СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ГОРЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК F23C6/04 F23R3/34 F02M21/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к процессам сгорания с непрерывным горением, протекающим в двигателях, камерах или даже в традиционных промышленных печах.

Уровень техники и раскрытие сущности изобретения

Следует отметить, что процесс горения включает в себя набор реакций с радикальным механизмом, то есть с распространением молекул, известных как «свободные радикалы», которые возникают одновременно, и в целом сгорание будет тем полнее, чем выше среднее содержание присутствующих свободных радикалов. Хорошо известно, что газообразное топливо или легкоиспаряющееся топливо легко сжигается при умеренном стехиометрическом избытке воздуха, но для твердого топлива, даже если оно предварительно измельчено, необходим больший избыток воздуха.

Горение водорода в O₂ происходит очень быстро, в очень самоускоряющемся и высокоэкзотермическом процессе, который макроскопически превращается во взрыв, то же самое происходит в воздухе (около 21% O₂). Скорость распространения волны водородных взрывов намного выше, чем при взрыве обычных видов топлива, что вызывает образование высоких концентраций радикалов, обеспечивая более полное сгорание других присутствующих видов топлива.

Это более полное сгорание подтверждается снижением уровня углеводородов в газообразных выбросах, а также снижением уровня монооксида углерода. Уровни NO₂ являются переменными и зависят в большей степени от ряда факторов, таких как природа используемого топлива, геометрия топки и, в частности, наличие «горячих точек», возникающих в результате преимущественной вентиляции.

Что касается случая обычных топок, то известно, что смесь предварительно измельченного сырья, подается, часто - в противотоке с выходящими из топки газами, в систему, обеспечивающую подогрев того, что подается в топку, а также обеспечивающую значительное снижение уровня некоторых загрязнений в газообразных выбросах. В трубчатой топке, покрытой изнутри слоями футеровки, среднее время пребывания газов намного ниже, чем среднее время пребывания твердых частиц.

В тепловом балансе топки мы должны учитывать эндотермические процессы, в частности, «потерю углерода» и скрытую теплоту плавления на стадиях «плавки», а также тепловые потери различной природы, в частности в областях с меньшей теплоизоляцией мультициклонов.

Настоящее изобретение предназначено для введения в процесс горения с непрерывным сжиганием мельчайших количеств водорода (или в первоначально образованной смеси ННО) в области сжигания твердого топлива, что приводит существующий уровень техники к неожиданному техническому результату устойчивого сокращения топливопотребления и выбросов.

В текущем уровне техники использования водорода при оптимизации двигателей внутреннего сгорания можно выделить патентную заявку РСТ/РТ2015/000043, относящейся к способу повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания за счет действия водорода в этом процессе не в качестве горючего, а в качестве оптимизатора параметров горения в виде окислителя, подаваемого совместно с воздухом в двигатель.

Также можно сослаться на следующие документы, как наиболее близкие к уровню техники изобретения:

- «Экспериментальные и численные эффекты добавления водорода на ламинарную структуру метано-азотной струи в общем горячем потоке в MILD-условиях», Международный журнал водородной энергетики, 38, 13802-13811 (2013), А. Сепман и др. (Experimental and Numerical of the effects of hydrogen addition on the laminar structure of methane-nitrogen's jet in hot co-flow under MILD conditions, International Journal of Hydrogen Energy, 38, 13802-13811 (2013), A. Sepman et al.) раскрывает горение в MILD-условиях, то есть в условиях ламинарного потока, разбавленного кислородом. В документе упоминается, что в этих «MILD»-условиях мы можем получить горение без пламени, которое в английской терминологии называется «беспламенное горение (flameless combustion)», а на португальском языке обозначает «без горения (sem chama)» или просто «накаливание». Настоящее изобретение отличается от этого документа, поскольку оно работает в резко отличающихся условиях, с обычным избытком воздуха и обычными горелками топок непрерывного действия, таких как, например, печи для производства цемента. Кроме того, существенно отличаются применяемые условия содержания водорода, поскольку и в опытной части документа, и на странице 13804, показано, что водород используется в качестве топлива, и в условиях, которые возможно считать стехиометрическими (например, реакция R3, приведенная на указанной странице). В настоящем изобретении содержание водорода в десятки раз ниже, и поэтому результаты являются неожиданными и могут быть объяснены только более быстрым распространением пламени;

- GB 2089964 А раскрывает процесс горения, в котором используется горелка с непрерывным или импульсным впрыском, с образованием плазмы в камере сгорания, что отличается от настоящего изобретения, в котором используется обычная горелка, обеспечивающая обычное пламя, при этом отдельное, вдоль топки печи, введение водорода производится в малых количествах (далеко от стехиометрии).

