RU205967U1

RU205967U1 - STEAM PLASMA BURNER WITH INTERNAL CYCLE GASIFICATION OF FUEL

Info

Publication number: RU205967U1
Application number: RU2021116037U
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Шипилов; Виктор Леонидович Артеменко; Сергей Григорьевич Никольский; Бесик Чохоевич Месхи
Original assignee: Владимир Михайлович Шипилов
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к водородной энергетике, и может быть использована для получения тепловой энергии из воды в дополнение к тепловой энергии углеводородного топлива.Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании прямоточного пароплазменного горелочного устройства с внутрицикловой газификацией углеводородного топлива простой конструкции.Техническим результатом является повышение его надежности за счет устранения износа электродов и повышение его эффективности за счет обеспечения предельно возможной полноты сгорания углеводородной компоненты.Для решения поставленной задачи в пароплазменном горелочном устройстве с внутрицикловой газификацией топлива, содержащем огневую камеру, выполненную в виде линейной цепи сопел Лаваля, в которой выход предыдущего сопла соединен со входом последующего сопла цепи так, что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего. На торце первого сопла установлена форсунка, имеющая канал для подачи в него перегретого пара, канал для подачи углеводородного топлива и возвратный канал, а в зоне критического сечения первого сопла Лаваля соосно с ним установлен плазменный электрод, электрически подсоединенный к источнику плазмообразующего электрического тока и изолированный электрически от первого сопла Лаваля и корпуса, охватывающего линейную цепь сопел Лаваля, при этом огневая камера сопел Лаваля снабжена воздушным каналом для подачи в нее воздуха и каналом возврата плазмы из огневой камеры в возвратный канал форсунки.The utility model relates to heat power engineering, in particular, to hydrogen power engineering, and can be used to obtain thermal energy from water in addition to the thermal energy of hydrocarbon fuel. of hydrocarbon fuel of simple design. The technical result is to increase its reliability by eliminating wear of the electrodes and increasing its efficiency by ensuring the maximum possible completeness of combustion of the hydrocarbon component. a linear chain of Laval nozzles, in which the outlet of the previous nozzle is connected to the inlet of the subsequent nozzle of the chain so that the geometric dimensions of the subsequent nozzle of the chain exceed the geometric dimensions of the previous one. A nozzle is installed at the end of the first nozzle, which has a channel for supplying superheated steam to it, a channel for supplying hydrocarbon fuel and a return channel, and a plasma electrode is installed coaxially with it in the critical section of the first Laval nozzle, electrically connected to the source of plasma-forming electric current and electrically isolated from the first Laval nozzle and a housing enclosing a linear chain of Laval nozzles, while the fire chamber of the Laval nozzles is equipped with an air channel for supplying air to it and a channel for returning plasma from the fire chamber to the return channel of the nozzle.

Description

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к водородной энергетике, и может быть использована для получения тепловой энергии из воды в дополнение к тепловой энергии углеводородного топлива.The utility model relates to heat power engineering, in particular, to hydrogen power engineering, and can be used to obtain thermal energy from water in addition to the thermal energy of hydrocarbon fuel.

Известно устройство [Патент США № 7070634, МПК B01J 19/08; B01J 7/00, опубл. 04.07.2006], реализующее способ получения водорода из воды, смешанной с углеводородным топливом, путем воздействия на эту смесь плазменным разрядом и нагревом, при этом углеводородная компонента смеси в присутствии плазмы становится катализатором диссоциации воды на водород и кислород при невысокой температуре нагрева. Данное устройство предназначено для газификации топлива и полученные с его помощью газы могут использоваться в горелочных устройствах.Known device [US Patent No. 7070634, IPC B01J 19/08; B01J 7/00, publ. 04.07.2006], which implements a method for producing hydrogen from water mixed with hydrocarbon fuel by exposing this mixture to a plasma discharge and heating, while the hydrocarbon component of the mixture in the presence of plasma becomes a catalyst for the dissociation of water into hydrogen and oxygen at a low heating temperature. This device is intended for gasification of fuel and the gases obtained with its help can be used in burners.

