RU2737266C1 - Method for combustion of mixtures of fuel with gaseous oxidant and device for implementation thereof - Google Patents
Method for combustion of mixtures of fuel with gaseous oxidant and device for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2737266C1 RU2737266C1 RU2020110141A RU2020110141A RU2737266C1 RU 2737266 C1 RU2737266 C1 RU 2737266C1 RU 2020110141 A RU2020110141 A RU 2020110141A RU 2020110141 A RU2020110141 A RU 2020110141A RU 2737266 C1 RU2737266 C1 RU 2737266C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- combustion
- conducting elements
- fuel
- resistant
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 123
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 title claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 18
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 5
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 claims description 5
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 claims description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000009841 combustion method Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 27
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 26
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 7
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005474 detonation Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 2,2,4,4,6,6-hexaphenoxy-1,3,5-triaza-2$l^{5},4$l^{5},6$l^{5}-triphosphacyclohexa-1,3,5-triene Chemical compound N=1P(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP=1(OC=1C=CC=CC=1)OC1=CC=CC=C1 RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000566515 Nedra Species 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N butane;propane Chemical compound CCC.CCCC HOWJQLVNDUGZBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000010791 domestic waste Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/12—Radiant burners
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Gas Burners (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам сжигания смесей газообразного или распыленного жидкого или твердого топлива с воздухом или другим газообразным окислителем и к устройствам для осуществления сжигания таких смесей в промышленности и бытовых установках. Изобретение может быть использовано при создании оборудования для котельных и систем горячего водоснабжения, в установках по переработке и утилизации бытовых и промышленных отходов, в энергетических установках и газотурбинных двигателях, в машиностроении и металлургии.SUBSTANCE: invention relates to methods of combustion of mixtures of gaseous or atomized liquid or solid fuel with air or other gaseous oxidizer and to devices for combustion of such mixtures in industry and domestic installations. The invention can be used to create equipment for boiler houses and hot water supply systems, in installations for the processing and disposal of household and industrial waste, in power plants and gas turbine engines, in mechanical engineering and metallurgy.
Процесс горения смесей топлива с воздухом - один из основных источников энергии для человечества. Энергопотребление человечества постоянно растет, при этом нарастают экологические проблемы. Вопросы интенсификации производства энергии и вопросы улучшения экологических характеристик энергопроизводящих установок весьма актуальны. Для газообразного топлива в настоящее время в большинстве случаев используются два режима сжигания: факельный процесс горения в свободной струе и поверхностное горедие в радиационных инфракрасных (ИК) горелках на поверхности проницаемой матрицы. Для сжигания распыленного жидкого и твердого топлива используется только режим факельного горения в свободной струе.The combustion process of mixtures of fuel with air is one of the main sources of energy for mankind. Humanity's energy consumption is constantly growing, while environmental problems are growing. The issues of intensification of energy production and the issues of improving the environmental characteristics of power generating plants are very relevant. For gaseous fuels, currently, in most cases, two combustion modes are used: flare combustion in a free jet and surface combustion in radiant infrared (IR) burners on the surface of a permeable matrix. For the combustion of atomized liquid and solid fuels, only the free-jet flare combustion mode is used.
В известных радиационных (излучающих) ИК горелках используется поверхностный режим горения только газовых смесей (см., например, Shmelev V. Radiation Efficiency of Surface Burning on a Foam Metal Matrix with Ceramic Coating. Energy and Power Engineering. 2017, №9, p.366-385; Василик H.Я. и др. Использование матриц из проницаемого проволочного материала в инфракрасных горелочных устройствах. Химическая физика. 2017, т.36, №11, с. 34-38; Беспламенная панельная горелка Гипронефтемаша. Журнал «ПроНПЗ» Нефтепереработка. 2019. Доступно по ссылке: https://pronpz.ru/pechi/gorelki.html). Горение смесей горючих газов с воздухом в ИК горелках происходит вблизи поверхности проницаемой матрицы. Проницаемая матрица -пластина со сквозными порами или каналами, по которым проходит смесь воздуха и горючего газа. Горение газо-воздушной смеси происходит вблизи той поверхности проницаемой матрицы, через которую осуществляется выход газовой смеси из матрицы. Зона химической реакции, или зона горения, в ИК горелке находится на таком расстоянии от проницаемой матрицы, где имеет место заметный теплообмен между зоной химической реакции и поверхностью проницаемой матрицы. Размер пор или каналов в матрице выбирается таким образом, что горение внутрь матрицы проникнуть не может, так как диаметр каналов выбирается меньше критического диаметра горения.In the known radiation (emitting) IR burners, the surface combustion mode is used only for gas mixtures (see, for example, Shmelev V. Radiation Efficiency of Surface Burning on a Foam Metal Matrix with Ceramic Coating. Energy and Power Engineering. 2017, No. 9, p. 366-385; Vasilik N.Ya. et al. The use of matrices made of permeable wire material in infrared burners. Chemical Physics. 2017, vol. 36, No. 11, pp. 34-38; Flameless panel burner Giproneftemash. Journal "ProNPZ" Oil refining. 2019. Available at: https://pronpz.ru/pechi/gorelki.html). Combustion of mixtures of combustible gases with air in IR burners occurs near the surface of the permeable matrix. A permeable matrix is a plate with through pores or channels through which a mixture of air and combustible gas passes. The combustion of the gas-air mixture occurs near the surface of the permeable matrix through which the gas mixture leaves the matrix. The chemical reaction zone, or combustion zone, in the IR burner is located at such a distance from the permeable matrix where there is a noticeable heat exchange between the chemical reaction zone and the surface of the permeable matrix. The size of pores or channels in the matrix is chosen in such a way that combustion cannot penetrate into the matrix, since the diameter of the channels is chosen to be less than the critical combustion diameter.
