolna prędkość graniczna gazu wynosi tak mało jak 6 do 8 m/s.

PL 201 808 B1

Kiedy cząstki paliwa wpływają do komory spalania w palniku cyklonowym, to gwałtownie uwalniają swoją lotną materię. Zatem spada również gęstość cząstek. Dlatego może być odpowiednie obliczenie dolnej prędkości granicznej gazu na podstawie gęstości cząstki po skasowaniu lotności. Dla cząstek drewna gęstość ta wynosi typowo około 250 kg/m³. Pokazano to na fig. 4. Zatem wszystkie dane są takie same jak w odniesieniu do schematu na fig. 3, z tym wyjątkiem, że gęstość cząstki, która na fig. 4 wynosi 250 kg/m³ zamiast 1000 kg/m³. Dla średnicy cząstki 0,5 mm, dolna graniczna prędkość gazu wynosi około 3 do 5 m/s, co wystarcza do uzyskania minimalnej prędkości cząstki (1,2 m/s, 1,7 m/s i 2,4 m/s) obliczone powyżej dla różnych średnic komór spalania. Jeżeli górna prędkość graniczna gazu, którą określono doświadczalnie, wynosi około 30 m/s, stosunek ograniczenia dla danej temperatury spalania i średnicy cząstki 0,5 mm, wynosiłby około 30:5, tj. 6:1. Stosunek ograniczenia można jeszcze bardziej rozszerzyć jeżeli dopuści się również do zmiany temperatury spalania w funkcji obciążenia.

Na fig. 5 zilustrowano stosunek ograniczenia w zależności od stosunku stechiometrycznego i względnego natężenia gazu. W tym przykładzie założono temperaturę adiabatyczną na poziomie około 1300°C w komorze spalania palnika cyklonowego. Na osi poziomej przedstawiono względny współczynnik obciążenia palnika cyklonowego. Na lewej osi pionowej pokazano stosunek stechiometryczny wewnątrz komory spalania. Na prawej osi pionowej pokazano względne natężenie przepływu gazu wewnątrz komory spalania, tj. stosunek pomiędzy rzeczywistym natężeniem przepływu gazu a minimalnym natężeniem przepł ywu gazu, albo w wię kszoś ci wypadków stosunek pomiędzy rzeczywistą prędkością gazu a dolną prędkością graniczną gazu.

Patrząc na lewą część schematu, kiedy stosunkowo mała ilość paliwa, tj. małe obciążenie, jest doprowadzana do komory spalania, doprowadza się stosunkowo dużą ilość zawierającego tlen gazu do spalania, takiego jak powietrze tak, że w komorze spalania panuje stan nadstechiometryczny. Stosunek stechiometryczny jest utrzymywany na poziomie około 1,8, jak pokazano linią przerywaną L1, w celu utrzymywania temperatury na poziomie około 1300°C. W miarę wzrostu obciążenia rośnie również ilość gazu do spalania w wyniku wzrostu prędkości, z jaką jest ono doprowadzane do komory spalania, w wyniku czego utrzymuje się stan nadstechiometryczny. Pokazano to jako pochyloną lewą część krzywej L2. W tym wypadku stosunek stechiometryczny jest w zasadzie stały na poziomie 1,8. Wielkość obciążenia w warunkach nadstechiometrycznych jest wyznaczana przez dolną prędkość graniczną gazu i górną prędkość graniczną gazu, wynoszącą na ogół 4 razy dolna prędkość graniczna. Graniczne prędkości gazu wskazano na schemacie linią poziomą L4 (dolna wartość graniczna) i L5 (górna wartość graniczna). Zatem, w miarę wzrostu obciążenia od względnego współczynnika obciążenia 1 na skali poziomej, a tym samym również prędkości gazu, osiąga się w końcu górną prędkość graniczną gazu. Zdarza się to w punkcie 4 na skali poziomej. Zatem w palniku cyklonowym pracującym w stanie nadstechiometrycznym mógłby być stosunek ograniczenia 4:1.