Известна теплогенераторная установка, реализующая способ получения водородсодержащего газа из воды путем многостадийного увеличения температуры воды и диссоциации ее молекул под воздействием тепла и присутствия углеводородсодержащего катализатора [Патент RU № 2478688, МПК C10G 47/00, C01B 3/02, C01B 3/32]. Данное устройство для получения водородсодержащего газообразного топлива использует высокую температуру нагрева смеси водяного пара с углеводородным топливом без электрического воздействия. При повышении температуры из углеводородной составляющей смеси выделяется водород, который затем способствует температурному разложению молекул воды.Known heat generator plant that implements a method of obtaining a hydrogen-containing gas from water by multi-stage increase in the temperature of water and dissociation of its molecules under the influence of heat and the presence of a hydrocarbon-containing catalyst [Patent RU No. 2478688, IPC C10G 47/00, C01B 3/02, C01B 3/32]. This device for producing a hydrogen-containing gaseous fuel uses a high temperature of heating a mixture of water vapor with a hydrocarbon fuel without electrical action. As the temperature rises, hydrogen is released from the hydrocarbon component of the mixture, which then contributes to the thermal decomposition of water molecules.

Недостатком данного устройства является наличие в конструкции реакторных камер, работающих в условиях давления и высокой температуры паров и газов. Камеры и соединительные каналы закоксовываются в переходных режимах нагрева и охлаждения при включении и выключении установки и требуют технического обслуживания, что осложняет эксплуатацию теплогенераторной установки и снижает ее эксплуатационную надежность.The disadvantage of this device is the presence in the design of reactor chambers operating under pressure and high temperature of vapors and gases. Chambers and connecting channels coke in transient heating and cooling modes when the unit is switched on and off and require maintenance, which complicates the operation of the heat generating unit and reduces its operational reliability.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является прямоточное устройство для сжигания топлива [Патент RU № 2429410, МПК F23D 11/00, опубл. 20.09.2009], огневая камера которого выполнена в виде линейной цепи сопел Лаваля, в которой выход предыдущего сопла цепи соединен с входом последующего сопла так, что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего, при этом на торце первого сопла установлена форсунка для подачи в него воды или водяного пара и электроды для создания электрической дуги, предназначенной для диссоциации этой воды, а каждое последующее сопло Лаваля содержит форсунку для подачи в него дополнительной воды или пара.The closest analogue adopted as a prototype is a direct-flow device for burning fuel [Patent RU No. 2429410, IPC F23D 11/00, publ. 09/20/2009], the fire chamber of which is made in the form of a linear chain of Laval nozzles, in which the outlet of the previous nozzle of the chain is connected to the inlet of the subsequent nozzle so that the geometric dimensions of the subsequent nozzle of the chain exceed the geometric dimensions of the previous one, while a nozzle is installed at the end of the first nozzle for supply water or water vapor into it and electrodes to create an electric arc designed to dissociate this water, and each subsequent Laval nozzle contains a nozzle for supplying additional water or steam to it.

Недостатком прототипа является высокая стоимость используемой в нем технологии диссоциации воды с помощью электрической дуги, к эксплуатационным недостаткам которой относится электроэрозионный износ разрядных электродов и необходимость частой остановки теплогенерирующей установки для замены электродов устройства. Рекомбинация атомарного водорода происходит в основном в зоне действия дугового разряда, при этом локальный рост температуры в этой зоне еще более осложняет условия работы электродов. С ростом тепловой мощности устройства пропорционально возрастает потребляемая электрическая мощность и увеличиваются соответствующие расходы на выполнение технических условий подсоединения устройства к электрической сети питания. С учетом перечисленных недостатков устройство не имеет широкого применения.The disadvantage of the prototype is the high cost of the technology used for the dissociation of water using an electric arc, the operational disadvantages of which include electroerosive wear of the discharge electrodes and the need for frequent stopping of the heat-generating unit to replace the electrodes of the device. The recombination of atomic hydrogen occurs mainly in the zone of action of the arc discharge, while a local increase in temperature in this zone further complicates the working conditions of the electrodes. With an increase in the thermal power of the device, the consumed electric power proportionally increases and the corresponding expenses for meeting the technical conditions for connecting the device to the power supply network increase. Taking into account the listed disadvantages, the device is not widely used.

