Патент на изобретение №2224176

(54) СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам сжигания газообразного топлива и может быть использовано в промышленных котельных агрегатах, а также в технологических процессах ручного или автоматизированного производства, например, при изготовлении изделий из стекла. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса горения с обеспечением экологической безопасности. Это достигается за счет того, что подачу в зону горения богатого и бедного потоков газовоздушной смеси осуществляют с предварительным нагревом потока богатой смеси до температуры ее воспламенения и образования горючей смеси за счет инжектирования полученных продуктов сгорания потоком бедной смеси в зоне горения, в результате чего горючую смесь, полученную из двух потоков, инжектируют третьим потоком газовоздушной смеси, причем потоки располагают относительно друг друга коаксиально, а инжектирование осуществляют с увеличением скорости потоков от периферии факела горения к его оси, образуя при слиянии потоков активный прямоточный факел горения – или вихревой, или развернутый, причем при образовании прямоточного и вихревого факелов горения газовоздушную смесь первого и второго потоков подают в зону горения под углом, образующим сходящий факел горения, кроме того, при образовании вихревого факела горения дополнительно по его периферии в зону горения подают вторичный воздух, обеспечивающий закрутку потоков в огневую спираль, а при образовании развернутого факела горения газовоздушную смесь третьего и второго потоков подают в зону горения под углом, образующим расходящий факел горения. В варианте пополнения для получения температуры выше 2000^oС вместо газовоздушной смеси третьего потока в зону горения подают кислород, а инжектирование продуктов неполного сгорания первого потока у основания факела горения осуществляют с помощью инжектора, выполненного из жаропрочного материала. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам сжигания газообразного топлива и может быть использовано в промышленных котельных агрегатах, а также в технологических процессах ручного или автоматизированного производства, например, при изготовлении изделий из стекла.

Известен способ многостадийного сжигания газообразного топлива (пат. РФ 2180948, кл. 7 F 23 D 14/02, 2000 г. – аналог), в котором газообразное топливо сжигают в две стадии и по мере возрастания концентрации кислорода в окислителе увеличивают подачу газообразного топлива в камеру предварительного горения.

Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает в большей степени эффективность процесса горения; например, применение кислорода приводит к удорожанию данного способа и делает его небезопасным, а применение камеры предварительного сгорания приводит к ограничению времени пребывания в ней газообразного топлива, в противном случае способ не сможет достигнуть своей цели.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ сжигания газообразного топлива (авт. свид. СССР 1019166 А, кл. F 23 С 9/06, 1981 г. – прототип), включающий подачу в зону горения богатого и бедного потоков газовоздушной смеси, предварительный нагрев потока богатой смеси до температуры, обеспечивающей ее воспламенение и образование горючей смеси путем инжектирования полученных продуктов сгорания потоком бедной смеси в зоне горения.

Недостатком этого способа является снижение эффективности процесса горения при изменении его режимов.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса горения с обеспечением экологической безопасности.

Технический результат достигается за счет того, что способ сжигания газообразного топлива, включающий подачу в зону горения богатого и бедного потоков газовоздушной смеси, предварительный нагрев потока богатой смеси до температуры, обеспечивающей ее воспламенение и образование горючей смеси путем инжектирования полученных продуктов сгорания потоком бедной смеси в зоне горения, отличающийся тем, что горючую смесь, полученную из двух потоков, инжектируют третьим потоком газовоздушной смеси, причем потоки располагают относительно друг друга коаксиально, а инжектирование осуществляют с увеличением скорости потоков от периферии факела горения к его оси, образуя при слиянии потоков активный прямоточный факел горения или вихревой, или развернутый, причем при образовании прямоточного и вихревого факелов горения газовоздушную смесь первого и второго потоков подают в зону горения под углом, образующим сходящий факел горения, кроме того, при образовании вихревого факела горения дополнительно по его периферии в зону горения подают вторичный воздух, обеспечивающий закрутку потоков в огневую спираль, а при образовании развернутого факела горения газовоздушную смесь третьего и второго потоков подают в зону горения под углом, образующим расходящий факел горения, кроме того, для получения температуры выше 2000^oС, вместо газовоздушной смеси третьего потока в зону горения подают кислород, а газовоздушную смесь второго потока выдерживают с коэффициентом <1, но не менее коэффициента газовоздушной смеси первого потока, а инжектирование продуктов неполного сгорания первого потока у основания факела горения осуществляют с помощью инжектора, выполненного из жаропрочного материала.

Признаки, отличающие предлагаемый способ от решений в прототипе, являются существенными и отвечают критерию “новизна”, т.к. не выявлены в других известных решениях.

На фиг. 1, 2 и 3 приведены схемы для реализации предлагаемого способа сжигания газообразного топлива:
фиг.1 – схема с прямоточным факелом горения, где А – первый периферийный поток; Б – второй средний поток; В – третий центральный поток; Г – инжектор;
фиг. 2 – схема с вихревым факелом горения, где А – первый периферийный поток; Б – второй средний поток; В – третий центральный поток; Г – инжектор; Д – вторичный поток воздуха;
фиг.3 – схема с развернутым факелом горения, где А – первый периферийный поток; Б – второй средний поток; В -третий центральный поток; Е – инжектор с завихрителем.

В зону горения топочного пространства подают газовоздушную смесь коаксиально тремя потоками А, Б и В.

