Сжигание водорода в горелках инфракрасного излучения светлого типа

ВЕСТНИК 7/2011

СЖИГАНИЕ ВОДОРОДА В ГОРЕЛКАХ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТЛОГО ТИПА

HYDROGEN BURNING IN TORCHES OF INFRA-RED RADIATION

Д.Ю. Слесарев D.Y. Slesarev

Тольяттинский ГУ

Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие возможность сжигания водорода в инфракрасных газовых горелках светлого типа. Предложена конструкция горелки

In this article are presented results of experimental researches of hydrogen burning in infra-red gas torches. The torch device is described here

Введение

Совершенствование, интенсификация и автоматизация технологических процессов приводят к необходимости повысить качество используемых энергоносителей. В последнее время все чаще в качестве решения проблем энергетического кризиса и снижения темпов ухудшения экологической обстановки в качестве энергоносителя рассматривается водород - газ способный заменить любой вид топлива и обеспечить сохранность воздушного бассейна [4].

В современной экономике водород остается скорее химическим сырьем, нежели энергоносителем. Производство водорода пока еще невелико и водород имеет высокую стоимость, но по мере удорожания углеводородных топлив его относительная стоимость снижается.

Из практики теплоснабжения известно, что наиболее эффективное сжигание газового топлива для целей отопления помещений и нагрева поверхностей и сред обеспечивают горелки инфракрасного излучения светлого типа (ГИИ), работающие по принципу лучистого теплообмена [2, 5, 6]. ГИИ являются разновидностью инжекци-онных горелок. Существующие ГИИ работают на природном или сжиженном углеводородном газе. В данных излучателях горение газа открытое и происходит на поверхности керамической насадки. При работе ГИИ с продуктами сгорания в окружающую атмосферу поступают токсичные вещества, поэтому сферы их применения ограничены действующими санитарно-гигиеническими нормативами. Использование водорода в качестве энергоносителя позволит в перспективе решить эту проблему.

В настоящее время наиболее перспективным методом хранения водорода считается хранение в адсорбированном состоянии. Для этого используются емкости, где водород впитывается в пористые материалы [1]. Примером таких материалов могут служить углеродные нанотрубки. ГИИ, работающие на водороде, могут использоваться для нагрева накопителей водорода на основе углеродных материалов до температуры десорбции (извлечения) водорода. На современном этапе ГИИ, работающие на водороде, могут применяться в качестве нагревательных элементов реакционных аппаратов пирогидролиза.

7/)П11 ВЕСТНИК _1/2011_МГСУ

В изученной научно-технической литературе и патентной документации отсутствуют сведения о разработанных водородных инфракрасных горелках, поэтому изучение работы ГИИ при использовании водорода в качестве энергоносителя представляет научный интерес.

Предварительные теоретические исследования возможности использования водорода в ГИИ показали, что сжигание водородовоздушных смесей в горелках с перфорированным керамическим излучателем возможно при соблюдении условий, приведенных ниже.

1. Излучатель для предотвращения проскока должен иметь перфорацию с отверстиями диаметром ниже критического (0,9 мм).

2. Для обеспечения устойчивого горения на поверхности излучателя необходимо снизить скорость горения путем использования бедных смесей с коэффициентом избытка воздуха а > 1,5.

3. Использование бедных смесей обеспечит снижение температуры горения и, следовательно, эмиссии оксидов азота.

Объект исследований

В качестве объекта исследований выбрана горелка ГИИ - 1,85 производства ОАО «Казанский завод газовой аппаратуры - ВЕСТА». Конструктивно эта горелка относятся к наиболее простым и распространенным ГИИ. Устройство горелки изображено на рис. 1.

Рис. 1. Устройство горелки инфракрасного излучения светлого типа: 1 - сопло; 2 - эжектор; 3 - распределительная камера;

4 - корпус; 5 - сетка; 6 - керамические плитки

Излучающая матрица горелки содержит три керамические плитки 6 с диаметром каналов 1 мм. Над матрицей на расстоянии 10 мм размещена металлическая сетка 5 с размерами ячеек 5x5 мм. Поминальная тепловая мощность горелки, при работе на СУГ, - 1,85 кВт.

Экспериментальный стенд

Для проведения исследований использовался стенд с записью результатов на персональный компьютер. Схема лабораторного стенда представлена на рис. 2.

ВЕСТНИК МГСУ

7/2011

Рис. 2. Схема стенда для исследования горелок: 1 - баллон газовый; 2 - регулятор давления; 3 - счётчик; 4 - манометр; 5 - кран;

6 - термометр контактный; 7 - охладитель; 8 - пробоотборник; 9 - горелка;

10 - сборник конденсата; 11 - газоанализаторы «МГЛ - 19.ХА»;

12 - газоанализатор «Автотест - 02»; 13 - компьютер

В первую очередь исследовалась работа горелки на СУГ без изменения конструктивных параметров. Были получены исходные (базовые) показатели: температура излучающей поверхности горелки и состав продуктов сгорания при различных давлениях газа и оптимальной величине коэффициента избытка воздуха а = 1,05. Состав газа определен путем хроматографического анализа.

