СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F23C11/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при сжигании газообразных топлив.

Известен способ сжигания топлива путем его смешивания с частью воздуха и подачи остального воздуха в виде нескольких воздушных струй с расходом воздуха в каждой последующей струе, превышающим расход в предыдущей [1] .

Известен способ сжигания газообразного топлива путем подачи в зону горения части топлива для формирования основного факела, а остальной части топлива в смеси с воздухом - отдельными струями, равномерно распределенными между струями основного факела [2] .

К недостаткам данных способов следует отнести низкую эффективность подавления процессов образования вредных примесей в продуктах сгорания, сложность технической реализации способов.

Известен способ сжигания газа путем подачи в зону горения смеси и рециркуляции в корневую часть факела горячих продуктов сгорания [3] .

Недостатком данного способа является неустойчивость процесса pециpкуляции продуктов сгорания, низкая эффективность подавления процессов образования оксидов азота в продуктах сгорания.

Наиболее близким к изобретению является принятый за прототип способ сжигания газа [4] .

По этому способу в зону горения подают несколькими ярусами встречные газовоздушные потоки, вводят над ними встречными струями вторичный воздух и дополнительно в зону горения вводят газы рециркуляции, причем одну часть газов рециркуляции предварительно смешивают с прямоточными струями вторичного воздуха, а другую подают вокруг всех прямоточных его потоков.

Недостатки этого способа следующие: сложность организации процесса, заключающуюся в необходимости создания встречных закрученных струй воздуха; низкая эффективность подавления процессов образования оксидов азота из-за большого (по сравнению с обычными способами сжигания газа) времени пребывания газов в зоне высоких температур (время пребывания в зоне высоких температур увеличивается за счет закрутки потоков и встречных течений); необходимость дополнительного распыливания воды, на испарение которой затрачивается часть теплоты сгорания топлива и поэтому снижается количество полезно используемого тепла.

Целью изобретения является снижение содержания оксидов азота в продуктах сгорания.

Цель достигается тем, что в отличие от известного способа, заключающегося в подаче несколькими ярусами встречных газовоздушных потоков, введении над ними встречными струями вторичного воздуха и дополнительном введении в зону горения газов рециркуляции при предварительном смешивании части газов рециркуляции с прямоточными струями вторичного воздуха и подаче другой части газов рециркуляции вокруг всех прямоточных потоков вторичного воздуха, газы рециркуляции вводят в газовый поток предварительно пеpед его смешиванием с воздушным потоком.

Сжигание газа осуществляют в устройстве, содержащем установленную с кольцевым зазором по оси газоподводящего корпуса воздухоподводящую трубу, снабженную коаксиально размещенными вокруг нее и один вокруг другого газовыми насадками с выпускными отверстиями на боковой поверхности, насадками подачи газов рециркуляции и патрубками на боковой поверхности насадка подачи газа, причем патрубки выведены в отверстия.

На чертеже приведен общий вид устройства для реализации способа сжигания газа.

В горелку, содержащую газоподводящий корпус 1, газовые насадки 2 и 3 с па- трубками 4 и отверстиями 5, воздухоподводящую трубу 6, выходные каналы для газа 7 в газоподводящем корпусе, через патрубок 8 подают газ. Одновременно подают воздух в воздухоподводящую трубу и кольцевой зазор. Зажигают топливную смесь и часть образующихся продуктов сгорания (газы рециркуляции) подают в насадок подачи газов рециркуляции 2, осуществляя при этом подачу газа в насадок для газа 3.

Работает горелка следующим образом.

Газ, подаваемый в газоподводящий корпус 1, выход струями в кольцевой зазор между воздухоподводящей трубой с насадками и корпусом 1, где смешивается с поступающим в кольцевой зазор воздухом. Образовавшуюся горючую смесь поджигают с помощью зажигалки. Продукты сгорания частично (известное соотношение 15-30% ) направляют в насадок 2 для подачи газов рециркуляции и одновременно подают газ в насадок 3. Газ через патрубки 4 выходит в кольцевой зазор, сюда же поступают через отверстия 5 и газы рециркуляции. Часть газов рециркуляции смешивается с газом, поступающим из патрубков 4, а другая часть смешивается с воздухом и газом, поступающим из газоподводящего корпуса 1. Образуется смесь с недостатком воздуха, при горении которой выгорает часть газа, так как кислорода, содержащегося в смеси, недостаточно для окисления всего газа. Поскольку практически весь кислород расходуется на окисление газа, то в этом случае образование оксидов азота значительно снижается.