Запасы углеводородного сырья истощаются, стоимость его добычи постоянно возрастает. В этой связи использование плазмы совместно с водяным паром в углеводородных горелочных устройствах с целью повышения эффективности и экономии углеводородного топлива за счет повышения роли водорода в горении является актуальным решением.Hydrocarbon reserves are being depleted, and the cost of their production is constantly increasing. In this regard, the use of plasma together with steam in hydrocarbon burners in order to increase the efficiency and save hydrocarbon fuel by increasing the role of hydrogen in combustion is an urgent solution.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании прямоточного пароплазменного горелочного устройства с внутрицикловой газификацией углеводородного топлива простой конструкции.The problem to be solved by the utility model is to create a once-through steam-plasma burner with in-cycle gasification of hydrocarbon fuel of a simple design.

Техническим результатом является повышение его надежности за счет устранения износа электродов и повышение его эффективности за счет обеспечения предельно возможной полноты сгорания углеводородной компоненты.The technical result is to increase its reliability by eliminating the wear of the electrodes and increasing its efficiency by ensuring the maximum possible completeness of combustion of the hydrocarbon component.

Для решения поставленной задачи в пароплазменном горелочном устройстве с внутрицикловой газификацией топлива, содержащем огневую камеру, выполненную в виде линейной цепи сопел Лаваля, в которой выход предыдущего сопла соединен со входом последующего сопла цепи так, что геометрические размеры последующего сопла цепи превышают геометрические размеры предыдущего. На торце первого сопла установлена форсунка, имеющая канал для подачи в него перегретого пара, канал для подачи углеводородного топлива и возвратный канал, а в зоне критического сечения первого сопла Лаваля соосно с ним установлен плазменный электрод, электрически подсоединенный к источнику плазмообразующего электрического тока и изолированный электрически от первого сопла Лаваля и корпуса, охватывающего линейную цепь сопел Лаваля, при этом огневая камера сопел Лаваля снабжена воздушным каналом для подачи в нее воздуха и каналом возврата плазмы из огневой камеры в возвратный канал форсунки.To solve the set problem in a vapor-plasma burner device with intracycle gasification of fuel, containing a fire chamber made in the form of a linear chain of Laval nozzles, in which the outlet of the previous nozzle is connected to the inlet of the subsequent nozzle of the chain so that the geometric dimensions of the subsequent nozzle of the chain exceed the geometric dimensions of the previous one. A nozzle is installed at the end of the first nozzle, which has a channel for supplying superheated steam to it, a channel for supplying hydrocarbon fuel and a return channel, and in the critical section of the first Laval nozzle, a plasma electrode is installed coaxially with it, electrically connected to the source of plasma-forming electric current and electrically isolated from the first Laval nozzle and a housing enclosing a linear chain of Laval nozzles, while the fire chamber of the Laval nozzles is equipped with an air channel for supplying air to it and a channel for returning plasma from the fire chamber to the return channel of the nozzle.

Плазменный электрод, установленный в зоне критического сечения первого сопла Лаваля на пути движения смеси углеводородного топлива с водяным паром вдоль оси огневой камеры, создает электромагнитный разряд, способствующий при относительно низкой температуре перегретого водяного пара выделению из топлива первичного водорода и повышению за счет этого концентрации водорода во внутренней полости первого сопла Лаваля до уровня, необходимого для осуществления дальнейшей реакции. Реакция протекает при небольшой мощности электромагнитного разряда и не создаются условия для износа и эрозии плазменного электрода.A plasma electrode installed in the critical section of the first Laval nozzle on the path of a mixture of hydrocarbon fuel with water vapor along the axis of the fire chamber creates an electromagnetic discharge that promotes, at a relatively low temperature of superheated water vapor, the release of primary hydrogen from the fuel and thereby increases the concentration of hydrogen in the inner cavity of the first Laval nozzle to the level required for further reaction. The reaction proceeds at a low power of the electromagnetic discharge and conditions are not created for wear and erosion of the plasma electrode.

