Спосіб мікрофакельного спалювання водневого палива

Реферат: Спосіб мікрофакельного спалювання водневого палива включає подачу газоподібного палива, подачу повітря, сумішоутворення та спалювання її на певній відстані від фронтальної поверхні пальника, причому паливо подається у міжтрубний простір з наступною подачею його у зону спалювання, а повітряні трубки забезпечують мікрофакельність у зоні спалювання та стабілізацію полум'я горіння водню через регулярну компоновку по всьому поперечному перерізу пальникового пристрою. При цьому водень подається із паливного об'єму у зону спалювання через водневі стабілізатори у вигляді трубок необхідного розміру. UA 116540 U (12) UA 116540 U UA 116540 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується енергетичних установок, в яких як паливо може використовуватись газ-водень. До переліку таких енергогенеруючих установок входять котли, теплогенератори різної потужності, газотурбінні двигуни, печі тощо, в яких газоподібне паливо спалюється за допомогою пальникових систем. Відомий спосіб спалювання природного газу з примусовою подачею повітря [А.С. Иссерлин. Газовые горелки. 2-е видання, "Недра", 234 с, с - 118.], який передбачає сумішоутворення газу з повітрям у процесі їх закручування спеціальними лопатками через отвори, в яких подається газ. Пальник у цьому випадку закінчується керамічним тунелем, в якому розташовано запальник. Даний спосіб спалювання використовується у агрегатах з невеликими топковими об'ємами і потребують високої температури у тунелі для стійкого спалювання суміші. Різновидом такого способу спалювання є спосіб нагріву поверхонь топки котла за рахунок радіаційного випромінювання керамічними насадками у пальниках інфрачервоного випромінювання. Такий спосіб спалювання газу потребує зниженого значення гідравлічного опору руху суміші, високого тиску газу, а керамічні насадки мають значну чутливість до ударів, вібрацій, наявності крапель рідини у повітрі. При спалюванні водню необхідно додаткове застосування особливо високоякісної кераміки, яка здатна витримувати надвисокі температури (понад 2000° С), що є проблематичним при такому способі спалювання. Відомий також спосіб спалювання газу за рахунок підводу газу в трубки, на кінцях яких розміщені наконечники з отворами для виходу газу [А.С. Иссерлин. Газовые горелки. 2-е видання, "Недра", 234 с, с. - 123, рис.50]. Повітря подається вентилятором в зону наконечників, на яких ззовні закріплені лопатки для закручування повітря і сумішоутворення під час спільного скручування повітря і газу. Довжина факела залежить від напору вентилятора і може складати декілька метрів. Недоліком такого способу спалювання є те, що сам факел при спалюванні водню може торкатися стінок пальника, що є небезпечним. Крім того, ускладнюється режим експлуатації та оптимізація робочого процесу завантаження пальникового пристрою. Відомий спосіб спалювання природного газу [А.С. Иссерлин. Газовые горелки. 2-е видання, "Недра", 234 с., c. - 130], який підводиться у зону сумішоутворення об'ємного типу через отвори у центральній трубі під кутом до направленого потоку повітря, який попередньо закручується спеціальними лопатками. Внаслідок недостатнього об'єму сумішоутворення та закрутки повітряного потоку спосіб не забезпечує якісне сумішоутворення, що призводить до великих значень втрат теплоти від хімічного недопалу, а факел має надмірну довжину 2,5…3,5 метри. Окрім того, такий спосіб спалювання водню не зможе забезпечити об'ємну рівномірність концентрації паливо-повітряної суміші що може призвести до неконтрольованих і вибухонебезпечних режимів спалювання. Відомий спосіб спалювання газу у закрученому потоці повітря за рахунок використання турбулентних пальників [В.П. Михеев, Ю.П. Медников. Сжигание природного газа. Л., "Недра", 1975, 391 с., с. - 86], у яких застосовуються спеціальні конструктивні особливості газового і повітряного трактів, які забезпечують закручування і турбулізацію газоповітряної суміші. Корпус пальника має вигляд равлика. Спосіб дозволяє забезпечити якісне сумішоутворення з невеликою довжиною факела (до 1,5 метра), але має недоліки, що пов'язані з регулюванням потужності, необхідністю створення ускладненої конструкції равлика, має значні розміри та вагу, потребує значних розмірів топки для якісного спалювання, і при спалюванні водню не здатен забезпечити належний рівень безпеки робочого процесу. Відомий спосіб дифузійного спалювання газу у пальниках, в яких забезпечується подача палива у повітряний потік для сумішоутворення у об'ємі топки котла, який дозволяє забезпечити якісне спалювання палива, якщо топка має великі розміри [В.П. Михеев, Ю.П. Медников. Сжигание природного газа. Л., "Недра", 1975, 391 с., с - 112, рис.