Патент на изобретение №2150044

(54) СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

(57) Реферат:

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к использованию природного газа в качестве источника тепловой энергии. Способ подготовки природного газа к сжиганию с использованием горелки с принудительной подачей воздуха тягодутьевым устройством включает подведение природного газа, смешение его с воздухом и подачу подготовленной газовоздушной смеси к месту сжигания. Способ обеспечивает улучшение смешения природного газа и воздуха, снижение содержания в выхлопных газах оксида углерода и окислов азота и упрощение конструкции горелки за счет того, что природный газ подводят к всасывающей линии тягодутьевого устройства, выполненной в виде цилиндра с перфорированной вставкой. 1 ил.

Настоящее изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к использованию природного газа в качестве источника тепловой энергии.

Известен способ подготовки природного газа к сжиганию с использованием горелок с принудительной подачей воздуха (см. Н.Л. Стаскевич и др. “Справочник по газоснабжению и использованию газа”, Л., Изд. “Недра”, Ленинградское отделение, 1990 г., стр. 499-501). Воздух, необходимый для горения, нагнетается в горелки принудительно тягодутьевым устройством, в основном вентилятором. В качестве тягодутьевого устройства могут быть использованы также воздуходувки или компрессоры. Воздух забирают из атмосферы во всасывающую линию тягодутьевого устройства и далее после прохождения рабочего органа, например рабочего колеса вентилятора, направляют в нагнетательную линию. В нагнетательной линии непосредственно у места сжигания природного газа проводят закрутку воздушного потока (наиболее часто используемый прием для широко известных конструкций горелок с принудительной подачей воздуха), в который из сопел подают природный газ. Здесь происходит смешение природного газа и воздуха с образованием газовоздушной смеси, которая далее через насадок поступает непосредственно к месту сжигания природного газа. Для получения короткого пламени с высокой температурой, т.е. для обеспечения горения газа, близкого к кинетическому, необходимо хорошее предварительное смешение природного газа и воздуха. Это достигается за счет удлинения участка смешения, увеличения разности скоростей газа и воздуха, увеличения поверхности соприкосновения газовых струй с воздушным потоком, направления потоков газа и воздуха под углом, вывода газовых струй в интенсивно раскрученный поток воздуха и т.д. Сказанное выше определяет основной недостаток способа подготовки природного газа к сжиганию с использованием горелок с принудительной подачей воздуха, а именно неудовлетворительное качество смешения природного газа и воздуха. При этом улучшение качества смешения сопровождается значительным усложнением конструкции горелки. В свою очередь неудовлетворительное качество смешения имеет следствием повышенное содержание в выхлопном газе оксида углерода (CO) и окислов азота (NO_x).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ подготовки природного газа к сжиганию с использованием горелок с принудительной подачей воздуха тягодутьевым устройством, реализуемый в газогорелочных автоматизированных блоках (см. указанный выше источник, стр. 599-604). Способ включает те же операции, что и в случае аналога, а именно подведение природного газа, смешение его с принудительно подаваемым и специально турбулизированным потоком воздуха, подачу подготовленной газовоздушной смеси к месту сжигания. Признаком, выделяющим этот способ из ряда аналогичных, является принудительная подача воздуха предназначенным только и только для этой цели совмещенным с горелкой центробежным вентилятором. Суть способа при этом не претерпевает изменений, а следовательно, сохраняются и вышеуказанные его недостатки. Следует отметить, что в настоящее время весьма широко распространены использующие указанный выше способ подготовки природного газа к сжиганию горелки газовые блочные ГБЛ, серийно выпускаемые, например, ОАО “Старорусприбор”.

Технический результат предлагаемого способа подготовки природного газа к сжиганию с использованием горелок с принудительной подачей воздуха тягодутьевым устройством состоит в улучшении смешения природного газа и воздуха, а следовательно, в улучшении качества газовоздушной смеси при одновременном упрощении конструкции горелки. Технический результат предлагаемого способа состоит также в снижении содержания в выхлопных газах оксида углерода и окислов азота.

Указанный технический результат достигают за счет того, что в способе подготовки природного газа к сжиганию с использованием горелок с принудительной подачей воздуха тягодутьевым устройством, включающем подведение природного газа, смешение его с воздухом и подачу подготовленной газовоздушной смеси к месту сжигания, природный газ подводят к всасывающей линии тягодутьевого устройства.

Сущность изобретения состоит в следующем.

