RU2511893C1 - Combustion method of hydrocarbon fuel in gas turbine engine or plant - Google Patents

Combustion method of hydrocarbon fuel in gas turbine engine or plant Download PDF

Info

Publication number
RU2511893C1
RU2511893C1 RU2012150516/06A RU2012150516A RU2511893C1 RU 2511893 C1 RU2511893 C1 RU 2511893C1 RU 2012150516/06 A RU2012150516/06 A RU 2012150516/06A RU 2012150516 A RU2012150516 A RU 2012150516A RU 2511893 C1 RU2511893 C1 RU 2511893C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
air
fuel
combustion
mixture
plasma
Prior art date
Application number
RU2012150516/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Сергеевич Кулешов
Борис Иосифович Луховицкий
Александр Михайлович Старик
Наталия Сергеевна Титова
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Priority to RU2012150516/06A priority Critical patent/RU2511893C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2511893C1 publication Critical patent/RU2511893C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: combustion method of hydrocarbon fuel in a gas turbine engine or plant, which contain a combustion chamber, consists in a hydrocarbon fuel flow and an air flow supplied to its inlet and compressed in a compressor till high pressure. The fuel-air mixture is ignited, and gases obtained during combustion of the mixture are supplied through the turbine and the nozzle to atmosphere. With that, an electric discharge acts at least on some part of compressed air flow downstream of the compressor; the above electric discharge is arranged so that it can provide the specified values of volumetric energy density and corrected intensity of an electric field so that as a result of its action the air forms low-temperature nonequilibrium plasma containing oscillating and electron-excited oxygen molecules in primary and single states. Some part of hydrocarbon fuel flow is mixed with the obtained low-temperature nonequilibrium air plasma and subject to reforming intensified with molecules of excited oxygen. Synthesis gas generated as a result of the reforming process is supplied to the combustion chamber for additional combustion intensification.
EFFECT: invention improves operating efficiency of a combustion chamber at simultaneous reduction of hazardous emissions to atmosphere and provides stable combustion in fuel-and-air mixtures depleted with fuel.
5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, а более точно относится к способу сжигания углеводородного топлива в газотурбинном двигателе (ГТД) или газотурбинной установке (ГТУ).The invention relates to the field of engine building, and more specifically relates to a method for burning hydrocarbon fuel in a gas turbine engine (GTE) or gas turbine installation (GTU).

Известен способ сжигания углеводородного топлива в газотурбинном двигателе или установке, при котором углеводородное топливо и воздух, сжатый до высокого давления в компрессоре, поступают в камеру сгорания, где топливовоздушную смесь воспламеняют, а образующиеся при горении газы направляют в турбину и далее в атмосферу через сопло. С целью снижения эмиссии экологически опасных компонентов (оксидов азота, сажи и несгоревших углеводородов) выбираются режимы работы ГТУ на бедном пределе устойчивости горения, который достигается, например, в смеси метан-воздух при стехиометрическом соотношении топливо/окислитель ϕ, приблизительно равном 0.6. (Статья в журнале: Ren J.-Y., Egolfopoulos F.N., Tsotsis Т.Т. NOx emission control of lean methane-air combustion with addition of methane reforming products // Combust. Sci. Technol. - 2002. - V.174, N. 4. - P.181-205. Статья в журнале: Aida N., Nishijima Т., Hayashi S., Yamada H., Kcrwakami Т. Combustion of lean prevaporized fuel-air mixtures mixed with hot burned gas for low-NOx emissions over an extended range of fuel-air ratios // Proc. Combust. Inst. - 2005. - V.30. - P.2885-2892. Статья в книге: Е.Д.Свердлов. Разработка концепции рабочего процесса в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки на природном газе // Экологические проблемы авиации / Под ред. Ю.Д.Халецкого. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. - 504 с. С.451-451).A known method of burning hydrocarbon fuel in a gas turbine engine or installation, in which hydrocarbon fuel and air compressed to a high pressure in the compressor, enter the combustion chamber, where the air-fuel mixture is ignited, and the gases formed during combustion are sent to the turbine and then to the atmosphere through the nozzle. In order to reduce the emission of environmentally hazardous components (nitrogen oxides, soot and unburned hydrocarbons), GTU operating modes are selected at a poor burning stability limit, which is achieved, for example, in a methane-air mixture with a stoichiometric fuel / oxidizer ratio ϕ of approximately 0.6. (Journal article: Ren J.-Y., Egolfopoulos FN, Tsotsis T.T. NO x emission control of lean methane-air combustion with addition of methane reforming products // Combust. Sci. Technol. - 2002. - V. 174, N. 4. - P.181-205. Journal article: Aida N., Nishijima T., Hayashi S., Yamada H., Kcrwakami T. Combustion of lean prevaporized fuel-air mixtures mixed with hot burned gas for low-NO x emissions over an extended range of fuel-air ratios // Proc. Combust. Inst. - 2005. - V.30. - P.2885-2892. Article in the book: ED Sverdlov. Development of the working concept process in the low-emission combustion chamber of a gas turbine plant using natural gas // Environmental problems of aviation / Edited by Yu.D. Khaletsky. - M.: TORUS PRESS, 2010. - 504 p. S.451-451).