Po dojściu do górnej granicznej prędkości gazu w stanie nadstechiometrycznym, wykonuje się czynność przeniesienia tak, żeby uzyskać stan podstechiometryczny, umożliwiając w ten sposób uzyskanie dalszego wzrostu obciążenia. Czynność przechodzenia do stanu podstechiometrycznego jest realizowana poprzez zmniejszenie prędkości gazu przed jej dojściem, albo przejściem, nad wspomnianą górną prędkością graniczną gazu, jak zobrazowano linią L5. W tym wypadku pokrywa się ona z dolną prędkością graniczną gazu przy stosunku stechiometrycznym około 0,45 (w punkcie 4 na skali poziomej) w celu utrzymania temperatury na poziomie około 1300°C. Obecnie, zamiast nadmiaru tlenu, istnieje niedobór tlenu. Stosunek podstechiometryczny około 0,45 jest utrzymywany na poziomie w przybliżeniu stałym, jak pokazano linią przerywaną L7, podczas gdy dopuszcza się dalsze zwiększanie ilości paliwa doprowadzanego do komory spalania. Ilość paliwa można zwiększyć, zwiększając tym samym również natężenie przepływu gazu, jak pokazano linią L8, do takiego obciążenia, przy którym osiągnięto górną prędkość graniczną gazu. Przedstawiono to punktem 16 na skali poziomej. Oznacza to, że jeżeli palnik cyklonowy pracowałby tylko przy tym stosunku stechiometrycznym, to można byłoby uzyskać stosunek ograniczenia 16:4, tj. 4:1. Kombinując ze sobą te dwa tryby robocze z wykorzystaniem obu stanów stechiometrycznych, uzyskuje się możliwość teoretycznego stosunku ograniczenia 16:1.

Proces ten jest odwracalny. Zatem istnieje możliwość rozpoczęcia z prawej strony krzywej na fig. 5, tj. w stanie podstechiometrycznym. W miarę zmniejszania obciążenia, a tym samym również prędkości gazu, dochodzi się w końcu do dolnej prędkości granicznej gazu. W tym miejscu przeprowadza się przejście do stanu nadstechiometrycznego poprzez zwiększenie prędkości gazu. Następnie

PL 201 808 B1 można jeszcze bardziej zmniejszyć obciążenie, do chwili zmniejszenia prędkości gazu, w celu utrzymania w zasadzie stałego stosunku nadstechiometrycznego, do dolnej prędkości granicznej gazu.

Na fig. 6 pokazano inny schemat ilustrujący stosunek ograniczenia. W tym wypadku w komorze spalania użyto to samo paliwo jak na fig. 5. Jednakże obecnie w komorze spalania jest pożądana temperatura adiabatyczna około 1100°C. Temperaturę tę uzyskuje się dla stosunku nadstechiometrycznego około 2,2, i dla stosunku podstechiometrycznego około 0,38. Jak można zobaczyć na fig. 6, wskazane strzałką skierowaną w dół, przejście ze stanu nadstechiometrycznego przy górnej prędkości granicznej gazu do stanu podstechiometrycznego doprowadziłoby do prędkości gazu poniżej dolnej prędkości granicznej gazu. Podobnie, przejście ze stanu podstechiometrycznego, mając dolną prędkość graniczną gazu, do stanu nadstechiometrycznego, mogłoby, jak wskazano strzałką zwróconą w górę, skutkować prędkością gazu daleko powyżej górnej prędkoś ci granicznej gazu. Oznacza to, że w celu utrzymania pożądanej temperatury i uzyskania zachodzenia na zakładkę, w trakcie przechodzenia z jednego stanu stechiometrycznego do drugiego, prędkość gazu przejdzie poza górne i/lub dolne prędkości graniczne gazu.

Trudność pokazana na fig. 6 jest usuwana poprzez dodanie zawróconych gazów spalinowych o niskiej zawartoś ci tlenu, albo bez tlenu, do gazu do spalania o wysokiej zawartoś ci tlenu, takiego jak powietrze.

