СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗОВЫХ И ПАРОВЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 1997 года по МПК F23C3/00 

Изобретение относится к способам и устройствам для сжигания горючих газов и паров и может быть использовано для утилизации низкокалорийных газовых смесей и обезвреживания горючих газообразных и жидких отходов производства, в частности таких, для которых неприемлемы методы факельного сжигания.

Известен способ сжигания газовых и паровых смесей в слое пористого огнеупорного материала, основанный на процессе фильтрационного горения газа. Способ реализуется в камере сжигания, заполненной пористой засыпкой из инертного зернистого материала, через которую пропускают горючую газовую смесь и инициируют волну горения.

Волна горения сжигаемого газа в пористой среде может распространяться по потоку, против потока газа или стабилизироваться на одном месте (стоячая волна) в зависимости от реакционной способности газовой смеси и скорости ее фильтрации через пористую засыпку. Для обеспечения надежности и безопасности сжигания необходимо удержать волну горения в объеме пористой среды, в противном случае выход горения за пределы пористой среды снижает эффективность сжигания и может привести к аварийным ситуациям (установление высокотемпературной зоны горения в незащищенном месте). В известном способе - прототипе данная проблема решается за счет выполнения пористой среды из слоев с разной дисперсностью. Тогда волна горения стабилизируется на границе этих слоев за счет того, что скорость распространения волны горения одной и той же газовой смеси при той же скорости фильтрации различна в средах дисперсности как по величине, так и по направлению.

Однако диапазон скоростей фильтрации (область стабилизации горения), при которых направление волны может быть изменено на обратное путем изменения дисперсности пористой среды, очень узок, как это видно на фиг. 1, где приведены кривые зависимости скорости распространения волны горения (u) от скорости фильтрации (v) для газовой смеси 15% H₂ и воздух для следующих фракций пористой засыпки из карбида кремния 1 0,25 0,41 мм, 2 0,41 - 0,63 мм, 3 1,0 1,25 мм. Поэтому для осуществления стабильного процесса горения низкокалорийных газовых и паровых смесей, особенно отходов производства с нестабильными параметрами, помимо использования многослойной пористой засыпки требуется строгий контроль за составом и расходом сжигаемой смеси, что связано со значительными затратами на создание и эксплуатацию релейных автоматических систем контроля и управления.

Задачей изобретения является обеспечение самостабилизации волны горения в объеме пористой среды при сжигании газовых и паровых смесей в широком диапазоне входных параметров, исключающей необходимость создания сложных систем контроля и управления.

Задача решается предлагаемым способом, сущность которого заключается в том, что сжигание газовых и паровых смесей осуществляют в пористой среде в условиях расходящегося потока. Для этого пористую засыпку из инертного материала формируют в виде усеченного конуса, и подлежащую сжиганию смесь подают в эту засыпку со стороны меньшего основания конуса, при этом высоту засыпки определяют в соответствии с выражением

где h высота пористой засыпки;
h^* высота стабилизации волны горения в засыпке;
G расход сжигаемой смеси;
v^* скорость фильтрации сжигаемой смеси, при которой стабилизируется волна горения в засыпке;
α угол раствора конуса;
R_о радиус меньшего основания конуса.

В предлагаемом способе, как и прототипе, реализуется принцип фильтрации сжигаемой смеси через пористую среду с одновременным инициированием в ней волны горения. В отличие от прототипа сжигание газовой или паровой смеси происходит в условиях расходящегося потока, что обеспечивается конической формой и размерами камеры, заполненной пористой засыпкой.

Принцип автостабилизации волны горения в предлагаемом способе проиллюстрирован на фиг. 2, где:
а) распространение волны горения в расходящемся потоке (в конической камере, заполненной пористой средой);
б) зависимость скорости распространения волны горения (u) от скорости фильтрации газа (v) через пористую среду;
в) зависимость скорости распространения волны горения (u) от координаты h в пористой засыпке.

Как видно из фиг. 2,б, зависимость скорости волны горения u от скорости фильтрации газа v имеет U-образный вид. Обозначим через v^* скорость фильтрации газа, при которой волна горения стабилизируется. Если v больше v^*, то волна распространяется в направлении потока (спутная волна), при v меньшем v^* волна распространяется против потока (встречная волна), при v равном v^* волна стабилизируется (стоячая волна). В условиях расходящегося потока в конической камере (фиг. 2,а) при постоянном расходе G фильтрующегося газа скорость фильтрации различна в разных сечениях потока и может пробегать весь диапазон значений v, соответствующей спутной, встречной и стоячей волнам. Скорость фильтрации на высоте h от меньшего основания конуса определяется выражением
v = G/(π•(R_o+ h•tg(α/2))²),
где R_о радиус меньшего основания конуса, α угол раствора конус.

