RU2219435C2

RU2219435C2 - Method of sootless burning of fuel

Info

Publication number: RU2219435C2
Application number: RU2002103813A
Authority: RU
Inventors: М.С. Вигриянов; В.В. Саломатов; С.В. Алексеенко
Original assignee: Институт теплофизики СО РАН; Вигриянов Михаил Степанович; Саломатов Владимир Васильевич; Алексеенко Сергей Владимирович
Priority date: 2002-02-11
Filing date: 2002-02-11
Publication date: 2003-12-20

Abstract

FIELD: heat-power engineering; sootless burning of fuel. SUBSTANCE: proposed method is performed by separate delivery of fuel with air and superheated steam to burner unit. Upon obtaining soot flame, superheated steam is delivered to it for heating burner unit. After heating the burner unit, air delivery to burner unit is fully or partially shut-off and superheated steam gasifies carbon (soot) to synthesis gas which is evacuated from burner unit for after- burning. EFFECT: enhanced efficiency without soot formation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к технологии бессажного сжигания топливного сырья.The invention relates to a power system, in particular to the technology of oilless combustion of fuel raw materials.

Известен способ бессажного сжигания топлива с помощью паровых форсунок, заключающийся в подаче топлива самотеком, а пара под давлением. Топливо и пар перемешиваются в форсунке и далее смесь топлива и пара сгорает в факеле. Топливо, в частности мазут, перед подачей в форсунку подогревают до температуры 85-115°С, а пар подают под давлением 5-15 кг/см² и более, при этом температура пара выше 150°С.A known method of fuelless combustion of fuel using steam nozzles, which consists in supplying fuel by gravity, and the steam under pressure. Fuel and steam are mixed in the nozzle and then the mixture of fuel and steam burns in a torch. Fuel, in particular fuel oil, is heated to a temperature of 85-115 ° C before being fed into the nozzle, and steam is supplied at a pressure of 5-15 kg / cm ² or more, while the steam temperature is above 150 ° C.

Водяной пар при высокой температуре диссоциируется на кислород и водородWater vapor at high temperature dissociates into oxygen and hydrogen

2H₂O

2H₂+O₂,

2H ₂ O

2H ₂ + O ₂ ,

и чем выше температура пара, тем выше степень диссоциации.and the higher the vapor temperature, the higher the degree of dissociation.

Углерод топлива соединяется с кислородом воды, при этом топливо газифицируется, превращаясь в раскаленные газы - окись углерода и водород С+Н₂О=СО+Н₂, которые сгорают в кислороде атмосферного воздуха, превращаясь в диоксид углерода и воду.The carbon of the fuel combines with the oxygen of the water, while the fuel is gasified, turning into hot gases - carbon monoxide and hydrogen С + Н ₂ О = СО + Н ₂ , which burn in the oxygen of atmospheric air, turning into carbon dioxide and water.

2СО+О₂=2СО₂ 2CO + O ₂ = 2CO ₂

2Н₂+О₂=2Н₂О2H ₂ + O ₂ = 2H ₂ O

Эффект диссоциации воды позволяет повысить эффективность сгорания топлива за счет дополнительного кислорода, поэтому паровые форсунки создают бессажный факел [1].The effect of water dissociation makes it possible to increase the efficiency of fuel combustion due to additional oxygen; therefore, steam nozzles create a dry torch [1].

В данном способе пар, имеющий более высокую температуру, перемешивается с относительно холодным топливом. Температура пара при этом снижается, и чтобы пошел процесс диссоциации, необходимо поднять температуру пара, для чего требуется тратить часть химического тепловыделения и отсюда температура факела снижается.In this method, steam having a higher temperature is mixed with relatively cold fuel. In this case, the vapor temperature decreases, and for the dissociation process to begin, it is necessary to raise the vapor temperature, for which it is necessary to spend part of the chemical heat and hence the flame temperature decreases.

Чем ниже температура пара, тем ниже степень диссоциации, а отсюда низкая эффективность сгорания топлива, которая в данном случае определяется количеством кислорода в смеси.The lower the steam temperature, the lower the degree of dissociation, and hence the low efficiency of fuel combustion, which in this case is determined by the amount of oxygen in the mixture.

Известен также способ бессажного сжигания топлива при помощи эмульсионных горелок, заключающийся в том, что топливо (мазут) и вода под давлением подаются в эмульгатор. Полученная эмульсия подается насосом в форсунку, куда под давлением одновременно подается воздух. Смесь эмульсии (вода - мазут) и воздуха сгорает в факеле. Капли воды, взвешенные в мазуте, имеют температуру, превышающую температуру кипения, и при выбросе струи происходит вторичное распыливание.There is also known a method of oilless combustion of fuel using emulsion burners, which consists in the fact that the fuel (fuel oil) and water under pressure are supplied to the emulsifier. The resulting emulsion is pumped into the nozzle, where air is simultaneously supplied under pressure. A mixture of emulsion (water - fuel oil) and air burns in a torch. Drops of water suspended in fuel oil have a temperature exceeding the boiling point, and when the jet is ejected, secondary spraying occurs.