Известны способы активации процессов горения в двигателях внутреннего сгорания обработкой воздуха, поступающего в двигатель электрическим разрядом (RU №2156878, RU №2176122).Known methods of activating combustion processes in internal combustion engines by treating the air entering the engine with an electric discharge (RU No. 2156878, RU No. 2176122).

Известен способ инициирования воспламенения и интенсификации горения или риформинга топливовоздушных и топливокислородных смесей (патент РФ №2333381, опубл. 2008 г.), в том числе в газотурбинных двигателях, который заключается в том, что рабочую смесь в камере сгорания возбуждают посредством импульсно-периодического наносекундного высоковольтного разряда с ограниченной амплитудой и длительностью импульса высокого напряжения. Способ позволяет понизить температуру воспламенения рабочей смеси, повысить интенсивность химических реакций в процессах горения и риформинга и, как следствие, увеличить эффективность работы камеры сгорания газотурбинного двигателя. Однако он обладает следующим основным недостатком - высоким потреблением энергии из-за применяемой специальной организации разряда для возбуждения во всем объеме камеры сгорания рабочей смеси. Кроме того, высокое потребление энергии вызвано тем, что в данном способе используется разряд с достаточно большой приведенной напряженностью электрического поля E/N>5·10-15 В·см2, при которой в разряде происходит преимущественно диссоциация молекул кислорода О2 и других компонентов, например СН4, электронным ударом с затратами энергии 5.1 эв/молекулу О2, (а не его возбуждение, как в предлагаемом изобретении).A known method of initiating ignition and intensification of combustion or reforming of air-fuel and oxygen-fuel mixtures (RF patent No. 23333381, publ. 2008), including in gas turbine engines, which consists in the fact that the working mixture in the combustion chamber is excited by means of a pulse-periodic nanosecond high-voltage discharge with limited amplitude and duration of a high voltage pulse. The method allows to lower the ignition temperature of the working mixture, increase the intensity of chemical reactions in the combustion and reforming processes and, as a result, increase the efficiency of the combustion chamber of a gas turbine engine. However, it has the following main drawback - high energy consumption due to the special organization of the discharge used to excite the entire mixture of the working mixture combustion chamber. In addition, the high energy consumption is caused by the fact that this method uses a discharge with a sufficiently large reduced electric field strength E / N> 5 · 10 -15 V · cm 2 , in which the dissociation of oxygen molecules O 2 and other components occurs predominantly , for example, CH 4 , by electron impact with an energy expenditure of 5.1 eV / O 2 molecule, (and not its excitation, as in the present invention).

Указанный способ рассмотрен как прототип.The specified method is considered as a prototype.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности работы камеры сгорания газотурбинного двигателя при одновременном снижении выброса вредных веществ в атмосферу, а именно снижении эмиссии оксидов азота NOx, моноксида углерода СО, несгоревших углеводородов CnHm и сажевых частиц.The basis of the invention is to improve the efficiency of the combustion chamber of a gas turbine engine while reducing emissions of harmful substances into the atmosphere, namely, reducing the emission of nitrogen oxides NO x , carbon monoxide CO, unburned hydrocarbons C n H m and soot particles.

Техническим результатом является уменьшение потребления энергии электрическим разрядом и дополнительная интенсификация горения.The technical result is to reduce energy consumption by electric discharge and additional intensification of combustion.

Другим техническим результатом является обеспечение устойчивости горения в обедненных топливом топливовоздушных смесях.Another technical result is to ensure combustion stability in fuel-depleted fuel-air mixtures.