Результаты исследований

Для исследования работы горелки на водороде была выполнена тарировка расхода водорода в зависимости от величины давления водорода и диаметра сопла. Для проведения опытов использовался водород марки «Б». Как показала тарировка, для исследования работы горелки на водороде требуется сопло диаметром ё = 1,0 мм. Для сопла 1,0 мм номинальная мощность горелки ГИИ - 1,85 соответствующая расходу водорода 0,6 м3/ч обеспечивается при давлении 5400 Па. Далее был проведен конструктивный расчёт горелки для установления величины коэффициента избытка воздуха. Полученные расчетные данные свидетельствуют о том, что установка сопла диаметром ё = 1 мм позволяет добиться работы горелки на водороде при коэффициенте избытка воздуха а = 1,5 ^ 1,6, что является, по результатам теоретических исследований, наиболее приемлемым режимом работы.

Первым проводился опыт с использованием сопла 1,0 мм, при этом отверстия в керамических плитках не уменьшались. Данный опыт проводился с целью определить возможные условия обеспечения стабильной работы горелки на водороде, так как известно, что у стехиометрических смесей воздуха с углеводородными газами критический диаметр составляет 3,5 мм, а у аналогичных смесей с водородом - 0,9 мм. У горелки ГИИ - 1,85 керамические плитки имеют каналы диаметром 1,0 мм, следовательно, работа горелки на стехиометрической водородовоздушной смеси невозможна из-за

_7/2011_МГВЕС ТНИК

проскока пламени. При установке сопла 1,0 мм водородовоздушная смесь приготавливается обедненная, что создает предпосылки для устойчивой работы. Результаты свидетельствуют о возможности сжигания водорода только при работе на малых мощностях и давлении водорода до 1400 Па. При увеличении расхода водорода и, следовательно, мощности более 0,5 номинальной происходит проскок.

Далее был проведен опыт, при котором отверстия в керамических плитках были уменьшены до 0,5 мм путем окунания керамических плиток с отверстиями 1 мм в глиняный раствор аналогичного состава и последующего обжига. Результаты свидетельствуют о возможности сжигания водорода только при работе на малых мощностях и давлении водорода до 3000 Па. При увеличении расхода водорода и, следовательно, мощности более 0,7 номинальной происходит проскок. Полученные результаты объясняются тем, что при работе на мощности более 0,7 номинальной из-за недостаточно малой теплопроводности керамики стенки каналов и тыльная сторона насадка прогревается до температуры самовоспламенения водородовоздушной смеси, в результате чего происходит проскок пламени. Также высока вероятность проскока пламени через неплотности между керамикой и корпусом горелки. Дальнейшее уменьшение диаметра каналов может способствовать предотвращению проскока пламени, но является не целесообразным из-за сложности в изготовлении таких излучателей.

Для предотвращения проскока горелку целесообразно дооснастить металлической сеткой, установленной над керамическими плитками с размерами ячеек много меньше критического диаметра для водорода.

Предварительно проведенными опытами установлено, что стабильное горение наблюдается при установке сетки с ячейкой 0,112 х 0,112 мм на расстоянии 0,5 ^ 1 мм над керамикой (рис. 3).

Рис. 3. Горелка, дооснащенная сеткой: 1 - сетка 0,112 х 0,112 мм; 2 - сетка горелки; 3 - рамка;

4 - керамический насадок; 5 - корпус горелки; 6 - уплотнитель

Керамический насадок горелки 4 профилирован бороздами, что увеличивает площадь излучающей поверхности. При установке сетки 1 площадь радирующей поверхности горелки уменьшиться, так как сетка станет первичным излучателем и, в соответствии с законом Стефана-Больцмана, пропорционально изменится количество тепла отдаваемого излучением, то есть лучистый КПД горелки. Однако, как показали проведенные опыты, хотя процесс горения происходит на сетке, керамика под ней так же нагревается и излучает теплоту. Поэтому снижение лучистого КПД не должно быть столь существенно, как в случае если излучатель только сетка.

ВЕСТНИК МГСУ

7/2011

В результате проведения опыта при дооснащении горелки металлической сеткой получена зависимость температуры излучающей поверхности горелки ГИИ - 1,85 от давления водорода при а = 1,55. Зависимость показывает, что с увеличением давления водорода температура излучающей поверхности линейно растёт от 650 °С при Р = 1800 Па до 805 °С при Р = 5400 Па.

Данная конструкция обеспечивает стабильную работу горелки при мощности близкой к номинальной, а значит, является наиболее удачной для беспламенного сжигания водорода. Горение водородовоздушной смеси происходит на поверхности сетки. В результате значительного сужения огневых отверстий относительно критического диаметра проскок пламени практически исключен. Непосредственная близость сетки к керамическому насадку обеспечивает её равномерный нагрев и стабилизацию горения. Керамический насадок в данном случае выполняет функцию теплового буфера между зоной горения и водородовоздушной смесью.

