УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СОСТАВА ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
DEVICE FOR MODIFICATION OF GASEOUS FUEL COMPOSITION

Настоящее изобретение относится к устройству для модифицирования состава газообразного топлива.
Известно, что для снижения содержания нежелательных побочных продуктов процесса горения в газотурбинных двигателях уменьшают температуру горения, т.е. уменьшают выброс из двигателя загрязняющих веществ. Уменьшение температуры горения снижает образование NOx (окислов азота). Однако уменьшение этой температуры не должно быть слишком значительным, поскольку в противном случае это приведет к увеличению содержания окиси углерода и несгоревших углеводородов.
Проблема, возникающая при понижении температуры горения в газотурбинном двигателе, заключается в ослаблении пламени горения или в срыве пламени. Другими словами, уменьшение температуры горения часто приводит к нестабильному горению. Если сжигаемая смесь топлива с воздухом содержит топливо, богатое включениями, то эти включения реально помогают поддерживать процесс горения при понижении температуры. Однако уровень выброса загрязняющих веществ не будет таким низким, как это могло быть в том случае, если бы при пониженной температуре горючая смесь была совершенной и однородной смесью.
Как известно, указанную проблему при использовании газообразного топлива в газотурбинных двигателях решают путем подмешивания или обогащения топлива водородом. Водород имеет очень высокую скорость распространения пламени горения и, следовательно, содействует поддержанию пламени горения. Используемый водород может быть выделен из самого топлива путем химического преобразования топлива. В качестве альтернативы может быть использован водород, содержащийся в баллонах. Получение водорода из топлива представляет собой сложный и соответственно дорогостоящий процесс. В случае использования баллонного водорода может потребоваться большое количество баллонов в рабочих условиях с ограниченным располагаемом объемом.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения обеспечивается устройство для модифицирования состава газообразного топлива, содержащее средства подвода газообразного топлива, средства подвода окислителя, средства для сжигания топлива, использующие окислитель для частичного сжигания первой части топлива с получением в результате продуктов частичного сгорания, включая промежуточные продукты сгорания, при этом продукты частичного сгорания смешивают с остальной частью топлива, не сжигаемой частично, тем самым обеспечивая получение модифицированного топлива, причем частичное сжигание регулируют так, чтобы обеспечить получение промежуточных продуктов сгорания, необходимых для получения предварительно заданного модифицированного топлива.
Предпочтительно средства подачи топлива включают трубопровод, по которому протекает газообразное топливо; средства подачи окислителя включают один или большее количество подводящих труб, которые проходят через стенки указанного трубопровода; а средства для сжигания топлива размещены, по существу, внутри трубопровода на пути движения потока топлива по трубопроводу.
Предпочтительно средства для сжигания включают горелку для смешивания окислителя с первой частью топлива, камеру сгорания, расположенную ниже по ходу движения потока от горелки, в которой (в камере) осуществляется указанное частичное сжигание первой части топлива, и воспламенитель для инициирования частичного сжигания топлива.
Камера сгорания, в её зоне, находящейся ниже по ходу движения потоку, может содержать отверстия для ослабления горения, при этом остальная часть топлива, не сжигаемая частично, проходит через указанные отверстия для ослабления горения из внешнего объема (снаружи) во внутренний объем камеры сгорания с тем, чтобы ослаблять процесс частичного сгорания топлива в камере и перемешиваться с указанными продуктами частичного сгорания.
Камера сгорания может содержать отверстия для эффузионного охлаждения, через которые указанная остальная часть топлива, не сжигаемая частично, проходит из внешнего объема во внутренний объем камеры сгорания для охлаждения стенок камеры.
В устройстве, описанном ниже в качестве примера выполнения, горелка содержит размещенный выше по потоку дисковый элемент, снабженный отверстиями для прохода окислителя, сообщающимися с указанными входными подводящими трубами, радиальный завихритель, установленный ниже по потоку от указанного дискового элемента, предназначенный для придания такого направления указанной первой части топлива, чтобы она транспортировалась, по существу, радиально внутрь и приобретала вращательное вихревое движение, при этом в радиальный завихритель поступает поток окислителя из отверстий в дисковом элементе для его перемешивания с первой частью топлива, а ниже по потоку от радиального завихрителя размещена предкамера, в которую поступает вихревой поток топлива и окислителя из завихрителя.
В устройстве, описанном ниже в качестве примера, расположенный выше по потоку дисковый элемент выполнен таким, что топливо может проходить вокруг и через центральную часть дискового элемента, при этом поток топлива ударяется в центральную часть и охлаждает её прежде, чем проходит вокруг/сквозь центральную часть дискового элемента и достигает центральной зоны радиального завихрителя.
