Способ сжигания топлива Советский патент 1992 года по МПК C01B3/00 C10J1/02 

(Л

С

Изобретение может быть использовано в различных топливосжигающих устройствах при использовании газообразных топ- лив. Цель изобертения - снижение уровней выбросов оксидов азота и канцерогенных веществ с продуктами сгорания при обеспечении высокой полноты сгорания топлива. Способ заключается в подаче метансодер- жащего газа и воздуха в камеру сгорания и отводе продуктов продуктов сгорания, причем метансодержащий газ подают на сжигание в воде гомогенной предварительно перемешанной смеси с 5-10 мас.% водорода, а процесс сжигания ведут при коэффициенте избытка воздуха 1,6 - 2,0. Изобретение обеспечивает снижение уровней выбросов канцерогенных веществ до 0,47 - 0,10 об. %, снижение уровня выбросов оксида азота до 0,40 - 0,31 об.% при обеспечении высокой полноты сгорания топлива (г/г 0,99). 3 ил., 3 табл.

Изобретение относится ктеплотехнолр- гии, стационарной и транспортной энергетике и может быть применено в различных топливосжигающих устройствах при использовании газообразных топлив, например метана.

Известны гомогенный, диффузионный и гибридный способы сжигания газообразного топлива, в том числе в тепловом двигателе, в частности газотурбинном, путем подачи воздуха и природного газа, например метана, сжигание последнего в камере сгорания и отвода продуктов сгорания.

Известен способ сжигания с внешним смесеобразованием, т.е. когда в специальном гомогенизаторе, расположенном перед камерой сгорания, т.е. до зоны горения, осуществляется предварительное перемешивание топлива с воздухом и в камеру

сгорания подается гомогенная топливно- воздушная смесь.

На фиг.1 приведены обобщенные данные по изменению относительных топлив- но-экологических показателей камер сгорания от коэффициента избытка воздуха в зоне горения (а) при таком способе сжигания предварительно подготовленной смеси природного газа и воздуха. Из представленных данных следует, что максимальная полнота сгорания природного газа (г/г) обеспечивается при а 1,05. Однако при таком значении образуются максимальные уровни оксидов азота (МОх), высокие уровни также канцерогенного вещества - бенз(а) пирена (БП). Исследованиями установлено, что именно этими вредными веществами на 95% и более определяется экологическое совершенство топливосжигающих устаноXIО)

о о

JCO

IKD

i

вок при использовании в качестве топлива природного газа, например метана.

При повышении коэффициента избытка воздуха в предварительно подготовленной горючей смеси с а - 1,05 до а 1,6 значительно снижаются уровни концентраций NOx и БП, но при этом существенно уменьшается и полнота выгорания топлива (7г) в камере сгорания. При дальнейшем повышении а 1,6 происходит более резкое снижение и наблюдается уже рост уровней образования БП.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является диффузионный способ сжигания, т.е. когда топливо и воздух раздельно подаются непосредственно в зону горения камеры сгорания. Для диффузионного способа сжигания природного газа (фиг.2) присущи такие же закономерности, как и для указанного выше гомогенного спо- соба, только максимальное значение NOx наблюдается при а 1,25; а резкое падение и рост уровней БП начинается а 2,0.

Цель изобретения - снижение уровней выброса оксидов азота и канцерогенных ве- ществ с продуктами сгорания при обеспечении высокой полноты сгорания топлива.

Указанная цель достигается тем, что природный газ, например, метан подают на сжигание в виде гомогенной предваритель- но перемешанной смеси с 5-10% мае. водорода, а процесс сжигания ведут при коэффициенте избытка воздуха 1,6 (в зависимости от способа сжигания топливной смеси)..

Использование в качестве топлива предварительно перемешанной смеси природного газа, например, метана с указанным массовым содержанием водорода обеспечивает эффективное снижение уров- ней выброса БП при одновременном повышении полноты сгорания топливной смеси до значений rjr 0,99. При этом уровни выброса NOx практически не зависят от замещения части природного газа указанным количеством водорода.