При сжигании природного газа с использованием горелок с принудительной подачей воздуха реализуется в основном кинетический принцип сжигания. При кинетическом принципе сжигания природного газа однородная горючая смесь подготавливается до начала процесса горения и содержит воздух в несколько большем количестве, чем его потребно по стехиометрии проходящих при горении химических реакций (коэффициент избытка воздуха при этом – 1,02-1,05). Сгорание такой смеси проходит без видимых пиролитических процессов, приводящих к образованию сажистых частиц. При реализации указанного принципа горение может протекать при неограниченно высоком объемном теплонапряжении без образования продуктов неполного сгорания. Обязательным условием при этом является высокое качество смешения природного газа и воздуха, для чего применяют специальные и сложные конструкции смесительных устройств (см. указанный выше источник, стр. 327-328). В настоящем изобретении процесс смешения не требует специальных смесительных устройств вообще, поскольку смешение проходит непосредственно в тягодутьевом устройстве, например в рабочем колесе вентилятора. Подведение природного газа к всасывающей линии тягодутьевого устройства допустимо, естественно, только в том случае, если оно предназначено только для нагнетания воздуха в горелку, что и отражено выше при выборе прототипа изобретения. В настоящее время при современном уровне производства и автоматического управления процессами условия безопасности работы горелочного устройства в комплексе могут быть соблюдены без каких-либо осложнений. Наличие электродвигателей во взрывобезопасном исполнении, изготовление рабочего колеса и кожуха вентилятора из материалов, исключающих искрообразование, определяет безопасность механических устройств, необходимых для реализации способа. Необходимость устанавливать клапан блокировки, отключающий подачу газа при прекращении подачи воздуха, является принципиально присущим горелочным устройствам с принудительной подачей воздуха (см. указанный выше источник, стр. 499). Предотвращения отрыва и проскока пламени достигают как и в случае других горелок выбором соответствующих скоростей газовоздушного потока на выходе в топку, установкой стабилизаторов горения и т.д. (см. указанный выше источник, стр. 317-318).

Схематически горелочное устройство, реализующее заявляемый способ подготовки природного газа к сжиганию, приведено на представленном чертеже.

Природный газ подводят из сети по трубопроводу 1 к всасывающей линии 2 вентилятора 3. Всасывающая линия 2 в данном случае выполнена в виде цилиндра с внутренней перфорированной вставкой 4. Вентилятор, засасывающий воздух из атмосферы, приводится во вращение электродвигателем 5. Природный газ и воздух смешивают непосредственно в вентиляторе 3. Газовоздушную смесь подают в горелку 6, из которой смесь истекает в топочное пространство 7. Собственно горелка 6 представляет собой простую трубу с сужением или без него в зависимости от потребной скорости газа на выходе. Выход горелки размещен в стабилизаторе горения 8, представляющем собой цилиндрический туннель с внезапным расширением сечения.

Предлагаемое техническое решение может быть проиллюстрировано следующим примером.

Пример 1. Состав природного газа (об.%):
CH₄ – 98,49, C₂H₆ – 0,42, C₃H₈ – 0,18, C₄H₁₀ – 0,06;
O₂ – 0,01, CO₂ – 0,03 и N₂ – 0,76.

Газ вышеприведенного состава в количестве 55 нм³/час подают на всасывающую линию вентилятора. Одновременно из окружающей атмосферы вентилятор подсасывает 549 нм³/час воздуха (теоретически необходимое количество воздуха для сжигания газа данного состава – 9,51 нм³/нм³ газа). Собственно на рабочем колесе вентилятора образуется однородная горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха ( =1,05. Полученную смесь направляют непосредственно к месту сжигания по трубопроводу, который лишь условно может быть назван горелкой, поскольку полностью отсутствуют элементы, присущие имеющимся на сегодня горелкам с принудительной подачей воздуха. Тепловая мощность топки составляет 0,55 МВт. В выхлопном газе, благодаря интенсивному смешению природного газа и воздуха с образованием качественной газовоздушной смеси, содержится не более 50 мг/нм³ оксида азота и не более 120 мг/нм³ оксидов азота.

Использование предлагаемого технического решения обеспечивает следующие технико-экономические преимущества:
– упрощение конструкции газогорелочного устройства, а следовательно, и снижение его стоимости,
– упрощение монтажа и обслуживания горелки,
– снижение содержания оксида углерода и окислов азота в выхлопных газах.

Формула изобретения

Способ подготовки природного газа к сжиганию с использованием горелки с принудительной подачей воздуха совмещенным с ней тягодутьевым устройством, включающий подведение природного газа, смешение его с воздухом и подачу подготовленной газовоздушной смеси к месту сжигания, отличающийся тем, что природный газ подводят к всасывающей линии тягодутьевого устройства, выполненной в виде цилиндра с перфорированной вставкой.

РИСУНКИ