Поставленная задача решается тем, что при сжигания углеводородного топлива в газотурбинных двигателях или установках, содержащих камеру сгорания, на вход которой поступают поток углеводородного топлива и поток воздуха, сжатого в компрессоре до высокого давления, топливовоздушную смесь воспламеняют, а полученные при горении смеси газы направляют через турбину и сопло в атмосферу, при этом воздействуют, по меньшей мере, на часть потока сжатого воздуха за компрессором электрическим разрядом, организованным таким образом, чтобы получать заданные значения объемной плотности энергии и приведенной напряженности электрического поля, так что под его воздействием воздух образует низкотемпературную неравновесную плазму, содержащую преимущественно молекулы кислорода в основном и в синглетном состоянии O2(a1Δg), часть потока углеводородного топлива смешивают с полученной воздушной плазмой и подвергают риформингу интенсифицируемому молекулами возбужденного синглетного кислорода, и образующийся при риформинге синтез-газ направляют в камеру сгорания для дополнительной интенсификации горения.The problem is solved in that when burning hydrocarbon fuel in gas turbine engines or plants containing a combustion chamber, the input of which receives a stream of hydrocarbon fuel and a stream of air compressed in the compressor to high pressure, the air-fuel mixture is ignited, and the gases obtained during combustion of the mixture are directed through the turbine and nozzle into the atmosphere, at the same time affect at least part of the compressed air stream behind the compressor by an electric discharge, organized in such a way as to obtain given values of volumetric energy density and reduced electric field strength, so that under its influence air forms a low-temperature nonequilibrium plasma containing mainly oxygen molecules in the ground and singlet state O 2 (a 1 Δ g ), a part of the hydrocarbon fuel stream is mixed with the obtained air plasma and subjected to reforming intensified by molecules of excited singlet oxygen, and the resulting synthesis gas is converted into a combustion chamber for additional int nsifikatsii combustion.

Целесообразно воздействовать на воздух электрическим разрядом, объемная плотность энергии Es которого составляет не менее 0.2 Дж/см3, а величина приведенной напряженности электрического поля E/N лежит в пределах ~1-5·10-16 В·см2.It is advisable to act on the air with an electric discharge, the bulk energy density Es of which is at least 0.2 J / cm 3 , and the magnitude of the reduced electric field strength E / N is in the range of ~ 1-5 · 10 -16 V · cm 2 .

Кроме того, целесообразно, чтобы воздушную плазму смешивали с частью потока углеводородного топлива в предварительно заданной пропорции, обеспечивающей образование богатой топливовоздушной смеси.In addition, it is advisable that the air plasma is mixed with part of the flow of hydrocarbon fuel in a predetermined proportion, ensuring the formation of a rich air-fuel mixture.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком где представлена принципиальная схема воздушных и топливных потоков газотурбинного двигателя (ГТД) или газотурбинной установки (ГТУ).The invention is further illustrated by the description and the figure which shows a schematic diagram of the air and fuel flows of a gas turbine engine (GTE) or gas turbine installation (GTU).

Способ сжигания углеводородного топлива в газотурбинном двигателе или установке осуществляют следующим образом.The method of burning hydrocarbon fuel in a gas turbine engine or installation is as follows.

Поток углеводородного топлива и поток воздуха, сжатого до высокого давления в компрессоре 1, поступает в камеру сгорания 2, где воспламененная топливовоздушная смесь горит, а образующиеся при горении газы проходят через турбину 3, отдавая энергию, а затем через сопло 4 в атмосферу.The flow of hydrocarbon fuel and the stream of air compressed to high pressure in the compressor 1 enters the combustion chamber 2, where the ignited air-fuel mixture burns, and the gases formed during combustion pass through the turbine 3, giving off energy, and then through the nozzle 4 into the atmosphere.

Согласно изобретению часть воздуха, сжатого в компрессоре 1 и нагретого при сжатии в компрессоре до температуры, например, 850-950К, отводят за компрессором 1 от основного воздушного потока и подвергают воздействию электрическим разрядом с величинами объемной плотности энергии Es и напряженности электрического поля E/N, рассчитанными и заданными таким образом, что в разряде происходит преимущественно образование колебательно-возбужденных молекул кислорода в основном электронном состоянии (ν=1) и электронно-возбужденных молекул O2(a1Δg).According to the invention, a part of the air compressed in the compressor 1 and heated under compression in the compressor to a temperature, for example, 850-950K, is taken away from the main air stream behind the compressor 1 and subjected to electric discharge with the volume energy density Es and electric field strength E / N calculated and set in such a way that in the discharge mainly the formation of vibrationally excited oxygen molecules in the ground electronic state (ν = 1) and electronically excited O 2 molecules (a 1 Δ g ) occurs.