Поток А – 1-я ступень, с богатой газовоздушной смесью (<1), при температуре 300-500^oС локализует, с образованием активных центров горения, например атомарного водорода, гидроксина, окиси углерода и др., и образует продукты неполного сгорания для активизации процесса горения в потоках Б (2-я ступень) и В (3-я ступень). И чем больше в продуктах сгорания потока А образовано активных центров горения, тем активнее будет происходить цепная реакция горения, распространяющаяся на потоки Б и В. Поэтому количество газа в поток А подают не менее 50% всех потоков.

Поток Б – 2-я ступень, с бедной газовоздушной смесью (>1), у которого скорость движения V_B>V_A, а количество газа, подаваемого на горение, составляет 10-15% от всего объема газа. Поток Б инжектирует до 70% продуктов неполного сгорания потока А и образует при этом горючую активную смесь, в результате горения которой достигается температура порядка 1500-1600^oС, что обеспечивает диссоциацию молекул метана с образованием новых активных центров горения, которые являются катализаторами получения активной горючей смеси в потоке В.

С целью увеличения интенсивности инжектирования потока А потоком Б у основания факела горения поток Б пропускают через инжектирующее устройство (инжектор Г и Е). В практике оно известно как смеситель для смешивания разнородных газов, например газа и воздуха для получения газовоздушной смеси. А в данном способе инжектирующее устройство обеспечивает смешение продуктов неполного сгорания потока А и газовоздушной смеси потока Б с образованием горючей смеси.

Таким образом в потоке Б (2-я ступень) концентрируются два вида активных центров горения:
первый – образован на первой ступени сжигания потоком А;
второй – образован на второй ступени потоком Б.

Далее в процессе горения продукты неполного сгорания потоков А и Б, включая их большую часть активных центров горения, инжектируют третьим центральным потоком В, имеющим газовоздушную смесь, близкую к стехиометрической.

Таким образом, 3-й поток В является калибрующим. Под его соотношение компонентов (газ+воздух) выравнивают соотношение потоков А и Б, а процесс горения в нем образует 3-ю ступень сжигания топлива.

Вхождение потоков А, Б и В в зону горения осуществляют с нарастанием их скоростей от периферии к центру (V_AБB). Различная концентрация газа и скорость в потоках А, Б и В создают определенную последовательность сжигания газа в зоне горения в виде цепной реакции. Это значит, что в данном способе осуществляют ступенчатое сжигание газа, в котором количество ступеней сжигания равно количеству потоков газовоздушных смесей, подаваемых в зону горения, т. е. трем, и каждый поток, образующий ступень сжигания, является обязательным звеном в поддержании цепной реакции сжигания газа.

Данный способ сжигания газообразного топлива может быть использован с большим количеством его ступеней (больше 3-х), если это требуется для решения более значимых теплотехнических задач.

Предлагаемый способ сжигания топлива универсален, он может быть использован по различным назначениям, не теряя своей эффективности. При этом он легко воспроизводит форму факела соответствующего назначения.

Большую роль в формировании факела играет направление второго инжекционного потока Б, который при прямоточном (фиг.1) и вихревом (фиг.2) образует сходящий поток, а при развернутом факеле (фиг.3) – расходящий поток. Кроме того, дополнительно при организации вихревого факела горения (фиг.2) для его закрутки с внешней стороны (от периферии к центру) подают вторичный поток воздуха Д, а при формировании развернутого факела горения (фиг.3) устанавливают инжектор Е с завихрителем для закрутки третьего (центрального) потока.

Применение данного изобретения позволяет резко повысить эффективность использования газа при обеспечении экологической безопасности.

Формула изобретения

1. Способ сжигания газообразного топлива, включающий подачу в зону горения богатого и бедного потоков газовоздушной смеси, предварительный нагрев потока богатой смеси до температуры, обеспечивающей ее воспламенение и образование горючей смеси путем инжектирования полученных продуктов сгорания потоком бедной смеси в зоне горения, отличающийся тем, что горючую смесь, полученную из двух потоков, инжектируют третьим потоком газо-воздушной смеси, причем потоки располагают относительно друг друга коаксиально, а инжектирование осуществляют с увеличением скорости потоков от периферии факела горения к его оси, образуя при слиянии потоков активный прямоточный факел горения, или вихревой, или развернутый.

2. Способ сжигания газообразного топлива, включающий подачу в зону горения богатого и бедного потоков газовоздушной смеси, предварительный нагрев потока богатой смеси до температуры, обеспечивающей ее воспламенение, и образование горючей смеси путем инжектирования полученных продуктов сгорания потоком бедной смеси в зоне горения, отличающийся тем, что для получения температуры выше 2000С вместо газовоздушной смеси третьего потока в зону горения подают кислород, а газовоздушную смесь второго потока выдерживают с коэффициентом <1, но не менее коэффициента газовоздушной смеси первого потока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при образовании прямоточного и вихревого факелов горения газовоздушную смесь первого и второго потоков подают в зону горения под углом, образующим сходящий факел горения, кроме того, при образовании вихревого факела горения дополнительно по его периферии в зону горения подают вторичный воздух, обеспечивающий закрутку потоков в огневую спираль.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при образовании развернутого факела горения газовоздушную смесь третьего и второго потоков подают в зону горения под углом, образующим расходящий факел горения.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что инжектирование продуктов неполного сгорания первого потока у основания факела горения осуществляют с помощью инжектора, выполненного из жаропрочного материала.

РИСУНКИ