СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗОВЫХ И ПАРОВЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 2011 года по МПК F23C99/00 F23C13/00 F23G7/00 

Изобретение относится к способам сжигания горючих газов и паров и может быть использовано для утилизации низкокалорийных газовых смесей и обезвреживания горючих газообразных и жидких отходов.

Известен способ сжигания газовых и паровых смесей в условиях расходящегося потока, основанный на принципе фильтрационного горения газа в инертной пористой засыпке. Способ заключается в фильтрации горючей смеси через инертное пористое тело, выполненное в виде усеченного конуса, причем смесь подают в пористое тело со стороны меньшего основания конуса [1]. В этом способе используется мелкопористая засыпка карбида кремния с эквивалентным диаметром пор d_э~0.5÷1.5 мм (порядка диаметра гранулы среды).

Для подобных пористых сред зависимость скорости волны горения от скорости фильтрации есть U-образная кривая. Скорость движения волны горения в мелкопористой среде ~10^-4 м/с.Скорость фильтрации горючей смеси составляет 3÷5 нормальных скоростей волны горения.

Волна горения двигается против потока горючей смеси (в сторону уменьшения сечения конуса), пересекает участок, на котором скорость фильтрации горючей смеси превышает среднюю скорость движения волны горения. В этом месте волна горения начинает сноситься по потоку вниз, но, оказавшись на сечении, в котором скорость горючей смеси меньше скорости движения пламени, вновь возвращается на место, тем самым достигается эффект автостабилизации волны горения в мелкопористой среде.

Однако мелкопористая засыпка, для которой выполняются значения d_э<d_кр, за счет малого диаметра поры имеет большое гидравлическое сопротивление, не позволяющее реализовать высокие скорости и мощности сгорания горючих смесей.

Задачей изобретения является достижение больших скоростей и мощностей сжигания газовых и паровых смесей за счет изменения условий фильтрации горючей смеси через пористое инертное тело.

Поставленная задача решается заявленным способом сжигания газовых и паровых смесей, который, как и известный способ-прототип, осуществляется посредством фильтрации горючей смеси через инертное пористое тело с переменными поперечными сечениями для получения расходящегося потока горючей смеси, подаваемой со стороны наименьшего сечения.

В отличие от прототипа в новом способе используют инертное пористое тело с эквивалентным диаметром порового канала, превышающим критический диаметр (d_э<d_кр). Пористое тело имеет два характерных сечения: сечение квазистабилизации и сечение устойчивой автостабилизации волны горения, площади которых удовлетворяют следующим выражениям:

F_qs>F_as, F_qs=Q/(εv_qs), F_as=Q/(εv_as), где

F_qs - площадь сечения квазистабилизации волны горения, см²;

F_as - площадь сечения устойчивой автостабилизации волны горения, см²;

Q - расход горючей смеси на входе в пористое тело, см³/с;

ε - пористость;

v_qs - скорость фильтрации горючей смеси в сечении F_qs, см/с;

v_as - скорость фильтрации горючей смеси в сечении F_as, см/с.

Для понимания сущности изобретения представлены следующие графики:

Фиг.1 - зависимость скорости волны горения (u) от скорости фильтрации горючей смеси (v) в крупнопористой среде.

Фиг.2 - зависимость скорости волны горения (u) от скорости фильтрации горючей смеси (v) после перехода в РНС-подобный режим.

Фиг.3 - зависимость площади сечения стабилизации пламени (положение волны горения на данном сечении) от расхода горючей смеси в положении квазистабилизации (1) и устойчивой автостабилизации (2) волны горения.

В теории фильтрационного горения газов d_кр разграничивает два режима горения с существенно разными физическими свойствами и возможностями - режим высоких скоростей - РВС (пористая среда с d_э>d_кр) и режим низких скоростей - РНС (пористая среда с d_э<d_кр). В РВС скорости движения волн горения составляют значения ~0.1÷10 м/с в неподвижной горючей смеси, т.е. порядка (1÷20)·S_u0. В то же время в РНС скорости волн горения составляют значения ~10^-4 м/с в присутствии сильного теплового взаимодействия между волной горения и пористым инертным каркасом [2]. Критический диаметр определяется по формуле [3]:

d_кр=Pe_кр·χ/S_u0, где

S_u0 - нормальная скорость распространения ламинарного пламени, см/с;

χ - температуропроводность смеси, см²/с;

Pe_кр=65, критическое число Пекле (определяет возможность кондуктивного гашения волн горения в пористой среде).

