RU2407947C1 - Hydrocarbon fuel combustion method - Google Patents

Abstract

FIELD: power industry. ^ SUBSTANCE: hydrocarbon fuel combustion method involves air and water vapour, which are supplied under pressure to burner device. At that, fuel is subject to pyrolysis till flue gas mixture is formed above its surface and zone of laminar discharge of steam jet is formed in burner device; flue gas mixture flow is supplied to the base of the above zone so that pulsating combustion can be obtained at the outlet of that zone; at that, flue gas mixture is supplied to burner device at T1 temperature determined by the following formula: ^ EFFECT: effective vapour-soot combustion with formation of environmentally safe high-temperature flame. ^ 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к технологии сжигания углеводородных топлив, в том числе низкого качества.The invention relates to a power system, and in particular to a technology for burning hydrocarbon fuels, including low quality.

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/A known method of burning hydrocarbon fuel, which consists in the simultaneous supply of fuel, air and superheated water vapor to the burner device, the air humidity not exceeding 90% to exclude the possibility of steam condensation before it comes in contact with the fuel (RT No. 93/01449, F23L 7/00, 1994). /one/

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.However, when superheated steam and fuel are mixed in the burner, the temperature of the steam decreases, which leads to a decrease in the degree of its dissociation, and, as a result, the combustion efficiency of the fuel deteriorates.

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/Closest to the claimed invention is a method of fuelless burning of fuel, according to which the fuel and air are first supplied to the burner device. The fuel is ignited and a stream of superheated water vapor under pressure is directed into the resulting soot flame. After heating the burner device, the air supply is completely or partially shut off, while the water vapor gasifies carbon (soot) into the synthesis gas, which takes the burner out of the burner. Since soot gasification occurs in water vapor, high fuel combustion efficiency without soot formation is ensured (RF patent No. 2219435, F23C 11/00, published on December 20, 2003, Bull. No. 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.It should be noted that in this method of burning hydrocarbon fuel, the mixing of superheated water vapor and fuel combustion products occurs throughout the entire volume of the burner device, which leads to the appearance of unstable and uncontrolled processes in it that impede the formation of a high-temperature torch necessary for burning out the synthesis gas.

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.The objective of the invention is to develop a highly efficient, environmentally friendly method of burning low quality hydrocarbon fuel by creating conditions in the burner device that initiate the process of gasification of soot particles and afterburning of the resulting synthesis gas.

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:The problem is solved due to the fact that in the known method of burning hydrocarbon fuel using air and water vapor supplied to the burner device, the hydrocarbon fuel is subjected to pyrolysis until a flue gas mixture is formed above its surface. Air and superheated water vapor are supplied to the burner under pressure, and a smoke-gas mixture flow is directed to the base of the laminar outflow zone of the steam jet so that pulsed combustion occurs at the outlet of this zone, and the smoke-gas mixture is fed to the burner at a temperature T ₁ determined from expressions:

где R_кат - радиус сажевого кластера, обладающего повышенной активностью по разложению молекулы H₂O до OH-радикала,where R _cat is the radius of the carbon black cluster with increased activity for the decomposition of the H ₂ O molecule to OH radical,

σ - коэффициент поверхностного натяжения воды,σ is the coefficient of surface tension of water,

ν - молекулярный объем конденсирующей молекулы,ν is the molecular volume of the condensing molecule,

k - постоянная Больцмана,k is the Boltzmann constant,

γ - стехиометрический коэффициент отношения количества топлива к количеству воздуха при появлении дымогазовой смеси,γ is the stoichiometric coefficient of the ratio of the amount of fuel to the amount of air when a flue gas mixture appears,

T₁ - температура дымогазовой смеси, подаваемой в горелочное устройство,T ₁ is the temperature of the flue gas mixture supplied to the burner device,

T₂ - температура перегретого пара,T ₂ - temperature of superheated steam,

B - справочная константа, характеризующая давление насыщенных паров углеводородного топлива при заданной температуре.B is a reference constant characterizing the pressure of saturated vapors of hydrocarbon fuel at a given temperature.

Общими с прототипом признаками являются наличие горелочного устройства, в которое подают под давлением струю перегретого водяного пара и воздух.Common features with the prototype are the presence of a burner device into which a stream of superheated water vapor and air are supplied under pressure.

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.Note that in all combustion reactions of hydrocarbon fuel systems, the main gas products of combustion reactions can be distinguished: OH radicals, H ₂ O, CO, and CO ₂ . OH radicals are known to be the most chemically active radicals initiating the combustion process. Conducted scientific experiments have shown that high concentrations of OH radicals are formed as a result of heterogeneous catalytic decomposition of water molecules on soot nanoclusters at the base of the pulsation combustion plume, i.e. nanosized particles are centers of increased catalytic activity of water vapor decomposition with the appearance of OH radicals.