Настоящее изобретение отличается от уровня техники, поскольку в область непрерывного сжигания твердого топлива вводят небольшие количества водорода, что будет повышать эффективность непрерывного горения, обеспечивая уменьшение его воздействия на окружающую среду. Водород образуется в результате реакции электролиза в электрохимической ячейке.

Осуществление изобретения

Процесс повышения эффективности непрерывного горения, что является целью настоящего изобретения, является нестехиометрическим и предпочтительно происходит в топке непрерывного действия. В этом процессе водород используется в качестве агента повторного воспламенения, чтобы способствовать более полному сгоранию топлива, при этом водород вводится при подаче воздуха в камеру с непрерывным горением в различных возможных точках, рационально выбранных в сжигающей топке, в частности - в местах, где происходит пневматический перенос только накаленных частиц.

Для достижения цели настоящего изобретения необходимо будет определить следующие признаки:

- точки/входы, где водород должен вводиться в камеру, где происходит сжигание;

- как вводится водород: давление и частота;

- диапазон пропорций водорода.

Локализация входов водорода может быть сделана в различных местах, самое простое - в транспортирующем топливо воздухе, или предпочтительно - в точках, где температурный профиль в квазистационарном состоянии обеспечит немедленное самовоспламенение водорода, чтобы предотвратить его накопление. Этот температурный профиль можно определить с помощью оптических пирометров или путем измерения температуры наружной поверхности топки вдоль ее длины и получить путем расчета значений проводимости и рассеяния излучения.

Предпочтительно, точки входа водорода расположены вдоль длины реактора на расстояниях, превышающих внутренний радиус корпуса топки (r), но меньших, чем его половинная длина. В еще одном предпочтительном варианте точки входа водорода расположены вдоль длины реактора на расстояниях от внутренней части корпуса топки (r) между 2r и 16r и между 2r и 6r.

Прямой участок топки имеет эллиптическую, квадратную, прямоугольную или трапециевидную форму, а точки входа водорода расположены вдоль длины реактора на расстояниях, превышающих гидравлический радиус, определяемый обычным образом для расчета числа Рейнольдса и последующего определения коэффициента трения.

Число Рейнольдса является безразмерным параметром, который имеет особое значение в механике текучих сред и рассчитывается по следующей формуле:

Re=u.ro.d/miu, где:

U - средняя скорость текучей среды;

Ro - плотность текучей среды;

d - линейный характеристический параметр;

miu - это средняя вязкость жидкости.

Введение водорода может осуществляться непрерывно в выбранных точках впрыска или с перерывами, чтобы уменьшить требуемое количество водорода, что приведет к аналогичному конечному результату. Эта прерывистость может осуществляться импульсным образом. Таким образом, впуск осуществляется, предпочтительно, с перерывами в одной или более точках через трубы, снабженные обратным клапаном, а также системой измерения доз и прерываний. Такое введение водорода должно осуществляться всегда при давлениях, превышающих максимальное давление, существующее внутри камеры сгорания.

Следует уточнить, что в случае импульсной подачи период между импульсами введения меньше, чем среднее время пребывания твердого материала в топке, но больше, чем время распространения дефлаграции водорода, пока он не достигнет дальнего конца топки и, следовательно, отсутствует одновременность, что предотвращает резонансные гармоники.

Рабочие условия применительно к потоку газа в топке соответствуют числу Рейнольдса, которое превышает 1000, но меньше 10⁸, при этом точки входа водорода расположены вдоль длины реактора на расстояниях, превышающих гидравлический радиус, определенный обычным способом, но всегда расстояния между ними больше гидравлического радиуса, определяемого обычным способом, для расчета числа Рейнольдса и последующего определения коэффициента трения. Предпочтительно, рабочие условия применительно к потоку газа в топке соответствуют числу Рейнольдса от 10000 до 10⁷, то есть всегда являются условиями турбулентного движения, а точки входа водорода расположены вдоль длины реактора на расстояниях, превышающих гидравлический радиус, определяемый обычным способом для вычисления числа Рейнольдса и последующего определения коэффициента трения.