Режим поверхностного горения, используемый в известных ИК горелках, имеет ряд преимуществ перед факельным. При сгорании газовоздушных смесей в режиме поверхностного горения за счет предварительного нагрева горючей смеси в каналах проницаемой матрицы достигается лучшая полнота сгорания, возможно сжигание горючих газов с низкой калорийностью (например, биогаз, продукты пиролиза и т.д.), расширяются концентрационные пределы горения (Родин А.К. Газовое лучистое отопление. Л.: Недра. 1987, 191 с). В режиме поверхностного горения можно реализовать более эффективное преобразование химической энергии топлива в энергию излучения, проводить процесс горения с меньшим количеством выбросов токсичных компонентов (окислов азота, моноксида углерода) в продуктах сгоранияThe surface combustion mode used in the known IR burners has a number of advantages over the flare burner. During the combustion of gas-air mixtures in the surface combustion mode, due to the preheating of the combustible mixture in the channels of the permeable matrix, better combustion efficiency is achieved, combustion of combustible gases with low calorific value is possible (for example, biogas, pyrolysis products, etc.), the concentration limits of combustion expand (Rodin A.K. Gas radiant heating.L .: Nedra. 1987, 191 p.). In the mode of surface combustion, it is possible to realize a more efficient conversion of the chemical energy of the fuel into radiation energy, to carry out the combustion process with a smaller amount of emissions of toxic components (nitrogen oxides, carbon monoxide) in the combustion products
Однако поверхностный режим горения в основном используется в бытовых горел очных устройствах или устройствах сравнительно небольшой мощности. Это связано с проблемами, возникающими при интенсификации процесса горения в ИК горелках. Поэтому мощные тепловые потоки реализуются при факельном режиме горения. Возможности интенсификации поверхностного режима горения в ИК горелках ограничены как теплопроводностью, жаростойкостью и жаропрочностью материалов, из которых изготавливаются проницаемые матрицы горелочных устройств, так и газодинамической устойчивостью режима поверхностного горения. При значениях удельной мощности горения, когда скорость движения газового потока на выходе из проницаемой матрицы превышает скорость горения газовой смеси, происходит отрыв зоны горения от поверхности матрицы. При таких условиях с увеличением мощности горения над поверхностью матрицы могут возникнуть зоны с факельным режимом горения, но переход к факельному режиму сопровождается ухудшением экологических характеристик процесса и уменьшением радиационного КПД горелки.However, the surface combustion mode is mainly used in domestic combustion devices or devices of relatively low power. This is due to the problems that arise during the intensification of the combustion process in IR burners. Therefore, powerful heat fluxes are realized in the flare combustion mode. The possibilities of intensifying the surface combustion mode in IR burners are limited both by the thermal conductivity, heat resistance and heat resistance of the materials from which the permeable matrices of burners are made, and by the gas-dynamic stability of the surface combustion mode. At values of the specific combustion power, when the velocity of the gas flow at the exit from the permeable matrix exceeds the combustion rate of the gas mixture, the combustion zone is separated from the matrix surface. Under such conditions, with an increase in the combustion power above the matrix surface, zones with a flare combustion mode may appear, but the transition to a flare mode is accompanied by a deterioration in the environmental characteristics of the process and a decrease in the radiation efficiency of the burner.