W związku z tym, na fig. 7 pokazano schemat ilustrują cy stosunek ograniczenia w wypadku dodawania do gazu do spalania zawróconych gazów spalinowych. Jak na fig. 6, pożądana temperatura w komorze spalania wynosi 1100°C. Stałą ilość zawróconych gazów spalinowych (15% minimalnego natężenia przepływu gazu) miesza się z gazem do spalania przed jego doprowadzeniem do komory spalania. Ilość zawróconych gazów spalinowych pokazano w formie prostej poziomej kropkowej linii

L9 w dolnej części schematu. Linie odpowiadające liniom z fig. 5 oznaczono tymi samymi numerami identyfikacyjnymi.

Jak można zobaczyć na schemacie z fig. 7, minimalne obciążenie w stanach podstechiometrycznych jest obecnie dodatkowo rozszerzone po zastosowaniu zawróconych gazów spalinowych. Zawrócone gazy spalinowe zwiększają całkowite natężenie przepływu gazu bez zwiększania ilości ciepła uwalnianego z paliwa. Zatem minimalną wartość graniczną natężenia przepływu gazu, tj. dolną wartość graniczną gazu, uzyskuje się przy mniejszym obciążeniu. Ponadto zawrócone gazy spalinowe służą jako balast. Dlatego pożądane jest stosowanie dodatkowych gazów spalinowych w celu utrzymania pożądanej temperatury. To dodatkowo zwiększa całkowite natężenie przepływu gazu i umożliwia uzyskanie minimalnej wartości granicznej przy jeszcze bardziej zmniejszonym obciążeniu. Zgodnie ze schematem na fig. 7, ta wartość graniczna wynosi około 3,5 na skali poziomej, a nie około 6 jak na fig. 6.

W stanie nadstechiometrycznym dodane gazy spalinowe częściowo zastąpią nadmiar gazu do spalania. Zatem całkowity przepływ gazu pozostanie taki sam jak bez zawracania gazów spalinowych, ale stosunek stechiometryczny będzie zmieniał się pomiędzy około 1,8 a 2,1, w miarę zmian obciążenia (patrz linia przerywana L1). Korzyść polega na tym, że stężenie tlenu będzie zmniejszało się w miarę zmniejszania się obciążenia, skutkując powstawaniem mniejszej ilości tlenku azotu. Zatem na schemacie na fig. 7, oraz na schemacie na fig. 6, górna wartość graniczna obciążenia dla stanów nadstechiometrycznych jest osiągana w punkcie 4 na osi poziomej. Podczas gdy na fig. 6 nie ma zakładki, to na fig. 7 uzyskuje się zakładkę i dlatego możliwy obszar przejściowy PTR ze względu na powiększenie minimalnego obciążenia w stanach podstechiometrycznych. Ewentualny obszar przejściowy PTR jest definiowany przez dolną prędkość graniczną w stanie podstechiometrycznym, i górną prędkość graniczną w stanie nadstechiometrycznym. Zamiast posiadania „cienkiej linii L6, jak pokazano na fig. 5, w wypadku pokazanym na fig. 7 uzyskano szerszy możliwy obszar przejściowy PTR. Oznacza to, że w wypadku pokazanym na schemacie nie jest konieczne czekanie do chwili osiągnięcia granicznej prędkości gazu w celu wykonania przejścia do innego stanu stechiometrycznego. Zamiast możliwości wykonania przejścia w punkcie wcześniejszym, kiedy ilość paliwa jest taka, że nie wychodzi ona poza wartość graniczną zadaną przez inną graniczną prędkość gazu dla innego stanu stechiometrycznego. Na przykład, podczas przechodzenia ze stanu podstechiometrycznego do stanu nadstechiometrycznego, przejście to może być wykonane przy obciążeniu odpowiadającym 4 (górna wartość graniczna, stan nadstechiometryczny) na skali poziomej na fig. 7, albo później możliwie tak daleko w dół jak wielkość obciążenia odpowiadającego około 3,5 (dolna wartość graniczna, stan podstechiometryczny) na skali poziomej. Można zauważyć, że stosunek ograniczenia, według schematu na fig. 7 wynosi 18:1. Jednakże, ponieważ dany palnik cyklonowy ma maksymalną zdolność obciąża14

