Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: сжигание газообразных топлив. Сущность изобретения: способ сжигания газа состоит в подаче в зону горения газовых и воздушных потоков, вводе газов рециркуляции. Газы рециркуляции вводят в газовый поток перед смешиванием его с воздушным потоком. Устройство для сжигания газа содержит газоподводящий корпус, установленную по оси корпуса воздухоподводящую трубу. Воздухоподводящая труба установлена в газоподводящем корпусе с кольцевым зазором и снабжена коаксиально размещенными вокруг ее и один вокруг другого газовыми насадками с выпускными отверстиями на боковой поверхности, насадками для подачи газов рециркуляции и патрубками на боковой поверхности насадка подачи газа, причем патрубки выведены в выпускные отверстия. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2008559
Класс(ы) патента: F23C11/00
Номер заявки: 4925926/06
Дата подачи заявки: 15.04.1991
Дата публикации: 28.02.1994
Заявитель(и): Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им.И.И.Ползунова
Автор(ы): Шестаков Н.С.; Журавский Г.И.; Иванов В.С.
Патентообладатель(и): Шестаков Николай Сергеевич
Описание изобретения: Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при сжигании газообразных топлив.
Известен способ сжигания топлива путем его смешивания с частью воздуха и подачи остального воздуха в виде нескольких воздушных струй с расходом воздуха в каждой последующей струе, превышающим расход в предыдущей [1] .
Известен способ сжигания газообразного топлива путем подачи в зону горения части топлива для формирования основного факела, а остальной части топлива в смеси с воздухом - отдельными струями, равномерно распределенными между струями основного факела [2] .
К недостаткам данных способов следует отнести низкую эффективность подавления процессов образования вредных примесей в продуктах сгорания, сложность технической реализации способов.
Известен способ сжигания газа путем подачи в зону горения смеси и рециркуляции в корневую часть факела горячих продуктов сгорания [3] .
Недостатком данного способа является неустойчивость процесса pециpкуляции продуктов сгорания, низкая эффективность подавления процессов образования оксидов азота в продуктах сгорания.
Наиболее близким к изобретению является принятый за прототип способ сжигания газа [4] .
По этому способу в зону горения подают несколькими ярусами встречные газовоздушные потоки, вводят над ними встречными струями вторичный воздух и дополнительно в зону горения вводят газы рециркуляции, причем одну часть газов рециркуляции предварительно смешивают с прямоточными струями вторичного воздуха, а другую подают вокруг всех прямоточных его потоков.
Недостатки этого способа следующие: сложность организации процесса, заключающуюся в необходимости создания встречных закрученных струй воздуха; низкая эффективность подавления процессов образования оксидов азота из-за большого (по сравнению с обычными способами сжигания газа) времени пребывания газов в зоне высоких температур (время пребывания в зоне высоких температур увеличивается за счет закрутки потоков и встречных течений); необходимость дополнительного распыливания воды, на испарение которой затрачивается часть теплоты сгорания топлива и поэтому снижается количество полезно используемого тепла.
Целью изобретения является снижение содержания оксидов азота в продуктах сгорания.
Цель достигается тем, что в отличие от известного способа, заключающегося в подаче несколькими ярусами встречных газовоздушных потоков, введении над ними встречными струями вторичного воздуха и дополнительном введении в зону горения газов рециркуляции при предварительном смешивании части газов рециркуляции с прямоточными струями вторичного воздуха и подаче другой части газов рециркуляции вокруг всех прямоточных потоков вторичного воздуха, газы рециркуляции вводят в газовый поток предварительно пеpед его смешиванием с воздушным потоком.
Сжигание газа осуществляют в устройстве, содержащем установленную с кольцевым зазором по оси газоподводящего корпуса воздухоподводящую трубу, снабженную коаксиально размещенными вокруг нее и один вокруг другого газовыми насадками с выпускными отверстиями на боковой поверхности, насадками подачи газов рециркуляции и патрубками на боковой поверхности насадка подачи газа, причем патрубки выведены в отверстия.
На чертеже приведен общий вид устройства для реализации способа сжигания газа.
В горелку, содержащую газоподводящий корпус 1, газовые насадки 2 и 3 с па- трубками 4 и отверстиями 5, воздухоподводящую трубу 6, выходные каналы для газа 7 в газоподводящем корпусе, через патрубок 8 подают газ. Одновременно подают воздух в воздухоподводящую трубу и кольцевой зазор. Зажигают топливную смесь и часть образующихся продуктов сгорания (газы рециркуляции) подают в насадок подачи газов рециркуляции 2, осуществляя при этом подачу газа в насадок для газа 3.
