СПОСОБ МНОГОСТАДИЙНОГО СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2002 года по МПК F23D14/02 

Изобретение относится к способам сжигания газообразного топлива в промышленных печах, в которых в качестве окислителя используется кислород или воздух, обогащенный кислородом, и одним из требований является повышенная радиационная составляющая факела в суммарном тепловом потоке.

Известны способы сжигания газообразного топлива, при которых с целью снижения выхода оксидов азота топливо сжигают в две стадии [1, 2]. Недостатком этих известных решений является отсутствие режимных параметров по оптимизации теплового потока от факела.

Известен также способ сжигания газа, в котором поддерживают коэффициент расхода воздуха в первичной газовоздушной смеси в пределах 0,2-0,7, а коэффициент расхода воздуха во вторичной газовоздушной смеси в пределах 0,3-0,9 [3] . Однако известное решение не может быть адаптировано к окислителю, состоящему из кислорода или воздуха, обогащенного кислородом. Кроме того, оно не преследует задачи повышения теплоотдачи от факела.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ сжигания газообразного топлива, оптимизирующий некоторые режимные (гидродинамические) и конструктивные параметры горелки [4].

Недостатком известного способа являются невозможность влияния на радиационную составляющую факела с помощью форкамерного частичного сжигания газа, а также отсутствие режимных параметров, оптимизирующих карбюрацию газа в форкамере.

Цель настоящего изобретения состоит в оптимизации режимных параметров многостадийного сжигания газообразного топлива, направленной на повышение радиационной составляющей факела и минимизацию выхода оксидов азота.

Поставленная цель достигается тем, что в способе многостадийного сжигания газообразного топлива, заключающемся в подаче окислителя азотокислородного состава несколькими потоками и сжигании газообразного топлива в две стадии (в первой стадии - в камере предварительного горения и во второй - в струях газоазотокислородной смеси на выходе из горелки), в камере предварительного горения сжигают от 2 до 10% газообразного топлива, при этом время пребывания газообразного топлива в упомянутой камере ограничивают величиной 10^-5-10^-3 с. По мере возрастания концентрации кислорода в окислителе увеличивают подачу газообразного топлива в камеру предварительного горения.

Признаки, отличающие предлагаемый способ от решений в прототипе, являются существенными и отвечают критерию "новизна", т.к. не выявлены с других известных решениях.

На фиг.1 представлена схема горелки, в которой реализуется предлагаемый способ, а на фиг.2 приведены результаты экспериментов на огневом стенде.

Горелка содержит три подвода окислителя азотокислородного состава 1, 2 и 3, а также три подвода газа 4, 5 и 6.

Кислород из подвода 2 поступает в кольцевой коллектор 7 с отверстиями 8, а газ из подвода 5 через отверстие 9 - в камеру предварительного горения 10. Реагирующая смесь, содержащая сажистые частицы в результате предварительного сжигания газа, истекает через отверстия 11 в торцевом диске 12 в печное пространство.

Основной подвод газа 6 поступает в кольцевой коллектор 13 через отверстия 14, в который подводится также кислород из подвода 3 через отверстия 15.

Центральный подвод кислорода 1 образует с газом из подвода 4 кольцевой стабилизирующий факел в центральной части торцевого диска 12.

Способ многостадийного сжигания газообразного топлива предназначен для печных агрегатов, в которых требуется повышенный радиационный тепловой поток от факела (например, стекловарные печи), при этом необходимо обеспечить минимальный выход оксидов азота (NO_x). Такая оптимизационная задача может быть реализована с помощью предлагаемого способа.

Определяющее значение для решения этой задачи имеет камера предварительного горения 10, в которой осуществляют карбюрацию подводимого к ней газа через подвод 5.

С помощью специального эксперимента были определены оптимальные доли газообразного топлива, подводимые в камеру предварительного горения 10. В табл.1 приведены результаты эксперимента.

