Способ сжигания смесей горючего с газообразным окислителем и устройство для его осуществления
METHOD FOR COMBUSTION OF MIXTURES OF FUEL WITH GASEOUS OXIDANT AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способам сжигания смесей газообразного или распыленного жидкого или твердого топлива с воздухом или другим газообразным окислителем и к устройствам для осуществления сжигания таких смесей в промышленности и бытовых установках. Изобретение может быть использовано при создании оборудования для котельных и систем горячего водоснабжения, в установках по переработке и утилизации бытовых и промышленных отходов, в энергетических установках и газотурбинных двигателях, в машиностроении и металлургии.
Процесс горения смесей топлива с воздухом - один из основных источников энергии для человечества. Энергопотребление человечества постоянно растет, при этом нарастают экологические проблемы. Вопросы интенсификации производства энергии и вопросы улучшения экологических характеристик энергопроизводящих установок весьма актуальны. Для газообразного топлива в настоящее время в большинстве случаев используются два режима сжигания: факельный процесс горения в свободной струе и поверхностное горедие в радиационных инфракрасных (ИК) горелках на поверхности проницаемой матрицы. Для сжигания распыленного жидкого и твердого топлива используется только режим факельного горения в свободной струе.
В известных радиационных (излучающих) ИК горелках используется поверхностный режим горения только газовых смесей (см., например, Shmelev V. Radiation Efficiency of Surface Burning on a Foam Metal Matrix with Ceramic Coating. Energy and Power Engineering. 2017, №9, p.366-385; Василик H.Я. и др. Использование матриц из проницаемого проволочного материала в инфракрасных горелочных устройствах. Химическая физика. 2017, т.36, №11, с. 34-38; Беспламенная панельная горелка Гипронефтемаша. Журнал «ПроНПЗ» Нефтепереработка. 2019. Доступно по ссылке: https://pronpz.ru/pechi/gorelki.html). Горение смесей горючих газов с воздухом в ИК горелках происходит вблизи поверхности проницаемой матрицы. Проницаемая матрица -пластина со сквозными порами или каналами, по которым проходит смесь воздуха и горючего газа. Горение газо-воздушной смеси происходит вблизи той поверхности проницаемой матрицы, через которую осуществляется выход газовой смеси из матрицы. Зона химической реакции, или зона горения, в ИК горелке находится на таком расстоянии от проницаемой матрицы, где имеет место заметный теплообмен между зоной химической реакции и поверхностью проницаемой матрицы. Размер пор или каналов в матрице выбирается таким образом, что горение внутрь матрицы проникнуть не может, так как диаметр каналов выбирается меньше критического диаметра горения.
Режим поверхностного горения, используемый в известных ИК горелках, имеет ряд преимуществ перед факельным. При сгорании газовоздушных смесей в режиме поверхностного горения за счет предварительного нагрева горючей смеси в каналах проницаемой матрицы достигается лучшая полнота сгорания, возможно сжигание горючих газов с низкой калорийностью (например, биогаз, продукты пиролиза и т.д.), расширяются концентрационные пределы горения (Родин А.К. Газовое лучистое отопление. Л.: Недра. 1987, 191 с). В режиме поверхностного горения можно реализовать более эффективное преобразование химической энергии топлива в энергию излучения, проводить процесс горения с меньшим количеством выбросов токсичных компонентов (окислов азота, моноксида углерода) в продуктах сгорания
Однако поверхностный режим горения в основном используется в бытовых горел очных устройствах или устройствах сравнительно небольшой мощности. Это связано с проблемами, возникающими при интенсификации процесса горения в ИК горелках. Поэтому мощные тепловые потоки реализуются при факельном режиме горения. Возможности интенсификации поверхностного режима горения в ИК горелках ограничены как теплопроводностью, жаростойкостью и жаропрочностью материалов, из которых изготавливаются проницаемые матрицы горелочных устройств, так и газодинамической устойчивостью режима поверхностного горения. При значениях удельной мощности горения, когда скорость движения газового потока на выходе из проницаемой матрицы превышает скорость горения газовой смеси, происходит отрыв зоны горения от поверхности матрицы. При таких условиях с увеличением мощности горения над поверхностью матрицы могут возникнуть зоны с факельным режимом горения, но переход к факельному режиму сопровождается ухудшением экологических характеристик процесса и уменьшением радиационного КПД горелки.
