UA113627U

UA113627U - METHOD OF FORMATION AND STABLE COMBUSTION OF SYNTHESIS GAS IN BOILER UNITS

Info

Publication number: UA113627U
Application number: UAU201607379U
Authority: UA
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2017-02-10

Abstract

Спосіб утворення та стабільного горіння синтез-газу в котельних агрегатах полягає в подачі насиченої водяної пари з необхідними параметрами температури та тиску за допомогою форсунки з рівномірним круговим розпилюванням в відновлювальну зону горіння палива, наприклад газового, вздовж факела в конкретних співвідношеннях підготовленої води до обсягів природного газу. Разом з частками вуглецево-водневого палива та продуктами його горіння утворений водень і окис вуглецю переміщуються в окислювальну зону полум'я, де інтенсифікується процес горіння палива та синтез-газу з додатковим виділенням теплової енергії. Насичена водяна пара необхідних параметрів виробляється або безпосередньо котельним агрегатом, або додатковими енергетичними пристроями. Сумарну кількість виробленої котельним агрегатом теплової енергії регулюють, змінюючи співвідношення, параметри та кількість подачі в зону горіння палива насиченої водяної пари. Збереження сталого теплового балансу котла забезпечується зменшенням спалювання вуглецево-водневого палива за рахунок додаткової теплової енергії при спалюванні синтез-газу.The method of formation and stable combustion of synthesis gas in boiler units consists of supplying saturated steam with the necessary parameters of temperature and pressure by means of a nozzle with a uniform circular spraying into the recovery zone of combustion of fuel, such as gas, along the torch in specific ratios of prepared water. . Together with the particles of carbon-hydrogen fuel and the products of its combustion, the formed hydrogen and carbon monoxide are moved to the oxidation zone of the flame, where the process of combustion of the fuel and synthesis gas with additional heat energy is intensified. Saturated water vapor of the required parameters is produced either directly by the boiler unit or by additional power devices. The total amount of thermal energy produced by the boiler unit is controlled by changing the ratio, parameters and amount of saturation of water vapor fuel into the combustion zone. Maintaining a steady heat balance of the boiler is ensured by the reduction of carbon-hydrogen fuel combustion due to the additional thermal energy during the synthesis gas combustion.

Description

Спосіб належить до галузі теплоенергетики і може бути використаний з метою економії природного або скрапленого газу, рідкого вуглецево-водневого палива, наприклад мазуту, та їхньої часткової заміни на синтез-газ, який утворюється при роботі котельних агрегатів і вироблені теплової енергії.The method belongs to the field of thermal power engineering and can be used for the purpose of saving natural or liquefied gas, liquid carbon-hydrogen fuel, such as fuel oil, and their partial replacement with synthesis gas, which is formed during the operation of boiler units and produced thermal energy.

Відомий спосіб безсажного спалювання палива (патент РФ Мо2219435), який використовує спільне неповне згорання рідкого вуглецево-водневого палива та перегріту водяну пару.There is a known method of soot-free fuel combustion (patent RF Mo2219435), which uses joint incomplete combustion of liquid carbon-hydrogen fuel and superheated water vapor.

Проходить парова газифікація цих продуктів і генерується синтез-газ: суміш газів вуглецево- водневого ряду, окису вуглецю та водню. Отриманий синтез-газ разом з парами рідкого палива і сажними частинками вилітає з камери газогенерації і згорає в атмосфері або в топці котла.Steam gasification of these products takes place and synthesis gas is generated: a mixture of carbon-hydrogen gases, carbon monoxide and hydrogen. The obtained synthesis gas together with vapors of liquid fuel and soot particles fly out of the gas generation chamber and burn in the atmosphere or in the furnace of the boiler.

Відомо, що розпечені сажні частинки облегшують розрив молекул води на кисень та водень.It is known that red-hot soot particles facilitate the splitting of water molecules into oxygen and hydrogen.