Устройство, описанное ниже в качестве одного из примеров выполнения, снабжено экранирующим удлинителем указанной камеры сгорания, способствующим перемешиванию указанной остальной части топлива, не сжигаемой частично, с продуктами частичного сжигания, при этом экранирующий удлинитель отделен зазором от стенок трубопровода так, чтобы он мог охлаждаться топливом, проходящим между этим удлинителем и стенками трубопровода.
Устройство, описанное ниже в качестве одного из примеров, включает вихревой диод, расположенный выше по потоку от средств для сжигания, служащий для уменьшения проходного сечения выше по потоку от места пульсаций давления и/или шума, возникающего в процессе горении при функционировании средств сжигания.
Предпочтительно указанное регулирование частичного сжигания включает регулирование соотношения содержания окислителя и топлива при частичном сжигании для содействия производству промежуточного продукта сгорания - оксида углерода. Газообразное топливо может представлять собой метан.
Настоящее изобретение распространяется на газотурбинный двигатель, снабженный описанным выше устройством, установленным в трубопроводе для подвода топлива.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения обеспечивается способ модифицирования состава газообразного топлива, включающий стадии: использования окислителя для частичного сжигания первой части газообразного топлива с получением продуктов частичного сгорания, включающих промежуточные продукты сгорания, и перемешивание продуктов частичного сгорания с остальной частью топлива, не сжигаемой частично, обеспечивая тем самым получение модифицированного топлива, при этом указанное частичное сжигание регулируют так, чтобы обеспечить получение промежуточных продуктов сгорания, необходимых для производства предварительно заданного модифицированного топлива.
Изобретение далее будет раскрыто в виде примера со ссылкой на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - схематическое изображение первого устройства, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.2 - вид в направлении, показанном стрелкой В на фиг.1.
Фиг.3 - вид в направлении, показанном стрелкой А на фиг.1.
Фиг.4 - разрез по линии IV-IV на фиг.1.
Фиг.5 - схематическое изображение второго устройства, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.6 - разрез по линии VI-VI на фиг.5.
Фиг.7 - схематическое изображение третьего устройства, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.8 - схематическое изображение четвертого устройства, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.9а, 9b и 9с - диаграммы, иллюстрирующие получение оксида углерода при использовании устройства, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг. 10 - таблица, в которой приведен типичный покомпонентный состав газообразных топлив для газотурбинных двигателей.
Описанное ниже устройство обогащает подводимое газообразное топливо для газотурбинного двигателя, включающее метан, продуктами частичного сгорания части этого подводимого топлива, включающими промежуточные продукты сгорания, в частности оксид углерода. Высокая скорость распространения пламени оксида углерода способствует поддержанию пламени горения при последующем сжигании обогащенного топлива в газотурбинном двигателе. Кроме того, оксид углерода является особенно подходящим для поддерживания пламени на границе между высоким и низким расходами, т.е. окись углерода характеризуется высоким сопротивлением возмущениям. Это свойство является желательным для предотвращения срыва пламени при горении в газотурбинном двигателе.
Первое устройство, представленное на фиг.1-4, содержит средства 2 для подачи топлива, например трубопровод для подачи топлива под высоким давлением, включающего метан, средства (3) подвода окислителя, например подводящие трубы для впуска воздуха, средства для сжигания, например горелку 1, жаровую трубу 10 и воспламенитель 9. Подводящие трубы являются механической опорой для горелки 1. В качестве альтернативы могут быть использованы отдельные поддерживающие распорки. Топливо, включающее метан, протекает по трубопроводу для подачи топлива в направлении, показанном стрелкой 14, для питания топливом газотурбинного двигателя. Горелка 1 включает передний дисковый элемент 6, радиальный завихритель 5, содержащий завихряющие каналы 5а (см. фиг.4), и предкамеру 7.
Топливо, включающее метан, поступает с левой стороны на фиг.1 и проходит между подводящими трубами, предназначенными для впуска воздуха. Некоторая часть топлива поступает в каналы 5а завихрителя, при прохождении которых оно перемещается радиально внутрь в направлении предкамеры 7. Остальная часть топлива продолжает протекать по трубопроводу для подачи топлива и достигает жаровой трубы 10.
Воздух подводится по подводящим трубам и инжектируется через отверстия 4, имеющиеся в задней поверхности дискового элемента 6. Топливо и воздух перемешиваются в завихренном потоке внутри предкамеры 7 таким образом, что в центральной области потока на удалении от стенок предкамеры 7 образуется горючая смесь.