PL 201 808 B1 nia, tj. wartość graniczną akumulacji wynikającą z akumulacji spalania cząstek bez składników lotnych, oraz ponieważ prędkość gazu jest proporcjonalna do obciążenia, to jest dość możliwe, że obciążenie maksymalne zostanie osiągnięte zanim prędkość gazu w stanach podstechiometrycznych osiągnie górną prędkość graniczną gazu. Zatem maksymalna wydajność obciążenia lub wartość graniczna akumulacji pośrednio wyznacza graniczną wartość prędkości. Jednakże zaletą jest to, że rośnie rozpiętość (stosunek ograniczenia), w ramach którego możliwa jest praca w stanach podstechiometrycznych, co jest preferowane z ekologicznego punktu widzenia, ponieważ powstaje mniej tlenku azotu. Pokazano to ponadto na fig. 8.

Na fig. 8 widać inny schemat ilustrujący stosunek ograniczenia w wypadku dodawania do gazu do spalania zawróconych gazów spalinowych. W tym wypadku pożądana temperatura wynosi 1300°C, a schemat narysowano dla tego samego typu paliwa i w tym samym palniku cyklonowym jak na fig. 5. Jednakże na fig. 8 pokazano 15% udział zawróconych gazów spalinowych w gazie do spalania. Porównując schematy na tych dwóch figurach, jest oczywiste, że możliwy obszar przejściowy jest większy w wypadku używania zawróconych gazów spalinowych, ponieważ minimalne obciążenie w stanach podstechiometrycznych jest przesunięte dalej na lewo na schemacie z fig. 8. Chociaż zaleca się pracę w miarę możliwości w stanach nadstechiometrycznych, to zastosowanie gazów spalinowych może negatywnie oddziaływać na cały stosunek ograniczenia, jeżeli przy większych obciążeniach nie usuwa się zawróconych gazów spalinowych. Na przykład, na fig. 8 całkowity stosunek ograniczenia wynosi około 12,5:1, a nie 16:1, jak na fig. 5.

Na fig. 9 i 10 pokazano oddziaływanie wprowadzenia większej części gazów w postaci zawróconych gazów spalinowych. W tych przykładach zawrócone gazy spalinowe stanowią 45% minimalnego natężenia przepływu. Na fig. 9 pożądana temperatura wynosi 1100°C, natomiast na fig. 10 pożądana temperatura wynosi 1300°C. Można zwrócić uwagę na to, że to większe zawrócenie gazów spalinowych skutkuje większym możliwym obszarem przejściowym. Można również zauważyć, na fig. 10, że przedział roboczy przy spalaniu podstechiometrycznym jest rozszerzony prawie do względnego współczynnika obciążenia 1.

Poniżej omówiono w nawiązaniu do fig. 11 wyprowadzenie dolnej stycznej prędkości granicznej gazu dla „stojącego palnika cyklonowego, tj. mającego komorę spalania z centralną osią symetrii biegnącą pionowo i kołowym przekrojem poprzecznym w płaszczyźnie poziomej. W odpowiedni sposób, jak dla cyklonu leżącego, zadaje się graniczną prędkość gazu za pomocą spadających pionowo cząstek.

Poniżej założono, że cząstki paliwa nie przepływają przez wylot komory spalania. Ze względu na uproszczenia, przepływ gazu opisano jako poziomy przepływ wirowy (bez pionowej siły oporu) oraz uznano za pomijalny promieniowy przepływ gazu, co skutkuje równowagą sił działających na cząstkę 2 paliwa, jak pokazano na fig. 11. Cząstka 2 paliwa opiera się o ścianę 4 komory spalania. Aby zapobiec spadaniu cząstek w dół, siła grawitacji jest równoważona siłą tarcia Ff i siłę odśrodkową F_cw kierunku skośnej płaszczyzny, przy czym wspomniana płaszczyzna jest pochylona pod kątem ά do płaszczyzny poziomej H.