Крім цього відомо, що водяна пара є прискорювачем реакції горіння окису вуглецю. Всі ці ефекти, які прискорюють процес окислення, спільно з механічною турбулентністю газового потоку, який створюється високошвидкісним струменем перегрітої водяної пари, приводять до більш якісного згорання палива в об'ємі факела. Вигорання горючої речовини збільшується і, як наслідок, шкідливі викиди зменшуються.In addition, it is known that water vapor is an accelerator of the combustion reaction of carbon monoxide. All these effects, which accelerate the oxidation process, together with the mechanical turbulence of the gas flow, which is created by a high-speed jet of superheated water vapor, lead to better combustion of fuel in the flame volume. Combustion of fuel increases and, as a result, harmful emissions decrease.

Відмінностями вказаного способу є те, що спосіб передбачає встановлення в зоні горіння котельного агрегату додаткового пристрою, тобто синтез-газ утворюється в камері газогенерації. Спосіб передбачає як паливо рідке вуглецево-водневе паливо, а перегріта водяна пара підводиться від стороннього джерела пароутворення.The differences of this method are that the method provides for the installation of an additional device in the combustion zone of the boiler unit, i.e. synthesis gas is formed in the gas generation chamber. The method provides for liquid carbon-hydrogen fuel as fuel, and superheated water vapor is supplied from an external source of vaporization.

Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого способу (прототипом) є відомий спосіб роботи котельного або енергетичного агрегату Благути (ШЦА89845))), який включає подачу в топку котла сировини для виробництва теплової енергії у вигляді традиційного палива, наприклад природного газу, та повітря і альтернативної сировини у вигляді води, пари або інших продуктів згоряння горючих і окислювальних речовин. При роботі котла за допомогою згоряння традиційного палива в топці котла нагрівають продукти згорання. Потім після досягнення визначеного тиску продукти згорання подають за допомогою генератора тепла або параплазмового пальника Благути в зону горіння традиційного палива та повітря у вигляді факела таким чином, що струмені продуктів згоряння розподілені по довжині факела та спрямовані перпендикулярно або під кутом, або проти факела, або перпендикулярно та підThe closest in terms of technical essence to the proposed method (prototype) is the well-known method of operation of the Blaguta boiler or power unit (ШЦА89845))), which includes the supply of raw materials for the production of thermal energy in the form of traditional fuel, such as natural gas, and air and alternative raw materials in the form of water, steam or other combustion products of combustible and oxidizing substances. During the operation of the boiler, combustion products are heated in the furnace of the boiler with the help of combustion of traditional fuel. Then, after reaching the specified pressure, the combustion products are supplied with the help of a heat generator or a Blaguta paraplasma burner to the combustion zone of traditional fuel and air in the form of a torch in such a way that the jets of combustion products are distributed along the length of the torch and are directed perpendicularly or at an angle, or against the torch, or perpendicularly and under

Зо кутом до факела, або перпендикулярно, під кутом та проти факела, або під кутом та проти факела, або перпендикулярно та проти факела.At an angle to the torch, or perpendicular, at an angle and against the torch, or at an angle and against the torch, or perpendicular and against the torch.