Перегретый водяной пар, подаваемый через форсунку в горелочное устройство, является важным компонентом осуществляемой в горелочном устройстве химической реакции и одновременно используется для диспергации углеводородного топлива, для подогрева огневой камеры перед розжигом и для продувки огневой камеры по окончании работы устройства. На всех этапах работы устройства электромагнитный разряд во внутренней полости огневой камеры, электрическими полюсами которого являются с одной стороны электропроводящие поверхности огневой камеры, а с другой плазменный электрод, создает условия в огневой камере для протекания сложной экзотермической реакции горючей смеси с максимальным КПД. Электромагнитный разряд возбуждает атомы веществ горючей смеси, повышая их активность в реакции горения. При оптимальном количестве углеводородного топлива электромагнитная энергия разряда вместе с тепловой энергией расходуется на разложение воды и топлива, причем при наличии электромагнитной энергии рабочий химический процесс в огневой камере начинается при более низких температурах. Разряд способен эффективно нарабатывать в плазме огневой камеры активные радикалы, ионы и атомы, такие, как, например, Н, ОН, СН2, О3 и др. Дефицит кислорода в реакции при необходимости покрывается путем добавления в огневую камеру воздуха или газообразного кислорода.Superheated steam supplied through the nozzle to the burner is an important component of the chemical reaction carried out in the burner and is simultaneously used to disperse hydrocarbon fuel, to heat the fire chamber before firing up and to purge the fire chamber at the end of the operation of the device. At all stages of operation of the device, an electromagnetic discharge in the inner cavity of the fire chamber, the electric poles of which are, on the one hand, the electrically conductive surfaces of the fire chamber, and on the other, the plasma electrode, creates conditions in the fire chamber for a complex exothermic reaction of the combustible mixture with maximum efficiency. The electromagnetic discharge excites the atoms of the substances of the combustible mixture, increasing their activity in the combustion reaction. With an optimal amount of hydrocarbon fuel, the electromagnetic energy of the discharge, together with thermal energy, is spent on the decomposition of water and fuel, and in the presence of electromagnetic energy, the working chemical process in the fire chamber begins at lower temperatures. The discharge is capable of efficiently producing active radicals, ions and atoms in the plasma of the fire chamber, such as, for example, H, OH, CH2, O3, etc. The oxygen deficiency in the reaction, if necessary, is covered by adding air or gaseous oxygen to the fire chamber.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где на фиг. показана принципиальная схема одного из вариантов конструкции пароплазменного горелочного устройства с внутрицикловой газификацией топлива, включающего два сопла Лаваля.The proposed device is illustrated by a drawing, where FIG. shows a schematic diagram of one of the design options for a vapor-plasma burner with intracycle gasification of fuel, including two Laval nozzles.