Для повышения эффективности поверхностного режима горения в ИК горелках предложено вводить в их конструкцию теплопроводящие (рекуперативные) элементы (Василик Н.Я., Шмелев В.М. Горение смесей природного газа с воздухом на поверхности рекуперационной матрицы. Горение и взрыв. 2017, Т.10, №2, с. 4-8; A. Kozlov, V. Shmelev, N. Vasilik et al. Radiant infrared gas burner. US 2019049108 (A1), опубл. 14.02.2019, дата приоритета 05.02.2016). Такие известные ИК горелки содержат кроме матрицы из проницаемого материала множество рекуперативных (теплопроводящих) элементов с теплопроводностью выше, чем у материала проницаемой матрицы, находящихся в тепловом контакте с материалом проницаемой матрицы. Проницаемая матрица образует поверхность зоны горения, в которую поступает предварительно нагретая при движении сквозь проницаемую матрицу газовая смесь. Газовая смесь сгорает на выходе или вблизи выхода из пор или каналов над поверхностью проницаемого материала матрицы и догорает между рекуперативными элементами, выступающими над поверхностью горения.To increase the efficiency of the surface mode of combustion in IR burners, it was proposed to introduce heat-conducting (recuperative) elements into their design (Vasilik N.Ya., Shmelev V.M. Combustion of mixtures of natural gas with air on the surface of the recuperation matrix. Combustion and explosion. 2017, Vol. 10, No. 2, pp. 4-8; A. Kozlov, V. Shmelev, N. Vasilik et al. Radiant infrared gas burner. US 2019049108 (A1), published 02.14.2019, priority date 02.05.2016). Such known IR burners contain, in addition to a matrix of permeable material, a plurality of recuperative (heat-conducting) elements with a thermal conductivity higher than that of the material of the permeable matrix, which are in thermal contact with the material of the permeable matrix. The permeable matrix forms the surface of the combustion zone, into which the gas mixture preheated when moving through the permeable matrix enters. The gas mixture burns out at the outlet or near the outlet from the pores or channels above the surface of the permeable matrix material and burns out between the recuperative elements protruding above the combustion surface.
На рис. 1 приведена схема известных излучающих ИК горелок с проницаемой матрицей и рекуперативными элементами, где 1 - корпус горелки, 2 - смеситель, 3 -распределитель потока газовой смеси, 4 - проницаемая матрица, 5 - система рекуперативных элементов, 6 - расходомер газа, 7 - расходомер воздуха, 8 - термопара, 9 - преобразователь сигнала термопары, 10 - газоанализатор, 11 - ИК пирометр.In fig. 1 shows a diagram of known IR emitting burners with a permeable matrix and recuperative elements, where 1 is the burner body, 2 is a mixer, 3 is a gas mixture flow distributor, 4 is a permeable matrix, 5 is a system of recuperative elements, 6 is a gas flow meter, 7 is a flow meter. air, 8 - thermocouple, 9 - thermocouple signal converter, 10 - gas analyzer, 11 - IR pyrometer.
В работе: Василик Н.Я., Шмелев В.М. Инфракрасное горелочное устройство с проволочной матрицей и рекуперативными элементами. Горение и взрыв. 2019, Т. 12, №3, с. 3-8 проведены детальные экспериментальные исследования процесса сжигания смесей пропан-бутана с воздухом на ИК горелке с проницаемой проволочной матрицей и на такой же ИК горелке, но оснащенной рекуперативными теплопроводящими элементами, находящимися в тепловом контакте с материалом проницаемой матрицы. Результаты испытаний показали, что конструкция ИК горелки с рекуперативными элементами обеспечивает более устойчивую работу в режиме поверхностного горения для значений удельной мощности горения на единицу площади поперечного сечения потока продуктов сгорания до 0,5 МВт/м, что выше, чем у ИК горелок с керамическими проницаемыми матрицами или панелями и металлическими матрицами без рекуперативных элементов, но остается значительно меньшим, чем в современных горелках с факельным режимом горения - 5 МВт/м (Двухблочные горелки для газообразных и жидких топлив. 2019. OILONOY. Lahti. Finland). При этом важно отметить, что экологические характеристики ИК горелок поверхностного режима горения с рекуперативными элементами по выбросам окислов азота в три-четыре раза лучше, чем у современных горелок с факельным режимом горения.In work: Vasilik N.Ya., Shmelev V.M. Infrared burner with wire matrix and recuperative elements. Combustion and explosion. 2019, Vol. 12, No. 3, p. 3-8, detailed experimental studies of the process of combustion of propane-butane mixtures with air have been carried out on an IR burner with a permeable wire matrix and on the same IR burner, but equipped with recuperative heat-conducting elements in thermal contact with the material of the permeable matrix. The test results showed that the design of an IR burner with recuperative elements provides more stable operation in the surface combustion mode for values of the specific combustion power per unit cross-sectional area of the combustion product flow up to 0.5 MW / m, which is higher than that of IR burners with ceramic permeable matrices or panels and metal matrices without recuperative elements, but remains significantly lower than in modern burners with a flare combustion mode - 5 MW / m (Twin-block burners for gaseous and liquid fuels. 2019. OILONOY. Lahti. Finland). It is important to note that the environmental characteristics of IR burners of surface combustion mode with recuperative elements in terms of nitrogen oxide emissions are three to four times better than those of modern burners with flare combustion mode.
Задачей изобретения является разработка такого способа сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, который будет обладать высокой экологичностью по выбросам окислов азота и угарного газа, и в то же время будет обеспечивать высокие значения удельной мощности горения при устойчивом режиме горения.The objective of the invention is to develop such a method of combustion of mixtures of fuel with a gaseous oxidizer, which will have high environmental friendliness in terms of emissions of nitrogen oxides and carbon monoxide, and at the same time will provide high values of the specific combustion power in a stable combustion mode.