Обнаружено, что в условиях встречной фильтрации возможен режимный переход из РВС в РНС-подобный режим, но в условиях РВС (d_э>d_кр). Возможность существования сильного теплового взаимодействия между волной горения и пористым инертным каркасом предполагает проявление эффектов стабилизированной волны горения и, следовательно, сжигание горючей смеси при более высоких скоростях фильтрации за счет большого диаметра порового канала.

Сущность изобретения заключается в том, что процесс горения осуществляется в условиях расходящегося потока посредством фильтрации горючей смеси через инертное крупнопористое тело с эквивалентным диаметром пор d_э>d_кр (со скоростями волн ~0.1-10 м/с). Для получения расходящегося потока в пористом теле формируют переменные поперечные сечения, имеющие минимально и максимально возможные значения. В этом случае получается расходящийся поток горючей смеси, которую подают со стороны наименьшего сечения. В сформированной подобным образом крупнопористой среде присутствуют два характерных сечения:

1. Сечение квазистабилизации волны горения (точка A, фиг.1) в РВС режиме, F_qs.

2. Сечение устойчивой автостабилизации волны горения (точка B, фиг.1) в РНС-подобном режиме, F_as.

Точка C на фиг.1 соответствует скорости распространения волны горения при скорости фильтрации, равной нулю.

Сечение квазистабилизации обусловлено динамическим воздействием газового потока на волну горения в РВС и является наибольшим из двух данных сечений. Его площадь определяется следующим образом: F_qs=Q/(εv_qs).

Сечение автостабилизации обусловлено переходом волны горения из РВС в РНС-подобный режим и определяется условием рекуперативного теплообмена между волной горения и пористым инертным телом, удовлетворяя условию: F_as=Q/(εv_as). Условие для основных сечений пористого тела: F_qs>F_as.

Устройство для реализации заявленного способа представляет собой пористое тело с d_э>d_кр, с увеличивающейся площадью поперечного сечения по потоку горючей смеси, которую подают со стороны наименьшего сечения. После инициирования волны горения фронт пламени движется по пористой среде в режиме РВС, что объясняется низким тепловым взаимодействием с пористой средой при d_э>d_кр.

Присутствие переменных сечений в пористом теле обуславливает первую точку квазистабилизации волны горения (точка A, фиг.1) - при скорости фильтрации порядка средней скорости сгорания горючей смеси в этом сечении. Начавшийся теплообменный процесс между волной горения и пористым телом приводит к переходу режима горения РВС в РНС-подобный режим горения. В этом режиме происходит сильное межфазное тепловое взаимодействие между волной горения и пористой средой, скорости волны горения в этом режиме составляют значения порядка 10^-4 м/с (фиг.2). За счет рекуперативных процессов происходит увеличение скорости сгорания горючей смеси и волна горения продолжает двигаться против потока до сечения, где ее скорость будет меньше скорости фильтрации.

Как видно из фиг.2, при движении волны против потока горючей смеси скорость фильтрации может превысить скорость, при которой волна горения стабилизируется и произойдет переход в спутный режим. Но как только волна горения уйдет обратно по потоку в более широкие сечения, где скорость фильтрации меньше скорости волны горения, волна горения начнет движение во встречном режиме, тем самым обеспечивая автостабилизацию в расходящемся потоке горючей смеси (точка B, фиг.2).

Особенность низкоскоростного режима заключается в том, что он спонтанно возникает только при эквивалентном диаметре поры, меньшем критического, что автоматически обеспечивается мелкопористой засыпкой. В случае крупнопористого инертного тела РНС-подобный режим обусловлен газодинамической стабилизацией волны горения в пористой среде, в результате которой происходит прогрев пористой среды пламенем в режиме РВС.

Заявленный способ подтверждается примерами, в которых использовались:

1. Пористое тело: гранулы на основе Al₂O₃ диаметром 15±1.5 мм, пористость ε=0.44, уложенные в виде круглых сечений.

2. Горючая смесь: метан+воздух, 8%±0.3.

Определяемые параметры:

S_u0=28,8 см/с - скорость распространения ламинарного пламени,

d_кр=Pe_кр·χ/S_u0=0,29 см,

d_э~0,5 см,

v_qs=88 см/с,

v_as=110 см/с.

V_qs и V_as определялись в проточной установке с постоянным сечением канала в условиях квазистабилизации и автостабилизации волны горения.

В таблице приведены площади сечений квазистабилизации и автостабилизации волны горения в зависимости от расхода, определенные согласно заявленному способу:

№ примера Q, 10³см³/с F_qs, см² F_as, см² 1 1.0 25,82 20.66 2 1.45 37.44 29.95 3 2.44 63.2 50.45 4 3.0 77.5 61.8

На фиг.3 представлены опытные данные для пористого тела, имеющего рассчитанные выше площади сечений стабилизации волны горения в РВС и в РНС-подобном режиме, где

1 - площадь сечения квазистабилизации волны горения в пористом теле в зависимости от расхода,

2 - площадь сечения автостабилизации волны горения в пористом теле в зависимости от расхода.

