СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК F23C11/00 

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках.

Известен способ сжигания топлива, заключающийся в том, что в потоке воздуха с помощью плохообтекаемого тела формируют рециркуляционную зону, подают в нее топливо, которое затем сжигают в стабилизированном факеле [1]
Недостатком этого способа является низкая интенсивность процесса смешения топлива с воздухом. В результате этого факел имеет большую протяженность, и продукты сгорания продолжительное время находятся в зоне высоких температур, что приводит к повышенной токсичности продуктов сгорания за счет значительной эмиссии оксидов азота.

Известен способ сжигания топлива, заключающийся в том, что из воздушного потока формируют кольцевую закрученную струю и подают в нее топливо, которое затем сжигают в факеле, стабилизированном приосевой рециркуляционной зоной, образованной кольцевой закрученной струей воздуха (Сторожук Я.П. Камеры сгорания стационарных газотурбинных и парогазовых установок. Л. Машиностроение, 1978, с. 231) [2]
Интенсивность смешения топлива с воздухом в этом способе значительно выше, чем в предыдущем. Соответственно короче факел, меньше время пребывания продуктов сгорания в высокотемпературной зоне, ниже эмиссия оксидов азота, менее токсичны продукты сгорания. Вместе с тем для обеспечения устойчивости горения и высокой полноты сгорания топлива при использовании этого способа в зоне горения необходимо поддерживать коэффициент избытка воздуха в пределах 1,1-1,5. При таких избытках воздуха горение протекает при весьма высоких температурах. Поскольку скорость образования оксидов азота экспоненциально зависит от температуры, эмиссия оксидов азота в этом способе сжигания топлива достаточно высока и, как правило, не удовлетворяет действующим нормам.

Задача, на решение которой направлен заявляемый способ сжигания топлива, снижение токсичности продуктов сгорания.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении заявляемого способа сжигания топлива, является обеспечение токсичности продуктов сгорания в пределах действующих норм.

Решение поставленной задачи и получение указанного технического результата достигаются при осуществлении заявляемого способа сжигания топлива, заключающегося в том, что из воздушного потока формируют кольцевую закрученную струю и подают в нее топливо, которое затем сжигают в факеле, стабилизированном приосевой рециркуляционной зоной, образованной закрученной струей воздуха, отличающегося от прототипа тем, что после частичного сгорания топлива в рециркуляционную зону на расстоянии 0,7-2,5 начальных диаметров закрученной струи от ее начала дополнительно подают одну или более струй воздуха так, чтобы суммарный коэффициент избытка воздуха в зоне горения составлял 1,8-2,4.

Как показывают экспериментальные исследования температурных полей в камерах сгорания, зона максимальных температур по размерам и конфигурации близка к рециркуляционной зоне. Именно эта зона является основным генератором оксидов азота. Подача в рециркуляционную зону дополнительно одной или более струй воздуха позволяет снизить температуру газов в этой зоне и, тем самым, значительно уменьшить эмиссию оксидов азота.

Для достижения желаемого результата дополнительные струи воздуха должны подаваться в рециркуляционную зону на расстоянии 0,7-2,5 начальных диаметров закрученной струи от начала этой струи. Подача дополнительных струй ближе 0,7 диаметров к начальному сечению приводит к снижению полноты сгорания топлива, ухудшению стабилизации факела и условий его зажигания. В случае подачи дополнительных струй воздуха далее, чем 2,5 диаметра от начального сечения, они не оказывают существенного влияния на высокотемпературную зону, и снижение эмиссии оксидов азота незначительное.

Кроме того, необходимо, чтобы суммарный коэффициент избытка воздуха в зоне горения, т.е. коэффициент избытка воздуха, рассчитанный по сумме расходов кольцевой закрученной струи и дополнительных струй, подаваемых в рециркуляционную зону, составлял 1,8-2,4. При коэффициентах избытка воздуха менее 1,8 температура в рециркуляционной зоне остается достаточно высокой для образования значительного количества оксидов азота. Увеличение коэффициента избытка воздуха свыше 2,4 приводит к появлению недожога, высокой эмиссии окиси углерода, снижению устойчивости горения.

На чертеже изображена схема взаимодействия струй воздуха и топлива в способе сжигания топлива.

Из воздушного потока 1 в сечении I-I формируют кольцевую закрученную струю 2 диаметром d и подают в нее топливо 3, которое затем сжигают в факеле 4, стабилизированном приосевой рециркуляционной зоной 5 образованной кольцевой закрученной струей воздуха. После частичного сгорания топлива в рециркуляционную зону на расстоянии 0,7-2,5 начальных диаметров закрученной струи от ее начала (в сечении II-II) дополнительно подают одну или более струй воздуха 6 так, чтобы суммарный коэффициент избытка воздуха в зоне горения составлял 1,8-2,4.

Возможность осуществления заявляемого способа не вызывает сомнений, поскольку для этого могут быть использованы широко известные устройства: лопаточные завихрители, стандартные топливораздающие устройства, воздухонаправляющие патрубки и т.п.

Использование: энергетическое, транспортное и химическое машиностроение, в частности камеры сгорания. Сущность изобретения: из воздушного потока 1 в сечении I-I формируют кольцевую закрученную струю 2 диаметром d. В эту струю подают топливо 3, которое затем сжигают в факеле 4. Стабилизацию факела обеспечивают приосевой рециркуляционной зоной 5, образованной закрученной струей воздуха. После частичного сгорания топлива в рециркуляционную зону на расстоянии 0,7-2,5 начальных диаметров закрученной струи от ее начала (в сечении II-II) дополнительно подают струи воздуха 6 так, чтобы суммарный коэффициент избытка воздуха в зоне горения составлял 1,9-2,4. Это позволяет снизить температуру газов в рециркуляционной зоне, увеличить полноту сгорания топлива и уменьшить эмиссию оксидов азота. 1 ил.

Способ сжигания топлива, путем формирования кольцевой закрученной воздушной струи и подачи в нее топлива с последующим его сжиганием в факеле, стабилизированном приосевой рециркуляционной зоной, образованной кольцевой закрученной струей воздуха, отличающийся тем, что после частичного сгорания топлива в рециркуляционную зону на расстоянии 0,7 2,5 начальных диаметров закрученной струи от ее начала подают по меньшей мере одну струю воздуха, причем суммарный коэффициент избытка воздуха в зоне горения поддерживают в диапазоне 1,8 2,4.