СПОСОБ СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к технологии сжигания углеводородных топлив, в том числе низкого качества.

Известен способ сжигания углеводородного топлива, заключающийся в одновременной подаче в горелочное устройство топлива, воздуха и перегретого водяного пара, причем влажность воздуха не превышает 90% для исключения возможности конденсации пара до его контакта с топливом (РТ №93/01449, F23L 7/00, 1994). /1/

Однако при перемешивании перегретого пара и топлива в горелочном устройстве происходит снижение температуры пара, что приводит к снижению степени его диссоциации, и, как следствие, ухудшается эффективность горения топлива.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ бессажного сжигания топлива, согласно которому в горелочное устройство вначале подают топливо и воздух. Топливо поджигают и в образовавшееся сажное пламя направляют струю перегретого водяного пара под давлением. После прогрева горелочного устройства перекрывают подачу воздуха полностью или частично, при этом водяной пар производит газификацию углерода (сажи) в синтез-газ, который выводит из горелочного устройства на догорание. Поскольку газификация сажи происходит в парах воды, обеспечивается высокая эффективность горения топлива без образования сажи (патент РФ №2219435, F23C 11/00, опубл. 20.12.2003 г., Бюл. №35). /2/

Следует отметить, что в этом способе сжигания углеводородного топлива перемешивание перегретого водяного пара и продуктов сжигания топлива происходит по всему объему горелочного устройства, что приводит к возникновению в нем неустойчивых и неуправляемых процессов, препятствующих формированию высокотемпературного факела, необходимого для догорания синтез-газа.

Задачей изобретения является разработка высокоэффективного, экологически чистого способа сжигания углеводородного топлива низкого качества за счет создания в горелочном устройстве условий, инициирующих процесс газификации сажевых частиц и догорания образующегося при этом синтез-газа.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном способе сжигания углеводородного топлива с использованием воздуха и водяного пара, подаваемых в горелочное устройство, углеводородное топливо подвергают пиролизу до образования над его поверхностью дымогазовой смеси. В горелочное устройство подают воздух и перегретый водяной пар под давлением и в основание зоны ламинарного истечения паровой струи направляют поток дымогазовой смеси таким образом, чтобы на выходе из этой зоны возникло пульсационное горение, причем дымогазовую смесь подают в горелочное устройство при температуре T₁, определяемой из выражения:

где R_кат - радиус сажевого кластера, обладающего повышенной активностью по разложению молекулы H₂O до OH-радикала,

σ - коэффициент поверхностного натяжения воды,

ν - молекулярный объем конденсирующей молекулы,

k - постоянная Больцмана,

γ - стехиометрический коэффициент отношения количества топлива к количеству воздуха при появлении дымогазовой смеси,

T₁ - температура дымогазовой смеси, подаваемой в горелочное устройство,

T₂ - температура перегретого пара,

B - справочная константа, характеризующая давление насыщенных паров углеводородного топлива при заданной температуре.

Общими с прототипом признаками являются наличие горелочного устройства, в которое подают под давлением струю перегретого водяного пара и воздух.

Отметим, что во всех реакциях горения углеводородных топливных систем можно выделить главные газовые продукты реакций горения: OH-радикалы, H₂O, CO и CO₂. Известно, что OH-радикалы являются наиболее химически активными радикалами, инициирующими процесс горения. Проведенные научные эксперименты показали, что высокие концентрации OH-радикалов образуются в результате гетерогенно-каталитического разложения молекул воды на нанокластерах сажи в основании факела пульсационного горения, т.е. наносажевые частицы являются центрами повышенной каталитической активности разложения паров воды с появлением OH-радикалов.

Сущность заявленного способа заключается в реализации механизма нанокластерного инициирования процесса горения углеводородных топлив. Способ базируется на классической формуле Томсона в теории Беккера-Френкеля-Зельдовича.

Приведенное выше математическое выражение следует из формулы Томсона и позволяет определить соотношения температур перегретого водяного пара (T₂) и дымогазовой смеси (T₁) при подаче в горелочное устройство, с целью получения сажи заданного размера, инициирующих процесс горения до образования высокотемпературного факела.

По результатам научных экспериментов установлено, что центрами повышенной каталитической активности при горении углеводородных топлив являются нанокластеры сажи размером R_кат≈3÷5 нм.

Для ряда углеводородных топлив, включая соляровые топлива разных марок, установлено следующее.

1. Дымогазовая смесь в виде сажевой аэрозольно-газовой дымки над поверхностью солярового топлива появляется при температуре пиролизного разложения 400÷650°С (для всех практически значимых соляровых топлив).

2. Температура перегретого водяного пара T₂ должна быть ниже температуры дымогазовой смеси T₁, подаваемой в горелочное устройство, на 150-200°С.

Для других топлив, если известна T₂, то T₁ определяется из приведенного математического выражения. Входящие в него другие обозначения (σ, ν, γ, B) определяются из справочников или экспериментальным путем для данного вида топлива.