Задачей изобретения является также создание радиационной инфракрасной горелки для осуществления предлагаемого способа сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, которая обеспечит устойчивый режим горения, в том числе, при скоростях движения горючей смеси больше нормальной скорости горения данной горючей смеси, что позволит повысить удельную мощность горения, и при этом будет обеспечено уменьшение выбросов окислов азота и угарного газа.The objective of the invention is also to create a radiant infrared burner for implementing the proposed method of burning mixtures of fuel with a gaseous oxidizer, which will provide a stable combustion mode, including at speeds of movement of the combustible mixture greater than the normal burning rate of this combustible mixture, which will increase the specific combustion power, and this will ensure a reduction in emissions of nitrogen oxides and carbon monoxide.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, характеризующимся тем, что предварительно перемешанную смесь горючего с газообразным окислителем подают в горелку, содержащую систему теплопроводящих элементов из жаростойкого, жаропрочного материала с теплопроводностью не менее теплопроводности жаростойкой, жаропрочной стали, расположенных в зоне интенсивного теплообмена с зоной горения, воспламеняют на выходе из системы теплопроводящих элементов, прогревают систему теплопроводящих элементов теплом от зоны горения, вызывая перемещение зоны горения внутрь системы теплопроводящих элементов, и продолжают сжигание смеси горючего с окислителем внутри системы теплопроводящих элементов, в том числе, при скорости движения смеси больше нормальной скорости горения данной смеси, при этом смесь горючего с окислителем воспламеняется от нагретых теплопроводящих элементов.The solution to this problem is achieved by the proposed method of burning mixtures of fuel with a gaseous oxidizer, characterized by the fact that a premixed mixture of fuel with a gaseous oxidizer is fed into a burner containing a system of heat-conducting elements made of heat-resistant, heat-resistant material with a thermal conductivity not less than that of heat-resistant, heat-resistant steel located in the zone intensive heat exchange with the combustion zone, ignite at the exit from the system of heat-conducting elements, heat the system of heat-conducting elements with heat from the combustion zone, causing the combustion zone to move inside the system of heat-conducting elements, and continue burning a mixture of fuel with an oxidizer inside the system of heat-conducting elements, including at a speed the movement of the mixture is greater than the normal combustion rate of this mixture, while the mixture of fuel with an oxidizer is ignited by heated heat-conducting elements.
В качестве газообразного окислителя можно использовать воздух.Air can be used as the gaseous oxidant.
Решение поставленной задачи достигается также конструкцией предлагаемой радиационной инфракрасной горелки для сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, включающей смеситель и систему теплопроводящих элементов из жаростойкого, жаропрочного материала с теплопроводностью не менее теплопроводности жаростойкой, жаропрочной стали, расположенных в зоне интенсивного теплообмена с зоной горения, при этом расстояние между теплопроводящими элементами больше критического диаметра горения смесей горючего с окислителем и составляет не менее 2 мм для газообразного горючего и не менее размера частиц жидкого или твердого распыленного горючего.The solution to this problem is also achieved by the design of the proposed radiation infrared burner for burning mixtures of fuel with a gaseous oxidizer, including a mixer and a system of heat-conducting elements made of heat-resistant, heat-resistant material with a thermal conductivity not less than the thermal conductivity of heat-resistant, heat-resistant steel, located in the zone of intensive heat exchange with the combustion zone, while the distance between the heat-conducting elements is greater than the critical diameter of combustion of mixtures of fuel with an oxidizer and is not less than 2 mm for gaseous fuel and not less than the particle size of liquid or solid atomized fuel.
Теплопроводящие элементы могут быть выполнены из жаростойкой, жаропрочной стали.Heat-conducting elements can be made of heat-resistant, heat-resistant steel.
Теплопроводящие элементы могут быть покрыты керамической жаростойкой пленкой.Heat-conducting elements can be covered with a ceramic heat-resistant film.
Система теплопроводящих элементов может состоять из двух и более слоев, причем в каждом последующем слое расстояние между теплопроводящими элементами может увеличиваться.The system of heat-conducting elements can consist of two or more layers, and in each subsequent layer the distance between the heat-conducting elements can increase.
Между слоями теплопроводящих элементов может устанавливаться стабилизирующая горение сетка.A combustion stabilizing mesh can be installed between the layers of heat transfer elements.
Стабилизирующая горение сетка может быть покрыта керамической жаростойкой пленкой.The flame retardant mesh can be covered with a heat-resistant ceramic film.
Система теплопроводящих элементов может быть выполнена в виде набора пластин, геометрические параметры которых могут изменяться в следующих пределах: ширина от 5 до 500 мм, толщина от 0,1 до 15 мм, при этом длина пластин определяется размерами горелки и системой крепления пластин.The system of heat-conducting elements can be made in the form of a set of plates, the geometric parameters of which can vary within the following limits: width from 5 to 500 mm, thickness from 0.1 to 15 mm, while the length of the plates is determined by the dimensions of the burner and the plate fastening system.