В изобретении предлагается использовать разряд, устойчиво работающий при Е/N~1·5·10-16 В·см2. В этом случае в разряде происходит преимущественно не диссоциация молекул O2 электронным ударом, а его возбуждение из основного в синглетное состояние O2(a1Δg) с затратами энергии 0.98 эв/молекулу O2 или в первое колебательное состояние (ν=1) с затратами энергии 0.19 эв/молекулу O2. Для образования воздушной плазмы с электронно- и колебательно-возбужденными молекулами кислорода объемная плотность энергии Es составляет не менее 0.2 Дж/см3, а величина приведенной напряженности электрического поля 1-5·10-16 В·см2.The invention proposes to use a discharge that stably operates at E / N ~ 1 · 5 · 10 -16 V · cm 2 . In this case, the discharge does not predominantly dissociate O 2 molecules by electron impact, but rather excites it from the ground state to the O 2 singlet state (a 1 Δ g ) with an energy consumption of 0.98 eV / O 2 molecule or to the first vibrational state (ν = 1) with an energy consumption of 0.19 eV / molecule of O 2 . For the formation of an air plasma with electronically and vibrationally excited oxygen molecules, the bulk energy density Es is at least 0.2 J / cm 3 and the reduced electric field strength is 1-5 · 10 -16 V · cm 2 .

При таком воздействии электрического разряда на воздух, отобранный от основного потока за компрессором 1, в газоразрядной ячейке 5 образуется нагретая примерно до 850-950К воздушная термически неравновесная плазма с колебательно- и электронно-возбужденными молекулами кислорода.With this effect of an electric discharge on the air taken from the main stream behind the compressor 1, an air thermally nonequilibrium air plasma with vibrational and electronically excited oxygen molecules is formed in the gas discharge cell 5, which is heated to approximately 850-950 K.

Полученную воздушную плазму смешивают с частью углеводородного топлива (например, метана), которая может быть отобрана от основного потока углеводородного топлива, подаваемого в камеру сгорания, и подвергают риформингу, интенсифицированному посредством возбужденных молекул кислорода, например, в плазмохимическом реакторе 6. Наиболее целесообразно осуществлять смешение углеводородного топлива с воздушной плазмой в условиях, которые рассчитаны и приспособлены к образованию богатой углеводородно-воздушной смеси с параметрами, обеспечивающими ее эффективный риформинг.The resulting air plasma is mixed with a portion of hydrocarbon fuel (eg methane), which can be taken from the main stream of hydrocarbon fuel supplied to the combustion chamber, and subjected to reforming intensified by excited oxygen molecules, for example, in a plasma chemical reactor 6. It is most advisable to mix hydrocarbon fuels with air plasma under conditions that are designed and adapted to form a rich hydrocarbon-air mixture with parameters, ensuring who embrace its effective reforming.

Так, например, для метановоздушной смеси параметры, необходимые для эффективного риформинга метана в синтез-газ, составят: эквивалентное соотношение топливо/окислитель ϕ=3-4, температура Т=800-900К, давление Р=-20 атм. Для образования богатой метановоздушной смеси отделяют примерно 20% от потока, поступающего в камеру сгорания, при этом температура образованной плазмы составляет порядка 800°С.So, for example, for a methane-air mixture, the parameters necessary for the efficient reforming of methane into synthesis gas will be: equivalent fuel / oxidizer ratio ϕ = 3-4, temperature T = 800-900K, pressure P = -20 atm. For the formation of a rich methane-air mixture, approximately 20% is separated from the flow entering the combustion chamber, while the temperature of the formed plasma is about 800 ° C.

В предлагаемом изобретении воздействие разряда приходится только на окислитель (воздух), поскольку, как показали исследования, в богатых топливных смесях (ϕ=3) такой способ воздействия при прочих равных условиях в 2-3 раза энергоэффективнее, чем при обработке разрядом гомогенной заранее перемешанной метановоздушной смеси.In the present invention, the effect of the discharge falls only on the oxidizing agent (air), since, as studies have shown, in rich fuel mixtures (ϕ = 3), this method of exposure, other things being equal, is 2-3 times more energy efficient than when treated with a homogeneous pre-mixed methane-air discharge mixtures.

Отобранная часть топлива составляет примерно 20% от топлива, поступающего в камеру сгорания, т.к. такая величина расхода топлива, с одной стороны, достаточна для наработки необходимого количества нагретого синтез-газа в плазмохимическом реакторе, чтобы последний оказал существенное влияние на химические процессы в камере сгорания, а с другой стороны, не требует высоких энергетических затрат при обработке воздуха электрическим разрядом из-за малого расхода воздуха, который связан с расходом топлива через соотношение ϕ=3-4 (воздуха требуется в 3-4 раза меньше, чем при стехиометрическом сжигании топлива).The selected part of the fuel is approximately 20% of the fuel entering the combustion chamber, as such a fuel consumption, on the one hand, is sufficient to produce the required amount of heated synthesis gas in a plasma chemical reactor, so that the latter has a significant impact on chemical processes in the combustion chamber, and on the other hand, does not require high energy costs when treating air with an electric discharge from - due to the low air consumption, which is associated with fuel consumption through the ratio ϕ = 3-4 (3-4 times less air is required than with stoichiometric fuel combustion)