F_f + F_c cos (ά) = F_g sin (ά)

Siłę odśrodkową F_s i siłę grawitacyjną F_g można wyrazić w postaci:

F=m p,t

Fg = mpg gdzie mp jest masą cząstki, Vp,t jest prędkością styczną cząstki, R jest promieniem komory spalania palnika cyklonowego, a g jest stałą grawitacji. Siła tarcia Ff jest proporcjonalna do siły normalnej FN zgodnie z zależnością:

Ff = óFn

FN = Fgcos (ά) + Fc sin (ά) ^Ff =μ*ρ g cos

V²p,t (α)+ ——

R sin (α) gdzie e jest współczynnikiem tarcia lub wskaźnikiem tarcia. W rezultacie otrzymuje się następujące zależności.

Ff + Fccos (ά) = Fg sin (ά)

PL 201 808 B1

1+ μη g cos (α)+^V——— sin(ćz)

V¹ pt gR tan(a)

V ² pt gR tan(a)=μ+ _V2 gR

1-μ gR _V2 ^p~ R +m „ ^{V p}’ ‘ cos(a)=m_pg sin (α) = tan (α)

Zatem minimalna styczna prędkość cząstki będzie wynosiła:

Vp t= gR tan(a)-μ μ tan(a)+1

Z powyższego jasno wynika, że możliwe jest otrzymanie bardziej stromego pochylenia jeżeli a) promień R jest zmniejszony, b) styczna prędkość cząstki Vp,t jest zwiększona, lub c) jest zwiększony współczynnik tarcia μ.

W celu utrzymania stycznej prędkości cząstki, styczna siła tarcia Fd,t musi być zrównoważona siłą tarcia Ft. Siła tarcia jest równa we wszystkich kierunkach.

Fd r =Cd ApPg

[Vg r-Vp r]² g r p r gdzie Cd = współczynnik oporu, Ap jest polem powierzchni przekroju poprzecznego cząstki paliwa, Pg gęstością gazu do spalania a Vg,t prędkością styczną gazu.

F=P^ml

V p t g cos(a) + R sin(a)

[Vg,r -Vp,r]² = P_sA_vCd^S,\ ^prJ

Zatem minimalna styczna prędkość gazu będzie wynosiła:

V = V + g,t p,t

PgApC g cos p^d _ _(α)+ ^{V 2p,t} (α)+R sin (α)

Zastępując masę mp gęstością cząstki Pp razy objętość cząstki, gdzie dp jest średnicą cząstki i przepisując pole powierzchni Ap cząstki

Π ^dp m_p = ρ— π\ — ^{p p} 3 l 2 uzyskuje się

PL 201 808 B1

V = V + g ,t p,t ⁴ d ^{Pp μ} g cos (α)+

V²p,t sin (α) ^p PgC_d r '^z r

Zastępując wyrażenie na minimalną prędkość styczną cząstki uzyskuje się następujące równanie.

Vg,t= gR tan(a)- μ + — tan (α)+1 ^Pp μ ⁴ d_p ^{3 p} PgCd g ^cos(a)+g tan(a) - μ — tan(a)+1 sin (α)

Im większa lub cięższa cząstka, tym potrzebny jest większy promień komory spalania i większa styczna prędkość gazu. Ponadto dolna prędkość graniczna gazu zwiększa się w miarę zwiększania się kąta α i zmniejszania współczynnika tarcia.

