СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗА И ГОРЕЛКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GAS COMBUSTION AND BURNER FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относиться к теплоэнергетике, а именно к способам и устройствам для беспламенного сжигания углеводородного газового топлива на поверхности керамического насадка инфракрасных горелок.
Известен способ беспламенного сжигания газового топлива, осуществляемый в горелках инфракрасного излучения, содержащих эжектор, перфорированный керамический насадок и металлическую сетку, включающий создание в эжекторе горелки однородной газовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха α=1,02-1,07, прогрев смеси в распределительной камере и в каналах перфорированного керамического насадка до температуры воспламенения, горение смеси на поверхности насадка и в пространстве между насадком и металлической сеткой [1, с.31-32, рис.13].
Указанный способ характеризуется высоким содержанием вредных веществ в продуктах сгорания газа и значительными конвективными потерями теплоты.
Наиболее близким к заявленному изобретению является инфракрасный излучатель и способ проведения процесса горения углеводородного газового топлива, описанный в патенте РФ №2110015, МПК F23D 14/18 [2]. В данном изобретении предложен способ, осуществляемый в инфракрасном излучателе, который состоит из коаксиально расположенных и чередующихся между собой негофрированных и гофрированных цилиндров активированной катализатором керамики. Указанный способ сжигания газа включает создание однородной газовоздушной смеси, подвод смеси во внутреннюю полость излучателя, прогрев смеси до температуры воспламенения, горение смеси внутри объемного керамического насадка при движении от центра к поверхности и радиальный отвод продуктов горения.
Недостатками данного изобретения являются сложность изготовления керамики, активированной катализатором, и низкая величина лучистого коэффициента полезного действия (КПД).
Задачей, решаемой изобретением, является технический результат - повышение лучистого КПД и снижение содержания вредных веществ в продуктах сгорания инфракрасных газовых горелок.
Технический результат достигается тем, что в эжекторе горелки создается обедненная газовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха α=1,3-1,5.
Обеднение газовоздушной смеси осуществляется путем подачи в эжектор горелки воздуха вентилятором.
Обеднение газовоздушной смеси осуществляется путем увеличения в 6 -7 раз номинального давления газа перед горелкой.
Горелка для осуществления способа дополнительно снабжена экраном из термостойкого стекла с отверстием в центре для отвода продуктов сгорания.
Предложенный способ сжигания газа, по сравнению с аналогами, обеспечивает повышение температуры поверхности излучателя и, следовательно, лучистого КПД, а также снижение содержания вредных веществ в продуктах сгорания.
В предлагаемом способе в эжекторе горелки создается газовоздушная смесь иного состава, чем в прототипе и аналогах - с коэффициентом α=1,3-1,5. Это достигается путем подачи в эжектор горелки дополнительного воздуха вентилятором или путем увеличения в 6-7 раз номинального давления газа перед горелкой. В результате увеличивается скорость движения смеси в каналах керамического насадка интенсифицируется теплообмен и снижается вероятность проскока пламени.
Экран из термостойкого стекла предотвращает диффузию окружающего воздуха к поверхности керамического излучателя и снижает конвективные потери теплоты. Кроме того, экран создает гидравлическое сопротивление оттоку продуктов сгорания, а это способствует увеличению времени контакта продуктов сгорания с поверхностью насадка, что приводит к увеличению температуры поверхности керамических плиток и к более полному дожиганию продуктов неполного сгорания.
Устройство горелки (продольный разрез) для осуществления предложенного способа сжигания газа изображено на фиг.1.
Горелка содержит корпус 1, сопло 2, вентилятор 3, эжектор 4, распределительную камеру 5, рассекатель 6, керамические плитки 7, металлическую сетку 8, экран 9 с отверстием 10. Экран 9 выполнен из термостойкого стекла, прозрачного для инфракрасного излучения.