Объемная плотность энергии Es в разрядной ячейке должна быть не ниже 0.2 Дж/см3, а приведенная напряженность электрического поля E/N~1-5·10-16 В·см2 с тем, чтобы обеспечить возможность осуществления конверсии метана в синтез-газ в реакторе умеренной длины не более 1 м.The bulk energy density Es in the discharge cell should not be lower than 0.2 J / cm 3 , and the reduced electric field strength E / N ~ 1-5 · 10 -16 V · cm 2 in order to enable the conversion of methane to synthesis gas in a reactor of moderate length not more than 1 m.

Такое значение E/N~1-5·10-16 B·см2 реализуется, например, в комбинированном несамостоятельном электрическом разряде, состоящем из высокочастотного импульсного разряда, объединенного с разрядом прямого тока (Ф.В.Плевако, С.А.Жданок, А.П.Чернухо, В.В.Наумов, A.M.Старик. Электроразрядный источник синглетного кислорода для интенсификации горения // Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения / Под ред. A.M.Старика. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2011. - 864 с., 433-448).Such a value of E / N ~ 1-5 · 10 -16 B · cm 2 is realized, for example, in a combined non-independent electric discharge, consisting of a high-frequency pulse discharge combined with a direct current discharge (F.V. Plevako, S.A. Zhdanok , A.P. Chernukho, V.V. Naumov, AM Starik. An electric-discharge source of singlet oxygen for intensification of combustion // Nonequilibrium physicochemical processes in gas flows and new principles of combustion organization / Edited by AM Starik. - M.: TORUS PRESS, 2011 .-- 864 p., 433-448).

Основной причиной высокой эффективности разряда с E/N ~1-5·10-16 В·см2 для реализации низкотемпературного риформинга углеводородов является то, что электроны в таком разряде преимущественно возбуждают молекулы О2 в колебательные и метастабильные синглетные состояния O2(a1Δg) и

Figure 00000001
, а скорости реакций инициирования и продолжения цепи с участием этих возбужденных молекул при Т=800-1000 К на несколько порядков величины превышают скорости соответствующих реакций с участием невозбужденных молекул О2, т.е. в этом случае происходит существенное ускорение цепного механизма, ответственного за воспламенение смеси и конверсию углеводородов в синтез-газ. При таких параметрах разряда и образовавшейся в плазмохимическом реакторе после смешения богатой метановоздушной смеси максимальные мольные доли содержания в воздушной плазме колебательно-возбужденных в основном электронном состоянии молекул кислорода и электронно-возбужденных молекул O2(a1Δg) и
Figure 00000001
находятся в пределах 1-5% от полного количества кислорода в смеси.The main reason for the high efficiency of the discharge with E / N ~ 1-5 · 10 -16 V · cm 2 for the implementation of low-temperature reforming of hydrocarbons is that the electrons in this discharge mainly excite O 2 molecules in vibrational and metastable singlet states of O 2 (a 1 Δ g ) and
Figure 00000001
, and the rates of reactions of initiation and continuation of the chain involving these excited molecules at T = 800-1000 K are several orders of magnitude higher than the rates of the corresponding reactions involving unexcited O 2 molecules, i.e. in this case, there is a significant acceleration of the chain mechanism responsible for the ignition of the mixture and the conversion of hydrocarbons into synthesis gas. With such parameters of the discharge and the rich methane – air mixture formed in the plasma-chemical reactor after mixing, the maximum molar fractions of the content in the air plasma of oxygen molecules and electronically excited O 2 molecules (a 1 Δ g ) and
Figure 00000001
are in the range of 1-5% of the total amount of oxygen in the mixture.

После смешения плазму со скоростью U подают в плазмохимический реактор 6. Величина скорости U, с одной стороны, ограничена сверху требованием возможно полного превращения метановоздушной плазмы в синтез-газ в плазмохимическом реакторе 6, для чего необходимо успеть воспламенить смесь и, таким образом, достичь высоких температур, при которых эффективность риформинга близка к 100%.After mixing, the plasma at a speed of U is fed into the plasma chemical reactor 6. The velocity U, on the one hand, is limited from above by the requirement that the methane-air plasma can be completely converted to synthesis gas in the plasma chemical reactor 6, for which it is necessary to have time to ignite the mixture and, thus, achieve high temperatures at which reforming efficiency is close to 100%.

