EA001328B1

EA001328B1 - Способ и устройство для сжигания жидкого топлива

Info

Publication number: EA001328B1
Application number: EA199900465A
Authority: EA
Inventors: Франц Дурст; Михель Кепплер; Мирослав Вецлас
Original assignee: Инвент Гмбх-Энтвиклунг Нойер Технологиен
Priority date: 1996-11-13
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2001-02-26
Also published as: ATE232281T1; CN1237239A; JP2001504204A; PT1060346E; DK1060346T3; ES2195188T3; US6257868B1; EP1060346B1; CN1227476C; WO1998021523A3; WO1998021523A2; EA199900465A1; CA2270971A1; DE59709288D1; DE19646957B4; DE19646957A1; EP1060346A2; JP4029179B2

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству для сжигания жидкого топлива (F), в частности нефти, причем жидкое топливо (F) распределяется посредством распределительного устройства (1) и направляется в расположенный далее реактор с пористым средством (6), имеющим сообщающийся поровый объем, у которого число Пекле допускает распространение пламени и полное сгорание жидкого топлива (F) внутри пористого средства (6).

Description

Изобретение относится к способу и устройству для сжигания жидкого топлива, в частности, нефти.

Горелка, в которой возможно использование в качестве топлива газо-воздушной смеси, известна из патента ИЕ 4322109 А1. В этой горелке применяется так называемая технология пористой горелки. Эта технология отличается от всех обычных процессов сжигания тем, что газовоздушная смесь горит в полостях инертного пористого материала.

Благодаря положительным характеристикам пористого материала по переносу тепла, такая горелка отличается низким выбросом загрязнений и очень большим соотношением объема избыточного воздуха и подачи воздуха (до 1:20). Кроме того, отходящие газы можно очень эффективно охлаждать с помощью теплообменника, размещенного в пористом материале, что обеспечивает очень высокую эффективность и улучшенную утилизацию топлива. Такое сочетание горелки и теплообменника требует монтажных объемов, которые в 1 0 раз меньше этих объемов в известных системах.

Известная горелка не может, однако, работать на жидком топливе, таком как нефть и т.п.

В патенте ЕР 0524736 А2 описаны способ и устройство для выполнения контролируемой реакции в пористой матрице. В данном случае газ или пар направляют из полости в пористую среду, простирающуюся в трубчатой форме вертикально вверх. Сгорание происходит в пористой среде. Тепло, выделяющееся в процессе сгорания, передается главным образом вверх и достигает следующей полости. Этот процесс не пригоден для сжигания жидкого топлива. Положение фронта пламени в пористом теле является неустойчивым. Для того чтобы стабилизировать его положение, для регулирования объемного расхода требуется устройство, сопряженное с измерителем температуры. Тепло, выделяющееся в ходе известного процесса, не полностью передается путем конвекции окружающей среде. Не используется предварительный нагрев горючей смеси с целью повышения эффективности горения. После прекращения процесса остатки газа или пара, оставшиеся в полости, могут вызвать нежелательное самовозгорание.

Нефтяная горелка испарительного типа описана в патенте США 4133632. В этой нефтяной горелке на дне испарительного кожуха помещена пористая пластина, причем нефть поступает с одной стороны испарительной пластины под воздействием капиллярных сил и испаряется в испарительный кожух с другой стороны. Испарившуюся нефть смешивают с воздухом, и полученную смесь в заключение направляют в полость горения, где она горит открытым пламенем.