Відмінностями відомого способу роботи котельного або енергетичного агрегату є те, що, по- перше, альтернативна сировина у вигляді води, пари або інших продуктів згоряння горючих і окислювальних речовин подається в зону горіння факела традиційного палива, не враховуючи температурного та фізичного градієнта самого факела традиційного палива, що знижує ефективність способу внаслідок їх (видів альтернативної сировини) лише часткового задіяння в технологічному процесі, який передбачає спосіб і, як наслідок, значного підвищення кількості конденсату вологи у внутрішньокотельному просторі; по-друге, спосіб передбачає подачу в зону горіння традиційного палива, в тому числі і води, що знижує загальний енергетичний баланс на частину теплової енергії, що витрачається на пароутворення; по-третє, спосіб передбачає встановлення в зоні горіння котельного агрегату додаткового обладнання у вигляді генератора тепла або параплазмового пальника; по-четверте, при реалізації способу відбуваються певні фізико-хімічні процеси без явного горіння (тобто без наявності максимального ефекту) продуктів розпаду альтернативної сировини у вигляді пари або інших продуктів згоряння горючих і окислювальних речовин, що подаються в зону спалювання традиційного палива.The differences in the known method of operation of a boiler or power unit are that, firstly, alternative raw materials in the form of water, steam or other products of combustion of combustible and oxidizing substances are fed into the burning zone of a traditional fuel torch, without taking into account the temperature and physical gradient of the traditional fuel torch itself , which reduces the efficiency of the method due to their (types of alternative raw materials) only partial involvement in the technological process, which involves the method and, as a result, a significant increase in the amount of moisture condensate in the internal boiler space; secondly, the method involves supplying traditional fuel, including water, to the combustion zone, which reduces the overall energy balance by part of the thermal energy spent on vaporization; thirdly, the method involves installing additional equipment in the form of a heat generator or paraplasma burner in the combustion zone of the boiler unit; fourthly, during the implementation of the method, certain physical and chemical processes occur without obvious combustion (that is, without the presence of the maximum effect) of the decomposition products of alternative raw materials in the form of steam or other combustion products of combustible and oxidizing substances that are fed into the combustion zone of traditional fuel.

Запропонована корисна модель під час роботи котельного обладнання вирішує задачу економії традиційного вуглецево-водневого палива, наприклад природного газу, шляхом його часткового заміщення на синтез-газ з додатковим виробленням теплової енергії при його спалюванні, а також відсутності або мінімізації кількості додаткових пристроїв чи обладнання в існуючих типах промислових котельних агрегатів при реалізації даного способу.The proposed useful model during the operation of boiler equipment solves the problem of saving traditional carbon-hydrogen fuel, such as natural gas, by partially replacing it with synthetic gas with additional production of thermal energy during its combustion, as well as the absence or minimization of the number of additional devices or equipment in existing types of industrial boiler units when implementing this method.

Для вирішення зазначених завдань у способі при роботі котельного агрегату насичена водяна пара з тиском від 0,01 МПа до 0,1 Мпа і з температурою більше 125 град. С подається за допомогою форсунки в відновлювальну зону полум'я горіння традиційного вуглецево- водневого палива, наприклад природного газу, вздовж факела у співвідношенні від 0,1 л до 1,0 л підготовленої води на 1,0 куб. м природного газу. Температура факела традиційного палива, наприклад газового факела, нерівномірно розподілена по довжині. Зона подачі та розпилу насиченої водяної пари чітко визначена і знаходиться в зоні відновлювального полум'я газового факела. Природний газ разом з повітрям подається в зону спалювання котельного агрегату за допомогою кругових дифузійних газо-мазутних пальників.To solve the specified tasks in the method during operation of the boiler unit, saturated water vapor with a pressure of 0.01 MPa to 0.1 MPa and a temperature of more than 125 degrees. C is supplied by means of a nozzle to the regeneration zone of the flame of traditional hydrocarbon-hydrogen fuel combustion, for example, natural gas, along the torch in the ratio of 0.1 l to 1.0 l of prepared water per 1.0 cu. m of natural gas. The flame temperature of a traditional fuel, such as a gas flame, is unevenly distributed along its length. The supply and spray zone of saturated water vapor is clearly defined and is located in the zone of the regeneration flame of the gas torch. Natural gas, together with air, is supplied to the combustion zone of the boiler unit using circular diffusion gas-oil burners.