Для повышения эффективности поверхностного режима горения в ИК горелках предложено вводить в их конструкцию теплопроводящие (рекуперативные) элементы (Василик Н.Я., Шмелев В.М. Горение смесей природного газа с воздухом на поверхности рекуперационной матрицы. Горение и взрыв. 2017, Т.10, №2, с. 4-8; A. Kozlov, V. Shmelev, N. Vasilik et al. Radiant infrared gas burner. US 2019049108 (A1), опубл. 14.02.2019, дата приоритета 05.02.2016). Такие известные ИК горелки содержат кроме матрицы из проницаемого материала множество рекуперативных (теплопроводящих) элементов с теплопроводностью выше, чем у материала проницаемой матрицы, находящихся в тепловом контакте с материалом проницаемой матрицы. Проницаемая матрица образует поверхность зоны горения, в которую поступает предварительно нагретая при движении сквозь проницаемую матрицу газовая смесь. Газовая смесь сгорает на выходе или вблизи выхода из пор или каналов над поверхностью проницаемого материала матрицы и догорает между рекуперативными элементами, выступающими над поверхностью горения.
На рис. 1 приведена схема известных излучающих ИК горелок с проницаемой матрицей и рекуперативными элементами, где 1 - корпус горелки, 2 - смеситель, 3 -распределитель потока газовой смеси, 4 - проницаемая матрица, 5 - система рекуперативных элементов, 6 - расходомер газа, 7 - расходомер воздуха, 8 - термопара, 9 - преобразователь сигнала термопары, 10 - газоанализатор, 11 - ИК пирометр.
В работе: Василик Н.Я., Шмелев В.М. Инфракрасное горелочное устройство с проволочной матрицей и рекуперативными элементами. Горение и взрыв. 2019, Т. 12, №3, с. 3-8 проведены детальные экспериментальные исследования процесса сжигания смесей пропан-бутана с воздухом на ИК горелке с проницаемой проволочной матрицей и на такой же ИК горелке, но оснащенной рекуперативными теплопроводящими элементами, находящимися в тепловом контакте с материалом проницаемой матрицы. Результаты испытаний показали, что конструкция ИК горелки с рекуперативными элементами обеспечивает более устойчивую работу в режиме поверхностного горения для значений удельной мощности горения на единицу площади поперечного сечения потока продуктов сгорания до 0,5 МВт/м, что выше, чем у ИК горелок с керамическими проницаемыми матрицами или панелями и металлическими матрицами без рекуперативных элементов, но остается значительно меньшим, чем в современных горелках с факельным режимом горения - 5 МВт/м (Двухблочные горелки для газообразных и жидких топлив. 2019. OILONOY. Lahti. Finland). При этом важно отметить, что экологические характеристики ИК горелок поверхностного режима горения с рекуперативными элементами по выбросам окислов азота в три-четыре раза лучше, чем у современных горелок с факельным режимом горения.
Задачей изобретения является разработка такого способа сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, который будет обладать высокой экологичностью по выбросам окислов азота и угарного газа, и в то же время будет обеспечивать высокие значения удельной мощности горения при устойчивом режиме горения.
Задачей изобретения является также создание радиационной инфракрасной горелки для осуществления предлагаемого способа сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, которая обеспечит устойчивый режим горения, в том числе, при скоростях движения горючей смеси больше нормальной скорости горения данной горючей смеси, что позволит повысить удельную мощность горения, и при этом будет обеспечено уменьшение выбросов окислов азота и угарного газа.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, характеризующимся тем, что предварительно перемешанную смесь горючего с газообразным окислителем подают в горелку, содержащую систему теплопроводящих элементов из жаростойкого, жаропрочного материала с теплопроводностью не менее теплопроводности жаростойкой, жаропрочной стали, расположенных в зоне интенсивного теплообмена с зоной горения, воспламеняют на выходе из системы теплопроводящих элементов, прогревают систему теплопроводящих элементов теплом от зоны горения, вызывая перемещение зоны горения внутрь системы теплопроводящих элементов, и продолжают сжигание смеси горючего с окислителем внутри системы теплопроводящих элементов, в том числе, при скорости движения смеси больше нормальной скорости горения данной смеси, при этом смесь горючего с окислителем воспламеняется от нагретых теплопроводящих элементов.
В качестве газообразного окислителя можно использовать воздух.
Решение поставленной задачи достигается также конструкцией предлагаемой радиационной инфракрасной горелки для сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, включающей смеситель и систему теплопроводящих элементов из жаростойкого, жаропрочного материала с теплопроводностью не менее теплопроводности жаростойкой, жаропрочной стали, расположенных в зоне интенсивного теплообмена с зоной горения, при этом расстояние между теплопроводящими элементами больше критического диаметра горения смесей горючего с окислителем и составляет не менее 2 мм для газообразного горючего и не менее размера частиц жидкого или твердого распыленного горючего.
Теплопроводящие элементы могут быть выполнены из жаростойкой, жаропрочной стали.