Полученная горючая смесь поступает в жаровую трубу 10. Воспламенитель 9 инициирует первоначальное горение (пламя показано на фиг.1 позицией 8). После этого горение проходит в режиме самоподдерживания. Образование горючей смеси в центральной зоне предкамеры 7 на удалении от стенок предкамеры 7 способствует тому, чтобы горячие благодаря пламени 8 газы не контактируют со стенками жаровой трубы 10 и поэтому не повреждают их тепловым воздействием. Кроме того, в стенках жаровой трубы 10 выполнены отверстия 11 для эффузионного охлаждения, позволяющие некоторому количеству из вышеупомянутой оставшейся части топлива (несжигаемой части топлива) проходить через трубу 10 (см. стрелки 21) с тем, чтобы отводить теплоту, излучаемую пламенем 8 на трубу 10.
Подача воздуха через подводящие трубы организована таким образом, чтобы она была достаточной для полного сгорания топлива, с которым этот воздух смешивается в предкамере 7. Другими словами, подача воздуха обеспечивается такой, чтобы смесь воздуха с топливом в предкамере 7 представляла собой топливо, богатое в такой степени, чтобы внутри жаровой трубы 10 происходило лишь частичное сгорание топлива. Это частичное сгорание приводит к получению промежуточных продуктов сгорания, в частности оксида углерода. Недостаточный подвод воздуха, кроме того, приводит к тому, что горение внутри трубопровода для подачи топлива не становится неконтролируемым процессом.
Горение внутри жаровой трубы 10 ослабляется за счет струй 12 для разбавления, сформированных частью топлива, не подверженной сжиганию, проходящих через гасящие отверстия 13, имеющиеся в жаровой трубе 10. Подача разбавляющих струй также содействует тщательному перемешиванию несгоревшего топлива с продуктами частичного сгорания, включающими оксид углерода. Ослабление горения с помощью струй 12 для разбавления минимизирует производство нежелательных промежуточных продуктов сгорания, а именно углерода и сажи (образование углерода происходит в больший период времени по сравнению с оксидом углерода). Перемешивание горячих продуктов частичного сгорания с несжигаемым топливом охлаждает продукты сгорания, предотвращая их слишком сильный нагрев.
Полученное топливо, содержащее метан и обогащенное оксидом углерода, затем подается в газотурбинный двигатель. Как объяснялось выше, оксид углерода создает эффект стабилизации процесса горения в газотурбинном двигателе. Цель заключается в том, чтобы смесь воздух/топливо, частично сжигаемая в жаровой трубе 10, была такой, чтобы произвести максимальное количество оксида углерода.
На фиг.9а, 9b и 9с представлены диаграммы, иллюстрирующие образование оксида углерода (в мольных долях) для различных эквивалентных отношений (ЭО) компонентов смеси и давлений. Диаграмма на фиг.9а построена для температуры топлива, включающего метан 300К (149°С); диаграмма на фиг.9b - для температуры топлива равной 400К (204°С), а диаграмма на фиг.9с - для температуры топлива 500К (260°С). Эквивалентное отношение содержаний компонентов смеси воздух/топливо (ЭО) определяется как отношение топлива к воздуху в смеси, разделенное на так называемую стехиометрическую величину. Указанная стехиометрическая величина представляет собой соотношение топливо/воздух, которое обеспечивает полное сгорание (в отличие от частичного сгорания). Таким образом, смесь, богатая топливом, характеризуется величиной ЭО больше единицы. Давления на диаграммах относятся к давлению топлива, включающего метан, в трубопроводе для подачи топлива.
Как видно, смесь воздуха и топлива при величине ЭО, составляющей примерно от 2 до 3,5, имеет тенденцию к максимальному производству оксида углерода в интервале температур от 149 до 260°С.
Второе воплощение устройства, представленное на фиг.5 и фиг.6, выполнено таким же, как и первое, за исключением того, что круговая центральная часть 16 переднего дискового элемента 6 горелки 1 выполнена с уменьшенной в некоторой степени толщиной и образованным вокруг неё кольцевым зазором 23. Центральная часть 16 удерживается внутри дискового элемента 6 с помощью опорных звеньев 31 (см. фиг.6). Топливо 15 ударяется о переднюю поверхность центральной части 16 и охлаждает ее перед тем, как оно проходит через кольцевой зазор 23 и перемешивается с воздухом в предкамере 7. В качестве альтернативы кольцевому зазору, окружающему центральную часть 16, в теле центральной части 16 могут быть выполнены сквозные отверстия. В этом случае топливо прежде чем оно будет проходить через эти отверстия и перемешиваться с воздухом в предкамере 7, будет ударяться о переднюю поверхность центральной части 16 и охлаждать ее.