Работает горелка следующим образом.
Газ, подаваемый в газоподводящий корпус 1, выход струями в кольцевой зазор между воздухоподводящей трубой с насадками и корпусом 1, где смешивается с поступающим в кольцевой зазор воздухом. Образовавшуюся горючую смесь поджигают с помощью зажигалки. Продукты сгорания частично (известное соотношение 15-30% ) направляют в насадок 2 для подачи газов рециркуляции и одновременно подают газ в насадок 3. Газ через патрубки 4 выходит в кольцевой зазор, сюда же поступают через отверстия 5 и газы рециркуляции. Часть газов рециркуляции смешивается с газом, поступающим из патрубков 4, а другая часть смешивается с воздухом и газом, поступающим из газоподводящего корпуса 1. Образуется смесь с недостатком воздуха, при горении которой выгорает часть газа, так как кислорода, содержащегося в смеси, недостаточно для окисления всего газа. Поскольку практически весь кислород расходуется на окисление газа, то в этом случае образование оксидов азота значительно снижается.
Воздух, подаваемый в воздухоподводящую трубу 6, на выходе из горелки экранируется газами рециркуляции от горящей по периферии горелки смеси и проходит центральной струей в зону, где смешивается с недогоревшим в первой зоне газом, продуктами сгорания, газами рециркуляции. Образуется вторая зона горения, где и происходит дожигание оставшегося газа.
Известно, что для устойчивого зажигания и горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы смесь имела определенные концентрационные пределы. Например, концентрационные пределы в воздушных смесях природного газа (Саратовского) 5,1-12,1 об. % . Таким образом для создания горючей смеси необходимо осуществлять перемешивание 1 ч. газа с 8-20 ч. воздуха. Равномерное смешивание горючих компонентов в таких соотношениях и за весьма короткое время (скорости подачи горючих в камеру горелки в среднем составляют 30-50 м/с) представляет особую проблему. Образование горючей смесь происходит обычно в два этапа: первичное смешивание газа и воздуха в горелке; смешивание в самой топочной камере.
Роль первичного смешивания является определяющей, поскольку оно должно обеспечить необходимое минимальное концентрационное соотношение (для Саратовского газа 5,1% ) горючих компонентов. В противном случае не будет происходить воспламенения смеси. Смешивание в самой топочной камере определяется интенсивностью процессов тепло- и массообмена в факеле, которые могут быть интенсифицированы за счет повышения турбулентности в потоках и другими способами. В то же время высокая турбулентность необходима лишь в ядре факела, а у устья горелок для возможности воспламенения необходимо иметь умеренную турбулентность, что накладывает ограничения на возможность смесеобразования в факеле. Вследствие этого необходимо добиваться наиболее полного смешивания на первом этапе, т. е. в горелке.
Очевидно, что равномерное смешивание газовых компонентов происходит наиболее быстро в случае, когда в пространстве они занимают равные объемы. Действительно, если, например, в объеме 1 м3воздух занимает 0,5 м3 и газ 0,5 м3 и разделены непроницаемой перегородкой, то после удаления перегородки каждому компоненту необходимо определенное время для распространения на весь объем, т. е. на остальные 0,5 м3 для создания равноконцентрационной по объему смеси. Если газ занимает, например, 0,1 м2, а воздух - 0,9 м3, то газу потребуется значительно больше времени, чтобы распространиться на 0,9 м3, чем за 0,5 м3, а время образования однородной смеси определяется максимальным временем перемешивания, т. е. распространения газа на весь объем.
Добавление в сжигаемый газ, а не в воздух газов рециркуляции позволяет уменьшить разницу (или выровнять объемы) между объемами смешиваемых потоков газов и воздуха и тем самым улучшить перемешивание.
Известно, что скорость образования закиси азота определяется так:
= exp- O2·Nexp- (1) где τ - время, с;
N2, О2, NO - концентрация азота, кислорода и закиси азота, г-моль/л.
Из выражения (1) cледует, что для уменьшения образования оксидов азота необходимо снижать температуру в топке, уменьшать концентрацию кислорода в зоне реагирования и сокращать время пребывания газов в зоне высоких температур.