Устройство включает, последовательно соединенные сопла Лаваля, на примере - сопло Лаваля 1 и сопло Лаваля 2, внутренние полости которых при таком соединении образуют огневую камеру 3. На входном торце сопла Лаваля 1 установлена форсунка 4, имеющая канал 5 для подачи через него в огневую камеру 3 перегретого водяного пара, канал 6 для подачи через него углеводородного топлива и возвратный канал 7, предназначенный для осуществления рециркуляции плазмы в огневой камере 3. В зоне критического сечения сопла Лаваля 1 соосно с ним установлен плазменный электрод 8, который с помощью электрического проводника присоединен к источнику плазмообразующего электрического тока 9, при этом известными техническими средствами (например, использование керамического изолятора) обеспечена электрическая изолированность плазменного электрода 8 от контакта с соплом Лаваля 1 и корпусом 10. Корпус 10 имеет преимущественно цилиндрическую форму и охватывает закрепленные в нем сопло Лаваля 1, сопло Лаваля 2, форсунку 4, плазменный электрод 8. В зону докритического сечения сопла Лаваля 2 подводится воздушный канал 11, связанный с атмосферой, и канал возврата плазмы 12, связанный с возвратным каналом 7 форсунки 4.The device includes Laval nozzles connected in series, for example - a Laval nozzle 1 and a Laval nozzle 2, the internal cavities of which, with such a connection, form a fire chamber 3. At the inlet end of the Laval nozzle 1, a nozzle 4 is installed, which has a channel 5 for feeding through it into the fire chamber 3 of superheated water vapor, channel 6 for supplying hydrocarbon fuel through it and a return channel 7 for recirculating plasma in the fire chamber 3. In the critical section of the Laval nozzle 1, a plasma electrode 8 is installed coaxially with it, which is connected to the source of plasma-forming electric current 9, while the known technical means (for example, the use of a ceramic insulator) ensure the electrical isolation of the plasma electrode 8 from the contact with the Laval nozzle 1 and the housing 10. The housing 10 has a predominantly cylindrical shape and encloses the Laval nozzle 1 fixed in it, the nozzle Laval 2, injector ku 4, plasma electrode 8. In the subcritical section area of the Laval nozzle 2, an air channel 11 connected to the atmosphere and a plasma return channel 12 connected to the return channel 7 of nozzle 4 are fed.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Перед пуском устройства в работу в первую очередь в него через канал 5 подают перегретый водяной пар и разогревают им внутреннюю полость огневой камеры 3 до температуры приблизительно 300 - 400 °С. После этого включают в работу источник плазмообразующего электрического тока 9 с одновременной подачей углеводородного топлива через канал 6. В момент включения источник плазмообразующего электрического тока 9 создает на плазменном электроде 8 завышенный потенциал, обеспечивающий электрический пробой среды в промежутке между плазменным электродом 8 и внутренней поверхностью огневой камеры 3, в результате которого происходит розжиг горючей смеси в огневой камере 3. Возможный дефицит кислорода в огневой камере 3 в режиме розжига компенсируется путем подачи воздуха через воздушный канал 11 в зону докритического сечения сопла Лаваля 2 огневой камеры 3. Из этой же зоны докритического сечения сопла Лаваля 2 отбирается часть горючей смеси с воздухом, находящейся в состоянии плазмы, для подачи через канал возврата плазмы 12 в возвратный канал 7 форсунки 4 как в режиме розжига, так и в рабочем режиме. После воспламенения рабочей смеси в огневой камере 3 устройство нагревается и переходит в рабочий режим, в котором средствами управления температура на выходе огневой камеры 3 поддерживается на заданном уровне, например 1300 град.С, а потенциал на плазменном электроде 8 снижается. Задача плазменного электрода 8 в рабочем режиме - увеличивать выработку молекулярного и атомарного водорода из компонентов реакции при заданной температуре по сравнению с течением реакции условиях отсутствия электрического воздействия. Избыток водорода повышает вероятность соединения атомарного водорода в молекулы с выделением тепловой энергии, увеличивает эффективность работы горелочного устройства. Для достижения этой цели в рабочем режиме топливная смесь, состоящая из воды и углеводородов, проходит внутри плазменного электрода 8, где энергия смеси повышается за счет электромагнитной энергии плазмы. Расход перегретого водяного пара и углеводородного топлива, температуру перегретого водяного пара в рабочем режиме согласуют так, чтобы обеспечивать предельную полноту сгорания углеводородного топлива.Before starting the device into operation, first of all, superheated water vapor is fed into it through channel 5 and the inner cavity of the fire chamber 3 is heated with it to a temperature of approximately 300 - 400 ° C. After that, the source of plasma-forming electric current 9 is switched on with the simultaneous supply of hydrocarbon fuel through channel 6. At the moment of switching on, the source of plasma-forming electric current 9 creates an overestimated potential on the plasma electrode 8, providing an electrical breakdown of the medium in the gap between the plasma electrode 8 and the inner surface of the fire chamber 3, as a result of which the combustible mixture is ignited in the fire chamber 3. Possible oxygen deficiency in the fire chamber 3 in the ignition mode is compensated by supplying air through the air channel 11 to the subcritical section of the Laval nozzle 2 of the fire chamber 3. From the same subcritical section of the nozzle Laval 2, a part of the combustible mixture with air in the plasma state is taken for supply through the plasma return channel 12 to the return channel 7 of the nozzle 4 both in the ignition mode and in the operating mode. After ignition of the working mixture in the fire chamber 3, the device heats up and switches to the operating mode, in which by means of controls the temperature at the outlet of the fire chamber 3 is maintained at a predetermined level, for example, 1300 degrees C, and the potential on the plasma electrode 8 decreases. The task of the plasma electrode 8 in the operating mode is to increase the production of molecular and atomic hydrogen from the reaction components at a given temperature in comparison with the course of the reaction in the absence of electrical action. An excess of hydrogen increases the likelihood of combining atomic hydrogen into molecules with the release of thermal energy, and increases the efficiency of the burner. To achieve this goal, in the operating mode, the fuel mixture, consisting of water and hydrocarbons, passes inside the plasma electrode 8, where the energy of the mixture increases due to the electromagnetic energy of the plasma. The consumption of superheated steam and hydrocarbon fuel, the temperature of the superheated steam in the operating mode are coordinated so as to ensure the maximum completeness of combustion of the hydrocarbon fuel.