Воздух, подаваемый в воздухоподводящую трубу 6, на выходе из горелки экранируется газами рециркуляции от горящей по периферии горелки смеси и проходит центральной струей в зону, где смешивается с недогоревшим в первой зоне газом, продуктами сгорания, газами рециркуляции. Образуется вторая зона горения, где и происходит дожигание оставшегося газа.

Известно, что для устойчивого зажигания и горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы смесь имела определенные концентрационные пределы. Например, концентрационные пределы в воздушных смесях природного газа (Саратовского) 5,1-12,1 об. % . Таким образом для создания горючей смеси необходимо осуществлять перемешивание 1 ч. газа с 8-20 ч. воздуха. Равномерное смешивание горючих компонентов в таких соотношениях и за весьма короткое время (скорости подачи горючих в камеру горелки в среднем составляют 30-50 м/с) представляет особую проблему. Образование горючей смесь происходит обычно в два этапа: первичное смешивание газа и воздуха в горелке; смешивание в самой топочной камере.

Роль первичного смешивания является определяющей, поскольку оно должно обеспечить необходимое минимальное концентрационное соотношение (для Саратовского газа 5,1% ) горючих компонентов. В противном случае не будет происходить воспламенения смеси. Смешивание в самой топочной камере определяется интенсивностью процессов тепло- и массообмена в факеле, которые могут быть интенсифицированы за счет повышения турбулентности в потоках и другими способами. В то же время высокая турбулентность необходима лишь в ядре факела, а у устья горелок для возможности воспламенения необходимо иметь умеренную турбулентность, что накладывает ограничения на возможность смесеобразования в факеле. Вследствие этого необходимо добиваться наиболее полного смешивания на первом этапе, т. е. в горелке.

Очевидно, что равномерное смешивание газовых компонентов происходит наиболее быстро в случае, когда в пространстве они занимают равные объемы. Действительно, если, например, в объеме 1 м³воздух занимает 0,5 м³ и газ 0,5 м³ и разделены непроницаемой перегородкой, то после удаления перегородки каждому компоненту необходимо определенное время для распространения на весь объем, т. е. на остальные 0,5 м³ для создания равноконцентрационной по объему смеси. Если газ занимает, например, 0,1 м², а воздух - 0,9 м³, то газу потребуется значительно больше времени, чтобы распространиться на 0,9 м³, чем за 0,5 м³, а время образования однородной смеси определяется максимальным временем перемешивания, т. е. распространения газа на весь объем.

Добавление в сжигаемый газ, а не в воздух газов рециркуляции позволяет уменьшить разницу (или выровнять объемы) между объемами смешиваемых потоков газов и воздуха и тем самым улучшить перемешивание.

Известно, что скорость образования закиси азота определяется так:
= exp- O₂·Nexp- (1) где τ - время, с;
N₂, О₂, NO - концентрация азота, кислорода и закиси азота, г-моль/л.

Из выражения (1) cледует, что для уменьшения образования оксидов азота необходимо снижать температуру в топке, уменьшать концентрацию кислорода в зоне реагирования и сокращать время пребывания газов в зоне высоких температур.

Подача газов рециркуляции в газовый поток позволяет организовать двухступенчатый процесс горения, в результате чего снижается уровень температур, поскольку зона горения увеличивается в объеме и снижается количество тепла, выделяющееся в результате горения в единице объема. Уменьшается также и концентрация кислорода в зоне реагирования, так как сама зона увеличивается в размерах. Все это приводит к снижению содержания оксидов азота в продуктах сгорания.

Известно, что снижение подогрева воздуха является эффективным средством снижения выбросов NO_х при сжигании газа. В нашем случае подогрев воздуха исключен, вместо этого производится подогрев газа за счет теплообмена с газами рециркуляции, что повышает устойчивость процесса горения и снижает образование NO_х.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство для сжигания газа позволяют при сжигании снизить содержание оксидов азота в продуктах сгорания.