Основним горючим компонентом природного газу є метан СНа. Повне згоряння природного газу виглядає так:The main combustible component of natural gas is CHa methane. The complete combustion of natural gas looks like this:

СНа20»5 - СО2--2Н2О. (1)СНа20»5 - СО2--2Н2О. (1)

Якщо при згоранні природного газу створити умови, коли його згорання буде неповним, то при цьому виділяються горючі речовини - окис вуглецю, вуглець (сажа), водень: СО, С, Н. При реалізації способу виникнення СО є лише тимчасовим, а не кінцевим продуктом, і він згорає, повністю окислюючись до СО».If, during the combustion of natural gas, conditions are created when its combustion will be incomplete, then combustible substances are released - carbon monoxide, carbon (soot), hydrogen: СО, С, Н. When implementing the method of formation of CO, it is only a temporary, not a final product , and it burns, completely oxidizing to CO."

Даний спосіб відрізняється тим, що водяна пара подається по центру пальника в зону горіння природного газу в область відновлювального полум'я. Починаючи з внутрішнього периметру газового факела кругового газового пальника (зона його перетину з паровим "факелом"), утворюються локальні умови зменшення температури та кількості кисню при згоранні СН», тобто, умови неповного згорання природного газу, При цьому вуглекислий газ СО» проходить декілька етапів утворення. Перший етап, вуглець взаємодіє з водою, утворюючи окис вуглецю і водень (синтез-газ).This method differs in that water vapor is supplied through the center of the burner to the natural gas combustion zone in the area of the regenerative flame. Starting from the inner perimeter of the gas torch of the circular gas burner (the zone of its intersection with the steam "torch"), local conditions of a decrease in temperature and the amount of oxygen are formed during the combustion of CH", i.e., conditions of incomplete combustion of natural gas. At the same time, carbon dioxide CO" passes through several stages formation. The first stage, carbon interacts with water, forming carbon monoxide and hydrogen (synthesis gas).

Сі Но - СО я Н». (2)Si No - SO i N". (2)

Водень і окис вуглецю у відновлювальній зоні полум'я не взаємодіють між собою так, як обидва гази є відновлювальними, тобто їм для окислення потрібен кисень.Hydrogen and carbon monoxide in the reducing zone of the flame do not interact with each other as both gases are reducing, that is, they need oxygen for oxidation.

Далі продукти реакції (2) разом з частками та продуктами реакції традиційного вуглецево- водневого палива (1) переміщуються в окислювальну зону полум'я і процес горіння синтез-газу (синтез-газу) описується наступними реакціями (горінням отриманих складових реакції 2): окис вуглецю окислюється з виділенням теплової енергії до вуглекислого газуNext, reaction products (2) together with particles and reaction products of traditional hydrocarbon-hydrogen fuel (1) move into the oxidation zone of the flame, and the synthesis gas combustion process (synthesis gas) is described by the following reactions (combustion of the obtained components of reaction 2): oxide carbon is oxidized with the release of heat energy to carbon dioxide

СО я 1/2 О5 -- СО», (3) окислення (згорання) водню з виділенням додаткового теплаСО i 1/2 О5 -- СО", (3) oxidation (combustion) of hydrogen with release of additional heat

Нан1/205- НО. (4)Nan1/205- NO. (4)

При проходженні екзотермічних реакцій (1), (3), (4) при реалізації способу складаються достатні умови для локального утворення та згорання синтез-газу з виділенням додаткової теплової енергії. За межами зони парогазового факела фізико-хімічні процеси відрізняються і стан локального неповного згорання природного газу СНа відсутній або проходить менш інтенсивно.During exothermic reactions (1), (3), (4) during the implementation of the method, sufficient conditions are created for the local formation and combustion of synthesis gas with the release of additional thermal energy. Outside the zone of the steam-gas flare, the physical and chemical processes differ and the state of local incomplete combustion of natural gas СНа is absent or takes place less intensively.