Количество водорода, вводимого в процесс горения, по сравнению с основным топливом, составляет от 0,0001% до 1%, предпочтительно - от 0,001% до 0,1% (об./об.) от общего объема газов. Следует отметить, что управление введением водорода осуществляется каскадным способом, в зависимости от содержания летучих органических соединений и монооксида углерода, измеряемых непрерывно в смеси уходящих из топки газов, для обеспечения максимально полного сгорания.

Испытания, выполненные на основании изобретения

Предварительные испытания, проведенные на опытной топке, обеспечили поддержку температурного профиля, очень похожего на обычный, со средним снижением подачи топлива на 5% при использовании смеси ННО, впрыскиваемой во вторичный поток воздуха. Наиболее полное сгорание остаточного угля углеводородов подтверждается значительным сокращением выбросов VOC (летучих органических соединений - англ. Volatile Organic Components), а также снижением содержания монооксида углерода.

Для проведения испытаний использовалась трубчатая лабораторная печь диаметром 5 см и длиной 80 см, оснащенная обычной горелкой «без воздуха» (только со вторичным воздухом) и работающая с котельным топливом (TFO - от англ. Thin Fuel Oil), стабилизировалась при температуре 1100°С при регулировании избытка вторичного воздуха путем минимизации выходного сигнала опациметра. После стабилизации были приняты меры по измерению общего количества летучих органических соединений (VOC) в уходящих газах, а также регистрации значения показаний опациметра (например, VOC 720 ppm; ОПАЦИМЕТР 4,3 UVO). Все испытания проводились в стабилизированных условиях горения и температуры печи, в каждом испытании было сделано пять повторений, чтобы можно было оценить воспроизводимость, записав в следующей таблице наблюдаемые средние вариации. В смотровых отверстиях, разнесенных на 10 см, были присоединены металлические трубки диаметром 1 мм с обратным клапаном, чтобы обеспечить возможность введения потоков газовой смеси, содержащей водород, образующийся при электролизе.

Испытание 1 (контрольное). В этом испытании были измерены концентрации оксидов азота (NOx), общих летучих органических соединений (VOC) и монооксида углерода (СО) в вытекающем из топки потоке газов, при тщательной регистрации значений только после проверки того, что условия стабилизировались, то есть после начального переходного процесса. В этом контрольном испытании не было никакого введения водорода.

Испытание 2. Испытание, проведенное при тех же условиях, что и испытание 1, но с непрерывным введением Н₂ с содержанием, соответствующим 0,01% (об./об.) расхода газа.

Испытание 3. Испытание, проведенное при тех же условиях, что и испытание 1, с общим потоком газа Н₂, идентичным испытанию 2, но с импульсным введением Н₂ с частотой 1 секунда - это 1 секунда впрыска с последующим прерыванием на 1 секунду и т.д., с использованием поворотного клапана, идентичного тем, которые используются при впрыске в препаративной хроматографии.

Испытание 4. Испытание, аналогичное испытанию 2, но с содержанием вводимого водорода 0,001% (об./об.), т.е. в десять раз меньше.

Испытание 5. В целом аналогично испытанию 3, но с общим содержанием азота 0,001% (об./об.), что обеспечивает возможность сравнения непосредственно с испытанием 4.

Полученные результаты демонстрируют улучшение эффективности в снижении содержания VOC и СО при импульсном введении водорода, и, наоборот, более значительное снижение NOx при непрерывном введении водорода.

Следует отметить, что все вводимые количества Н₂ являются следовыми и очень далеки от стехиометрических условий горения. Наблюдаемые изменения в уровнях загрязнения очень неожиданы и их очень сложно объяснить.

Все, что найдено в литературе относительно введения Н₂ в системы сжигания, использует уровни Н₂ гораздо выше - в сотни раз, и не имеет смысла проводить аналогии или, говоря о механизмах, рассматривать возможность применения, если реакции горения в газовой фазе имеет лимитирующий кинетический шаг второго порядка, при котором скорость изменяется в зависимости от квадрата концентрации. Это очень неожиданно, что мельчайшее количество используемого водорода может вызвать повторное воспламенение, обеспечивая более полное сгорание первичного топлива.

