ПОРИСТАЯ ВОДОРОДНАЯ ГОРЕЛКА БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СМЕШИВАНИЯ
POROUS HYDROGEN BURNER WITHOUT PREMIXING

Область изобретения
Изобретение относится к новой пористой водородной горелке, предназначенной для оборудования различных типов печей, требующих точного контроля теплового потока, в особенности печей для парового риформинга природного газа или нефти, предназначенных, в частности, для производства водорода.
Выражение «водородная горелка» рассматривается в широком смысле и означает, что топливо, которое поступает в горелку, может быть чистым водородом, но обычно это любой газ, содержащий водород.
Окислителем может являться любой газ, содержащий кислород, в особенности воздух, но также воздух, обогащенный или обедненный кислородом. В особом случае окислителем может являться чистый кислород.
Предлагаемая новая горелка относится к типу пористых горелок без предварительного смешивания, так как она имеет пористый элемент, разделяющий топливную зону от окислительной зоны, при этом сгорание происходит либо внутри пористого элемента, либо вблизи его внешней поверхности.
Точнее говоря, горелка - объект настоящего изобретения - является пористой горелкой в том смысле, что топливо и окислитель подводятся с обеих сторон пористого элемента (в дальнейшем также называемым «пористым»), при этом внутренняя поверхность пористого элемента находится в контакте с топливом, а внешняя поверхность пористого элемента находится в контакте с окислителем.
Топливо и окислитель, каждый со своей стороны, диффундируют в пористый элемент и встречаются:
- либо внутри упомянутого пористого элемента на определенной поверхности нагрева, на которой развивается внутреннее горение. В этом случае говорят о работе в радиационном режиме или о радиационной горелке,
- либо вблизи внешней поверхности пористого элемента со стороны окислителя.
Преимуществами пористой горелки по сравнению с пламенной горелкой, когда это пламя является диффузионным или предварительно смешанным пламенем, являются:
- уменьшение загрязняющих выделений,
- горение в соответствии с более контролируемой геометрией, чем геометрия горения пламени, которая может, кроме того, создать проблемы стабильности,
- определенно повышенная долговечность оборудования, так как ослабленное горение уменьшает риск образования горячих точек,
- возможность размещения внутри пористого элемента катализатора горения, позволяющего уменьшить температуру горения до значения, близкого к 500°С.
Горелка по изобретению является, таким образом, пористой горелкой без предварительного смешивания, снабженной дополнительно органом распределения топлива, который позволяет контролировать тепловой поток согласно основному размеру горелки, который далее будет условно называться длиной горелки.
Контроль термического потока осуществляется системой отверстий, выполненных в поверхности распределителя и сгруппированных в участки. Каждый участок группирует отверстия одного диаметра.
Расположение этих отверстий вдоль всей длины распределителя является составной частью изобретения. Обычно горелка по настоящему изобретению имеет один топливный распределитель, по меньшей мере, с двумя участками, при этом каждый участок отличается заданным диаметром отверстий, занимая определенную часть длины L горелки.
Следует отметить, что топливо и окислитель поступают с двух противоположных сторон пористого элемента, причем последний не играет роли органа предварительного смешивания, а напротив, является зоной разделения топлива и окислителя.
Впрочем, гидродинамические условия и, в частности, скорость горения в кольцевом пространстве, отделяющем распределитель от пористого элемента, играют важную роль, так как стабильность пламени обеспечивается в ограниченном интервале подач. Если подача является очень слабой, пламя может погаснуть, тогда как если подача является чрезмерной, пламя может быть раздуто.
Исследование известного уровня техники
Предшествующий уровень техники в области пористых горелок является весьма обширным, и мы ограничимся патентами, которые ссылаются на водородное топливо или преимущественно водородное с учетом общей цилиндрической геометрии.
В патенте США 5810577 описана пористая каталитическая горелка, содержащая две камеры сгорания, в которой первая камера сгорания питается топливом, а вторая камера питается продуктами сгорания, исходящими из первой камеры, при этом обе камеры разделены пористым каталитическим барьером с пористостью, превышающей 50%, и имеющим размер пор, составляющий от 1 нм до 1 мм, причем толщина упомянутого барьера составляет от 0,05 до 10 мм.
В патенте США 6699032 описано устройство для хранения газообразного топлива, которое содержит систему сжигания газа, выходящего через предохранительный клапан, при этом упомянутая система сжигания образована горелкой, содержащей пористый корпус, окруженный распределителем топлива. Распределение топлива является равномерным, и пористый корпус играет роль зоны диффузии или смешивания топлива и окислителя.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает вид горелки по изобретению в варианте в виде простой трубы.