Сущность заявленного способа заключается в реализации механизма нанокластерного инициирования процесса горения углеводородных топлив. Способ базируется на классической формуле Томсона в теории Беккера-Френкеля-Зельдовича.The essence of the claimed method is to implement the mechanism of nanocluster initiation of the combustion process of hydrocarbon fuels. The method is based on the classic Thomson formula in the Becker-Frenkel-Zeldovich theory.

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.The above mathematical expression follows from the Thomson formula and allows you to determine the temperature ratio of superheated water vapor (T ₂ ) and flue gas mixture (T ₁ ) when supplied to the burner, in order to obtain soot of a given size, initiating the combustion process before the formation of a high-temperature flame.

По результатам научных экспериментов установлено, что центрами повышенной каталитической активности при горении углеводородных топлив являются нанокластеры сажи размером R_кат≈3÷5 нм.According to the results of scientific experiments, it was found that the centers of increased catalytic activity during the combustion of hydrocarbon fuels are carbon black nanoclusters of size R _cat ≈3 ÷ 5 nm.

Для ряда углеводородных топлив, включая соляровые топлива разных марок, установлено следующее.The following has been established for a number of hydrocarbon fuels, including diesel fuels of various grades.

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).1. Smoke-gas mixture in the form of soot aerosol-gas haze above the surface of solar fuel appears at a pyrolysis decomposition temperature of 400 ÷ 650 ° C (for all practically significant solar fuels).

2. Температура перегретого водяного пара T₂ должна быть ниже температуры дымогазовой смеси T₁, подаваемой в горелочное устройство, на 150-200°С.2. The temperature of superheated water vapor T ₂ should be below the temperature of the flue gas mixture T ₁ supplied to the burner device by 150-200 ° C.

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.For other fuels, if T _{2 is} known, then T ₁ is determined from the given mathematical expression. Other designations (σ, ν, γ, B) included in it are determined from directories or experimentally for a given type of fuel.

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).The formation of soot nanocluster particles occurs in the zone of laminar outflow of a steam jet when steam is mixed with aerosol particles of a smoke-gas mixture and their maximum concentration is reached at the exit from the laminar zone, where the primary flare of pulsed combustion forms, in which intense gasification of carbon (soot) occurs. Then a secondary high-temperature plume is formed, in which there are practically no CO-aerosols and soot particles, and other gases burn out (gas synthesis).

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.The directed supply of a smoke-gas mixture containing soot aerosols to the burner device (to the base of the steam jet) contributes to the intensive formation of nanometer-scale soot clusters in a certain zone (at the base of the primary flame) and, therefore, to produce an environmentally friendly high-temperature secondary flame.

На представленном чертеже приведена принципиальная схема процессов, протекающих в горелочном устройстве.The drawing shows a schematic diagram of the processes occurring in the burner device.

На схеме показано:The diagram shows:

1 - пар насыщенный1 - saturated steam

2 - пар перегретый2 - steam superheated

3 - зона ламинарного истечения струи3 - zone of laminar flow

4 - первый факел дымогазовой смеси испарившегося топлива4 - the first flame of the gas mixture of evaporated fuel

5 - основной поток дымогазовой смеси от топлива5 - the main stream of the gas mixture from the fuel

6 - зона вхождения основного потока дымогазовой смеси в центральную парогазовую струю с нанокластерами сажи6 - zone of entry of the main stream of the smoke-gas mixture into the central gas-vapor stream with carbon black nanoclusters

7 - взаимодействие факела с внешней атмосферой и дополнительным окислителем и образование вторичного высокотемпературного факела7 - interaction of the torch with the external atmosphere and an additional oxidizing agent and the formation of a secondary high-temperature torch

Заявленный способ подтверждается следующими примерами.The claimed method is confirmed by the following examples.

Пример 1Example 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.Diesel fuel is poured into a separate tank and heated to a temperature of 400 ° C in the lower tank for diesel fuel, at which the formation of a smoke-gas mixture begins. Using the mathematical formula given in the description, given that the size of the carbon black clusters is R _cat ~ 3 nm, and the temperature of the superheated steam is T ₂ = 430 ° C, it is determined that T ₁ = 630 ° C. The temperature of pyrolysis of diesel fuel is increased to 630 ° C, and large soot is formed (an aerosol about a fraction of a micrometer in size). The resulting flue gas mixture is sent to the base of zone 3 (in a stream of superheated water vapor 2) of the burner device. The soot aerosol is mixed with water vapor to form soot nanocluster particles. There is a primary flame torch 4. Then a secondary flame torch 7 of high temperature (above 1650 ° C in the Central part). It practically does not contain CO-aerosols and soot.