Система теплопроводящих элементов может быть выполнена в виде набора колец или набора замкнутых конструкций из лент любой формы, геометрические параметры которых могут изменяться в следующих диапазонах: ширина от 5 до 500 мм, толщина от 0,1 до 10 мм.The system of heat-conducting elements can be made in the form of a set of rings or a set of closed structures of ribbons of any shape, the geometric parameters of which can be changed in the following ranges: width from 5 to 500 mm, thickness from 0.1 to 10 mm.
Схема заявляемой радиационной ИК горелки для реализации предлагаемого способа сжигания смесей горючего с газообразным окислителем приведена на рис. 2, где 1 - корпус горелочного устройства, 2 - смеситель, 3 - распределитель потока горючего, перемешанного с газообразным окислителем, 4, 5 - система теплопроводящих элементов (два слоя), 6 - расходомер горючего, 7 - расходомер газообразного окислителя, 8 - термопара для измерения температуры нижней поверхности теплопроводящих элементов, 9 - преобразователь, 10 - газоанализатор, включающий термопару для измерения температуры продуктов сгорания, 11 - ИК пирометр для измерения температуры поверхностей теплопроводящих элементов и других деталей горелки.The scheme of the claimed IR radiation burner for the implementation of the proposed method of combustion of mixtures of fuel with a gaseous oxidizer is shown in Fig. 2, where 1 is the body of the burner, 2 is the mixer, 3 is the distributor of the fuel flow mixed with the gaseous oxidizer, 4, 5 is the system of heat-conducting elements (two layers), 6 is the fuel flow meter, 7 is the flow meter of the gaseous oxidizer, 8 is the thermocouple for measuring the temperature of the lower surface of heat-conducting elements, 9 - a converter, 10 - a gas analyzer, including a thermocouple for measuring the temperature of combustion products, 11 - IR pyrometer for measuring the temperature of the surfaces of heat-conducting elements and other burner parts.
Предлагаемая конструкция радиационной ИК горелки и применение для изготовления теплопроводящих элементов (ТЭ) современных жаростойких, жаропрочных материалов, обладающих высокой теплопроводностью (например, фехраль с покрытием из оксида алюминия), позволило реализовать неизвестный ранее режим горения - армированное горение, то есть горение внутри системы ТЭ. Устойчивый режим горения с высокими значениями удельной мощности и хорошими экологическими характеристиками в радиационной ИК горелке, реализующей предлагаемый способ армированного горения, достигается за счет потока тепла, передаваемого ТЭ, расположенными в зоне интенсивного теплообмена с зоной горения, от зоны горения и продуктов сгорания к свежей горючей смеси, поступающей в горелочное устройство. При контакте свежей горючей смеси с нагретыми ТЭ обеспечивается ее надежное воспламенение, так как температура поверхности ТЭ превышает температуру самовоспламенения данной смеси (Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М., МГУ, 1957, с. 96). Режим армированного горения позволяет реализовать устойчивый процесс горения при скоростях движения топливной смеси в горелке, превышающих нормальную скорость горения данной горючей смеси, нагретой до температуры воспламенения. Режим армированного горения позволяет увеличить удельную мощность горения и сжигать в радиационных ИК горелках не только горючие газы, но и двухфазные или многофазные смеси горючего с газообразным окислителем. В режиме армированного горения достигаются хорошие экологические характеристики при сохранении высоких значений КПД горелки. Удельная мощность горения на единицу площади поперечного сечения потока горючей смеси в ИК горелке предлагаемой конструкции может достигать значений, характерных для современных газовых горелок с факельным режимом горения.The proposed design of the IR radiation burner and the use of modern heat-resistant, heat-resistant materials with high thermal conductivity for the manufacture of heat-conducting elements (FCs) (for example, fechral coated with aluminum oxide), made it possible to implement a previously unknown combustion mode - reinforced combustion, that is, combustion inside the FC system ... A stable combustion mode with high specific power values and good environmental characteristics in an IR radiation burner that implements the proposed method of reinforced combustion is achieved due to the heat flux transmitted by fuel cells located in the zone of intense heat exchange with the combustion zone, from the combustion zone and combustion products to fresh fuel mixture entering the burner. When a fresh combustible mixture comes into contact with heated fuel cells, its reliable ignition is ensured, since the fuel cell surface temperature exceeds the autoignition temperature of this mixture (Khitrin L.N. Physics of combustion and explosion. Moscow, MGU, 1957, p. 96). The reinforced combustion mode allows a stable combustion process to be realized at speeds of the fuel mixture in the burner exceeding the normal burning rate of the given combustible mixture heated to the ignition temperature. The reinforced combustion mode allows to increase the specific combustion power and to burn not only combustible gases, but also two-phase or multiphase mixtures of fuel with a gaseous oxidizer in IR radiation burners. In the reinforced combustion mode, good environmental characteristics are achieved while maintaining high values of the burner efficiency. The specific combustion power per unit cross-sectional area of the combustible mixture flow in an IR burner of the proposed design can reach values typical of modern gas burners with a flare combustion mode.