Рассмотрим поведение волны горения в конусе с пористой средой в зависимости от места ее инициирования. При заданном значении расхода газа через конус G, скорость фильтрации v равная v^*, соответствующая стоячей волне, реализуется в сечении с координатой

Если волна горения инициируется при h большем h^*, т.е. при v меньшем v^*, то из фиг. 2,б следует, что u отрицательная, т.е. волна будет распространяться в сторону меньших h (в направлении h равных h^*) фиг. 2,в. Если инициирование осуществляется при h меньшем h^*, т.е. при v большем v^*, то, согласно фиг. 2, б, u положительная, и волна будет распространяться в спутном потоку направлении, т.е. к h равному h^* фиг. 2,в. Таким образом, независимо от места инициирования волна горения в конической камере с пористой средой будет двигаться к h равному h^* и на этом уровне застабилизируется, т.е. такая система является автостабилизирующейся. Если состав смеси или ее расход меняются, то волна горения перемещается в новое положение равновесия h*1

Реализация предлагаемого способа возможна в камере сжигания, выполненной в виде усеченного конуса, заполненной пористой средой на высоту, определяемую согласно выражению (1). Величину v^*, входящую в это выражение, определяют экспериментально. Для этого цилиндрическую кварцевую трубку заполняют пористой средой, подлежащую сжиганию газовую смесь продувают через пористую среду и зажигают. Постепенно меняя скорость продувки, определяют v^*, при которой волна горения стабилизируется. Затем измеряют диапазон значений v^* для предполагаемого диапазона составов газовых смесей и задаются значениями α и R_о. Величина расхода G сжигаемой смеси, как правило, известна. Рассчитав по формуле (1) значение h^*, при которой волна горения стабилизируется, устанавливают высоту пористой засыпки h.

Пример 1. Газовая смесь 15% объемных водорода и 85% воздуха, засыпка - карбид кремния с размером зерна 2 3 мм. Стабилизация волны горения в кварцевой трубке осуществляется при v^* 60 см/с. Рассчитывают высоту h^* стабилизации волны в конусе с радиусом меньшего основания R_о= 1 см и углом раствора a 15^o. Величины h^*, рассчитанные по формуле (1) для разных расходов газа, приведены в таблице.

Таким образом, для сжигания 15%-ной водородно-воздушной смеси с расходом от 5 до 10 м³/ч высота пористой засыпки должны быть не менее 23 см. Была изготовлена коническая камера высотой 40 см, засыпана пористой средой на высоту 30 см. Измеренные высоты стабилизации волны приведены в таблице. Видно, что они хорошо совпадают с расчетными.

Пример 2. Рассчитывают высоту пористой засыпки для стабильного сжигания водородо-воздушных смесей с содержанием водорода от 14 до 18% с расходом G= 7,2 м³/ч. Засыпка карбид кремния с размером зерна 2 3 мм. Используют коническую камеру, как в примере 1.

Стабилизация в кварцевой трубке с той же пористой средой осуществляется при скорости фильтрации v^*=45 см/с для 14%-ной смеси и 110 см/с для 18%-ной смеси. По формуле (1) получаем, что волна горения 14%-ной смеси стабилизируется на высоте h^*=21 см, а 18%-ной на 10,7 см. Следовательно, высота засыпки должна превышать 21 см. Измерения в конической камере показали, что действительно волна горения заданных водородо-воздушных смесей с расходом G=7,2 м³/ч стабилизируется в пористой засыпке на высоте от 10 до 20 см от нижнего основания конуса.

Автостабилизация волны горения при сжигании газовых и/или паровых смесей в пористой среде в условиях расходящегося потока (в конусе) позволяет
повысить надежность и безопасность процесса сжигания различных газовых смесей, в том числе и низкокалорийных отходов производства;
расширить диапазон входных параметров газовых и паровых смесей, которые могут сжигаться, что делает устройство для реализации предлагаемого способа удобным для сжигания отходов производства, не заботясь о постоянстве их параметров;
отказаться от релейных систем контроля и управления процессом горения, что снижает затраты на создание и эксплуатацию устройства для сжигания газовых и паровых смесей;
быстро перестраивать устройство для сжигания газовых и паровых смесей путем изменения дисперсности пористой среды на сжигание других газовых смесей с сильно отличающимися скоростями горения и энергетикой.

Использование: для утилизации низкокалорийных газовых смесей и обезвреживания горючих газообразных и жидких отходов производства. Сущность изобретения: сжигание газовых и паровых смесей осуществляют в условиях расходящегося потока посредством фильтрации сжигаемой смеси через инертную пористую засыпку. Для получения расходящегося потока пористую засыпку формируют в виде усеченного конуса и подлежащую сжиганию смесь подают в эту засыпку со стороны меньшего основания конуса, при этом высоту засыпки определяют из выражения

где h - высота пористой засыпки, h^* - высота стабилизации волны горения в засыпке, G - расход сжигаемой смеси, V^* - скорость фильтрации сжигаемой смеси, при которой стабилизируется волна горения в засыпке, α - угол раствора конуса, R_о - радиус меньшего основания конуса. При таких условиях инициируемая в пористой засыпке волна горения автостабилизируется не выходит за ее пределы. 2 ил., 1 табл.

Способ сжигания газовых и паровых смесей, включающий фильтрацию сжигаемой смеси через инертную пористую засыпку, отличающийся тем, что процесс сжигания газовых и паровых смесей осуществляют в пористой среде в условиях расходящегося потока, который получают путем формирования пористой засыпки из инертного материала в виде усеченного конуса и подлежащую сжиганию смесь подают в эту засыпку со стороны меньшего основания конуса, при этом высоту пористой засыпки определяют в соответствии с выражением

где h высота пористой засыпки;
h^* высота стабилизации волны горения в засыпке;
G расход сжигаемой смеси;
V^* скорость фильтрации сжигаемой смеси, при которой стабилизируется волна горения в засыпке;
α - угол раствора конуса;
R₀ радиус меньшего основания конуса.