Известный испаритель имеет много недостатков. Поскольку смешивание с воздухом про исходит только после испарения нефти, для образования однородной воздушно-нефтяной смеси требуется большое расстояние. Поскольку поступление нефти в пористую пластину зависит от капиллярных сил, пористая пластина должна иметь очень мелкопористую структуру. Однако это ведет к засорению пор примесями, содержащимися в нефти, что вызывает необходимость регулярной очистки. Для того, чтобы получить достаточное количество паров нефти, пористая пластина должна иметь относительно большую площадь поверхности и соприкасаться всей своей поверхностью с нефтяным резервуаром. Это требование противоречит необходимости компактности конструкции известной нефтяной горелки. Кроме того, нет возможности немедленно включить горелку, соединенную с этим испарителем, поскольку для образования паров нефти требуется определенное время. После выключения горелки в испарителе остается смесь нефтяных паров и воздуха, что может привести к непреднамеренному возгоранию.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных технических решений, в частности, предложение простого процесса сжигания жидкого топлива, в частности, нефти, обладающего максимально возможной эффективностью и вызывающего минимальный выброс загрязнений. Кроме того, задачей изобретения является предложение устройства для сжигания жидкого топлива, имеющего простую и компактную конструкцию при низких затратах на изготовление.

Эту задачу решают с помощью признаков, описанных в пп.1 и 24. Полезные дополнительные варианты реализации вытекают из признаков, описанных в пп.2-23 и 25-46.

Согласно способу, являющемуся предметом настоящего изобретения, предусмотрена возможность распределения топлива с помощью распределительного устройства и его передачи в реактор, расположенный далее, с пористой средой, имеющей сообщающиеся поры, причем число Пекле этой пористой среды допускает распространение пламени в этой пористой среде. Способ, являющийся предметом настоящего изобретения, допускает возможность высокоэффективного сжигания применяемого жидкого топлива при низком выбросе загрязнений.

Выяснено, что наиболее благоприятные результаты получают в случае, если число Пекле пористой среды превышает 65. Число Пекле можно вычислить по следующей формуле:

Ре = (8_ъб_тСрр)Х, где 8_Ъ - скорость ламинарного потока, б_т - эквивалентный диаметр среднего полого пространства пористого материала, Ср - удельная теплоемкость газовой смеси, р - плотность газовой смеси и λ - коэффициент теплопроводности газовой смеси. Формула показывает, что условия для распространения пламени зависят, главным образом, от эквивалентного диаметра й_т среднего полого пространства или от среднего диаметра поры пористого материала. Зависящие от процесса параметры, такие как 8_Ь, Ср, ρ и λ, должны быть установлены для заданной смеси окислителя и жидкого топлива в условиях пористой среды, имеющих место на входе, т.е. в области стороны поступления жидкости. Они определяются, в частности, типом жидкого топлива и окислителя и их соотношением в смеси. Способ, являющийся предметом настоящего изобретения, обладает важным преимуществом, заключающимся в том, что коэффициент теплопроводности газовой смеси λ и температуру смеси окислителя и жидкого топлива на входе в пористую среду необязательно следует подбирать таким образом, чтобы они оказались ниже предела взрывоопасности.

В еще одном варианте реализации изобретения газообразный окислитель, в частности, воздух, подают на распределительное устройство и/или пористую среду для формирования смеси, состоящей из жидкого топлива и окислителя. При таком техническом решении распределительное устройство может включать в себя устройство для распыления жидкого топлива. Распылительное устройство может, например, быть окружено потоком газообразного окислителя. Желательно, чтобы распылительное устройство имело сопло, в которое под давлением поступает жидкое топливо. Распылительное устройство может также иметь сдвоенное сопло, в которое подают под давлением жидкое топливо и окислитель. Это позволяет образовать первую смесь, состоящую из окислителя и жидкого топлива, которую можно обогатить, добавив окислитель.

Распылительное устройство предпочтительно располагается рядом с пористой средой. Оно может перемещаться вперед и назад относительно пористой среды. В случае цилиндрической конфигурации пористой среды распылительное устройство желательно располагать на оси цилиндра.

В соответствии с другим вариантом реализации пористая среда может быть снабжена на входе для смеси пористым элементом, имеющим сообщающееся поровое пространство. Пористый элемент предпочтительно определяется числом Пекле, не допускающим распространения пламени, причем такое число Пекле обычно меньше 65.