Подача газов рециркуляции в газовый поток позволяет организовать двухступенчатый процесс горения, в результате чего снижается уровень температур, поскольку зона горения увеличивается в объеме и снижается количество тепла, выделяющееся в результате горения в единице объема. Уменьшается также и концентрация кислорода в зоне реагирования, так как сама зона увеличивается в размерах. Все это приводит к снижению содержания оксидов азота в продуктах сгорания.
Известно, что снижение подогрева воздуха является эффективным средством снижения выбросов NOх при сжигании газа. В нашем случае подогрев воздуха исключен, вместо этого производится подогрев газа за счет теплообмена с газами рециркуляции, что повышает устойчивость процесса горения и снижает образование NOх.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство для сжигания газа позволяют при сжигании снизить содержание оксидов азота в продуктах сгорания.
П р и м е р 1. В горелку, содержащую газоподводящий корпус 1, газовые насадки 2 и 3 с патрубками 4 и отверстиями 5, воздухоподводящую трубу 6, выходные каналы для газа 7, через патрубок 8 подают природный газ, содержащий в основном пропан в количестве 0,001 м3/с. Как известно для полного сгорания 1 м3 пропана необходимо 23,8 м3 воздуха. В то же время воздушная смесь пропана устойчиво воспламеняется при содержании пропана в смеси в пределах 2,4-9,5 об. % , т. е. на 1 м3 пропана приходится 4,6 м4 - 9,52 м3 воздуха. За пределами данных концентрационных величин смесь не горит. Исходя из этого через патрубок в кольцевой зазор подают воздух с расходом:
Gвоздуха= 0,001м3/c·23,8= 0,00952м3/c (2)
Зажигают топливную смесь. При таких расходах воздуха пропан сгорает, поскольку для его полного сгорания необходимо было бы подавать воздух в следующем количестве:
Gп.с.воздуха= 0,001м3/c·23,8= 0,00238м3/c (3) Одновременно подают воздух в воздухоподводящую трубу 6 с расходом равным
G = G Gвозд.= 0,0238-0,00952= 0,0143м3/c (4)
Не сгоревший в первой зоне пропан догорает во второй зоне, куда поступает воздух из воздухоподводящей трубы 6. В первой зоне сгорает пропана = 4·10-4м3/c (5)
Продуктов сгорания образуется 25,8м33·4·10-4м3/c= 0,010м3/c (6)
Таким образом во вторую зону горения поступает следующее количество газов: 0,01м3/c+0,0143м3/c+0,0006м3/c= 0,0249м3/c (7)
Концентрация пропана в смеси составит
0,0006 м3/с : 0,0249 м3/с˙100% =
= 2,41 об. % что входит в концентрационные пределы 2,4-9,5% . Поэтому во второй зоне будет устойчивое горение.
Далее осуществляют рециркуляцию части продуктов сгорания, которые подают в насадок 2 в количестве
Gрециркул.= 0,00387м3/c (8)
Такое количество газов рециркуляции (продуктов сгорания) определено оптимальными их количеством с точки зрения снижения выбросов оксидов азота (15-30% ). Одновременно через насадок 3 подают газ расходом, равным расходу газов рециркуляции, т. е.
Gгаза= 0,00387м3/c (9) При этом увеличивают расход воздуха через воздухоподводящую трубу на величину
0,00387м3/c·23,8м33= 0,0921м3/c (10) Таким образом общий расход воздуха через воздухоподводящую трубу составит величину
0,0921м3/c+0,0143м3/c= 0,106м3/c (11) Во вторую зону горения поступает следующее количество газов (газ, воздух, продукты горения из первой зоны, газы рециркуляции) 0,00387м3/c+0,0006м3/c+0,0100м3/c+0,106м3/c= 0,124м3/c Концентрация газа во второй зоне составит величину · 100%=3,6% что находится в концентрационных пределах устойчивого горения.
Снижение выбросов оксидов азота происходит вследствие того, что в первой зоне при недостатке кислорода газа сгорает примерно · 100% = 21% Воздух, подаваемый на сжигание, не подвергается подогреву, а часть продуктов сгорания (газы рециркуляции) возвращается в горелку и проходит через зоны горения, благодаря чему возрастает скорость разложения кислорода, содержащегося в газах рециркуляции.