Благодаря режиму армированного горения в предлагаемом способе можно сжигать как «бедные», так и «богатые» топливные смеси (коэффициент избытка воздуха от 0,25 до 2,0). При сжигании «богатых» смесей углеводородов в процессе горения образуется синтез-газ.Thanks to the mode of reinforced combustion in the proposed method, it is possible to burn both "lean" and "rich" fuel mixtures (excess air ratio from 0.25 to 2.0). When "rich" mixtures of hydrocarbons are burned, synthesis gas is formed during combustion.
Предлагаемый способ позволяет уменьшить выбросы окислов азота и угарного газа при любых значениях температуры горения и температуры продуктов сгорания, но наилучшие экологические характеристики достигаются в случае, когда температура продуктов сгорания во всех областях зоны горения не превышает значений 1700°С, при которых начинается интенсивное образование окислов азота (Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М., Наука, 1966, 688 с), и не падает ниже 1000°С, что обеспечивает окисление компонентов горючего с максимальной полнотой (Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Химические процессы в газах. М., Наука. 1981, 262 с).The proposed method allows to reduce emissions of nitrogen oxides and carbon monoxide at any values of the combustion temperature and the temperature of combustion products, but the best environmental characteristics are achieved when the temperature of combustion products in all areas of the combustion zone does not exceed 1700 ° C, at which intensive formation of oxides begins nitrogen (Zel'dovich Ya.B., Raizer Yu.P. Physics of shock waves and high-temperature hydrodynamic phenomena. M., Nauka, 1966, 688 s), and does not fall below 1000 ° C, which ensures the oxidation of fuel components with maximum completeness (Kondrat'ev VN, Nikitin EE Chemical processes in gases (Moscow, Nauka. 1981, 262 p.).
Геометрические размеры системы ТЭ зависят от размеров горелки. Например, расстояние между ТЭ для крупных горелок может достигать 200 мм, ширина пластин или лент, составляющая высоту слоя ТЭ, может достигать 500 мм.The geometric dimensions of the FC system depend on the dimensions of the burner. For example, the distance between FCs for large burners can reach 200 mm, the width of plates or tapes, which makes up the FC layer height, can reach 500 mm.
Предлагаемый способ сжигания смесей горючего с газообразным окислителем осуществляли следующим образом.The proposed method of combustion of mixtures of fuel with a gaseous oxidizer was carried out as follows.
Для реализации предлагаемого способа использовали заявляемую радиационную ИК горелку (рис. 2). В качестве горючего использовали природный газ, в качестве газообразного окислителя - воздух. Система теплопроводящих (рекуперативных) элементов включала от одного до пяти слоев пластин (см. рис 3, 4 и 5), На рис. 3 представлена фотография горелки с одним слоем ТЭ с шириной пластин (ТЭ) 32 мм, расстояние между ТЭ 4 мм. На рис. 4 представлена та же горелка при горении в ней природного газа, удельная мощность горения 3,06 МВт/м2 (опыт 2 в таблице).To implement the proposed method used the inventive IR radiation burner (Fig. 2). Natural gas was used as a fuel, and air was used as a gaseous oxidizer. The system of heat-conducting (recuperative) elements included from one to five layers of plates (see Fig. 3, 4 and 5), In Fig. 3 shows a photograph of a burner with one FC layer with a plate width (FC) of 32 mm, the distance between FCs is 4 mm. In fig. 4 shows the same burner when burning natural gas in it, the specific combustion power is 3.06 MW / m2 (
Горелка на рис. 5 имеет пять слоев пластин (ТЭ) разной ширины (высоты слоя), мм: 32; 43; 8; 8; 8, представлена при горении в ней природного газа, удельная мощность горения 5,3 МВт/м2 (опыт 7 в таблице). Пластины (ТЭ) были изготовлены из фехраля ПХ25Ю6, разработанного в ЦНИИчермет им. И.П. Бардина (Скачков О.А., Макаревич О.Н., Пожаров СВ., Демин Ю.Н. Способ получения порошка дисперсно-упрочненной ферритной стали. RU 2460611, опубл. 10.09.2012). Рабочая температура этого материала 1400°С. На поверхность пластин наносили защитное керамическое покрытие из оксида алюминия толщиной до 100 мкм, используя многокамерную детонационную установку (Василик Н.Я., Колисниченко О.В., Тюрин Ю.Н. Способ газодинамического детонационного ускорения порошков и устройство для его осуществления. RU 2506341, опубл. 10.02.2014). Изготовленные таким образом пластины (ТЭ) длительное время работали без изменения свойств в тепловом контакте с зоной горения природного газа с воздухом. Температура поверхности ТЭ достигала 1450°С. Расстояние между ТЭ в первом слое пластин составляло от 2 мм до 5 мм, в следующих слоях со второго по пятый - 8 мм, ширина пластин, составляющая высоту данного слоя ТЭ, изменялась от 5 мм 43 мм, толщина пластин составляла от 0,1 до 1 мм. Площадь поперечного сечения газового потока смеси горючего с воздухом 30 см2 (определяется размером горелки). Состав смеси природного газа с воздухом и объемный расход газа и воздуха контролировался с помощью расходомеров, коэффициент избытка воздуха в газовой смеси изменялся от 1,2 до 1,68. Температура продуктов сгорания не превышала 1600°С и не опускалась ниже 1000°С. Часть полученных результатов испытаний представлена в таблице.The burner in fig. 5 has five layers of plates (TE) of different width (layer height), mm: 32; 43; eight; eight; 8 is presented when natural gas is burning in it, the specific combustion power is 5.3 MW / m 2 (