В процессе проведения опытов для данной конструкции были проведены замеры состава продуктов сгорания при различных давлениях водорода. Так как отсутствовали приборы для замера состава газовоздушной смеси, коэффициент избытка воздуха принимался равным расчетному а = 1,55.

Установлено, что концентрация N02 слабо зависит от давления газа и температуры излучающего насадка. Выход N02 составил 2,0 2,3 мг/м3. N0 в продуктах сгорания не обнаружено. Основную часть продуктов сгорания составлял водяной пар. Эти результаты соответствуют теоретическим представлениям о сжигании водорода в смеси с воздухом [3].

В ходе сравнения результатов работы горелки на СУГ и водороде, получена зависимость температуры излучающей поверхности горелки ГИИ - 1,85, работающей на водороде, от мощности, в сравнении с базовыми показателями на СУГ, изображенная на рис. 4.

Сс

900-

на водороде на пропан-бутане

К,кВт

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Рис. 4. Зависимость температуры излучателя от мощности горелки ГИИ - 1,85

Зависимости, представленные на рис. 4, имеют аналогичный вид. По графикам зависимостей видно, что при равной мощности горелка, работающая на водороде, обеспечивает большую температуру поверхности на 30 40 °С и имеет больший запас по регулированию тепловой нагрузки по сравнению с горелкой работающей на СУГ. Однако при увеличении тепловой нагрузки устойчивость к проскоку снижается.

Результаты исследований показали, что серийная горелка, дооснащенная сеткой, стабильно работает на водороде при мощностях от 0,5 до 0,95 номинальной, обеспечивая при этом лучистый КПД близкий к КПД серийных горелок работающих на СУГ.

7/2011 ВЕСТНИК _7/2°ГТ_МГСУ

Выводы

1. Экспериментально подтверждена возможность использования водорода в качестве топлива для инфракрасных газовых горелок светлого типа.

2. Предложен вариант дооснащения серийной горелки ГИИ-1,85, позволяющий использовать в качестве топлива водород. Разработана конструкция, обеспечивающая стабильную работу горелки при мощности от 0,5 до 0,95 номинальной.

3. Экспериментально установлено, что при равной тепловой мощности доосна-щенная сеткой горелка, работающая на водороде, обеспечивает лучистый КПД и температуру излучающей поверхности близкие к показателям серийной горелки, работающей на сжиженном углеводородном топливе.

4. Экспериментально подтверждена экологическая перспективность применения водорода в качестве топлива для инфракрасных горелок светлого типа.

Литература

1. Ажажа В.М. Материалы для хранения водорода: анализ тенденции развития на основе данных об информационных потоках / В.М. Ажажа [и др.]. // журнал «Вопросы атомной науки и техники». - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006, № 1. - с. 145 - 152.

2. Брюханов О.Н. Радиационный газовый нагрев / О.Н. Брюханов, Е.В. Крейнин, Б.С. Ма-стрюков. - Л.: Недра, 1989. - 160 с.

3. Гамбург Д.Ю. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справочник / Д.Ю. Гамбург [и др.]. - М.: Химия, 1989. - 672 с.

4. Кузык Б.Н. Стратегия перехода к водородной энергетике / Б.Н. Кузык, Ю.В. Яковец. -М.: Институт экономических стратегий, 2007. - 400 с.

5. Родин А.К. Газовое лучистое отопление / А.К. Родин. - Л.: Недра, 1987. - 190 с.

6. СТО НП «АВОК» 4.1.5 - 2006 Системы отопления и обогрева с газовыми инфракрасными излучателями. - М.: НП «АВОК», 2006. - 10 с.

The literature

1. Azhazha V.M. Materials for storage of hydrogen: analysis of progress trend on the basis of information about informative streams / V.M. Azhazha [and other]. // magazine «Questions of atomic science and technique». - Kharkov: NNC HFTI, 2006, № 1, p. 145 - 152.

2. Bryukhanov O.N. The radiation gas heating / O.N. Bryukhanov, E.V. Kreynin, B.S. Ma-stryukov. - L.: Nedra, 1989. - 160 p.

3. Gamburg D.Y. Hydrogen. Properties, receipt, storage, portage, application: Reference book / D.Y. Hamburg [and other]. - M.: Chemistry, 1989. - 672 p.

4. Kuzyk B.N. Strategy of passing to hydrogen energy / B.N. Kuzyk, Y.V. Yakovets. - M.: Institute of economic strategies, 2007. - 400 p.

5. Rodin A.K. Gas radiant heating / A.K. Rodin. - L.: Nedra, 1987. - 190 p.

6. STO NP «AVOK» 4.1.5 - 2006 Systems of heating and heating with gas infra-red torches. -M.: NP «AVOK», 2006. - 10 p.

Ключевые слова: отопление, экология, горелка, инфракрасная, газ, водород, исследования, результаты, конструкция.

Keywords: heating, ecology, torch, infra-red, gas, hydrogen, researches, results, construction.

e-mail: drive82@yandex.ru