В соответствии с особенно полезным признаком возможно применение испарительного устройства для смеси, которое предпочтительно содержит пористое тело с сообщающимся поровым пространством. Средний диаметр пор пористого тела может быть больше, чем у пористого элемента. Это облегчает распределение, смешивание и испарение жидкого топлива. Ис парительное устройство обычно располагают перед пористой средой и после распределительного устройства.

Еще в одном варианте реализации пористая среда соприкасается с пористым элементом. Лучше, чтобы пористый элемент соприкасался своей задней стороной с пористым телом. На стороне входа для смеси пористой среды пористый элемент образует барьер для пламени, не допускающий горения пламени в направлении, противоположном направлению массового потока, в особенности, в пористом теле, действующем как испарительное устройство. Благодаря непосредственному контакту между пористым телом и пористым элементом и между пористым элементом и пористой средой, тепло, выделяющееся при сгорании в пористой среде, передается пористому элементу и пористому телу не только в форме теплового излучения, но и посредством теплопроводности. Это обеспечивает полное превращение смеси в газ до ее попадания в пористую среду.

Распределительное устройство предпочтительно снабжается средством для генерирования струй жидкости, и существует возможность выдвигать его и/или распылительное устройство в выемку, выполненную в пористом элементе или пористом теле. Это позволяет получить особенно компактную конструкцию.

Для того чтобы обеспечить особо эффективное управление процессом, окислитель и/или жидкое топливо и/или испарительное устройство можно нагревать с помощью нагревательного устройства. Тепло, необходимое для нагревательного устройства, предпочтительно передается от горячих газообразных продуктов сгорания. Однако можно добиться нагрева окислителя путем смешивания с горячими газообразными продуктами сгорания.

Смесь можно зажечь с помощью зажигательного приспособления, предусмотренного в пористой среде или в испарительном устройстве, или же рядом с распределительным устройством. В случае размещения зажигательного приспособления рядом с распределительным устройством может оказаться предпочтительным сначала зажечь смесь, выходящую из распределительного устройства, допустив открытое горение с целью нагрева пористой среды. Затем подачу жидкого топлива и, соответственно, открытое горение прерывают. После возобновления подачи жидкого топлива образующаяся смесь загорается автоматически в предварительно нагретой пористой среде; открытого горения больше не наблюдается.

Еще в одном варианте реализации реактор содержит кожух, вмещающий пористую среду, причем предпочтительно, чтобы кожух охватывал пористый элемент и испарительное устройство. Пористую среду предпочтительно охватывает теплообменник.

В соответствии с другим вариантом реализации пористая среда располагается ниже распределительного устройства таким образом, что при возгорании образуется противоток, направленный против массового потока. Это позволяет предварительно нагреть смесь, поступающую с массовым потоком. Кроме того, противоток замедляет массовый поток. Это обеспечивает стабильность положения фронта пламени.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается приспособление для сжигания жидкого топлива, в особенности нефти, которое позволяет распределять жидкое топливо с помощью распределительного устройства и передавать его в реактор, расположенный далее с пористой средой, имеющей сообщающееся поровое пространство, причем пористый материал имеет число Пекле, допускающее распространение пламени в пористой среде. Устройство, являющееся предметом настоящего изобретения, может быть изготовлено компактным, просто и при низких издержках производства. Это допускает сжигание жидкого топлива при низком выделении загрязнений. Устройство, являющееся предметом настоящего изобретения, отличается, в первую очередь, большим диапазоном мощностей и допустимой глубиной модуляции, широким диапазоном соотношений воздуха и топлива и высокой удельной плотностью энергии.

Подходящими материалами для изготовления пористой среды и пористого элемента являются металл, оксиды металлов, керамика или металл с керамическим покрытием. Возможно применение также сыпучих материалов и совокупностей отдельных элементов, таких как шарики и т.п. Основным критерием при выборе материала является постоянство формы, устойчивость к изменениям температуры, химическая и термическая стабильность и характеристики теплопереноса, например, теплопроводность или коэффициент теплового излучения.

