Способ сжигания жидкого горючего и устройство для его осуществления

23 11/00, 23 11/16 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО ГОРЮЧЕГО И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Закрытое акционерное общество Белагроинторг(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество Белагроинторг(57) 1. Способ сжигания жидкого горючего, заключающийся в распылении в подогретой до 90-100 С мелкодисперсной смеси, полученной в диспергирующем устройстве из горючего и умягченной воды, взятой в количестве до 27 вес. , подогретых до 50-100 С, с дальнейшим воспламенением ее в потоке воздуха,отличающийся тем, что нагрев горючего и умягченной воды осуществляют до 50-90 С бросовым теплом,горючее и умягченную воду подвергают ступенчатому эмульгированию вначале в низкочастотном звуковом поле, затем в высокочастотном ультразвуковом поле, после чего полученную коллоидную смесь одновременно накапливают в гидроаккумулирующей накопительной емкости и подают в зону горения распыляя. 2. Устройство для сжигания жидкого горючего, содержащее гидроаккумулирующую накопительную емкость, насосный блок с высокочастотным ультразвуковым излучателем, обвязочные трубопроводы с запорной и дозирующей арматурой, блок подачи эмульсии к горелкам и теплообменник, отличающееся тем, что оно содержит дополнительный теплообменник, насосный блок выполнен в виде низкочастотного звукового эмульгатора, при этом теплообменники размещены в магистрали выбрасываемых газов для подогрева горючего и воды, соответственно входы которых через обвязочные трубопроводы соединены с дозирующей и запорной арматурой, а выходы - со входом низкочастотного звукового эмульгатора, на выходе которого установлен высокочастотный ультразвуковой эмульгатор, параллельно подключенный к гидроаккумулирующей накопительной емкости и через дозирующую арматуру связанный с горелками топливосжигающих установок. Изобретение относится к теплоэнергетическим установкам и предназначено для подготовки, подачи и сжигания жидких горючих в камерах сгорания стационарных газотурбинных двигателей, топках паровых котлов и других различных топливосжигающих установках. Известны различные способы и устройства сжигания жидких горючих. Наиболее близким к предлагаемому является способ сжигания жидкого горючего путем его распыливания в виде подогретой до 90-100 С,предварительно получаемой с помощью дипергирующего устройства подогретых до 50-100 С и ранее смешанных мазута и умягченной воды, мелкодисперсной смеси (эмульсии)дальнейшим ее воспламенением в потоке воздуха и устройство для подготовки, подачи и сжигания жидкого горючего, содержащее мерный сосуд, накопительную емкость, теплообменник, насосный блок с гидродинамическим ультразвуковым излучателем (диспергатором), обвязочные трубопроводы с запорно-регулировочной арматурой, блок управления с измерителями уровня в мерном сосуде и накопительной емкости и блоком подачи полученной смеси(эмульсии) к горелкам топочных устройств 1. Недостаток данного способа и устройства для сжигания жидкого горючего заключается в том, что предварительное смешивание подогретых до 50-100 горючего и воды приводит к немедленному разделению их на фракции (горючее и воду). Так как плотность воды больше плотности жидких горючих, то в процессе приготовления смеси в ультразвуковом эмульгаторе вначале активируется вода, а затем происходит ее смешиваниежидким горючимпоследующим постепенным связыванием последней в ультразвуковом поле,что снижает эффект активации воды и полноту ее связываниягорючим, тем самым ухудшается дисперсность смеси (эмульсии), требуется увеличение энергетических затрат и времени обработки перед воспламенением в потоке воздуха. Известны также способ сжигания жидкого горючего путем его смешивания с водой и воздухом в ультразвуковом поле и устройство для сжигания жидкого горючего, содержащее камеру, снаружи заключенную в водяную рубашку и по ходу движения горючего снабженную последовательно установленным эжектором,подключенным в узком сечении через каналы в наружной стенке кольцевой камеры к водяной рубашке, и кольцевыми парами, образующими ступенчатый ультразвуковой эмульгатор, причем в кольцевом сопле дополнительно установлена разделительная обечайка, образующая со стержнем внутреннее, а со стенкой трубы - внешнее сопла, к последнему из которых подключены выпускные отверстия камеры 2. Недостатком данного способа и устройства его реализации, как показали экспериментальные исследования, хотя и обеспечивают достаточно дисперсное распыливание, однако пригодны лишь в диапазоне небольших расходов горючего и маловязких горючих, поскольку кратковременное пребывание жидкого горючего в поле ультразвуковых колебаний при больших