Claims

1. Sposób sterowania procesem spalania w bezżużlowym palniku cyklonowym polegający na tym, że po jego rozruchu doprowadza się paliwo do cylindrycznej komory spalania palnika cyklonowego i gaz do spalania zawierający tlen, znamienny tym, że gaz do spalania zawierający tlen doprowadza się z prędkością styczną, przy czym określa się dolną graniczną prędkość gazu i górną graniczną prędkość gazu oraz utrzymuje się prędkości gazu do spalania pomiędzy wspomnianymi granicznymi prędkościami gazu oraz utrzymuje się jeden z dwóch stanów stechiometrycznych: stan podstechiometryczny i stan nadstechiometryczny, poprzez sterowanie ilością doprowadzanego tlenu do ilości doprowadzanego paliwa, tj. obciążenia paliwem, i przechodzi się do drugiego ze wspomnianych dwóch stanów stechiometrycznych z równoczesnym zapobieganiem uzyskiwaniu przez gaz do spalania prędkości spoza przedziału określonego przez dolną graniczną prędkość gazu i górną graniczną prędkość gazu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto utrzymuje się temperaturę w komorze spalania w przedziale temperatur 700°C-1300°C, korzystnie 900°C-1100°C, gdzie każda temperatura we wspomnianym przedziale temperatur określa razem ze wspomnianymi granicznymi prędkościami gazu odpowiednie minimalne obciążenie paliwem i odpowiednie maksymalne obciążenie paliwem w celu przejścia z jednego spośród dwóch stanów stechiometrycznych do drugiego.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że ponadto miesza się zawrócone gazy spalinowe lub inny gaz o niskiej zawartości tlenu, lub gaz obojętny, z zawierającym tlen gazem do spalania przed doprowadzeniem gazu do spalania do komory spalania zmniejszając w ten sposób wspomniane minimalne obciążenie paliwem w stanach podstechiometrycznych.

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że ponadto miesza się zawrócone gazy spalinowe, lub inny gaz o niskiej zawartości tlenu, lub gaz obojętny, z zawierającym tlen gazem do spalania przed doprowadzeniem gazu do spalania do komory spalania, zmniejszając w ten sposób, przy takim samym całkowitym natężeniu przepływu, stężenie tlenu, a tym samym powstawanie tlenków azotu w stanach nadstechiometrycznych.

5. Sposób według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że przy utrzymywaniu stanu stechiometrycznego utrzymuje się w przybliżeniu stały stosunek stechiometryczny w celu sterowania temperaturą.

6. Sposób według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że stosunek stechiometryczny utrzymuje się w określonych granicach, podczas gdy temperaturę w komorze spalania steruje się za pomocą pewnej ilości zawróconego gazu spalinowego albo innego gazu o niskiej zawartości tlenu, lub gazu obojętnego, do wymieszania z zawierającym tlen gazem spalinowym.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że paliwo doprowadza się w postaci cząstek paliwa stałego, takich jak cząstki drewna, korzystnie tabletki drzewne, typowo rozdrobnione tabletki drzewne o średnicy do 4 mm.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że w celu stosunkowo małej ilości paliwa do komory spalania, steruje się ilością gazu do spalania tak, żeby w komorze spalania przeważał stan nadstechiometryczny, kiedy zwiększa się ilość paliwa, zwiększa się ilość gazu do spalania poprzez zwiększanie prędkości, z jaką doprowadza się go do komory spalania, utrzymując w ten sposób stan nadPL 201 808 B1 stechiometryczny, przechodzi się do stanu podstechiometrycznego poprzez zmniejszanie względnej ilości gazu do spalania, poprzez zmniejszanie prędkości gazu do spalania, przed osiągnięciem przez prędkość gazu wspomnianej górnej prędkości granicznej gazu lub kiedy ilość paliwa jest taka, żeby można było uzyskać stan podstechiometryczny spełniający kryteria temperaturowe w komorze spalania na poziomie 700°C-1300°C, korzystnie 900°C-1100°C i prędkość gazu równą lub większą niż wspomniana dolna prędkość graniczna gazu.