Образование нанокластерных частиц сажи происходит в зоне ламинарного истечения паровой струи при смешении пара с аэрозольными частицами дымогазовой смеси и их максимальная концентрация достигается на выходе из ламинарной зоны, где образуется первичный факел пульсационного горения, в котором происходит интенсивная газификация углерода (сажи). Затем образуется вторичный факел высокой температуры, в котором практиченски отсутствуют CO-аэрозоли и сажевые частицы, и догорают другие газы (синтез газа).

Направленная подача в горелочное устройство (в основание паровой струи) дымогазовой смеси, содержащей сажевые аэрозоли, способствует интенсивному образованию кластеров сажи нанометрового диапазона в определенной зоне (в основании первичного факела) и, следовательно, получению экологически чистого высокотемпературного вторичного факела.

На представленном чертеже приведена принципиальная схема процессов, протекающих в горелочном устройстве.

На схеме показано:

1 - пар насыщенный

2 - пар перегретый

3 - зона ламинарного истечения струи

4 - первый факел дымогазовой смеси испарившегося топлива

5 - основной поток дымогазовой смеси от топлива

6 - зона вхождения основного потока дымогазовой смеси в центральную парогазовую струю с нанокластерами сажи

7 - взаимодействие факела с внешней атмосферой и дополнительным окислителем и образование вторичного высокотемпературного факела

Заявленный способ подтверждается следующими примерами.

Пример 1

В отдельную емкость наливают солярку и нагревают до температуры 400°С в нижней емкости для солярки, при которой начинается образование дымогазовой смеси. Используя приведенную в описании математическую формулу, учитывая, что размер кластеров сажи R_кат~3 нм, а температура перегретого пара T₂=430°С, определяют, что T₁=630°С. Повышают температуру пиролиза солярки до 630°С, при этом образуется крупная сажа (аэрозоль размером около долей микрометра). Полученную дымогазовую смесь направляют в основание зоны 3 (в струю перегретого водяного пара 2) горелочного устройства. Происходит смешение сажевого аэрозоля с парами воды с образованием нанокластерных частиц сажи. Возникает первичный факел горения 4. Затем вторичный факел 7 высокой температуры (выше 1650°С в центральной части). Он практически не содержит CO-аэрозолей и сажи.

Пример 2

После начала пиролизного разложения солярки (400°С), как в примере 1, поднимают температуру до 700-750°С (T₁). Поток полученной при этом дымогазовой спеси направляют в основание струи перегретого водяного пара 2 (зона 3). Горение в первичном факеле было менее интенсивным, чем в примере 1, а вторичный факел имел температуру ниже 1100°С и содержал CO-аэрозоли и остаточную сажу. Отсюда следует, что при несоблюдении соотношения температур T₁ и T₂ согласно математическому выражению практически не образуется нанокластерная сажа при пиролизе топлива.

Пример 3

Солярку нагревают в отдельной емкости до температуры 350-390°С. В этом случае происходит пиролиз до «белого аэрозоля» (органический аэрозоль), а нанокластерной сажи не образуется. Полученную дымогазовую смесь с T₁=390°C направляют в горелочное устройство, как в примере 1. Горение происходит только в первичном факеле, а высокотемпературный вторичный факел не образуется.

Пример 4

В режимах примера 1 поток дымогазовой смеси, образованный от пиролиза солярки, вводят в горелочное устройство по всей поверхности паровой струи 1. Горение происходит в первичном факеле 4. Высокотемпературный факел не образуется, происходит массовый выброс недогоревшей сажи.

Пример 5

В условиях примеров 1-4 сжигали старый рубероид, рис растительный, масло бытовое, очищенное от примесей. Вторичный высокотемпературный экологически чистый факел образовывался только в условиях примера 1.

Пример 6

При сжигании пластмассовых отходов (бутылки, вторсырье) в условиях примеров 1-4 с проведением газового пиролиза не удалось получить высокотемпературный факел, т.к. газовая смесь (без дыма), направляемая в горелочное устройство (зона 2), не содержала нанокластерные сажевые аэрозоли.

Пример 7

Для сжигания газа метан-пропан из стандартных бытовых баллонов поток горячих газов (без дыма) направляли в горелочное устройство в режимах примеров 1-4. Первичный факел имел температуру 1200-1250°С. При смешении с парами воды происходило только его охлаждение до более низкой температуры, что приводило к появлению недогоревших компонентов газового синтеза. Вторичный факел не образовывался.

Предложенный способ позволяет сжигать некондиционные углеводородные топливные системы в среде перегретого водяного пара повышенного давления в процессе энергоэффективного и экологически чистого горения. Он может найти применение в горелочных устройствах различного назначения, используемых в ЖКХ, строительстве, металлургии, сельском хозяйстве и других отраслях. Его применение для сжигания топлива низкого качества («бросовое» топливо) направлено на решение проблемы сбережения качественного топлива, а также безотходности промышленного производства.

Источники информации

1. РТ №93/01449, F23L 7/00, 1994.

2 Патент РФ №2219435, F23C 11/00, опубл. 20.12.2003 г., Бюл. №35.