ІІІ-17]. Коефіцієнт надлишку повітря становить 1,15…1,18, що не дозволяє підсилити теплову напругу топкового об'єму і створює незручності в експлуатації за рахунок догорання факела у хвостовій частині топки і вигорянню поверхонь нагріву. Таким способом утруднено забезпечити надійне спалювання водню, в процесі якого необхідно підтримувати значення коефіцієнта надлишку повітря близько 1,0. Відомий спосіб уніфікованого трубчастого спалювання газоподібного палива [Г.Б. Варламов, Д.Г. Варламов Спосіб уніфікованого трубчастого спалювання газоподібного палива. Патент на корисну модель № 87785, бюл. № 4 вид. 25.02.2014 р.] прийнятий за аналог (прототип), який включає подачу газоподібного палива, подачу повітря та їх сумішоутворення і полягає у тому, що паливо подається у міжтрубний простір пальника, а повітря подається у повітряні трубки, які 1 UA 116540 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 щільно з'єднані з трубними дошками і разом з боковою стінкою пальника утворюють його паливний об'єм, з якого воно через газові отвори у повітряних трубках (кінетичні отвори) і на фронтальній поверхні (дифузійні отвори) потрапляє у зону сумішоутворення з повітрям і спалювання у топковому об'ємі. Але такий спосіб унеможливлює спалювання водневого палива, яке має високу вибухонебезпечність при попередньому змішуванні із повітрям навіть при низьких його концентраціях у спільній суміші. В основу створення корисної моделі покладено завдання створення можливості ефективного спалювання водневого палива шляхом розробки високопродуктивного та вибухобезпечного способу сумішоутворення та спалення повітря-водневої суміші, а саме способу мікрофакельного дифузійного спалювання водневого палива. Поставлена задача вирішується тим, що у пальниковому пристрої забезпечується рівномірний розподіл повітряних та газових потоків по поперечному перерізу зони спалювання водню за рахунок організованого розподілу трубчастих елементів та водневих стабілізаторів за відповідним законом їх геометричного розташування. Даний спосіб уніфікованого мікрофакельного дифузійного спалювання водневого палива дозволяє забезпечувати: якісне сумішоутворення за рахунок реалізації керованого дифузійного способу змішування повітря та водневого палива за межами фронтальної поверхні пальника; ефективне спалювання водню у широкому діапазоні значень надлишку повітря; рівномірні швидкісні та температурні поля у зоні спалювання водню за рахунок регулярної компоновки сумішоутворюючих елементів; високий рівень якості спалювання водню та повноти його згоряння; низький аеродинамічний опір потоку повітря; низький рівень термічних напружень у елементах пальника; ефективне охолодження елементів пальника потоком повітря та водневого палива; високий рівень екологічної чистоти спалювання; широкий діапазон регулювання стійкої роботи пальникового пристрою та енергетичного агрегату в цілому. Максимальне забезпечення вищевказаних можливостей корисної моделі мікрофакельного спалювання водневого палива здійснюється наступним чином. На наведених фігурах зображено конструктивні елементи мікрофакельного пальникового пристрою та аеродинамічні особливості газоповітряного сумішоутворення: Фіг. 1 - принципова схема пристрою мікрофакельного типу та газових аеродинамічних течій; Фіг. 2 - загальний вигляд фронтальної поверхні мікрофакельного пристрою. Корисна модель мікрофакельного пристрою, яка реалізує спосіб мікрофакельного спалювання газоподібного водню Н2, працює наступним чином. Мікрофакельний пристрій складається з фронтальної 11 та внутрішньої 2 поверхонь, які спільно із боковою поверхнею 3 утворюють газовий об'єм 9 пальника. Між фронтальною та внутрішньою поверхнями щільно вварені повітряні трубки 8. Прямоточний рух повітряного потоку забезпечується за рахунок подачі повітря у повітряний короб 1 і далі до повітряних трубок 8, які розташовані у поперечному перерізі пальникової системи за відповідним законом (Фіг. 2). Навколо повітряних трубок через стабілізатори у вигляді трубок 10 у зону спалювання подається водневе паливо для дифузійного спалювання. Окрім водню, паливом може бути суміш водню із іншим газоподібним паливом або інертним газом (газ-стабілізатор), яке подається у стабілізатори 10 (Фіг. 1), що розташовані навколо повітряних трубок 8 за відповідним законом. Одночасна подача газоподібних водню і газу-розпалювача у газовий об'єм 9 (Фіг. 1) дозволяє здійснювати "м'який" пуск та плавне збільшення подачі водню на дифузійне спалювання газоподібної суміші. Газ-водень та газ-стабілізатор у міжтрубний газовий об'єм 9 подаються через водневий патрубок 4 та патрубок 6 відповідно, масова кількість яких регулюються відповідно кранами 5 та 7. Газові стабілізатори 10, що розташовані на фронтальній поверхні 11 мікрофакельного пристрою на певній відстані від повітряних трубок 