расходах не позволяет ультразвуковым колебаниям произвести достаточно дисперсное смешение воды с горючим и последующее распыливание полученной эмульсии в зоне горения. Кроме того, способ не применим без переоборудования серийно выпускаемых камер сгорания стационарных газотурбинных двигателей, топок паровых котлов и других различных топливосжигающих установок. Для его применения необходима замена штатных форсунок и горелок на устройства, реализующее указанный способ, что потребует значительных затрат. Задачей изобретения является обеспечение высокой полноты сгорания горючего при малом содержании окислов азота и не требующих доработок форсунок и горелок на серийных образцах топливосжигающих установок. Решение указанной задачи достигается тем, что нагрев горючего и умягченной воды осуществляется до 50-90 С бросовым теплом, а горючее и умягченную воду подвергают ступенчатому эмульгированию вначале в низкочастотном звуковом поле, затем в высокочастотном ультразвуковом поле, после чего полученную коллоидную смесь одновременно накапливают в гидроаккумулирующей накопительной емкости и подают в зону горения распыляя, а устройство для сжигания жидкого горючего содержит дополнительный теплообменник, насосный блок выполнен в виде низкочастотного звукового эмульгатора, при этом теплообменники размещены в магистрали выбрасываемых газов для подогрева горючего и воды, соответственно входы которых через обвязочные трубопроводы соединены с дозирующей и запорной арматурой, а выходы - со входом низкочастотного звукового эмульгатора, на выходе которого установлен высокочастотный ультразвуковой эмульгатор, параллельно подключенный к гидроаккумулирующей накопительной емкости и через дозирующую арматуру связанный с горелками топливосжигающих установок. На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа сжигания жидкого горючего. Устройство содержит установленные в магистрали выхлопа продуктов сгорания 1, теплообменники 2 и 3 соответственно воды и горючего, подключенные с одной стороны через регуляторы расхода 4 и 5 и запорные вентили 6 и 7 соответственно к источникам подачи воды и горючего, а с другой стороны, по ходу дви 3009 1 жения воды и горючего, к низкочастотному эмульгатору 8, на выход которого установлен высокочастотный гидродинамический ультразвуковой эмульгатор 9, состыкованный параллельно с накопительной гидроаккумулирующей емкостью 10, и через дроссельный кран 11 к горелкам 12 камеры сгорания 13. Теплообменники 2 и 3 предназначены для подогрева в магистрали выхлопа 1 отходящими газами соответственно воды и горючего до температуры 50-90 С. Регуляторы расхода 4 и 5 служат для обеспечения подачи воды и горючего в соотношении соответственно воды до 27 вес.и горючего до 73 вес.в низкочастотный эмульгатор 8. В качестве низкочастотного эмульгатора 8 может быть использован, например, центробежный или шестеренчатый насос, который способен осуществлять только грубое диспергирование воды и ее небольшую кратность в горючем и одновременно обеспечивать подачу и устойчивую работоспособность высокочастотного эмульгатора 9 и подачу полученной в нем коллоидной смеси в гидроаккумулирующую накопительную емкость 10 и к дроссельному крану 11. Высокочастотный эмульгатор 9 предназначен для получения заданной концентрации стабильной коллоидной смеси горючего с водой, в качестве которого может быть использован гидродинамический ультразвуковой излучатель, генерирующий колебания с частотой до десятков килогерц (10-40 кГц), побудителем работы которого является поток горючеводной эмульсии из низкочастотного эмульгатора 8. Гидроаккумулирующая накопительная емкость служит для накопления коллоидной смеси горючего с водой и гашения колебаний при ее подаче к дроссельному крану 11 и горелке 12. Горелка 12 предназначена для распыливания полученной коллоидной смеси горючего с водой в камере сгорания 13. В качестве горелки 12 использована стандартная (штатная) горелка камеры сгорания 13 без доработок последней. Обвязывающие трубопроводы, начиная с выхода теплообменников 2 и 3, низкочастотный и высокочастотный эмульгатор соответственно 8 и 9, гидроаккумулирующая накопительная емкость 10, дроссельный кран 11 покрыты снаружи теплоизоляцией. Устройство работает следующим образом. Подготовительные работы включают подается управляющее давление воздуха потребного давления, и через обратный клапан 14 заправляется воздушная камера гидроаккумулирующей накопительной емкости 10. Контроль за заполнением управляющих давлением воздушной камеры осуществляется по манометру 15 после заполнения воздухом воздушной камеры гидроаккумулирующей накопительной емкости 10 из не показанного на чертеже хранилища горючего подкачивающим насосом подается