П р и м е р 1. В горелку, содержащую газоподводящий корпус 1, газовые насадки 2 и 3 с патрубками 4 и отверстиями 5, воздухоподводящую трубу 6, выходные каналы для газа 7, через патрубок 8 подают природный газ, содержащий в основном пропан в количестве 0,001 м³/с. Как известно для полного сгорания 1 м³ пропана необходимо 23,8 м³ воздуха. В то же время воздушная смесь пропана устойчиво воспламеняется при содержании пропана в смеси в пределах 2,4-9,5 об. % , т. е. на 1 м³ пропана приходится 4,6 м⁴ - 9,52 м³ воздуха. За пределами данных концентрационных величин смесь не горит. Исходя из этого через патрубок в кольцевой зазор подают воздух с расходом:
G_{воздуха}= 0,001м³/c·23,8= 0,00952м³/c (2)
Зажигают топливную смесь. При таких расходах воздуха пропан сгорает, поскольку для его полного сгорания необходимо было бы подавать воздух в следующем количестве:
Gп.с.возд

_уха= 0,001м³/c·23,8= 0,00238м³/c (3) Одновременно подают воздух в воздухоподводящую трубу 6 с расходом равным
G = G G_возд.= 0,0238-0,00952= 0,0143м³/c (4)
Не сгоревший в первой зоне пропан догорает во второй зоне, куда поступает воздух из воздухоподводящей трубы 6. В первой зоне сгорает пропана _=4·10-4_м3_/c (5)
Продуктов сгорания образуется 25,8м³/м³·4·10^-4м³/c= 0,010м³/c (6)
Таким образом во вторую зону горения поступает следующее количество газов: 0,01м³/c+0,0143м³/c+0,0006м³/c= 0,0249м³/c (7)
Концентрация пропана в смеси составит
0,0006 м³/с : 0,0249 м³/с˙100% =
= 2,41 об. % что входит в концентрационные пределы 2,4-9,5% . Поэтому во второй зоне будет устойчивое горение.

Далее осуществляют рециркуляцию части продуктов сгорания, которые подают в насадок 2 в количестве
G_{рециркул.}= 0,00387м³/c (8)
Такое количество газов рециркуляции (продуктов сгорания) определено оптимальными их количеством с точки зрения снижения выбросов оксидов азота (15-30% ). Одновременно через насадок 3 подают газ расходом, равным расходу газов рециркуляции, т. е.

G_газа= 0,00387м³/c (9) При этом увеличивают расход воздуха через воздухоподводящую трубу на величину
0,00387м³/c·23,8м³/м³= 0,0921м³/c (10) Таким образом общий расход воздуха через воздухоподводящую трубу составит величину
0,0921м³/c+0,0143м³/c= 0,106м³/c (11) Во вторую зону горения поступает следующее количество газов (газ, воздух, продукты горения из первой зоны, газы рециркуляции) 0,00387м³/c+0,0006м³/c+0,0100м³/c+0,106м³/c= 0,124м³/c Концентрация газа во второй зоне составит величину _·100%=3,6% что находится в концентрационных пределах устойчивого горения.

Снижение выбросов оксидов азота происходит вследствие того, что в первой зоне при недостатке кислорода газа сгорает примерно _·100%=21% Воздух, подаваемый на сжигание, не подвергается подогреву, а часть продуктов сгорания (газы рециркуляции) возвращается в горелку и проходит через зоны горения, благодаря чему возрастает скорость разложения кислорода, содержащегося в газах рециркуляции.

П р и м е р 2. В горелку, содержащую газоподводящий корпус 1, газовые насадки 2 и 3 с патрубками 4 и отверстиями 5, воздухоподводящую трубу 6, выходные каналы для газа 7, через патрубок 8 подают газ метан в количестве 0,002 м³/с. В соответствии с этим в кольцевой канал подают воздух в количестве G_возд.= 0,002м³/c·5,67м³/м³= 0,0113м³/c где 19-5,67 м³/м³ - концентрационные границы воспламенения смеси метан-воздух. Для полного сгорания метана необходимо 9,52 м³ воздуха на 1 м³ метана. Производят зажигание топливной смеси. Осуществляется неполное сгорание метана, поскольку для его полного сгорания необходимо следующее количество воздуха: Gполн.сгвоздух.