Теплопроводящие элементы могут быть покрыты керамической жаростойкой пленкой.
Система теплопроводящих элементов может состоять из двух и более слоев, причем в каждом последующем слое расстояние между теплопроводящими элементами может увеличиваться.
Между слоями теплопроводящих элементов может устанавливаться стабилизирующая горение сетка.
Стабилизирующая горение сетка может быть покрыта керамической жаростойкой пленкой.
Система теплопроводящих элементов может быть выполнена в виде набора пластин, геометрические параметры которых могут изменяться в следующих пределах: ширина от 5 до 500 мм, толщина от 0,1 до 15 мм, при этом длина пластин определяется размерами горелки и системой крепления пластин.
Система теплопроводящих элементов может быть выполнена в виде набора колец или набора замкнутых конструкций из лент любой формы, геометрические параметры которых могут изменяться в следующих диапазонах: ширина от 5 до 500 мм, толщина от 0,1 до 10 мм.
Схема заявляемой радиационной ИК горелки для реализации предлагаемого способа сжигания смесей горючего с газообразным окислителем приведена на рис. 2, где 1 - корпус горелочного устройства, 2 - смеситель, 3 - распределитель потока горючего, перемешанного с газообразным окислителем, 4, 5 - система теплопроводящих элементов (два слоя), 6 - расходомер горючего, 7 - расходомер газообразного окислителя, 8 - термопара для измерения температуры нижней поверхности теплопроводящих элементов, 9 - преобразователь, 10 - газоанализатор, включающий термопару для измерения температуры продуктов сгорания, 11 - ИК пирометр для измерения температуры поверхностей теплопроводящих элементов и других деталей горелки.
Предлагаемая конструкция радиационной ИК горелки и применение для изготовления теплопроводящих элементов (ТЭ) современных жаростойких, жаропрочных материалов, обладающих высокой теплопроводностью (например, фехраль с покрытием из оксида алюминия), позволило реализовать неизвестный ранее режим горения - армированное горение, то есть горение внутри системы ТЭ. Устойчивый режим горения с высокими значениями удельной мощности и хорошими экологическими характеристиками в радиационной ИК горелке, реализующей предлагаемый способ армированного горения, достигается за счет потока тепла, передаваемого ТЭ, расположенными в зоне интенсивного теплообмена с зоной горения, от зоны горения и продуктов сгорания к свежей горючей смеси, поступающей в горелочное устройство. При контакте свежей горючей смеси с нагретыми ТЭ обеспечивается ее надежное воспламенение, так как температура поверхности ТЭ превышает температуру самовоспламенения данной смеси (Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М., МГУ, 1957, с. 96). Режим армированного горения позволяет реализовать устойчивый процесс горения при скоростях движения топливной смеси в горелке, превышающих нормальную скорость горения данной горючей смеси, нагретой до температуры воспламенения. Режим армированного горения позволяет увеличить удельную мощность горения и сжигать в радиационных ИК горелках не только горючие газы, но и двухфазные или многофазные смеси горючего с газообразным окислителем. В режиме армированного горения достигаются хорошие экологические характеристики при сохранении высоких значений КПД горелки. Удельная мощность горения на единицу площади поперечного сечения потока горючей смеси в ИК горелке предлагаемой конструкции может достигать значений, характерных для современных газовых горелок с факельным режимом горения.
Благодаря режиму армированного горения в предлагаемом способе можно сжигать как «бедные», так и «богатые» топливные смеси (коэффициент избытка воздуха от 0,25 до 2,0). При сжигании «богатых» смесей углеводородов в процессе горения образуется синтез-газ.
Предлагаемый способ позволяет уменьшить выбросы окислов азота и угарного газа при любых значениях температуры горения и температуры продуктов сгорания, но наилучшие экологические характеристики достигаются в случае, когда температура продуктов сгорания во всех областях зоны горения не превышает значений 1700°С, при которых начинается интенсивное образование окислов азота (Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М., Наука, 1966, 688 с), и не падает ниже 1000°С, что обеспечивает окисление компонентов горючего с максимальной полнотой (Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Химические процессы в газах. М., Наука. 1981, 262 с).
Геометрические размеры системы ТЭ зависят от размеров горелки. Например, расстояние между ТЭ для крупных горелок может достигать 200 мм, ширина пластин или лент, составляющая высоту слоя ТЭ, может достигать 500 мм.
Предлагаемый способ сжигания смесей горючего с газообразным окислителем осуществляли следующим образом.