Образующийся при термической диссоциации воды кислород реагирует с углеродом и окисляет его в окись углерода [2].Oxygen generated during thermal dissociation of water reacts with carbon and oxidizes it to carbon monoxide [2].

Однако, несмотря на то, что по сравнению с вышеупомянутым способом сжигания, распыление топлива более эффективнее, но и здесь пар снижает свою температуру, перемешиваясь с топливом, поэтому и степень диссоциации воды уменьшается и как следствие хуже эффективность горения топлива.However, despite the fact that, compared with the aforementioned method of combustion, fuel atomization is more efficient, but even here the steam decreases its temperature by mixing with the fuel, therefore, the degree of dissociation of water decreases and, as a result, the fuel combustion efficiency is worse.

Наиболее близким к заявляемому способу бессажного сжигания топлива является способ сжигания, заключающийся в одновременной подаче в горелочное устройство топлива, воздуха и перегретого водяного пара.Closest to the claimed method of oilless burning of fuel is a method of burning, which consists in simultaneously supplying fuel, air and superheated water vapor to the burner device.

Топливо, воздух и перегретый водяной пар перемешиваются все вместе в горелочном устройстве, при этом воду, необходимую для получения пара, подают в определенном соотношении к расходу воздуха. Полученный пар перемешивают с воздухом и перегревают.Fuel, air and superheated water vapor are mixed together in a burner, while the water necessary to produce steam is supplied in a certain ratio to the air flow rate. The resulting steam is mixed with air and overheated.

Влажность поступающего в горелочное устройство воздуха не должна превышать 90% для исключения возможности конденсации пара до его контакта с топливом [3].The humidity of the air entering the burner must not exceed 90% to exclude the possibility of steam condensation before it comes into contact with the fuel [3].

Однако в этом способе сжигания топлива, так же как и в предыдущих способах, происходит перемешивание перегретого пара и топлива, что снижает температуру пара, а значит снижается степень диссоциации, а отсюда ухудшается эффективность горения топлива.However, in this method of burning fuel, as well as in the previous methods, mixing of superheated steam and fuel occurs, which reduces the temperature of the steam, which means that the degree of dissociation decreases, and hence the efficiency of fuel combustion.

В основу изобретения положена задача создания способа сжигания топлива, обеспечивающего высокую эффективность его горения без образования сажи.The basis of the invention is the creation of a method of burning fuel, providing high efficiency of its combustion without the formation of soot.

Поставленная задача решается тем, что в способе бессажного сжигания топлива, включающем подачу перегретого водяного пара, топлива и воздуха в горелочное устройство, согласно изобретению перегретый водяной пар и топливо с воздухом подаются в горелочное устройство отдельно, после получения сажного пламени струя перегретого водяного пара согласно изобретению подается в сажное пламя, устройство прогревается, после прогрева согласно изобретению перекрывается подача воздуха полностью или частично, водяной пар производит газификацию углерода (сажи) в синтез-газ и полученный синтез-газ выводят из горелочного устройства для последующего догорания.The problem is solved in that in the method of fuelless combustion of fuel, including the supply of superheated water vapor, fuel and air to the burner device according to the invention, superheated water vapor and fuel with air are supplied to the burner device separately, after receiving a soot flame, the jet of superheated water vapor according to the invention supplied to the soot flame, the device warms up, after heating according to the invention, the air supply is completely or partially shut off, water vapor produces coal gasification ode (soot) in the synthesis gas and the synthesis gas discharged from a burner device for subsequent afterburning.

В связи с тем, что в заявляемом способе бессажного сжигания топлива подача перегретого водяного пара и топлива с воздухом осуществляется отдельно, что позволяет поджечь топливо, которое будет гореть в устройстве сажным пламенем в кислороде воздуха, а перегретый водяной пар пронизывает не относительно холодное топливо, как у прототипа, а горячие газы сажного пламени, благодаря чему температура пара повышается, начинается процесс диссоциации воды, что добавляет в пламя кислород.Due to the fact that in the inventive method of fuelless combustion of fuel, the supply of superheated water vapor and fuel with air is carried out separately, which allows you to set fire to the fuel that will burn in the device with a soot flame in oxygen, and superheated water vapor permeates a relatively cold fuel, like the prototype, and the hot gases of the soot flame, due to which the temperature of the steam rises, the process of dissociation of water begins, which adds oxygen to the flame.