В эксперименте с максимальным значением удельной мощности горения 5,3 МВт/м2 (опыт 7) (коэффициент избытка воздуха 1,6) усредненное по сечению газового потока значение скорости газо-воздушной смеси перед воспламенением достигало значений более 9,5 м/с, что и обеспечивало высокое значение мощности горения. Следует заметить, что нормальная скорость горения такой смеси (коэффициент избытка воздуха 1,6) при начальной температуре 600°С (температура самовоспламенения данной смеси природного газа и воздуха) менее 2 м/с (Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. М. МГУ, 1957, 450 с), то есть режим армированного горения обеспечивает устойчивый режим горения при скорости движения данной газовой смеси в 4,5 раза больше, чем нормальная скорость горения этой смеси. В известных ИК горелках при высоких скоростях газового потока зона горения «отрывается» от поверхности проницаемой матрицы, и горение прекращается или продолжается в режиме факельного горения в струе. При горении в факельном режиме экологические характеристики горелки ухудшаются, и уменьшается радиационный КПД.In an experiment with a maximum power density of combustion 5.3 MW / m 2 (Test 7) (the air excess ratio of 1.6) averaged over the cross section of the gas flow rate value of gas-air mixture before the ignition has reached values higher than 9.5 m / s, which provided a high value of the combustion power. It should be noted that the normal combustion rate of such a mixture (excess air ratio 1.6) at an initial temperature of 600 ° C (autoignition temperature of this mixture of natural gas and air) is less than 2 m / s (Khitrin L.N. Physics of combustion and explosion. M Moscow State University, 1957, 450 s), that is, the reinforced combustion mode provides a stable combustion mode at a speed of movement of a given gas mixture 4.5 times greater than the normal combustion rate of this mixture. In the known IR burners at high gas flow rates, the combustion zone is "detached" from the surface of the permeable matrix, and combustion stops or continues in the torch combustion mode in the jet. When burning in a flare mode, the ecological characteristics of the burner deteriorate and the radiation efficiency decreases.
Как видно из приведенных данных, минимальная концентрация окислов азота в продуктах сгорания составляет 5,1 ppm (опыт 5), что в 10-12 раз меньше, чем в современных горелках с факельным режимом горения. Выбросы угарного газа также значительно меньше, чем при факельном сжигании газа.As can be seen from the data presented, the minimum concentration of nitrogen oxides in the combustion products is 5.1 ppm (experiment 5), which is 10-12 times less than in modern burners with a flare combustion mode. Carbon monoxide emissions are also significantly less than gas flaring.
При использовании предлагаемой радиационной инфракрасной горелки для сжигания жидкого или твердого топлива применяются известные смесители и распылители горючего.When using the proposed radiant infrared burner for burning liquid or solid fuel, known mixers and fuel atomizers are used.
Таким образом, предлагаемый способ сжигания смесей горючего с газообразным окислителем, в котором осуществляется режим армированного горения, обеспечивает высокие значения удельной мощности горения при устойчивом режиме горения и обладает высокой экологичностью по выбросам окислов азота и угарного газа. Заявляемая радиационная ИК горелка для осуществления предлагаемого способа сжигания смесей горючего с газообразным окислителем обеспечивает устойчивый режим горения, в том числе, при скоростях движения горючей смеси больше нормальной скорости горения данной горючей смеси, что позволяет повысить удельную мощность горения. Предлагаемая конструкция горелки позволяет сжигать в радиационных (излучающих) ИК горелках двухфазные и многофазные смеси топлива с воздухом, что не удавалось ранее на известных радиационных горелках. Заявляемая горелка является высоко экологичной.Thus, the proposed method of combustion of mixtures of fuel with a gaseous oxidizer, in which the mode of reinforced combustion is carried out, provides high values of the specific combustion power in a stable combustion mode and has high environmental friendliness in terms of emissions of nitrogen oxides and carbon monoxide. The claimed IR radiation burner for the implementation of the proposed method of combustion of mixtures of fuel with a gaseous oxidizer provides a stable combustion mode, including when the speed of movement of the combustible mixture is greater than the normal speed of combustion of this combustible mixture, which makes it possible to increase the specific combustion power. The proposed burner design makes it possible to burn two-phase and multiphase mixtures of fuel with air in radiation (emitting) IR burners, which was previously not possible with known radiation burners. The inventive burner is highly environmentally friendly.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020110141A RU2737266C1 (en) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | Method for combustion of mixtures of fuel with gaseous oxidant and device for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020110141A RU2737266C1 (en) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | Method for combustion of mixtures of fuel with gaseous oxidant and device for implementation thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2737266C1 true RU2737266C1 (en) | 2020-11-26 |