В табл.1 приведены обобщенные данные по изменению полноты сгорания топлива (7г), относительным уровням снижения выбросов NOx и БП с продуктами сгорания в зависимости от а и массовой доли водорода (дн2). идущего на замещение (с учетом теплового эквивалента) части природного газа, при гомогенном способе сжигания топливно-воздушной смеси.

Из представленных данных следует, что наиболее рациональным является (Х 1,6, так как в диапазоне дн2 5-10 мас.% обес

0

5 0

5

0 5

0

-

5

печивается т/г 0,99 при минимальных уровнях выброса NOx и БП.

В табл.2 приведены данные для диффузионного метода сжигания, т.е. когда осуществляется раздельная подача в камеру сгорания воздуха и предварительно перемешанной топливной смеси природного газа и водорода.

Из представленных данных, в соответствии с вышеизложенным следует, что наиболее рациональным для данного способа сжигания топливной смеси является а 2,0.

В табл.3 приведены (для примера) данные для гибридного метода сжигания, т.е. когда, например, половина топливной смеси природного газа с водородом предварительно смешивается с половиной воздуха, а другая - подается в камеру сгорания раздельно с остальной частью воздуха.

Из представленных данных следует, что наиболее рациональным является ,8.

Указанные закономерности процессов сжигания предварительно подготовленной смеси природного газа и водорода связаны с ингибирующим воздействием водорода на процессы образования БП (и других канцерогенных веществ) и с увеличением нормальной скорости сгорания смеси, что приводит к росту

Процесс предварительного смешения природного газа и водорода может, например, быть осуществлен в магистрали транспорта природного газа.

Пример. Установка включает диффузионную камеру сгорания (с раздельной подачей топлива и воздуха в зону горения) и гомогенную камеру сгорания (с предварительным смешением топлива с воздухом), а также источники природного газа, водорода и воздуха. Схема установки (фиг.З) содержит источник 1 природного газа (СЩ); регулирующие устройства 2, источник 3 водорода (На); трубопровод 4 подачи перемешанной смеси природного газа и водорода, диффузионную камеру 5 сгорания, измерительный комплекс 6 полноты сгорания топлива, уровней выброса оксидов азота (NOX) и канцерогенных веществ (бенз(а)пирена); гомогенную камеру 7 сгорания, смеситель 8 воздуха и топлива; источник 9 сжатого воздуха.

Источник природного газа с помощью стальной магистрали (Ф 50 мм и длиной 60 м) соединен с каерами сгорания. Магистраль подачи водорода (Ф 30 мм и длиной 5 м) соединена с магистралью подачи природного газа. Системы подачи природного газа и водорода снабжены регулирующей аппаратурой, обеспечивающей контролируемую

подачу природного газа и водорода в исследовательскую установку.

Таким образом, в диффузионную 5 и гомогенную 7 камеры сгорания подают по трубопроводу 4 предварительно перемешанную смесь природного газа и водорода (в диапазоне 4-11 мас.% водорода) при коэффициентах избытка воздуха: а 1,9-2,1 (для диффузионной камеры сгорания) и а 1,5-1,7 (для гомогенной камеры сгорания), которые устанавливались путем изменения подачи воздуха через регулирующие устройства. Гибридный метод сжигания осуществляют на камере 7 сгорания с гомогенизатором 8. Полноту сгорания топлива, уровни выброса

0

5

NOx и БП определяют на стендовом измерительном комплексе.

Формула изобретения Способ сжигания топлива, включающий подачу метансодержащего газа и воздуха в камеру сгорания и отвод продуктов сгорания, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью снижения уровней выбросов оксидов азота и канцерогенных веществ с продуктами сгорания при обеспечении высокой полноты сгорания топлива, метансодержащий газ подают на сжигание в виде гомогенной предварительно перемешанной с 5-10 мас.% водорода смеси, а процесс сжигания ведут при коэффициенте избытка воздуха 1,6-2,0.

20

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

ФИГ. I

St0 tf /,4 i,6 S 2Q

Фиг. 2

Фиг.З