СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА НА БЕСПЛАМЕННОЙ ГОРЕЛКЕ
Беспламенная горелка
Традиционно применяемые факельные и другие типы горелок имеют ограничения и недостатки по их применению.
— Ограничения по температуре поступающего на них воздуха, что в ряде случаев не позволяет в полной мере утилизировать теплоту отходящих дымовых газов.
— Не обеспечивают полного сжигания топлива, в результате чего несгоревшие углеводороды выбрасываются в атмосферу вместе с отходящим дымовым газом.
— Высокая температура в факеле горелки до 1800 — 2100ºС (в зависимости от вида сжигаемого топлива) создает условия образования вредных веществ СО и NOх, сбрасываемых в окружающую среду с отходящими дымовыми газами.
— При использовании продуктов сгорания после факельных горелок в качестве теплоносителя, понижение их температуры осуществляют путем подачи избыточного воздуха на горение. Чем выше коэффициент избытка воздуха, тем больше количество сбрасываемого в окружающую среду горячего дымового газа, что приводит к увеличению потребления топлива, тепловых потерь и снижению КПД установки.
Основные потери теплоты связаны с большим избытком воздуха, подаваемого на горелку, высокой температурой отходящих дымовых газов и недоокислением (недожигом) части подаваемого топлива. Повышение эффективности сжигания топлива, прежде всего, связано с решением этих проблем.
При сжигании топлива на каталитических горелках традиционно перед подачей газовоздушной смеси на катализатор, воздух и топливо смешивают в смесителях. При этом образуется взрывоопасная смесь, которая может воспламениться до поступления в слой катализатора.
На основе применения созданных ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ» принципиально новых конструкций теплообменных аппаратов и беспламенных горелок разработан и успешно проверен в промышленности способ эффективного сжигания топлива с глубокой рекуперацией теплоты отходящих дымовых газов и стабильным поддержанием заданной адиабатической температуры горения топлива. Поддержание заданной адиабатической температуры горения топлива обеспечивается дозировкой в воздух, подаваемый на горелку части отходящего дымового газа. Таким образом, стабильно обеспечивается требуемая температура продуктов сгорания перед приемником тепловой энергии.
За счет утилизации тепла отходящих дымовых газов, а также за счет исключения подачи в горелку избыточного воздуха, приводящего к увеличению потерь теплоты с отходящим дымовым газом, обеспечивается сокращение потребления топлива на 5-20%, в зависимости от температуры дымового газа после теплоиспользования. Сжигание топлива при адиабатической температуре горения не выше 1200°С практически исключает в отходящих дымовых газах вредных веществ CO и NOх. Одновременно сокращается количественный выброс отходящих дымовых газов.
В перспективе создаются условия для возможности конденсации воды из отходящих газов, с ее выделением для полезного использования, а также для эффективной утилизации низко потенциального тепла конденсации воды.
Схема беспламенной горелки конструкции «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ»® представлена на рисунке 1.
В верхней части горелки концентрично установлены две перфорированные обечайки, кольцеобразное пространство между которыми заполнено зернистым материалом (катализатором). В зернистом слое установлены спиралеобразные перегородки, обеспечивающие равномерное распределение окислителя и топлива по спиралеобразным каналам от периферии к центру. В начале каждого спиралеобразного канала размещены перфорированные трубки, через которые в зернистый слой подается топливо. Смешение топлива с окислителем и его окисление осуществляется в зернистом слое.
Схема беспламенной горелки конструкции ФАСТ ИНЖИНИРИНГ
В отличие от традиционно применяемых каталитических горелок, в которых воздух и топливо перед подачей газовоздушной смеси на катализатор смешивают в смесителях, в горелке новой конструкции смешение топлива и окислителя осуществляется в зернистом слое катализатора. Такое техническое решение обеспечивает полную безопасность при эксплуатации и исключает возможность образования взрывоопасной газовоздушной смеси.
Конструкция беспламенной горелки предусматривает предварительный разогрев зернистого материала (катализатора) факельной горелкой. Для этой цели в нижней части горелки размещена факельная горелка с запальным устройством для розжига. Продукты сгорания при розжиге факельной горелки проходят через зернистый слой, нагревая его до требуемой температуры.
После разогрева зернистого материала отключается подача топлива на факельную горелку и открывается подача топлива на каталитическую горелку. Окислитель поступает через нижний патрубок и, пройдя по кольцевому зазору, через наружную перфорированную обечайку подается в зернистый слой. Топливо подается через боковой патрубок, равномерно распределяется по спиралеобразным каналам, заполненным катализатором. При этом в зернистом слое катализатора происходит процесс смешения топлива с окислителем и его окисление. Продукты сгорания выходят через внутреннюю перфорированную обечайку и через верхний патрубок направляются потребителю для использования теплоты.
Такая конструкция горелки обеспечивает беспламенное горение даже бедных смесей топлива в слое катализатора. При этом продукты сгорания имеют одинаковую температуру по всему объему. Количество воздуха, подаваемого в горелку, соответствует стехиометрическому количеству (или близкое к нему), необходимого для полного сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха при этом равен 1,00 — 1,05.
Принципиальная схемы эффективного сжигания топлива с применением беспламенной горелки
На рисунке 2 представлен вариант принципиальной схемы эффективного сжигания топлива с применением беспламенной горелки и с утилизацией теплоты отходящих дымовых газов и поддержанием заданной адиабатической температуры горения.
Природный газ (или другое топливо) и воздух с добавленной к нему частью отходящего дымового газа, предварительно нагретые отходящим дымовым газом, выходящим из потребителя теплоты, поступают на горелку, где происходит горение топлива. Заданная адиабатическая температура горения топлива (не более 1200°С) поддерживается количеством рециркулирующего дымового газа. Дымовой газ после горелки направляется в приемник теплоты, где охлаждается, отдавая тепло потребителю, после чего проходит последовательно подогреватели окислителя и топлива. Охлажденный дымовой газ частично подмешивается к воздуху, и оставшаяся его часть сбрасывается в атмосферу.
В разработанной технологии эффективного сжигания топлива требуемая адиабатическая температура горения обеспечивается дозированием дымовых газов в воздух, подаваемый на горелку. Беспламенная горелка новой конструкции может эффективно работать при низком содержании углеводородов в топливно-воздушных смесях и при подаче практически стехиометрического количества воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Разбавление воздуха дымовым газом приводит к снижению концентрации кислорода в окислителе (смесь воздуха с дымовым газом), что в свою очередь снижает адиабатическую температуру горения топлива. Чем ниже концентрация кислорода в окислителе, тем ниже адиабатическая температура горения топлива. Таким образом, регулируя количество подмешиваемого в воздух дымового газа, можно регулировать и поддерживать требуемую адиабатическую температуру сгорания топлива.
Сжигание топлива при адиабатической температуре горения не выше 1200°С практически исключает в отходящих дымовых газах CO и NOх.
При этом глубокая рекуперация теплоты отходящих дымовых газов обеспечивает снижение расхода топлива, количественное сокращение отходящих дымовых газов и значительное уменьшение вредных выбросов в окружающую среду (CO, NOх).