Варианты реализации способа и устройства, являющиеся предметом настоящего изобретения, описаны ниже со ссылкой на чертежи.

На фиг. 1 показана схема, объясняющая принцип способа, являющегося предметом настоящего изобретения;

на фиг. 2 схематически показан в поперечном разрезе первый вариант реализации устройства, являющегося предметом настоящего изобретения;

на фиг. 3 схематически показан в поперечном разрезе второй вариант реализации устройства, являющегося предметом настоящего изобретения;

на фиг. 4 схематически показан в поперечном разрезе третий вариант реализации устройства, являющегося предметом настоящего изобретения;

на фиг. 5а показано в поперечном разрезе сопло для жидкого топлива;

на фиг. 5Ь показано в поперечном разрезе сдвоенное сопло;

на фиг. 6а схематически показано в поперечном разрезе распределительное устройство; и на фиг. 6Ь схематически показано распределительное устройство с фиг. 6а сверху.

На фиг. 1 показана схема, объясняющая принцип варианта реализации способа, являющегося предметом настоящего изобретения. Жидкое топливо, в случае необходимости нагретое, распределяют во взаимодействии с пористым телом таким образом, что площадь поверхности жидкого топлива возрастает. Одновременно в пористое тело подается воздух, что вызывает тесное перемешивание с распределенным жидким топливом. Смесь, состоящая из воздуха и жидкого топлива, движется с массовым потоком через пористое тело в направлении пористой среды, где со стороны входа смеси имеется пористый элемент, служащий барьером для пламени. За счет горения, имеющего место в пористой среде, происходит передача тепла пористому элементу, который предпочтительно находится в непосредственном контакте с пористой средой, и тепло передается от него пористому телу. В результате происходит все больший нагрев или испарение смеси, проходящей сквозь пористое тело, или же ее переход в газовую фазу. В ходе этого процесса происходит полная гомогенизация пористого тела. Пористое тело, в частности, может быть подвергнуто дополнительному нагреву с целью поддержки испарения. Испарившаяся смесь, в конечном счете, достигает пористой среды и загорается в ней.

Для реализации способа, являющегося предметом настоящего изобретения, оказались особенно подходящими множества вариантов реализации устройства, являющегося предметом изобретения.

Первый вариант реализации устройства, являющегося предметом настоящего изобретения, показан на фиг. 2. На нем распределительное устройство, обозначенное в целом позицией 1 , по существу представлено распределителем 2. Распределитель 2 вставлен в углубление 4, выполненное в пористом теле 3. Пористое тело 3 находится в непосредственном контакте с пористым элементом 5, у которого число Пекле меньше 65. Пористый элемент 5, в свою очередь, находится в непосредственном контакте с пористой средой 6. Образующая горелку пористая среда 6 снабжена зажигательным устройством 7.

В этом случае пористое тело 3 состоит из нескольких зон или слоев 8, 9 и 10 с различной пористостью и средними диаметрами пор.

В соответствии со вторым вариантом реализации, показанным на фиг. 3, распредели тельное устройство содержит сопло 11 для жидкого топлива, расположенное перед пористым телом 3 и выше него. Теплообменник 12, погруженный в крупнопористый элемент 13, располагается после пористой среды 6. Пористое тело 3, пористый элемент 5, пористая среда 6 и крупнопористый элемент 13 размещены в кожухе 14, который в данном случае имеет форму трубы.

На фиг. 4 показан третий вариант реализации с особо простой конструкцией. В данном случае пористая среда 6 располагается по значительному участку кожуха 1 4.

В этом случае жидкое топливо, поступающее из сопла 11 для жидкого топлива, поступает непосредственно на сторону поступления смеси 1 3 пористой среды 6.