В качестве источника плазмообразующего электрического тока 9 в одном из вариантов осуществления устройства используется генератор электромагнитной энергии, а в качестве плазменного электрода 8 - согласованный с генератором объемный резонатор.An electromagnetic energy generator is used as a source of plasma-forming electric current 9 in one embodiment of the device, and a resonant cavity matched with the generator is used as a plasma electrode 8.

По окончании работы устройства в первую очередь отключают источник плазмообразующего электрического тока 9 и подачу углеводородного топлива через канал 6, оставляя на некоторое время подачу перегретого водяного пара для продувки огневой камеры 3.At the end of the operation of the device, first of all, the source of plasma-forming electric current 9 and the supply of hydrocarbon fuel through channel 6 are switched off, leaving for some time the supply of superheated water vapor to purge the fire chamber 3.

Для увеличения тепловой мощности предлагаемого устройства необходимо использовать дополнительные сопла Лаваля в линейной цепи. Количество сопел Лаваля определяется при расчете требуемой тепловой мощности устройства. Реакция протекает при повышении мощности, но при этом не создаются условия для износа и эрозии плазменного электрода.To increase the thermal power of the proposed device, it is necessary to use additional Laval nozzles in the linear circuit. The number of Laval nozzles is determined when calculating the required heat output of the device. The reaction proceeds with increasing power, but this does not create conditions for wear and erosion of the plasma electrode.

Таким образом, использование углеводородного топлива в пароплазменном горелочном устройстве устраняет проблему электрической эрозии и износа плазменных электродов, значительно снижает потребляемую электрическую мощность. При этом повышение эффективности обеспечивается за счет предельной полноты сгорания углеводородов различной плотности в горелочном устройстве путем простой настройки расходных параметров рабочего процесса в огневой камере 3.Thus, the use of hydrocarbon fuel in a vapor-plasma burner eliminates the problem of electrical erosion and wear of plasma electrodes, and significantly reduces the consumed electrical power. In this case, an increase in efficiency is provided due to the maximum completeness of combustion of hydrocarbons of various densities in the burner device by simply adjusting the flow parameters of the working process in the fire chamber 3.

Claims

A vapor-plasma burner device with intracycle gasification of fuel, containing a fire chamber made in the form of a linear chain of Laval nozzles, in which the outlet of the previous nozzle is connected to the inlet of the subsequent nozzle of the chain so that the geometric dimensions of the subsequent nozzle of the chain exceed the geometric dimensions of the previous one; a nozzle is installed at the end of the first nozzle having a channel for supplying superheated steam to it, a channel for supplying hydrocarbon fuel and a return channel, and a plasma electrode is installed coaxially with it in the critical section of the first Laval nozzle, electrically connected to the source of plasma-forming electric current and electrically isolated from the first Laval nozzle and the housing covering the linear chain of Laval nozzles, while the fire chamber is equipped with an air channel for supplying air to it and a channel for returning plasma from the fire chamber to the return channel of the nozzle.