П р и м е р 2. В горелку, содержащую газоподводящий корпус 1, газовые насадки 2 и 3 с патрубками 4 и отверстиями 5, воздухоподводящую трубу 6, выходные каналы для газа 7, через патрубок 8 подают газ метан в количестве 0,002 м3/с. В соответствии с этим в кольцевой канал подают воздух в количестве Gвозд.= 0,002м3/c·5,67м33= 0,0113м3/c где 19-5,67 м33 - концентрационные границы воспламенения смеси метан-воздух. Для полного сгорания метана необходимо 9,52 м3 воздуха на 1 м3 метана. Производят зажигание топливной смеси. Осуществляется неполное сгорание метана, поскольку для его полного сгорания необходимо следующее количество воздуха: Gполн.сгвоздух.ор.= 0,002м3/c·9,52м33= 0,01904м3/c Одновременно подают воздух в воздухоподводящую трубу 6 с расходом G = 0,01904м/c3= 0,0113м3/c= 0,0077м3/c Несгоревший в первой зоне метан догорает во второй зоне, куда поступает воздух из воздухоподводящей трубы 6. Количество метана, сгорающего в первой зоне, равно
= 1,19·10-3м3/c В первой зоне образуется следующее количество продуктов сгорания: 10,52м33·1,19·10-3м3/c= 1,248·10-2м3/c Во вторую зону горения поступают продукты сгорания из зоны, несгоревший метан и воздух из воздухоподводящей трубы 6 1,248·10-2м3/c+(0,002-0,00119)м3/c+0,0077м3/c= 0,021м/c Концентрация метана во второй зоне составит величину · 100% = 3,86oб.%
Для метана нижний концентрационный предел воспламенения составляет 5 об. % . Поэтому для горения во второй зоне необходимо туда подать дополнительно метан. Подачу метана во вторую зону осуществляют через насадок 3 подачи газа. Пусть подают метан через насадок 3 с расходом 0,001 м3/с. Далее производят подачу газов рециркуляции через насадок 2 в количестве 30% от продуктов сгорания в первой зоне, т. е. Gгаз.рецирк.= 1,248·10-2м3/c·0,3= 0,0037м3/c
Во вторую зону поступает следующее количество газов: 0,021м3/c+0,0037м3/c+0,001м3/c= 0,0257м3/c Концентрация метана во второй зоне составит величину · 100%=7% Количество метана, которое должно полностью сгореть во второй зоне, равно 0,00081м3+0,001м3/c= 0,00181м3/c Для сгорания такого количества метана необходимо воздуха 9,52м33·0,00181м3/c= 0,0172м3/c Таким образом, во вторую зону необходимо дополнительно по воздухоподводящей трубе подать воздуха 0,0172м3/c-0,0077м3/c= 0,0095м3/c Следовательно во вторую зону поступит всего газов 0,0257м3/+0,0095м3/c= 0,0352м3/c Концентрация метана в этой зоне будет
100 % = 5,14 об. % т. е. горение будет устойчивым, поскольку 5,14% входит в интервал устойчивого горения метана в воздушной смеси: 5-15% по объему.
Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства для сжигания газа позволяет снизить выбросы оксидов азота в атмосферу и получить экологический эффект. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1456699, кл. F 23 C 5/00, 1989.
2. Авторское свидетельство СССР N 1462063, кл. F 23 C 5/00, 1989.
3. Д. М. Хзмалян и др. Теория горения и топочные устройства. М. : Энергия, 1976, с. 165-166.
4. Авторское свидетельство СССР N 1477978, кл. F 23 C 11/00, 1989.
5. И. Я. Сигал. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. М. : Недра, 1988, с. 243.
Формула изобретения: 1. Способ сжигания газов путем подачи в зону горения газовых и воздушных потоков, ввода газов рециркуляции, отличающийся тем, что, с целью снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания, газы рециркуляции вводят в газовый поток перед смешиванием его с воздушным потоком.
2. Устройство для сжигания газа, содержащее газоподводящий корпус и установленную по оси корпуса воздухоподводящую трубу, отличающееся тем, что, с целью снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания, воздухоподводящая труба установлена в газоподводящем корпусе с кольцевым зазором и снабжена коаксиально размещенными вокруг ее и один вокруг другого газовыми насадками с выпускными отверстиями на боковой поверхности насадка для подачи газов рециркуляции и патрубками на боковой поверхности насадка подачи газа, причем патрубки выведены в выпускные отверстия.