Устройства, показанные на фиг. 2 и 3, имеют следующее назначение: смесь воздуха и жидкого топлива или жидкое топливо, выходящее из распределительного устройства 1 , поступает в пористое тело 3 и в нем распространяется в радиальном направлении по всей площади поперечного сечения. Смесь или жидкое топливо одновременно смешиваются и гомогенизируются с воздухом, поступающим в пористое тело 3. Далее имеют место перенос, дальнейшая гомогенизация и тонкое распределение смеси. В конечном счете, смесь испаряется под воздействием тепла, передающегося от пористой среды

6. Пары или газифицированная смесь проходят через пористый элемент 5, который служит барьером для пламени, и, наконец, достигают пористой среды 6, где они загораются. Газообразные продукты горения отводятся через сторону выхода 1 6 пористой среды 6 и направляются через теплообменник 1 2.

В случае устройства, показанного на фиг. 4, смешивание, гомогенизация и испарение смеси имеют место в области стороны входа 1 5 пористого тела.

В устройствах, показанных на фиг. 2-4, массовый поток в каждом случае направлен по вертикали сверху вниз. Из-за горения в пористой среде возникает противоток, направленный вертикально вверх. Противоток замедляет массовый поток. Это позволяет поддерживать стабильность фронта пламени в пористой среде.

На фиг. 5а и 5Ь показан поперечный разрез сопла для жидкого топлива 11 и сдвоенного сопла 17. Сдвоенное сопло 17 состоит из сопла для жидкого топлива 11, которое охватывается воздушным соплом 18. Воздушное сопло 18 снабжено выступами 19 для подачи воздуха. Смесь воздуха и жидкого топлива поступает через отверстие 20, предусмотренное в воздушном сопле 1 8.

На фиг. 6а показан в поперечном разрезе распределитель 2. Последний состоит по существу из цилиндра 21, внутреннее пространство которого соединяется с окружающей средой посредством радиально расположенных сопел

22. Размещение сопел можно особенно ясно видеть на фиг. 6Ь.

Список условных обозначений

- распределительное устройство;

- распределитель;

- пористое тело;

- углубление;

- пористый элемент;

- пористая среда;

- зажигательное устройство 8, 9, 10 зоны;

- сопло для жидкого топлива;

- теплообменник;

3 - крупнопористый элемент;

4 - кожух;

- сторона схода смеси;

- сторона выхода;

7 - сдвоенное сопло;

8 - воздушное сопло;

9 - выступ;

- отверстие;

- цилиндр;

- сопло;

А - направление массового потока;

Р - жидкое топливо;