С другой стороны, величина скорости U ограничена снизу, из-за того, что необходимо обеспечить достаточный скоростной напор, чтобы "продавить" образовавшийся синтез-газ в камеру сгорания 2, в которой реализуется достаточно высокое давление. Возможное значение скорости U при заданных выше параметрах смеси, ячейки 5, и длины реактора 6 равно ~10-20 м/с.On the other hand, the velocity U is limited from below, due to the fact that it is necessary to provide a sufficient velocity head to "push" the resulting synthesis gas into the combustion chamber 2, in which a sufficiently high pressure is realized. The possible value of the velocity U for the above parameters of the mixture, cell 5, and the length of the reactor 6 is ~ 10-20 m / s.

Образующийся при риформинге синтез-газ с температурой Т=1800-2000К из плазмохимического реактора 6 поступает в камеру сгорания 2, где смешивается с основной частью топливовоздушной смеси.The synthesis gas generated during reforming with a temperature T = 1800-2000K from the plasma-chemical reactor 6 enters the combustion chamber 2, where it is mixed with the main part of the air-fuel mixture.

Наличие указанного выше количества нагретого до температуры Т=1800-2000К синтез-газа в камере сгорания изменяет реакционные механизмы горения смеси и образования оксидов азота NO и NO2, что позволяет: (1) сократить длину камеры сгорания L и (2) существенно снизить образование NOx, CO, сажи, а также несгоревших углеводородов CnHm в выхлопе при том же значении ϕ или дополнительно обеднить топливовоздушную смесь приблизительно до ϕ=0.25-0.2 при сохранении ее устойчивого горения, что также приведет к снижению.The presence of the above amount of synthesis gas heated to a temperature of T = 1800-2000 K in the combustion chamber changes the reaction mechanisms of the mixture combustion and the formation of nitrogen oxides NO and NO 2 , which allows: (1) to reduce the length of the combustion chamber L and (2) to significantly reduce the formation NO x , CO, soot, and unburned hydrocarbons C n H m in the exhaust at the same ϕ value or additionally deplete the air-fuel mixture to approximately ϕ = 0.25-0.2 while maintaining its stable combustion, which will also lead to a decrease.

Таким образом, поскольку сжигание синтез-газа термодинамически эффективней сжигания исходного углеводородного топлива (метана), а скорость горения синтез-газа даже с умеренным содержанием водорода (20%) заметно выше, чем для метана в воздухе при одинаковых условиях и составе топливовоздушной смеси, то даже частичная замена исходного углеводородного топлива на синтез-газ способствует снижению эмиссии экологически опасных компонентов и сокращению длины камеры сгорания при сохранении полноты сгорания и обеспечении той же температуры на выходе из камеры и работоспособности продуктов сгорания (т.е. в турбине не будет отниматься энергия от потока рабочего тела).Thus, since the combustion of synthesis gas is thermodynamically more efficient than the combustion of the original hydrocarbon fuel (methane), and the rate of combustion of the synthesis gas even with a moderate hydrogen content (20%) is noticeably higher than for methane in air under the same conditions and composition of the air-fuel mixture, even a partial replacement of the original hydrocarbon fuel with synthesis gas helps to reduce the emission of environmentally hazardous components and to reduce the length of the combustion chamber while maintaining the completeness of combustion and ensuring the same temperature at leaving the chamber and the operability of the combustion products (i.e., energy from the flow of the working fluid will not be taken away in the turbine).

Однако для достижения этих целей необходимо проводить конверсию топлива в плазмохимическом реакторе 6 таким образом, чтобы количество Н2 в синтез-газе значительно (в 3 и более раз) превышало количество СО. Такое соотношение между СО и Н2 в синтез-газе достигается при частичном окислении достаточно богатых углеводородно-кислородных смесей. Отсюда вытекает упомянутое выше требование к начальному составу смеси в плазмохимическом реакторе (ϕ=3-4).However, to achieve these goals, it is necessary to carry out the conversion of fuel in a plasma-chemical reactor 6 so that the amount of H 2 in the synthesis gas significantly (3 or more times) exceeds the amount of CO. This ratio between CO and H 2 in the synthesis gas is achieved by partial oxidation of sufficiently rich hydrocarbon-oxygen mixtures. This implies the above-mentioned requirement for the initial composition of the mixture in the plasma-chemical reactor (ϕ = 3-4).