Горелка работает следующим образом. Струя газа, истекая из сопла 2, подсасывает в эжектор 4 атмосферный воздух. В эжекторе создается однородная газовоздушная смесь с необходимой величиной коэффициента избытка воздуха, а именно α=1,3-1,5. Обеднение смеси достигается подачей дополнительного воздуха вентилятором или за счет использования газа повышенного давления. Смесь проходит распределительную камеру 5, рассекатель 6 и через каналы плиток 7 выходит на их поверхность. В распределительной камере 5 и в каналах плиток 7 смесь прогревается до температуры воспламенения. Сгорание смеси происходит в тонком слое на поверхности насадка и в пространстве между насадком и металлической сеткой 8. Продукты сгорания отводятся через отверстие 10. Значительная часть теплоты горения передается керамическим плиткам 7, поверхность которых нагревается и становится мощным источником инфракрасного излучения.
Применение предложенного изобретения в хозяйственной деятельности позволит повысить эффективность технологических процессов в промышленности, уменьшить количество потребляемого газа, улучшить показатели лучистого отопления и снизить эмиссию вредных веществ в отапливаемые помещения и окружающую среду.
Пример конкретного выполнения и осуществления способа
Для осуществления заявленного способа использовалась горелка ГИИ-1,85 «Звездочка» производства ОАО «Казанский завод газовой аппаратуры - ВЕСТА». Излучающий насадок горелки содержит три керамических плитки с диаметром каналов 1 мм. Металлическая сетка размещена над насадком на расстоянии 10 мм.
Излучающий насадок закрыли колпаком из жаропрочного стекла с отверстием в центре для отвода продуктов сгорания. Для подачи избыточного объема воздуха горелку оснастили микровентилятором.
Опыты проводились на лабораторном стенде. При поддержании постоянного давления сжиженного газа перед горелкой коэффициент α изменялся от 0,8 до 2,0. Давление газа изменялось ступенчато от 1800 до 3600 Па (от 180 до 360 мм вод. ст.). Температура поверхности насадка определялась с помощью инфракрасного датчика. В процессе опыта регистрировались коэффициент α, температуры поверхности излучателя и состав продуктов сгорания.
2
По результатам опытов построены зависимости, изображенные на фиг.2 и 3. На фиг.2 показана зависимость температуры поверхности насадка от коэффициента α и давления газа (Р), а на фиг.3 - содержание в продуктах сгорания оксида углерода (СО), углеводородов (СН) и кислорода (О) в зависимости от коэффициента α при номинальном давлении газа 3000 Па.
Из фиг.2 видно, что с увеличением коэффициента α температура поверхности насадка, возрастает и достигает максимума при α=1,3-1,5. А затем снижается при всех исследованных величинах давления газа перед горелкой. С увеличением давления газа и, следовательно, расхода газа и мощности горелки, температура поверхности возрастает от 880°С при Р=1800 Па до 1130°С при Р=3600 Па.
По графикам зависимостей фиг.3 следует отметить, что с увеличением коэффициента α до 1,0-1,1 концентрация СО и СН в продуктах сгорания резко падает. Затем при α>1,2 их концентрации остаются на минимальном уровне, и составляют соответственно 0,2-0,3% и 50-80 ppm. И только содержание кислорода плавно возрастает. Выход оксидов азота не превышает 50-60 ppm.
Принудительная подача воздуха с помощью вентилятора усложняет конструкцию горелки. Альтернативный вариант - использование газа среднего давления. Опыты при давлении газа 10, 20 и 30 кПа дали аналогичные результаты и тем самым подтвердили возможность использования и данного пути обеднения газовоздушной смеси.
Таким образом, экспериментально установлена эффективность осуществления предложенного способа сжигания газового топлива в горелке инфракрасного излучения. По сравнению с аналогами, зафиксировано увеличение температуры излучателя и, следовательно, лучистого КПД на 10-20%, снижение содержания вредных веществ в продуктах сгорания - оксида углерода (СО) на 50-70%, углеводородов (СН) на 20-30%.
Предложенная горелка для осуществления заявленного способа может быть использована для отопления крупных промышленных, общественных и сельскохозяйственных зданий, сушки и локального нагрева.
Источники информации
1. Богомолов А.И., Вигдорчик Д.Я., Маевский М.А. Газовые горелки инфракрасного излучения и их применение. - М.: Стройиздат, 1967. - 254 с.
2. Патент РФ №2110015, МПК F23D 14/18. Аникеев В.И., Кузин Н.А., Гудков А.В. Инфракрасный излучатель, способ проведения процесса горения углеводородного газового топлива и способ приготовления сложной керамики, активированной катализатором. БИ №12, 1998.