Зо Водень і кисень, які утворюються при розкладанні молекул води, зберігають певний інертний стан, не створюючи умов для гримучого газу, внаслідок їх знаходження при високій температурі та в середовищі вуглекислого газу та азоту, які є в зоні горіння традиційного вуглецево- водневого палива, наприклад природного газу, але не підтримують горіння. Подача високоактивованої насиченої водяної пари відповідних параметрів за допомогою форсунки із рівномірним круговим розпилюванням в відновлювальну зону полум'я вздовж факела горіння природного газу або іншого традиційного вуглецево-водневого палива створює умови для утворення окису вуглецю СО та водню Не та їх подальшого згорання.З Hydrogen and oxygen, which are formed during the decomposition of water molecules, maintain a certain inert state, not creating conditions for rattling gas, due to their presence at a high temperature and in the environment of carbon dioxide and nitrogen, which are in the combustion zone of traditional hydrocarbon-hydrogen fuel, for example natural gas, but do not support combustion. The supply of highly activated saturated water vapor of appropriate parameters using a nozzle with uniform circular spraying into the regeneration zone of the flame along the burning torch of natural gas or other traditional carbon-hydrogen fuel creates conditions for the formation of carbon monoxide CO and hydrogen He and their subsequent combustion.

Таким чином, запропонована сукупність ознак способу створює умови, достатні для утворення та горіння синтез-газу з виділенням додаткової теплової енергії. Насичена водяна пара необхідних параметрів виробляється або безпосередньо котельним агрегатом, або додатковими енергетичними пристроями.Thus, the proposed set of features of the method creates conditions sufficient for the formation and combustion of synthesis gas with the release of additional thermal energy. Saturated steam of the required parameters is produced either directly by the boiler unit or by additional energy devices.

Сумарну кількість виробленої котельним агрегатом теплової енергії регулюють, змінюючи співвідношення, параметри та кількість подачі в зону горіння традиційного вуглецево-водневого палива та водяної пари. Збереження сталого теплового балансу котла забезпечується зменшенням спалювання традиційного вуглецево-водневого палива за рахунок додаткової теплової енергії при спалюванні синтез-газу.The total amount of thermal energy produced by the boiler unit is regulated by changing the ratio, parameters and amount of traditional carbon-hydrogen fuel and water vapor supplied to the combustion zone. Preservation of a stable thermal balance of the boiler is ensured by reducing the burning of traditional carbon-hydrogen fuel due to additional heat energy when burning synthetic gas.

Заявлений спосіб дозволяє в котельних агрегатах частково замістити природний або скраплений газ, рідке вуглецево-водневе паливо синтез-газом, який при умовах заявлених в способі дозволяє отримати та виробити додаткову кількість теплової енергії, а також зменшити концентрацію викидів забруднюючих речовин, яка утворюється при спалюванні традиційного газоподібного або рідкого палива.The proposed method allows partial replacement of natural or liquefied gas, liquid carbon-hydrogen fuel with synthesis gas in boiler units, which, under the conditions specified in the method, allows obtaining and producing an additional amount of thermal energy, as well as reducing the concentration of emissions of pollutants, which is formed when burning traditional gaseous or liquid fuel.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

The method of formation and stable combustion of synthesis gas in boiler units, which consists in supplying saturated water vapor with the necessary parameters of temperature and pressure using a nozzle with uniform circular spraying into the regeneration zone of fuel combustion, for example gas, along the torch in specific ratios of prepared water to volumes natural gas, which is distinguished by the fact that, together with particles of carbon-hydrogen fuel and the products of its combustion, the hydrogen and carbon monoxide formed are moved to the oxidation zone of the flame, where the process of fuel and synthesis gas combustion intensifies with the additional release of thermal energy, while saturated water vapor of the required parameters is produced either directly by the boiler unit or by additional energy devices, and the total amount of thermal energy produced by the boiler unit is regulated by changing the ratio, parameters and amount of supply of saturated water vapor to the fuel combustion zone,

moreover, the preservation of a stable thermal balance of the boiler is ensured by reducing the burning of carbon-hydrogen fuel due to additional thermal energy during the combustion of synthetic gas.