Таким образом, изобретение по сравнению с прототипом позволяет уменьшить потребление энергии электрическим разрядом, дополнительно интенсифицировать горение, уменьшить длину камеры сгорания и повысить эффективность работы ГТД или ГТУ при одновременном снижении эмиссии вредных веществ в атмосферу.Thus, the invention compared with the prototype allows to reduce energy consumption by electric discharge, to further intensify combustion, reduce the length of the combustion chamber and increase the efficiency of gas turbine engines or gas turbines while reducing emissions of harmful substances into the atmosphere.

Изобретение может быть также использовано в двигателях для турбовозов (локомотивы с ГТУ) и в области судостроения.The invention can also be used in engines for turbo locomotives (locomotives with gas turbine engines) and in the field of shipbuilding.

Изобретение может использовано также в ГТУ в нефтедобывающей и газовой промышленности при утилизации, например, сопутствующих газов при разработке месторождений природного газа для получения электроэнергии или работы компрессорных станций по перекачке магистрального газа.The invention can also be used in gas turbines in the oil and gas industry for the disposal, for example, of associated gases in the development of natural gas fields to generate electricity or the operation of compressor stations for pumping main gas.

Claims (5)

1. Способ сжигания углеводородного топлива в газотурбинных двигателе или установке, содержащих камеру сгорания, на вход которой поступают поток углеводородного топлива и поток воздуха, сжатого в компрессоре до высокого давления, топливовоздушную смесь воспламеняют, а полученные при горении смеси газы направляют через турбину и сопло в атмосферу, отличающийся тем, что воздействуют, по меньшей мере, на часть потока сжатого воздуха за компрессором электрическим разрядом, организованным таким образом, чтобы обеспечить заданные значения объемной плотности энергии и приведенной напряженности электрического поля, так, что под его воздействием воздух образует низкотемпературную неравновесную плазму, содержащую колебательно- и электронно-возбужденные молекулы кислорода в основном и в синглетном состояниях, а часть потока углеводородного топлива смешивают с полученной низкотемпературной неравновесной воздушной плазмой и подвергают риформингу, интенсифицируемому молекулами возбужденного кислорода, а образующийся при риформинге синтез-газ направляют в камеру сгорания для дополнительной интенсификации горения.1. A method of burning hydrocarbon fuel in a gas turbine engine or installation containing a combustion chamber, the input of which receives a stream of hydrocarbon fuel and a stream of air compressed in the compressor to high pressure, ignite the air-fuel mixture, and the gases obtained during combustion of the mixture are directed through the turbine and nozzle to atmosphere, characterized in that at least part of the flow of compressed air behind the compressor is electrically discharged in such a way as to provide specified values for energy density and reduced electric field strength, so that under its influence the air forms a low-temperature nonequilibrium plasma containing vibrationally and electronically excited oxygen molecules in the ground and singlet states, and part of the hydrocarbon fuel stream is mixed with the obtained low-temperature nonequilibrium air plasma and subjected to reforming, intensified by molecules of excited oxygen, and the resulting synthesis gas is converted into a combustion chamber to I am an additional intensification of combustion. 2. Способ по п.1 отличающийся тем, что воздействуют электрическим разрядом, объемная плотность которого Es не менее 0.2 Дж/см3, а величина приведенной напряженности электрического поля E/N~1-5·10-16 В·см2.2. The method according to claim 1, characterized in that it is affected by an electric discharge, the bulk density of which Es is not less than 0.2 J / cm 3 , and the magnitude of the reduced electric field strength E / N ~ 1-5 · 10 -16 V · cm 2 . 3. Способ по п.1 отличающийся тем, что воздушную низкотемпературную неравновесную плазму смешивают с частью потока углеводородного преимущественно метанового топлива в предварительно заданной пропорции, обеспечивающей образование богатой топливновоздушной смеси.3. The method according to claim 1, characterized in that the air low-temperature non-equilibrium plasma is mixed with a part of the flow of hydrocarbon predominantly methane fuel in a predetermined proportion, ensuring the formation of a rich air-fuel mixture. 4. Способ по п.1 отличающийся тем, что при риформинге скорость подачи воздушной плазмы выбирают ограниченной условиями полного превращения метановоздушной смеси в синтез-газ при заданных температуре, давлении и составе смеси.4. The method according to claim 1, characterized in that during reforming, the air plasma feed rate is selected limited by the conditions for the complete conversion of the methane-air mixture into synthesis gas at a given temperature, pressure and composition of the mixture. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что воздушную плазму смешивают примерно с 20% потока углеводородного преимущественно метанового топлива с образованием богатой метановоздушной смеси с эквивалентным соотношением топливо/окислитель ϕ=3-4 при температуре Т=800-900К и давлении Р=1-20 атм. 5. The method according to claim 3, characterized in that the air plasma is mixed with approximately 20% of the flow of hydrocarbon predominantly methane fuel with the formation of a rich methane-air mixture with an equivalent fuel / oxidizer ratio ϕ = 3-4 at a temperature T = 800-900K and pressure P = 1-20 atm.
RU2012150516/06A 2012-11-27 2012-11-27 Combustion method of hydrocarbon fuel in gas turbine engine or plant RU2511893C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012150516/06A RU2511893C1 (en) 2012-11-27 2012-11-27 Combustion method of hydrocarbon fuel in gas turbine engine or plant