Фиг.2 изображает вид горелки по изобретению в усовершенствованном варианте, в котором топливо вводится в первый зазор, расположенный у пористого элемента, а горючие газы собираются во втором зазоре, окружающем первое пространство.
Фиг.3 изображает уточненный вид распределителя топлива и пример профиля результирующего теплового потока.
Фиг.4 дает схематичное представление о расположении горелок по изобретению внутри системы нагреваемых труб.
Фиг.5 изображает кривую, представляющую изменение радиальной скорости топлива на внешней поверхности пористого элемента по продольной оси горелки. Пунктирная линия соответствует распределению одинаковых отверстий, а сплошная линия соответствует распределению отверстий по изобретению. Она детально представлена в рамках нижеследующего примера.
Фиг.6 изображает кривую эволюции потребления водорода Y(Н2) в соответствии с направлением, которое связывает центр горелки с центром нагреваемой трубы, при этом направление центр к центру также будет детально рассмотрено в рамках нижеприведенного примера.
Описание сущности изобретения
Водородная горелка по настоящему изобретению является горелкой без предварительного смешивания, цилиндрической геометрии длиной L и диаметром D, при этом соотношение L/D составляет от 10 до 500, и, предпочтительно, составляет от 30 до 300. Горелка по изобретению содержит центральный распределитель водорода с неравномерным распределением отверстий и включает пористый элемент кольцевой формы, окружающий центральный распределитель, по меньшей мере, по всей его длине L, причем толщина упомянутого пористого элемента составляет от 0,1 до 2 см, а внутренняя поверхность упомянутого пористого элемента размещена на расстоянии от центрального распределителя, составляющем от 0,5 см до 10 см.
Распределитель горелки в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно, разделен на определенное число участков, причем длина каждого участка изменяется от 10 мм до 2 м, и, предпочтительно, от 20 мм до 1,5 м.
Водородная горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит, предпочтительно, центральный распределитель топлива, при этом упомянутый центральный распределитель, предпочтительно, разделен, по меньшей мере, на два участка, причем каждый участок имеет отверстия одинакового диаметра, и, по меньшей мере, один участок, где диаметр отверстий отличается от диаметров отверстий других участков.
Более предпочтительно, центральный распределитель разделен, по меньшей мере, на два участка, где каждый участок имеет отверстия, диаметр которых увеличивается с аксиальным расстоянием вдоль распределителя в направлении потока топлива.
Предпочтительно, центральный распределитель разделен, по меньшей мере, на два участка, где каждый участок имеет отверстия, увеличивающиеся по экспоненциальному закону в направлении потока топлива.
Расстояние между центрами отверстий одного участка обычно составляет от 0,5 см до 50 см, предпочтительно, от 1 см до 20 см.
Длина L горелки обычно составляет от 2 до 15 м и, предпочтительно, составляет от 5 до 12 м.
Пористый элемент, являющийся составной частью горелки по изобретению, имеет, предпочтительно, пористость, по меньшей мере, 50% и, более предпочтительно, по меньшей мере, 80%.
Пористый элемент в некоторых случаях может иметь, по меньшей мере, две зоны с различной пористостью.
Топливо, обычно водород, вводится, предпочтительно, в центральный распределитель под давлением, составляющим от 0,1 до 10 МРа.
В соответствии с вариантом осуществления горелки по изобретению окислитель предпочтительно вводится в первый кольцевой зазор, окружающий пористый элемент горелки, а топочные газы собираются во втором кольцевом зазоре, окружающем первый кольцевой зазор.
Окислитель циркулирует, предпочтительно, в направлении, по существу, параллельном продольной оси горелки, со скоростью, составляющей от 1 м/сек до 100 м/сек и, предпочтительно, от 3 до 80 м/сек.
Средняя радиальная скорость топлива, отнесенная к внутренней поверхности пористого элемента, обычно составляет от 2 мм/сек до 100 см/сек и, предпочтительно, от 0,5 см/сек до 10 см/сек.
Горелка в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в любом типе печи, требующем хорошо контролируемого нагрева по всей их длине, в частности в печах для парового риформинга природного газа или нефти.
Детальное описание горелки по изобретению выполнено по фиг.1 в базовом варианте, а по фиг.2 - в усовершенствованном варианте.
Фиг.3 более точно изображает вид распределителя топлива и используемого как в базовом варианте, так и в усовершенствованном варианте.
Используемые номера позиций являются одинаковыми, так как они описывают одинаковые элементы независимо от чертежа.
Горелка в базовом варианте содержит:
a) центральный распределитель (1) топлива, содержащий определенное количество отверстий (9, 10), объединенных по группам, причем одна группа соответствует одному заданному диаметру отверстия.
Распределитель обычно выполнен цилиндрической формы с отношением L/D, составляющим от 10 до 500.