При карбюрации в камере предварительного смешения менее 2 % от суммарного количества газа, подводимого к горелке, сажеобразование минимально настолько, что приведенная степень черноты пламени горелки εгпр

По мере увеличения количества газа, подаваемого в предварительную камеру горения от 2 до 10%, экспериментально было зафиксировано возрастание концентрации сажистых частиц в факеле от 2,6 до 11,8 мг/м³. Соответственно возрастали степень черноты светящегося пламени εгпр

После роста доли газа, подаваемого в предварительную камеру горения, более 10% радиационная составляющая теплового потока в эксперименте начинала снижаться. Это обусловлено вероятно тем, что степень черноты пламени хотя и продолжала несколько повышаться, но снижение температурного уровня факела было более существенным. Повышение светимости факела не компенсировалось снижением его температуры, т.к. лучистый тепловой поток пропорционален температуре в 4-ой степени [q_изл≈f(T)⁴].

Одновременно, экспериментально было обнаружено, что время пребывания газообразного топлива в камере предварительного горения не должно превышать величины 10^-5-10^-3 с.

Путем изменения проходного сечения обеих частей камеры горения 10 в стендовых условиях можно было изменять время пребывания предварительной газоазотнокислородной смеси от 10^-6 до 10^-1 с. Результаты эксперимента представлены ниже:
Суммарная производительность горелки по газу 15,5 м³/ч.

Доля газа, подаваемого в предварительную камеру горения 0,75 м³/ч.

Далее см. табл.2 в конце описания.

Специальный эксперимент на стенде был проведен для выявления зависимости величины теплового потока от факела и содержания в нем оксидов азота (NO_х) от количества топлива, подаваемого в камеру предварительного горения и концентрации кислорода в окислителе. Результаты эксперимента представлены на фиг.2.

Согласно полученным экспериментальным данным (точки на кривых) положение максимума радиационного теплового потока от факела по мере обогащения воздушного дутья кислородом от 21 до 60% смещается в область большей доли газа, подаваемого в камеру предварительного горения. Так, максимум радиационного теплового потока от газовоздушного факела соответствует доле газа, подаваемого в камеру предварительного горения, равной 8%, а при концентрации кислорода в азотокислордной смеси 60%-(28-30%) и 100%-(35-40%).

Предлагаемый способ планируется внедрить при газокислородном отоплении стекловаренных печей.

Источники информации
1. Авт. св. СССР 1070403, кл. F 26 В 23/02, 1982 г.

2. Патент Франции 2097321, кл. F 23 D 15/00, 1970 г.

3. Авт. св. СССР 1657870, кл. F 23 D 14/ 00, 1991г.

4. Патент СССР 1152532, кл. F 23 D 14/00, 1985 г.

Изобретение относится к способам сжигания топлива в промышленных целях и позволяет оптимизировать режимные параметры многостадийного сжигания газообразного топлива, в том числе повышать радиационную составляющую факела и снижать содержание оксидов азота в продуктах сгорания. Процесс реализуется за счет сжигания части газа (от 2 до 10 %) в камере предварительного горения в ограниченный период времени (10^-5-10^-3с) увеличением подачи газообразного топлива по мере возрастания концентрации кислорода в окислителе. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ многостадийного сжигания газообразного топлива, при котором окислитель азотокислородного состава подают несколькими потоками, а газообразное топливо сжигают в две стадии, в первой из них - в камере предварительного горения, а во второй - в струях топливоазотокислородной смеси на выходе из горелки, отличающийся тем, что в камере предварительного горения сжигают от 2 до 10% газообразного топлива, при этом время пребывания газообразного топлива в упомянутой камере ограничивают величиной 10^-5-10^-3 с. 2. Способ многостадийного сжигания газообразного топлива по п. 1, отличающийся тем, что по мере возрастания концентрации кислорода в окислителе увеличивают подачу газообразного топлива в камеру предварительного горения.