Поток пара увлекает за собой сажное пламя, и оно подсасывает воздух из воздухоподводов, что повышает температуру пламени, а также температуру пара.A steam flow carries a sooty flame along with it, and it draws in air from the air ducts, which raises the flame temperature as well as the temperature of the steam.

После прогрева горелочного устройства, в котором температура пара достигает такого значения, что хватает кислорода для окисления углерода (сажа), воздухоподводы перекрывают полностью или частично, поскольку воздух начинает мешать процессу газификации углерода. Он, во-первых, охлаждает пламя, а во-вторых, содержит 79% балластных газов, которые препятствуют соединению углерода с кислородом.After heating the burner device, in which the vapor temperature reaches such a value that there is enough oxygen for the oxidation of carbon (soot), the air ducts are completely or partially blocked, since the air begins to interfere with the carbon gasification process. Firstly, it cools the flame, and secondly, it contains 79% of ballast gases, which interfere with the connection of carbon with oxygen.

Полученный в горелочном устройстве синтез - газ имеет достаточно большую температуру, чтобы эффективно догореть в атмосферном воздухе.The synthesis gas obtained in the burner device has a sufficiently high temperature to effectively burn out in atmospheric air.

Горелочные устройства могут быть самых разнообразных конструкций, это зависит от вида горючего сырья, так сжигание газов, керосина и дизельного топлива можно производить в устройствах такой конструкции, которая указана в описании в качестве примера.Burner devices can be of a wide variety of designs, it depends on the type of combustible raw materials, so the combustion of gases, kerosene and diesel fuel can be carried out in devices of such a design, which is indicated in the description as an example.

Сжигание отработанных масел, мазута, сырой нефти лучше производить в вихревых горелочных устройствах для жидкого топлива, куда вместо воздуха должен подаваться перегретый водяной пар.The burning of used oils, fuel oil, and crude oil is best done in vortex burners for liquid fuels, where superheated water vapor must be supplied instead of air.

На чертеже схематично изображена одна из конструкций горелочного устройства для бессажного сжигания топлива.The drawing schematically shows one of the designs of the burner device for oilless combustion of fuel.

Устройство содержит корпус 1, выполненный в виде стакана, паровую форсунку 2, которая вмонтирована в дно корпуса 1, воздухоподводящие отверстия 3, выполненные в корпусе 1, топливопровод 4, установленный в нижней части корпуса 1, паропровод 5, соединенный с паровой форсункой 2, зону поджига 6, в которую подается топливо.The device comprises a housing 1 made in the form of a glass, a steam nozzle 2, which is mounted in the bottom of the housing 1, air supply holes 3 made in the housing 1, a fuel pipe 4 installed in the lower part of the housing 1, a steam pipe 5 connected to the steam nozzle 2, a zone ignition 6, in which fuel is supplied.

Способ бессажного сжигания топлива осуществляется следующим образом. По топливопроводу 4 подается дизельное топливо в зону поджига 6, где оно поджигается и горит сажным пламенем в кислороде воздуха, который подсасывается через отверстия 3.The method of fuelless burning of fuel is as follows. Diesel fuel is supplied through fuel line 4 to the ignition zone 6, where it is ignited and burns with a soot flame in the oxygen of the air, which is sucked in through openings 3.

Далее подают водяной пар с давлением 2 кг/см² и температурой 150°С, который истекает из форсунки 2 вверх в виде струи, пронизывающей сажное пламя, и увлекает за собой это пламя. Образованный поток начинает сильнее подсасывать воздух через отверстия 3 и температура факела увеличивается.Next, water vapor is supplied with a pressure of 2 kg / cm ² and a temperature of 150 ° C, which flows upward from the nozzle 2 in the form of a jet piercing the soot flame and carries this flame along. The formed flow begins to suck in air through holes 3 more strongly and the temperature of the torch increases.

После разогрева устройства до красного свечения корпуса 1, отверстия 3 перекрывают (не показано) и горелочное устройство продолжает работать без доступа воздуха. Воздух перекрывается по двум причинам, во-первых, воздух начинает охлаждать перегретый пар, а, во-вторых, воздух содержит 79% балластных газов, которые мешают процессу окисления углерода.After heating the device to the red glow of the housing 1, the holes 3 are closed (not shown) and the burner device continues to operate without air. The air is blocked for two reasons, firstly, the air begins to cool superheated steam, and secondly, the air contains 79% of ballast gases, which interfere with the process of carbon oxidation.