8 (Фіг. 2), мають регулярну компоновку по всьому перерізу пальникового пристрою. У зоні виходу повітря з повітряних трубок 8 (Фіг. 1) утворюються аеродинамічні повітряні факели, які сприяють стабілізації потоку. У цю ж зону повітряних факелів через газові стабілізатори 10 під тиском подається водень або його суміш із газом-стабілізатором, що дозволяє утворювати газопаливні факели меншого розміру у порівнянні із повітряними. На певній відстані від фронтальної поверхні 11 пальника 2 UA 116540 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 повітряний та газовий факели з'єднуються й утворюють повітряну-газову суміш, що запалюється за рахунок подачі полум'я від зовнішнього запальника у період пуску пальника. Під час спалювання повітряно-газової суміші у об'ємі утворюються об'ємний факел з рівномірним розподілом температури за рахунок наявності великої кількості малих факелів навколо кожної повітряної трубки. Таким чином, у зону спалювання потрапляє повітряно-воднева суміш якісної рівномірної концентрації горючих елементів, що сприяє ефективному її згорянню. Прямотечійний характер руху повітряних потоків через повітряні трубки 8 та водню через стабілізатори 10 забезпечує низький аеродинамічний опір і короткий термін перебування повітряно-водневої суміші у зоні спалювання, що знижує рівень емісії шкідливих газових викидів, забезпечує високий рівень повноти згоряння палива і стійку роботу у широкому діапазоні навантаження. У пальнику постійно реалізується режим якісного сумішоутворення, оскільки із збільшенням потужності пальника збільшується швидкість повітря і збільшується витрата та швидкість газоподібного палива, що призводить до більш високого рівня стабілізації потоку й об'ємного його спалювання. Спалювання водню чи його суміші із газом-стабілізатором відбувається на вибухобезпечній відстані від фронтальної поверхні пальника, яка може регулюватися швидкістю повітряного та газового потоків. Пуск пальника здійснюється на газі-стабілізаторі з поступовим збільшенням кількості водню. Застосування такого способу мікрофакельного дифузійного спалювання водню дозволяє розробляти за єдиною уніфікованою методикою водневі пальникові пристрої для різних типів агрегатів: котлів, теплогенераторів, газотурбінних двигунів із забезпеченням високих показників з енергетичної ефективності й екологічної безпеки. Таким чином, корисна модель мікрофакельного дифузійного спалювання водневого палива може бути реалізована у пальникових системах котлів, теплогенераторів, у тому числі контактного типу, камер згоряння газотурбінних установок, печах тощо. Екологічна та енергетична ефективність даного способу полягає у застосуванні в одному пальниковому пристрої одночасно декількох відомих класичних методів впливу на якість та екологічність згоряння газоподібного палива, а саме: автомодельний режим утворення аеродинамічних факелів, що забезпечують турбулізацію потоків і якісне сумішоутворення повітря та водню; прямотечійність руху повітряно-водневої суміші у зоні спалювання, що скорочує термін перебування суміші у зоні спалювання й знижує концентрацію шкідливих речовин; низький аеродинамічний опір пальникового пристрою; гомогенність повітряно-водневої суміші та мікрофакельність у зоні спалювання; стадійність та внутрішню регенерацію теплоти у процесі спалювання. Вищенаведені особливості способу мікрофакельного спалювання водневого палива дозволяють суттєво знизити емісію шкідливих токсичних величин з одночасним підвищенням енергоефективності роботи пальникового пристрою й енергетичного агрегату в цілому. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб мікрофакельного спалювання водневого палива, який включає подачу газоподібного палива, подачу повітря, сумішоутворення та спалювання її на певній відстані від фронтальної поверхні пальника, причому паливо подається у міжтрубний простір з наступною подачею його у зону спалювання, а повітряні трубки забезпечують мікрофакельність у зоні спалювання та стабілізацію полум'я горіння водню через регулярну компоновку по всьому поперечному перерізу пальникового пристрою, який відрізняється тим, що водень подається із паливного об'єму у зону спалювання через водневі стабілізатори у вигляді трубок необхідного розміру. 2. Спосіб мікрофакельного спалювання водневого палива за п. 1, який відрізняється тим, що водневі стабілізатори розташовані на фронтальній поверхні пальника навколо повітряних трубок за певним законом. 3. Спосіб мікрофакельного спалювання водневого палива за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що для пуску пальника на початковій стадії застосовується подача газу-стабілізатора, а пропорція даного газу й водню регулюється відповідними кранами. 3 UA 116540 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4