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012150516/06A RU2511893C1 (en) 2012-11-27 2012-11-27 Combustion method of hydrocarbon fuel in gas turbine engine or plant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2511893C1 true RU2511893C1 (en) 2014-04-10

Family

ID=50438240

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012150516/06A RU2511893C1 (en) 2012-11-27 2012-11-27 Combustion method of hydrocarbon fuel in gas turbine engine or plant

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2511893C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3927520A (en) * 1974-02-04 1975-12-23 Gen Motors Corp Combustion apparatus with combustion and dilution air modulating means
RU2156878C2 (en) * 1997-03-25 2000-09-27 Рынин Александр Николаевич Method of and system for activation of fuel for internal combustion engine
RU2176122C1 (en) * 2000-12-21 2001-11-20 Лебедев Александр Сергеевич Streamer spark plug
RU2333381C2 (en) * 2005-11-03 2008-09-10 Нек Лаб Холдинг Инк. Method of initation ignition, intensifying combustion or reforming of fuel-air and fuel-oxygen mixes
RU2400644C1 (en) * 2009-06-09 2010-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Low-thrust rocket engine running on non-self-igniting gaseous oxidiser and liquid fuel, and method of its starting

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3927520A (en) * 1974-02-04 1975-12-23 Gen Motors Corp Combustion apparatus with combustion and dilution air modulating means
RU2156878C2 (en) * 1997-03-25 2000-09-27 Рынин Александр Николаевич Method of and system for activation of fuel for internal combustion engine
RU2176122C1 (en) * 2000-12-21 2001-11-20 Лебедев Александр Сергеевич Streamer spark plug
RU2333381C2 (en) * 2005-11-03 2008-09-10 Нек Лаб Холдинг Инк. Method of initation ignition, intensifying combustion or reforming of fuel-air and fuel-oxygen mixes
RU2400644C1 (en) * 2009-06-09 2010-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Low-thrust rocket engine running on non-self-igniting gaseous oxidiser and liquid fuel, and method of its starting

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5207185A (en) Emissions reduction system for internal combustion engines
RU2502883C2 (en) Method of processing nox components and electric power generation system
RU2535308C2 (en) Method of operation for gas piston engine with spark ignition
US4004413A (en) Combustible mixture supply system
JP5008062B2 (en) Combustor with staged fuel premixer
JP2016191507A (en) Combustion device, gas turbine and power generation device
JP2011074917A (en) System and method using low emission gas turbine cycle with partial air separation
CN1568286A (en) Combustor, fuel reforming device, fuel cell system and method for starting up the fuel reforming system
US20070130956A1 (en) Rich catalytic clean burn for liquid fuel with fuel stabilization unit
KR0148195B1 (en) Apparatus and method for decreasing nitrogen oxide emissions from internal combustion power sources
US7188587B1 (en) Methods for operating a compression ignition engine
Matveev et al. Plasma fuel nozzle as a prospective way to plasma-assisted combustion
Zhou et al. Toward highly-efficient combustion of ammonia–hydrogen engine: Prechamber turbulent jet ignition
Paulauskas et al. Biogas combustion with various oxidizers in a nanosecond DBD microplasma burner
US7832213B2 (en) Operating method for a turbogroup
RU2511893C1 (en) Combustion method of hydrocarbon fuel in gas turbine engine or plant
JP7278544B2 (en) Fuel reformer and fuel reforming method
RU2670633C2 (en) Method for operating a diesel engine
JP2002115812A (en) Combustion method and apparatus for water-fossile fuel mixed emulsion
CN102943710A (en) Reduction of CO and O2 emissions in oxyfuel hydrocarbon combustion systems using OH radical formation with hydrogen fuel staging and diluent addition
CN105715336A (en) Exhaust gas pose-processing system and method for internal combustion engine
US20110290222A1 (en) Apparatus for reforming air in an internal combustion engine
RU127409U1 (en) GAS-TURBINE ENGINE OR GAS-TURBINE POWER INSTALLATION
WO2014100887A1 (en) Method for producing fuel and heat energy therefrom
RU2794914C1 (en) Method of obtaining thermal energy

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20210804