Ь - воздух.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ сжигания жидкого топлива (Р), в частности, нефти, согласно которому жидкое топливо (Р) распределяют с помощью распределительного устройства (1) и передают в расположенный ниже по потоку реактор с пористой средой (6), содержащей сообщающееся поровое пространство, причем число Пекле данной пористой среды допускает распространение пламени и полное сгорание жидкого топлива (Р) в пористой среде (6), отличающийся тем, что для испарения смеси, состоящей из жидкого топлива и газообразного окислителя, используют пористое тело (3), расположенное перед пористой средой (6) и после распределительного устройства (1 ).
2. Способ по п.1, в котором газообразный окислитель (Ь), в частности, воздух, подают в распределительное устройство (1) и/или пористую среду (6) для образования смеси, состоящей из жидкого топлива (Р) и окислителя (Ь).
3. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором окислитель (Ь) и/или жидкое топливо (Р) и/или испарительное устройство нагревают посредством нагревательного устройства.
4. Способ по п.3, в котором нагревательная мощность нагревательного устройства достигается за счет энтальпии газообразных продуктов горения.
5. Способ по одному из предшествующих пунктов, в котором смесь зажигают с помощью зажигательного устройства (7), предусмотренного в пористой среде (6) или в испарительном устройстве, или рядом с распределительным устройством (1).
6. Устройство для сжигания жидкого топлива, в частности нефти, для осуществления способа по пп.1-5, содержащее распределительное устройство (1) и расположенный далее по потоку реактор с пористой средой (6), содержащей сообщающееся поровое пространство, причем число Пекле данной пористой среды допускает распространение пламени и полное сгорание жидкого топлива (Е) в пористой среде (6), отличающееся тем, что для испарения смеси, состоящей из жидкого топлива и газообразного окислителя, устройство снабжено пористым телом (3), расположенным перед пористой средой (6) и после распределительного устройства (1).
7. Устройство по п.6, в котором число Пекле пористой среды (6) превышает 65.
8. Устройство по п.6 или 7, в котором распределительное устройство (1) и/или пористая среда (6) имеет систему питания газообразным окислителем, в частности, воздухом, для образования смеси, состоящей из жидкого топлива (Е) и окислителя (Ь).
9. Устройство по одному из пп.6-8, в котором распылительное устройство (1) содержит средство для распыления жидкого топлива (Е).
10. Устройство по одному из пп.6-9, в котором распылительное устройство содержит сопло (11), на которое может подаваться жидкое топливо (Е) под давлением.
11. Устройство по одному из пп.6-1 0, в котором распылительное устройство содержит сдвоенное сопло (17), на которое может подаваться жидкое топливо (Е) и окислитель (Ь) под давлением.
12. Устройство по одному из пп.6-11, в котором распылительное устройство расположено рядом с пористой средой (6).
13. Устройство по одному из пп.6-12, в котором пористая среда (6) снабжена со стороны (15) входа смеси пористым элементом (5), имеющим сообщающееся поровое пространство.
14. Устройство по одному из пп.6-13, в котором число Пекле порового пространства пористого элемента (5) выбрано так, что не допускает распространения пламени.
1 5. Устройство по одному из пп.6-1 4, в котором число Пекле пористого элемента (5) меньше 65.
16. Устройство по одному из пп.6-15, в котором пористое тело (3) приспособлено для нагревания тепловым излучением, образующимся в пористой среде (6).
17. Устройство по одному из пп.6-16, в котором пористое тело содержит сообщающееся поровое пространство, в котором средний диаметр пор предпочтительно больше, чем в пористом элементе (5).
18. Устройство по одному из пп.6-17, в котором пористая среда (6) соприкасается с пористым элементом (5).
19. Устройство по одному из пп.6-18, в котором пористый элемент соприкасается с пористым телом (6).
20. Устройство по одному из пп.6-19, в котором распределительное устройство (1) содержит средство для генерирования струй жидкости (2).
21. Устройство по одному из пп.6-20, в котором распылительное устройство (11) и/или средство для генерирования струй жидкости (2) входят в углубление (4), выполненное в пористом элементе (5) или пористом теле (3).
22. Устройство по одному из пп.6-21, в котором для нагревания окислителя (Ъ) и/или жидкого топлива (Е) и/или испарительного устройства предусмотрено нагревательное устройство.
23. Устройство по п.22, в котором нагревательное устройство нагревается за счет энтальпии газообразных продуктов горения.
24. Устройство по одному из пп.6-23, в котором в пористой среде (6) или в испарительном устройстве, или рядом с распределительным устройством (1) предусмотрено зажигательное устройство (7).
25. Устройство по одному из пп.6-24, в котором реактор имеет кожух (14), вмещающий пористую среду (6).
26. Устройство по одному из пп.6-25, в котором кожух охватывает пористый элемент (5) и испарительное устройство.
27. Устройство по одному из пп.6-26, в котором макропористый элемент (13) с погруженным в него теплообменником (12) расположен после пористой среды (6).
28. Устройство по одному из пп.6-27, в котором пористая среда (6) расположена ниже распределительного устройства (1), так что в случае начала горения возникает противоток, направленный против массового потока.