Family
ID=73543542
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020110141A RU2737266C1 (en) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | Method for combustion of mixtures of fuel with gaseous oxidant and device for implementation thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2737266C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2784251C1 (en) * | 2022-01-21 | 2022-11-23 | Иван Соломонович Пятов | Permeable matrix for infrared torch and method for its manufacture |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3635650A (en) * | 1970-08-17 | 1972-01-18 | Trad Corp X | Mounting means for gas burner |
| RU2043571C1 (en) * | 1993-03-26 | 1995-09-10 | Александр Михайлович Паперный | Burner |
| RU2066023C1 (en) * | 1994-09-02 | 1996-08-27 | Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института им. С.Орджоникидзе | Radiant burner |
| RU2084762C1 (en) * | 1994-06-29 | 1997-07-20 | Юрий Александрович Жебрак | Infrared radiation burner |
| RU2151956C1 (en) * | 1999-03-03 | 2000-06-27 | Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова | Radiant burner |
| RU2367846C2 (en) * | 2007-09-27 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тольяттинский государственный университет | Method of gas combustion and burner for method implementation |
-
2020
- 2020-03-11 RU RU2020110141A patent/RU2737266C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3635650A (en) * | 1970-08-17 | 1972-01-18 | Trad Corp X | Mounting means for gas burner |
| RU2043571C1 (en) * | 1993-03-26 | 1995-09-10 | Александр Михайлович Паперный | Burner |
| RU2084762C1 (en) * | 1994-06-29 | 1997-07-20 | Юрий Александрович Жебрак | Infrared radiation burner |
| RU2066023C1 (en) * | 1994-09-02 | 1996-08-27 | Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института им. С.Орджоникидзе | Radiant burner |
| RU2151956C1 (en) * | 1999-03-03 | 2000-06-27 | Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова | Radiant burner |
| RU2367846C2 (en) * | 2007-09-27 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тольяттинский государственный университет | Method of gas combustion and burner for method implementation |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2784251C1 (en) * | 2022-01-21 | 2022-11-23 | Иван Соломонович Пятов | Permeable matrix for infrared torch and method for its manufacture |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tang et al. | Experimental investigation of premixed combustion limits of hydrogen and methane additives in ammonia | |
| Weinberg | Heat-recirculating burners: principles and some recent developments | |
| Kamal et al. | Combustion in porous media | |
| Dehaj et al. | Experimental analysis of natural gas combustion in a porous burner | |
| Wierzbicki et al. | Performance of synthetic jet fuels in a meso-scale heat recirculating combustor | |
| Wang et al. | Stable lean co-combustion of ammonia/methane with air in a porous burner | |
| Zhang et al. | Finite rate simulations and analyses of wet/distributed flame structure in swirl-stabilized combustion | |
| Scenna et al. | Partial oxidation of JP8 in a distributed reactor | |
| Ismail et al. | A practical approach in porous medium combustion for domestic application: A review | |
| Su et al. | Effects of Interaction between Axial and Radial Secondary Air and Reductive Intensity in Reduction Region on Combustion Characteristics and NO x Emission of Coal Preheated by a Self-Preheating Burner | |
| RU2737266C1 (en) | Method for combustion of mixtures of fuel with gaseous oxidant and device for implementation thereof | |
| Yu et al. | Parametric evaluation of the operating conditions for NO reduction in flameless combustion of an H2/NH3/N2 fuel mixture | |
| Qian et al. | Study the NH3/C2H4 catalytic combustion with Fe-based catalyst: Broadened combustion limit and reduced nitrogen oxide emission | |
| CN207648854U (en) | A kind of soft homogeneous catalysis burner | |
| Avdic | Application of the porous medium gas combustion technique to household heating systems with additional energy sources | |
| Stamenić et al. | Efficient technology for combustion of low calorific gaseous fuels | |
| Raj et al. | Flameless Combustion: A Review | |
| CN101706102A (en) | Counter flow heat exchange catalytic burner without ignition device | |
| Nevrlý et al. | Ultra-lean combustion mode | |
| Hosseini et al. | The role of exhaust gas recirculation in flameless combustion | |
| Dai et al. | Partial oxidation of bioethanol with the addition of methane and ammonia in combined porous ceramic for syngas production | |
| Jirakulsomchok et al. | Numerical study of performance of a late mixing porous burner (LMPB) for combustion of low-calorific synthetic-gas from biomass gasification | |
| Aldabbas | The Energy Efficiency and Environmental Impact of Coutant Combustor Type. | |
| CN110006036A (en) | The well-mixed dust explosion boiler of chemically correct fuel is pressed under low-temp low-pressure | |
| RU2035008C1 (en) | Method of burning hydrocarbon fuel |