Для реализации предлагаемого способа использовали заявляемую радиационную ИК горелку (рис. 2). В качестве горючего использовали природный газ, в качестве газообразного окислителя - воздух. Система теплопроводящих (рекуперативных) элементов включала от одного до пяти слоев пластин (см. рис 3, 4 и 5), На рис. 3 представлена фотография горелки с одним слоем ТЭ с шириной пластин (ТЭ) 32 мм, расстояние между ТЭ 4 мм. На рис. 4 представлена та же горелка при горении в ней природного газа, удельная мощность горения 3,06 МВт/м2 (опыт 2 в таблице).
2
2
Горелка на рис. 5 имеет пять слоев пластин (ТЭ) разной ширины (высоты слоя), мм: 32; 43; 8; 8; 8, представлена при горении в ней природного газа, удельная мощность горения 5,3 МВт/м (опыт 7 в таблице). Пластины (ТЭ) были изготовлены из фехраля ПХ25Ю6, разработанного в ЦНИИчермет им. И.П. Бардина (Скачков О.А., Макаревич О.Н., Пожаров СВ., Демин Ю.Н. Способ получения порошка дисперсно-упрочненной ферритной стали. RU 2460611, опубл. 10.09.2012). Рабочая температура этого материала 1400°С. На поверхность пластин наносили защитное керамическое покрытие из оксида алюминия толщиной до 100 мкм, используя многокамерную детонационную установку (Василик Н.Я., Колисниченко О.В., Тюрин Ю.Н. Способ газодинамического детонационного ускорения порошков и устройство для его осуществления. RU 2506341, опубл. 10.02.2014). Изготовленные таким образом пластины (ТЭ) длительное время работали без изменения свойств в тепловом контакте с зоной горения природного газа с воздухом. Температура поверхности ТЭ достигала 1450°С. Расстояние между ТЭ в первом слое пластин составляло от 2 мм до 5 мм, в следующих слоях со второго по пятый - 8 мм, ширина пластин, составляющая высоту данного слоя ТЭ, изменялась от 5 мм 43 мм, толщина пластин составляла от 0,1 до 1 мм. Площадь поперечного сечения газового потока смеси горючего с воздухом 30 см (определяется размером горелки). Состав смеси природного газа с воздухом и объемный расход газа и воздуха контролировался с помощью расходомеров, коэффициент избытка воздуха в газовой смеси изменялся от 1,2 до 1,68. Температура продуктов сгорания не превышала 1600°С и не опускалась ниже 1000°С. Часть полученных результатов испытаний представлена в таблице.
2
В эксперименте с максимальным значением удельной мощности горения 5,3 МВт/м (опыт 7) (коэффициент избытка воздуха 1,6) усредненное по сечению газового потока значение скорости газо-воздушной смеси перед воспламенением достигало значений более 9,5 м/с, что и обеспечивало высокое значение мощности горения. Следует заметить, что нормальная скорость горения такой смеси (коэффициент избытка воздуха 1,6) при начальной температуре 600°С (температура самовоспламенения данной смеси природного газа и воздуха) менее 2 м/с (Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М. МГУ, 1957, 450 с), то есть режим армированного горения обеспечивает устойчивый режим горения при скорости движения данной газовой смеси в 4,5 раза больше, чем нормальная скорость горения этой смеси. В известных ИК горелках при высоких скоростях газового потока зона горения «отрывается» от поверхности проницаемой матрицы, и горение прекращается или продолжается в режиме факельного горения в струе. При горении в факельном режиме экологические характеристики горелки ухудшаются, и уменьшается радиационный КПД.
Как видно из приведенных данных, минимальная концентрация окислов азота в продуктах сгорания составляет 5,1 ppm (опыт 5), что в 10-12 раз меньше, чем в современных горелках с факельным режимом горения. Выбросы угарного газа также значительно меньше, чем при факельном сжигании газа.
При использовании предлагаемой радиационной инфракрасной горелки для сжигания жидкого или твердого топлива применяются известные смесители и распылители горючего.
Таким образом, предлагаемый способ сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, в котором осуществляется режим армированного горения, обеспечивает высокие значения удельной мощности горения при устойчивом режиме горения и обладает высокой экологичностью по выбросам окислов азота и угарного газа. Заявляемая радиационная ИК горелка для осуществления предлагаемого способа сжигания смесей горючего с газообразным окислителем обеспечивает устойчивый режим горения, в том числе, при скоростях движения горючей смеси больше нормальной скорости горения данной горючей смеси, что позволяет повысить удельную мощность горения. Предлагаемая конструкция горелки позволяет сжигать в радиационных (излучающих) ИК горелках двухфазные и многофазные смеси топлива с воздухом, что не удавалось ранее на известных радиационных горелках. Заявляемая горелка является высоко экологичной.