В рамках настоящего изобретения этот распределитель питается топливом, которое предпочтительно находится под давлением, составляющим от 0,1 до 10 МРа.
Топливом может являться любой горючий газ, содержащий некоторую часть водорода, и, в случае необходимости, быть чистым водородом.
b) пористый элемент (2) кольцевой формы, окружающий центральный распределитель, по меньшей мере, по всей длине упомянутого распределителя и имеющий толщину, составляющую от 0,1 до 2 см, при этом расстояние, отделяющее распределитель от внутренней поверхности пористого элемента, составляет от 0,5 до 10 см. Внутренней поверхностью называют поверхность, наиболее близкую к распределителю.
Пористый элемент окружает распределитель в направлении, где он имеет, по меньшей мере, ту же длину, что и распределитель, и, в некоторых случаях, более значительную длину, которая позволяет освободить пространство между концом распределителя и внутренней стенкой упомянутого пористого элемента, позволяющее улучшить степень сгорания топочных газов.
Пористость пористого элемента составляет, по меньшей мере, 50% и, предпочтительно, превышает 80%. Упомянутую пористость определяют как отношение объема пустот к геометрическому объему какой-либо части пористого элемента.
Эта пористость является обычно однородной по всей длине пористого элемента, но ее можно изменять на некоторых участках длины. Например, можно иметь первый участок длины пористого элемента с пористостью Р1 и второй участок длины пористого элемента с пористостью Р2, отличной от Р1.
Этот пористый элемент обычно состоит из металлической губки, выполненной из сплава различных металлов, в том числе, например, железа, хрома, алюминия, титана или циркония, и, в некоторых случаях, иттрия. Например, таким сплавом является материал FeCrAlY, выпускаемый в продажу компанией PORVAIR. Пористый элемент может также быть выполнен из керамической пены, например из муллита или из кордиерита.
Размер пор обычно составляет от 0,2 до 0,6 мм.
Пространство, отделяющее распределитель (1) от пористого элемента (2), называемое кольцевым зазором (3), играет важную роль в работе горелки по изобретению, так как горючее, исходящее из распределителя, имеет определенный продольный профиль потока, который он должен наилучшим образом сохранять на входе в пористый элемент. Для этого линейная скорость топлива внутри кольцевого зазора должна иметь повышенное значение, так как известно, что очень малые скорости способствовали бы продольной диффузии топлива внутри кольцевого зазора (3).
Впрочем, получение горения внутри пористого элемента или вблизи его внешней поверхности обычно более легко реализуется, когда скорость топлива внутри пористого элемента остается предпочтительно выше скорости диффузии окислителя.
Предпочтительно, скорость топлива не должна, тем не менее, превышать граничное значение для того, чтобы позволить окислителю диффундировать внутрь пористого элемента.
Учет и оптимизация этих двух условий приводит к принятию скорости топлива на входе в пористый элемент, составляющей от 2 мм/сек до 1,0 м/сек, и предпочтительно составляющей от 0,5 см/сек до 10 см/сек. Эта скорость точно определена как скорость по оси, перпендикулярной продольной оси горелки, которую условно назовем радиальной скоростью. Эта скорость, таким образом, направлена перпендикулярно поверхности пористого элемента.
В усовершенствованном варианте горелки по изобретению внешний объем пористого элемента (2) разделен с помощью перегородки (6), по существу, параллельной внешней поверхности пористого элемента (2) и, по существу, цилиндрической формы, на первый зазор (4) между внешней поверхностью пористого элемента (2) и упомянутой перегородкой (6) и второй зазор (5), соответствующий объему, размещенному снаружи перегородки (6).
Этот объем, внешний по отношению к перегородке (6), может быть ограничен второй перегородкой (7), по существу, параллельной перегородке (6) и ограничивающей между упомянутой перегородкой (6) и упомянутой перегородкой (7) второй зазор (5). Предпочтительно, этот второй зазор (5) является зазором, сообщающийся с первым зазором (4) посредством своей нижней части, при этом, по существу, вертикальная перегородка (7) связана, по существу, с горизонтальной перегородкой (8), при этом перегородки (7) и (8) образуют, таким образом, оболочку, закрывающую горелку по изобретению.
В усовершенствованном варианте горелки по настоящему изобретению окислитель, поступивший в зазор (4), встречается с топливом внутри пористого элемента (2) или вблизи внешней поверхности упомянутого пористого элемента (2), осуществляя сжигание, которое производит топочный газ, который находится в первом зазоре (4) и удаляется, проходя во второй зазор (5).
Предпочтительно, линейная скорость топлива, вводимого в зазор (4), составляет от 1 до 100 м/сек и, предпочтительно, от 3 м/сек до 80 м/сек, а линейная скорость топочных газов в зазоре (5) предпочтительно составляет от 2 до 150 м/сек.