9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że po przejściu do stanu podstechiometrycznego, w skład sposobu wchodzi ponadto zwiększanie, w wypadku dalszego zwiększania ilości paliwa, ilości gazu do spalania poprzez zwiększanie prędkości, z jaką jest on doprowadzany do komory spalania, z równoczesnym utrzymywaniem stanu podstechiometrycznego.

10. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że w celu doprowadzania stosunkowo dużej ilości paliwa do komory spalania, steruje się ilością gazu do spalania tak, że w komorze spalania przeważał stan podstechiometryczny, kiedy zmniejsza się ilość paliwa, zmniejsza się ilość gazu do spalania poprzez zmniejszanie prędkości, z jaką jest on doprowadzany do komory spalania, utrzymując w ten sposób stan podstechiometryczny, przechodzi się do stanu nadstechiometrycznego poprzez zwiększanie względnej ilości gazu do spalania, poprzez zwiększanie prędkości gazu do spalania, przed osiągnięciem przez prędkość gazu wspomnianej dolnej prędkości granicznej gazu lub kiedy ilość paliwa jest taka, żeby można było uzyskać stan nadstechiometryczny spełniający kryteria temperaturowe w komorze spalania na poziomie 700°C-1300°C, korzystnie 900°C-1100°C i prędkość gazu równą lub mniejszą niż wspomniana górna prędkość graniczna gazu.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że po przejściu do stanu nadstechiometrycznego, w skład sposobu wchodzi ponadto zmniejszanie, w wypadku dalszego zmniejszania ilości paliwa, ilości gazu do spalania poprzez zmniejszanie prędkości, z jaką jest on doprowadzany do komory spalania, z równoczesnym utrzymywaniem stanu nadstechiometrycznego.

12. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że wspomniana dolna prędkość graniczna gazu jest najniższą prędkością do utrzymywania co najmniej większości cząstek paliwa w stanie cyrkulacji w komorze spalania.

13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że dla palnika cyklonowego z komorą spalania mającą centralną oś symetrii biegnącą poziomo, styczna dolna prędkość graniczna gazu Vg,t w górnej części komory spalania oblicza się poprzez rozwiązywanie następującego równania różniczkowego:

CdApPg [Vg,t -Vp,t ]²

V_p ²,t g cos(<p) + ^RR^{- m}pg ^Sin (A ^mp^Vpt

5V, p,t δS spełniającego warunki graniczne V_pt y]gR dla φ = 180°. gdzie μ = współczynnik tarcia

Cd = współczynnik oporu

Ap = pole powierzchni przekroju poprzecznego cząstki paliwa p_g = gęstość gazu do spalania φ = kąt do pionu, tj. 180° w górnej części komory spalania

Vg,t = prędkość styczna gazu

Vp,t = prędkość styczna cząstki mp = masa cząstki g = stała grawitacyjna

R = promień komory spalania palnika cyklonowego

S = odległość, jaką przebywa cząstka wzdłuż obwodu.

14. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że dla palnika cyklonowego z komorą spalania mającą centralną os symetrii biegnącą pionowo, styczną dolną prędkość graniczną gazu Vg,t oblicza się poprzez rozwiązywanie następującego równania:

PL 201 808 B1

Vg,t= „ lania) μ gR-A + μ tan(a)+1 ⁴ dp^p μ ³ ’ PgCd i \ lania) μ . , _λ g^cos(a)+g —w ^sin (a μtan(α) +1 gdzie

Vg,t = prędkość styczna gazu g = stała grawitacyjna

R = promień komory spalania palnika cyklonowego α = kąt do poziomu μ = współczynnik tarcia dp = średnica cząstki paliwa p_p = gęstość cząstki paliwa p_g = gęstość gazu do spalania

Cd = współczynnik oporu

15. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że górna prędkość graniczna gazu jest najwyższą prędkością dopuszczalną dla zapobiegania wypływaniu dużej ilości niespalonych cząstek paliwa z komory spalania, przy czym wspomniana prędkość wynosi 20-50 m/s, korzystnie 25-40 m/s, taka jak rzędu 30 m/s.