При давлении пара ниже 2 кг/см² и температуре ниже 120°С наблюдается неустойчивое горение, факел уменьшается и дымит, потому что не хватает кислорода, но стоит незначительно приоткрыть отверстие 3, устойчивое горение восстанавливается, факел ярко-красного цвета и сажи визуально не наблюдается.At a vapor pressure below 2 kg / cm ² and a temperature below 120 ° C, unstable combustion is observed, the torch decreases and smokes, because there is not enough oxygen, but it is necessary to slightly open hole 3, stable combustion is restored, the torch is bright red and soot does not visually observed.

При увеличении давления пара и его температуры наблюдается уменьшение длины факела и светлее его свечение, шум также увеличивается.With increasing vapor pressure and its temperature, a decrease in the length of the torch is observed and its glow is lighter, the noise also increases.

При давлении пара от 7 до 10 кг/см² и температуре пара выше 300°С наблюдается голубое свечение пламени, что свидетельствует об эффективном сгорании окиси углерода. Окись углерода дает голубое свечение пламени.At a vapor pressure of 7 to 10 kg / cm ² and a vapor temperature above 300 ° C, a blue glow is observed, which indicates the effective combustion of carbon monoxide. Carbon monoxide gives a blue glow.

Таким образом, в предлагаемом изобретении топливо подается в горелочное устройство отдельно, любым способом, горит при атмосферном давлении в кислороде воздуха. Принудительная подача воздуха здесь не требуется, поскольку поток пара производит засасывание воздуха через воздухоподводы (это нужно в начальной стадии процесса).Thus, in the present invention, the fuel is supplied to the burner separately, in any way, burns at atmospheric pressure in oxygen. Forced air supply is not required here, since the steam flow draws in air through the air ducts (this is necessary in the initial stage of the process).

Пар здесь также подается отдельно, через паровую форсунку под давлением. Далее происходит перемешивание перегретого пара не с относительно холодным топливом, как у прототипа, а горячими газами сажного пламени.Steam is also supplied separately through a steam nozzle under pressure. Next, the superheated steam is mixed not with relatively cold fuel, as in the prototype, but with hot gases of a soot flame.

Температура пара повышается не только от имеющейся температуры пламени, но и от увеличивающейся температуры пламени за счет подсоса воздуха.The temperature of the steam rises not only from the existing flame temperature, but also from the increasing flame temperature due to air suction.

Температура пара повышается, повышается степень диссоциации (т.е. добавляется кислород), что приводит к усилению окислительных процессов.The temperature of the steam rises, the degree of dissociation increases (i.e., oxygen is added), which leads to increased oxidation processes.

В горелочном устройстве происходит газификация углерода (сажи) в парах воды, обеспечивая высокую эффективность горения топлива без образования сажи.In the burner, gas (carbon black) gasification occurs in water vapor, providing high fuel combustion efficiency without the formation of soot.

Предлагаемый способ бессажного сжигания топлива может найти применение в горелках различного назначения, в качестве отопительных устройств, сушилок и т.д., а также в качестве устройств для утилизации oтходов, имеющих способность гореть сажным пламенем.The proposed method of fuelless burning of fuel can find application in burners for various purposes, as heating devices, dryers, etc., as well as devices for the disposal of waste having the ability to burn with a soot flame.

Нужно заметить, что для реализации этого способа требования к чистоте топлива чрезвычайно низки, поэтому здесь может сгорать керосин, дизтопливо и др., прошедшие технологическое использование (например, мойка деталей).It should be noted that for the implementation of this method the requirements for fuel cleanliness are extremely low, therefore, kerosene, diesel fuel and others that have undergone technological use (for example, washing parts) can burn here.

Источники информацииSources of information

1. Смирнов В.П. Котельные установки. Государственное энергетическое издательство. М., Л., 1959, 116 с.1. Smirnov V.P. Boiler installations. State Energy Publishing House. M., L., 1959, 116 p.

2. Щукин А.А. Промышленные печи и газовое хозяйство заводов. М., Энергия, 1973, 66 с. (рис.3-31).2. Schukin A.A. Industrial furnaces and gas facilities of factories. M., Energy, 1973, 66 p. (fig. 3-31).

3. РСТ № 93/01449, F 23 L 7/00, 1994.3. PCT No. 93/01449, F 23 L 7/00, 1994.

Claims

A method of fuelless combustion of fuel, including the supply of superheated water vapor, fuel and air to the burner device, characterized in that the superheated water vapor and fuel with air are supplied to the burner device separately, upon receipt of a soot flame, a jet of superheated water vapor is fed into the soot flame, the burner is heated device and shut off the air supply in whole or in part, water vapor gasifies carbon (soot) into the synthesis gas, the resulting synthesis gas is removed from the burner for subsequent burning.