Пример, иллюстрирующий изобретение
Следующий пример предназначен для наглядного объяснения свойств горелки по изобретению с точки зрения потребления топлива и температуры в направлении, связывающем центры горелки и трубы, которая предназначена для нагревания.
На фиг.4 представлена геометрическая конфигурация при использовании горелки для нагрева труб реактора для парового риформинга метана.
Трубы (Т), содержащие среду, предназначенную для нагрева, и горелки (В) по изобретению размещены в шахматном порядке с квадратным шагом.
Расстояние, отделяющее центр горелки от центра нагреваемой трубы, составляет 210 мм.
Длина горелок составляет 12 метров, а распределитель каждой из горелок имеет длину 10 метров.
Отношение L/D каждой горелки оставляет 120.
Расстояние между распределителем и внутренней стенкой пористого элемента составляет 15 мм.
Толщина пористого элемента составляет 1 см.
Распределитель разделен на 10 участков длиной по 1 м. Каждый участок является общей поверхностью для отверстий, размещенных на рассматриваемом участке.
Участок является частью распределителя, имеющего отверстия одного диаметра.
Общая поверхность распределительных отверстий представлена в таблице 2 для 2-х случаев:
- Случай 1 соответствует отверстиям одинакового размера в распределительной системе. Поверхность системы отверстий, соответствующая участку в 1 м, составляет 15,7 см. Этот случай не соответствует изобретению. Он дан в качестве сравнения.
- Случай 2 (по изобретению) соответствует отверстиям увеличивающегося размера в соответствии с продольным расстоянием горелки, при этом увеличение общей поверхности отверстий следующего участка соответствует экспоненциальному закону. Этот случай соответствует изобретению.
Расходы реактивов и условия температуры и давления указаны в таблице 1.
Фиг.5 изображает, что в первом случае радиальная скорость (Ur) топлива на внешней поверхности пористого элемента значительно изменяется вдоль продольной оси (d) горелки. Кривая, соответствующая первому случаю, изображена пунктирно на фиг.5.
Во втором случае, вследствие закона распределения отверстий, радиальная скорость (Ur) топлива является гораздо более равномерной вдоль продольной оси (d) горелки. Эта лучшая равномерность радиальной скорости (Ur) обеспечивает, по существу, постоянный тепловой поток вдоль трубы. Кривая, соответствующая этому второму случаю, показана сплошной линией на фиг.5. Эта позиция является особенно важной в случае с трубами, длина которых составляет 12 метров.
Фиг.6 изображает эволюцию потребления кислорода Y(H2) в направлении, связывающем центр горелки с центром нагреваемой трубы, то есть направление центр к центру. Начало расстояний (r) в этом направлении условно выбрано на внешней поверхности пористого элемента рассматриваемой горелки. Значения Y(H2) считываются по ординате с левой стороны фиг.6.
Фиг.6 изображает, что количество водорода Y(H2) быстро уменьшается в направлении центр к центру. Практически 90% введенного водорода потребляется на расстоянии в 10 мм, что, следовательно, обозначает, что зона горения размещается вблизи от пористого элемента. В этом случае имеется весьма локализованное сгорание.
Фиг.6 изображает также (с правой стороны фиг.6) изменение температуры Т топочных газов в направлении центр к центру (0°С = 273 К).
Эта температура имеет максимум в 1800 К вблизи внешней поверхности пористого элемента, или, в случае данного примера, в 10 мм от упомянутой внешней поверхности. Температура Т затем уменьшается до достижения величины, меньшей или равной 1200 К. Это значение сравнимо с не огнеупорными материалами, которые являются особенно интересными при выборе металлургии труб и в экономичности способа.
Таблица 1
Окислитель
Топливо
Абсолютное давление(МРа)
0,43
0,43
Массовый расход (kg.s-1)
1,084
0,00848
Входная температура (°С)
800
800
Состав (% по массе)
14,6% О<sub>2</sub>
47,8% Н<sub>2</sub>
8,8% Н<sub>2</sub>О
25,7% СН<sub>4</sub>
1,4% СО<sub>2</sub>
1,7% СО
23,0% СО<sub>2</sub>
Таблица 2
Участок
0-1м
1-2м
2-3м
3-4м
4-5м
5-6м
6-7м
7-8м
8-9м
9-10м
Общая поверхность отверстий на участке, случай 1 (см<sup>2</sup>)
15,7
15,7
15,7
15,7
15,7
15,7
15,7
15,7
15,7
15,7
Общая поверхность отверстий на участке, случай 2 (см<sup>2</sup>)
1,57
3,45
5,12
7,59
11,3
16,7
24,8
36,7
54,4
80,7