На фиг.7 представлено третье воплощение устройства, которое выполнено таким же, как и первое, за исключением того, что жаровая труба 10 в качестве ее продолжения дополнена экранирующим удлинителем 17. Экранирующий удлинитель 17 имеет достаточную длину, чтобы обеспечить полное перемешивание струями 12 для разбавления несжигаемого топлива с продуктами частичного сгорания, полученными в жаровой трубе 10. Наличие экранирующего удлинителя 17 обеспечивает то, что «горячие точки» продуктов частичного сгорания не достигнут стенок трубопровода, что могло бы ослабить стенки, способствовать их коррозии и прожогу.
На фиг.8 представлено четвертое воплощение устройства, которое выполнено таким же, как и третье, за исключением того, что выше по потоку от горелки 1 дополнительно установлен вихревой диод 18 в целях значительного уменьшения проходного сечения канала выше по потоку от места пульсаций давления и/или шума, возникающего при горении, производимого устройством, например, для того, чтобы избежать распространение возмущения от такого же устройства, подсоединенного к одному и тому же топливному коллектору 19.
В устройстве, описанном выше в качестве примера, радиальный завихритель смешивает часть подачи газообразного топлива с воздухом так, чтобы создать смесь, богатую топливом, для частичного сжигания. Следует принять во внимание, что нет необходимости осуществлять это перемешивание именно с использованием радиального завихрителя. Например, перемешивание можно осуществлять с помощью осевого завихрителя или с помощью перемешивающего устройства, отличающегося от завихрителя.
Устройство, описанное выше в качестве примера, обогащает оксидом углерода чистый метан, используемый в качестве топлива для газотурбинного двигателя. Конечно, при практическом коммерческом использовании устройства обогащаемым топливом газотурбинного двигателя не может быть чистый метан, а может быть использовано промышленное топливо газотурбинного двигателя. Ниже приведены примеры трех промышленных топлив для газотурбинного двигателя: биогаз, природный газ Великобритании и нефтезаводской газ. В таблице на фиг. 10 приведены типичные покомпонентные составы трех этих топлив. Количества в таблице даны в объемных процентах.
В устройстве, описанном выше в качестве примера, часть газообразного топлива отбирают, частично сжигают и затем перемешивают с остальной, не сжигаемой частично частью с получением конечного топлива. Частичное сжигание регулируют так, чтобы активизировать получение промежуточного продукта сгорания - оксида углерода с тем, чтобы конечное топливо было обогащено оксидом углерода, что позволяет повысить стабильность процесса горения. Однако необходимо принимать во внимание, что частичное сжигание топлива можно регулировать с целью активизирования процесса получения промежуточного продукта сгорания, отличающегося от оксида углерода, также обеспечивающего повышение стабильности горения. Следует понимать, что задача частичного сжигания заключается в том, чтобы обеспечить промежуточные продукты сгорания, в которых располагаемые химические валентные связи не полностью насыщены. Такие продукты характеризуются высокой химической активностью (реакционную способность) и, следовательно, имеют высокие скорость распространения пламени и сопротивление возмущениям (см. упоминание об этом ранее в отношении оксида углерода). Кроме того, такие продукты способны также ослаблять или "захватывать" связи молекул несгоревшего топлива, повышая химическую активность этих молекул. Помимо того, необходимо отметить, что конечное обогащенное топливо вследствие частичного сгорания находится при повышенной температуре. Эта повышенная температура также повышает химическую активность топлива.
2
Следует также понимать, что настоящее изобретение создает желательный эффект восстановления определенного количества связанного азота, присутствующего в составе топлива, посредством восстановления связанного азота до азота N. Хотя газообразное топливо обычно содержит весьма незначительное количество связанного азота, восстановление определенного количества связанного в топливе азота полезно при стремлении получить сверхнизкий- или крайне низкий выход из топлива веществ, загрязняющих атмосферу.
Устройство, описанное выше в качестве примера, обогащает газообразное топливо, предназначенное для подачи в газотурбинный двигатель. Следует принимать во внимание, что настоящее изобретение может быть использовано для обогащения газообразного топлива и для подачи в поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором требуется или желательно увеличить скорость сгорания топлива в двигателе.