Видно, что при увеличении потока горючей смеси происходит смещение волны горения вверх по потоку, т.е. волна горения стабилизируется на больших сечениях (как в случае квазистабилизации, так и в случае устойчивой автостабилизации). Разброс значений сечений квазистабилизации при малых расходах обусловлен статистической природой распространения волн горения в РВС.

Для оценки гидравлических сопротивлений применим формулу Эргана [4] (формула падения напора по длине пористого слоя)

, где

µ - вязкость, Н·сек/м²,

ρ - плотность газа, кг/м³,

ε - пористость среды,

v - скорость фильтрации, м/с,

d - диаметр зерна пористого тела.

Подставляя следующие значения:

µ=1260·10^-8 Н·сек/м² для 8% смеси метана и воздуха,

ρ=0.562, кг/м³,

ε=0.44,

v=1 м/с,

d_PHC=0.003 м, диаметр зерна мелкопористого тела,

d_PBC=0.015 м, диаметр зерна крупнопористого тела,

получаем:

Для крупнопористой среды

Для мелкопористой среды

Из оценок видно, что крупнопористая среда имеет меньшее по сравнению с мелкопористой средой сопротивление при одинаковой длине пористого тела, что в свою очередь способствует сжиганию горючих смесей при больших скоростях и, соответственно, мощностях устройства.

Литература

1. Патент на изобретение Ru 2100695 С1 "Способ сжигания газовых и паровых смесей".

2. Лаевский Ю.М., Бабкин B.C. Фильтрационное горение газов. // Распространение тепловых волн в гетерогенных средах // Под. Ред. Ю.Ш.Матрос. Новосибирск: Наука, 1988.

3. V.S.Babkin, "The Problems of Porous Flame-Arresters", In: Prevention of Hazardous Fires and Explosions, V.E.Zarko et al., (Ed.), Kluwer Academic Publishers, Printed in Netherlands, 1999, pp.199-213.

4. М.Э.Аэров, О.М.Тодес, Д.А.Наринский. "Аппараты со стационарным зернистым слоем". Л.: Химия, 1979.

Изобретение может быть использовано для утилизации низкокалорийных газовых смесей и обезвреживания горючих газообразных и жидких отходов. Способ характеризуется тем, что осуществляют фильтрацию горючей газовой или паровой смеси через инертное пористое тело с эквивалентным диаметром порового канала, превышающим критический диаметр (d_э>d_кр). Пористое тело имеет переменные поперечные сечения, размеры которых возрастают по потоку горючей смеси, в том числе сечения квазистабилизации и устойчивой автостабилизации волны горения, площади которых удовлетворяют выражениям: F_qs>F_as, F_qs=Q/(εv_qs), F_as=Q/(εv_as), где F_qs - площадь сечения квазистабилизации волны горения, см²; F_as - площадь сечения устойчивой автостабилизации волны горения, см²; v_qs - скорость фильтрации горючей смеси в сечении F_qs, см/с; v_as - скорость фильтрации горючей смеси в сечении F_as, см/с; Q - расход горючей смеси на входе в инертное пористое тело, см³/с; ε - пористость. Использование инертного пористого тела с крупнопористой засыпкой, имеющего два характерных сечения, позволило значительно снизить гидравлическое сопротивление среды и осуществить процесс сжигания горючих смесей с большей скоростью и мощностью. 3 ил., 1 табл.

Способ сжигания газовых и паровых смесей посредством фильтрации горючей смеси через инертное пористое тело, с переменными поперечными сечениями для получения расходящегося потока горючей смеси, подаваемой со стороны наименьшего сечения, отличающийся тем, что используют инертное пористое тело с эквивалентным диаметром порового канала, превышающим критический диаметр, имеющее поперечное сечение квазистабилизации и поперечное сечение устойчивой автостабилизации волны горения, причем площади этих сечений удовлетворяют следующим выражениям:
F_qs>F_as, F_qs=Q/(εv_qs), F_as=Q/(εv_as),
где F_qs - площадь сечения квазистабилизации волны горения, см²;
F_as - площадь сечения устойчивой автостабилизации волны горения, см²;
v_qs - скорость фильтрации горючей смеси в сечении F_qs, см/с;
v_as - скорость фильтрации горючей смеси в сечении F_as, см/с;
Q - расход горючей смеси на входе в инертное пористое тело, см³/с;
ε - пористость.