^ор.= 0,002м³/c·9,52м³/м³= 0,01904м³/c Одновременно подают воздух в воздухоподводящую трубу 6 с расходом G = 0,01904м/c³= 0,0113м³/c= 0,0077м³/c Несгоревший в первой зоне метан догорает во второй зоне, куда поступает воздух из воздухоподводящей трубы 6. Количество метана, сгорающего в первой зоне, равно
_=1,19·10-3_м3_/c В первой зоне образуется следующее количество продуктов сгорания: 10,52м³/м³·1,19·10^-3м³/c= 1,248·10^-2м³/c Во вторую зону горения поступают продукты сгорания из зоны, несгоревший метан и воздух из воздухоподводящей трубы 6 1,248·10^-2м³/c+(0,002-0,00119)м³/c+0,0077м³/c= 0,021м/c Концентрация метана во второй зоне составит величину _{·100%=3,86oб.%}
Для метана нижний концентрационный предел воспламенения составляет 5 об. % . Поэтому для горения во второй зоне необходимо туда подать дополнительно метан. Подачу метана во вторую зону осуществляют через насадок 3 подачи газа. Пусть подают метан через насадок 3 с расходом 0,001 м³/с. Далее производят подачу газов рециркуляции через насадок 2 в количестве 30% от продуктов сгорания в первой зоне, т. е. G_{газ.рецирк.}= 1,248·10^-2м³/c·0,3= 0,0037м³/c
Во вторую зону поступает следующее количество газов: 0,021м³/c+0,0037м³/c+0,001м³/c= 0,0257м³/c Концентрация метана во второй зоне составит величину _·100%=7% Количество метана, которое должно полностью сгореть во второй зоне, равно 0,00081м³+0,001м³/c= 0,00181м³/c Для сгорания такого количества метана необходимо воздуха 9,52м³/м³·0,00181м³/c= 0,0172м³/c Таким образом, во вторую зону необходимо дополнительно по воздухоподводящей трубе подать воздуха 0,0172м³/c-0,0077м³/c= 0,0095м³/c Следовательно во вторую зону поступит всего газов 0,0257м³/+0,0095м³/c= 0,0352м³/c Концентрация метана в этой зоне будет
100 % = 5,14 об. % т. е. горение будет устойчивым, поскольку 5,14% входит в интервал устойчивого горения метана в воздушной смеси: 5-15% по объему.

Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства для сжигания газа позволяет снизить выбросы оксидов азота в атмосферу и получить экологический эффект. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1456699, кл. F 23 C 5/00, 1989.

2. Авторское свидетельство СССР N 1462063, кл. F 23 C 5/00, 1989.

3. Д. М. Хзмалян и др. Теория горения и топочные устройства. М. : Энергия, 1976, с. 165-166.

4. Авторское свидетельство СССР N 1477978, кл. F 23 C 11/00, 1989.

5. И. Я. Сигал. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. М. : Недра, 1988, с. 243.

Использование: сжигание газообразных топлив. Сущность изобретения: способ сжигания газа состоит в подаче в зону горения газовых и воздушных потоков, вводе газов рециркуляции. Газы рециркуляции вводят в газовый поток перед смешиванием его с воздушным потоком. Устройство для сжигания газа содержит газоподводящий корпус, установленную по оси корпуса воздухоподводящую трубу. Воздухоподводящая труба установлена в газоподводящем корпусе с кольцевым зазором и снабжена коаксиально размещенными вокруг ее и один вокруг другого газовыми насадками с выпускными отверстиями на боковой поверхности, насадками для подачи газов рециркуляции и патрубками на боковой поверхности насадка подачи газа, причем патрубки выведены в выпускные отверстия. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ сжигания газов путем подачи в зону горения газовых и воздушных потоков, ввода газов рециркуляции, отличающийся тем, что, с целью снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания, газы рециркуляции вводят в газовый поток перед смешиванием его с воздушным потоком. 2. Устройство для сжигания газа, содержащее газоподводящий корпус и установленную по оси корпуса воздухоподводящую трубу, отличающееся тем, что, с целью снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания, воздухоподводящая труба установлена в газоподводящем корпусе с кольцевым зазором и снабжена коаксиально размещенными вокруг ее и один вокруг другого газовыми насадками с выпускными отверстиями на боковой поверхности насадка для подачи газов рециркуляции и патрубками на боковой поверхности насадка подачи газа, причем патрубки выведены в выпускные отверстия.