Пример 2Example 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.After the beginning of the pyrolysis decomposition of diesel fuel (400 ° C), as in example 1, the temperature is raised to 700-750 ° C (T ₁ ). The stream of the resulting flue gas mixture is directed to the base of the jet of superheated water vapor 2 (zone 3). The combustion in the primary plume was less intense than in Example 1, and the secondary plume had a temperature below 1100 ° C and contained CO aerosols and residual soot. It follows that if the temperature ratios T ₁ and T _{2 are} not observed, according to the mathematical expression, nanocluster soot practically does not form during fuel pyrolysis.

Пример 3Example 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.Diesel fuel is heated in a separate container to a temperature of 350-390 ° C. In this case, pyrolysis to “white aerosol” (organic aerosol) takes place, and nanocluster soot does not form. The resulting flue gas mixture with T ₁ = 390 ° C is sent to the burner, as in example 1. Combustion occurs only in the primary flame, and a high-temperature secondary flame does not form.

Пример 4Example 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.In the modes of example 1, the stream of the smoke-gas mixture formed from the pyrolysis of diesel fuel is introduced into the burner over the entire surface of the steam jet 1. Combustion takes place in the primary flame 4. A high-temperature flame is not formed, a mass emission of unburned soot occurs.

Пример 5Example 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.In the conditions of examples 1-4 burned old roofing material, vegetable rice, household oil, purified from impurities. A secondary high-temperature environmentally friendly torch was formed only in the conditions of example 1.

Пример 6Example 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.When burning plastic waste (bottles, recyclables) in the conditions of examples 1-4 with gas pyrolysis, it was not possible to obtain a high-temperature torch, because the gas mixture (without smoke), sent to the burner (zone 2), did not contain nanocluster soot aerosols.

Пример 7Example 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.To burn methane-propane gas from standard household cylinders, a stream of hot gases (without smoke) was sent to the burner in the modes of examples 1-4. The primary torch had a temperature of 1200-1250 ° C. When mixed with water vapor, it only cooled to a lower temperature, which led to the appearance of unburned components of gas synthesis. A secondary torch did not form.

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.The proposed method allows to burn substandard hydrocarbon fuel systems in an environment of superheated high-pressure steam during an energy-efficient and environmentally friendly combustion. It can find application in burners for various purposes used in housing and communal services, construction, metallurgy, agriculture and other industries. Its use for burning low-quality fuel (“waste” fuel) is aimed at solving the problem of saving high-quality fuel, as well as non-waste industrial production.

Источники информацииInformation sources

1. РТ №93/01449, F23L 7/00, 1994.1. RT No. 93/01449, F23L 7/00, 1994.

2 Патент РФ №2219435, F23C 11/00, опубл. 20.12.2003 г., Бюл. №35.2 RF Patent No. 2219435, F23C 11/00, publ. December 20, 2003, Bull. Number 35.

Claims (3)

1. Способ сжигания углеводородного топлива с использованием воздуха и водяного пара, подаваемых под давлением в горелочное устройство, отличающийся тем, что топливо подвергают пиролизу до образования над его поверхностью дымогазовой смеси и в горелочном устройстве формируют зону ламинарного истечения паровой струи, в основание которой направляют поток дымогазовой смеси с возможностью получения на выходе из этой зоны пульсационного горения, 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 воды до ОН-радикала, нм;
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;
Т₁ - температура дымогазовой смеси, подаваемой в горелочное устройство;
Т₂ - температура перегретого пара, °С;
В - справочная константа, характеризующая давление насыщенных паров углеводородного топлива при заданной температуре.1. A method of burning hydrocarbon fuel using air and water vapor supplied under pressure to a burner device, characterized in that the fuel is pyrolyzed to form a flue gas mixture above its surface and a zone of laminar outflow of a steam stream is formed in the burner device, into the base of which a flow is directed dymogazovoy mixture to obtain at the outlet from this zone pulsating combustion, wherein dymogazovuyu mixture was fed to a burner apparatus at a temperature T ₁ defined from you PICTURE

where R _cat is the radius of the carbon black cluster, which has increased activity for the decomposition of a water molecule to an OH radical, nm;
σ is the coefficient of surface tension of water;
ν is the molecular volume of the condensing molecule;
k is the Boltzmann constant;
γ is the stoichiometric coefficient of the ratio of the amount of fuel to the amount of air when a flue gas mixture appears;
T ₁ is the temperature of the flue gas mixture supplied to the burner device;
T ₂ - temperature of superheated steam, ° C;
B is a reference constant characterizing the pressure of saturated vapors of hydrocarbon fuel at a given temperature. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для соляровых топлив пиролизное разложение проводят при температуре 400-650°С.2. The method according to claim 1, characterized in that for solar fuels, pyrolysis decomposition is carried out at a temperature of 400-650 ° C. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что температура перегретого водяного пара Т₂ должна быть ниже температуры дымогазовой смеси T₁, подаваемой в горелочное устройство, на 150-200°С. 3. The method according to claim 2, characterized in that the temperature of the superheated water vapor T ₂ must be lower than the temperature of the flue gas mixture T ₁ supplied to the burner device by 150-200 ° C.

Images