Объемы, зарегистрированные за полчаса работы, были скорректированы с помощью табличных значений растворимости в воде, допустимых в условиях насыщения в мензурке.

Использование поворотного клапана, обеспечивающего возможность введения Н₂ импульсным образом, вызывает увеличение давления на резиновую трубку и, следовательно, внутри электролитической ячейки. Таким образом, испытания по проверке потока были повторены в системе с перевернутой пробиркой в резервуаре для воды. Было обнаружено, что небольшая наблюдаемая разница (менее 1%) будет находиться в пределах опытной ошибки применяемого способа, и, таким образом, следует сделать вывод, что небольшая разница в давлении, вызванная клапаном, не оказывает существенного влияния на средний расход газа с Н₂.

В используемой лабораторной установке нелегко количественно оценить снижение расхода топлива. Однако в 25 испытаниях (от 1-го до 5-го с 5 повторениями) всегда было необходимо воздействовать на клапан иглы горелки, чтобы уменьшить расход топлива, чтобы поддерживать одинаковую среднюю температуру печи. Это уменьшение всегда делалось итеративно, так как скорость реагирования средней температуры не является мгновенной, необходимо подождать не менее 3 минут, чтобы обеспечить стабилизацию.

В испытаниях, проводимых с намного более низкими уровнями Н₂ (0,0001% и 0,00001%), изменения температуры в печи не наблюдалось, и, следовательно, следует предположить, что влияние на эффективность горения больше невозможно выявить в случаях с этим установленным измерительным оборудованием.

Изобретение относится к области энергетики. Способ повышения эффективности систем непрерывного горения является нестехиометрическим и происходит в топке непрерывного действия, при этом в способе осуществляют шаги: вводят количество водорода, составляющее по отношению к основному топливу от 0,001% до 0,1% (об./об.) от общего объема газов, введенных в процесс горения; при этом введение водорода осуществляют непрерывно или с перерывами в одной или нескольких точках входа в камере непрерывного горения, которые находятся: в переносящем топливо воздухе; или там, где температурный профиль в квазистационарном состоянии обеспечивает самовоспламенение водорода; непрерывно измеряют содержание летучих органических соединений и монооксида углерода в выходящей из топки газовой смеси; осуществляют управление введением водорода в зависимости от измеренного содержания летучих органических соединений и монооксида углерода. Изобретение повышает эффективность горения и уменьшает его воздействие на окружающую среду. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ повышения эффективности систем непрерывного горения, отличающийся тем, что он является нестехиометрическим и происходит в топке непрерывного действия, при этом в способе осуществляют шаги:

а) вводят количество водорода, составляющее по отношению к основному топливу от 0,001% до 0,1% (об./об.) от общего объема газов, введенных в процесс горения; при этом

b) введение водорода осуществляют непрерывно или с перерывами в одной или нескольких точках входа в камере непрерывного горения, которые находятся:

в переносящем топливо воздухе; или

там, где температурный профиль в квазистационарном состоянии обеспечивает самовоспламенение водорода;

с) непрерывно измеряют содержание летучих органических соединений и монооксида углерода в выходящей из топки газовой смеси;

d) осуществляют управление введением водорода в зависимости от измеренного содержания летучих органических соединений и монооксида углерода.

2. Способ по п. 1, в котором впуск водорода осуществляют с перерывами, в одной или более входных точках камеры непрерывного горения, с помощью труб, снабженных обратным клапаном, а также системой управляемой подачи и прерывания, при давлениях, превышающих максимальное давление внутри камеры сгорания.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором температурный профиль определяют с помощью оптических пирометров или путем измерения температуры внешней поверхности топки вдоль соответствующей длины и получают расчетным путем, учитывая проводимость и рассеивание излучения.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором точки входа водорода расположены вдоль длины реактора на расстояниях, которые превышают радиус (r) корпуса топки, но меньше половины ее длины.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором точки входа водорода расположены вдоль длины реактора на расстояниях до внутреннего радиуса (r) корпуса топки, составляющих от 2r до 16r и от 2r до 6r.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором топка имеет прямой участок, имеющий эллиптическую, квадратную, прямоугольную или трапециевидную форму сечения, а точки входа водорода расположены вдоль длины реактора на расстояниях, превышающих гидравлический радиус.