горючее к запорному вентилю 7 из не показанного на чертеже хранилища умягченная вода подкачивающим насосом подается к запорному вентилю 6 регуляторы расхода 4 и 5 настраиваются так, чтобы обеспечить подачу на вход низкочастотному эмульгатору 8 горючее и воду в заданном соотношении. После подготовительных работ открывается запорный вентиль 7, и горючее через регулятор расхода 5,теплообменник 3, низкочастотный эмульгатор 8, высокочастотный эмульгатор 9 подается одновременно к дроссельному крану 11 и в гидроаккумулирующую накопительную емкость 10. По мере зарядки гидроаккумулирующей накопительной емкости 10 горючим, контроль за которой производится по манометру 15,включается подача воздуха в камеру сгорания 13, открывается дроссельный кран 11 и производится воспламенение горючевоздушной смеси. Давление подаваемого горючего перед горелкой 12 контролируется по манометру 16. При достижении температуры в магистрали выхлопа 1 130-150 С включается в работу низкочастотный эмульгатор 8, привод которого осуществляется электродвигателем 17, открывается запорный вентиль 6, и вода через регулятор расхода 4 подается в теплообменник 2, в котором подогревается отработанными газами до температуры 50-90 С. Одновременно в теплообменнике 3 также происходит подогрев до температуры 50-90 С и горючего. Контроль температуры в магистрали выхлопа 1 осуществляется по указателю температуры 18. Подогретые горючее и вода поступают в низкочастотный эмульгатор 8, в котором происходит их диспергирование до степени дисперсности 1 105 см-1. Контроль за работой низкочастотного эмульгатора 8 осуществляется по манометру 19. Полученная грубодисперсная эмульсия воды в мазуте из низкочастотного эмульгатора 8 подается в ультразвуковой гидродинамический излучатель 9, в котором под воздействием ультразвукового поля дисперсность эмульсии доводится до коллоидного состояния со степенью дисперсности 105-107 см-1 и подается одновременно к дроссельному крану 11 и в гидроаккумулирующую накопительную емкость 10, далее к горелке 12, и камера сгорания 13 переводится на режим работы на коллоидной смеси горючего с водой. Гидроаккумулирующая накопительная емкость 10, выполняя одновременно роль аккумулятора давления,гасит возникающие в магистрали подачи, пульсирующие давления смеси перед горелкой 12. Излишки горючего и воды из регуляторов расхода соответственно 5 и 4 отводятся в соответствующие емкости хранения, не показанные на чертеже. Распыленная горелкой 12 в камере сгорания 13 горючая смесь, состоящая из капель и паров жидкого горючего и воды, газообразных углеводородов и воздуха, продвигаясь от горелки по направлению ее оси, на 3009 1 гревается от лучеиспускания горящего факела и от соприкосновения с горячими продуктами горения. При достижении горючей смесью температуры воспламенения она загорается. Реальная ситуация горения полученной смеси следующая. Вначале происходит превращение органических молекул в неорганические, а затем последние, взаимодействуя с кислородом окружающей атмосферы и парами воды, выделяют достаточно большое количество тепла. Такой последовательный механизм горения полученной смеси определяет тот факт, что газовое пламя состоит из трех частей внутреннего конуса, зоны коптящего пламени в виде светящегося светло-желтого конуса, окружающего внутренний конус, и внешней зоны. Во внутреннем конусе, образующемся непосредственно у выхода из горелки, идет процесс превращения органических молекул в неорганические с поглощением энергии, а в зоне коптящего пламени наружный воздух поступает в недостаточном количестве и плохо перемешивается с газообразными продуктами горения, поэтому под влиянием высокой температуры более сложные углеводородные газы превращаются в менее сложные углеводороды (образуются активные центры - это радикалы ОН и атомарный водород), при этом выделяются раскаленные светящиеся частички свободного углерода, т.е. идут реакции с образованием активных центров, а затем, когда концентрации горючих газов и окислителя снижаются, формирование активных центров прекращается. Во внешней зоне, представляющей собой наружную оболочку факела, где происходит процесс взаимного уничтожения активных центров с образованием конечных продуктов реакции и выделением основного количества энергии горения. Эти реакции имеют следующий вид СООН СО 2 Н НО 2 ОНО СО 1/2 О 2 СО 2283,0 кДж/моль Н 2.1/2 О 2 Н 20241,8 кДж/моль С 1/2 О 2 СО 110,5 кДж/моль СО 2 СО 2393,5 кДж/моль СН 2 О 2 - 131,4 кДж/моль 21/2 2- 20,9 кДж/моль 23/2 2 22538 кДж/моль. В связи с возникающим значительным недостатком кислорода (израсходованным на дожигание окиси углерода и водорода, полученных в результате газификации части углерода и коксовых остатков) в факеле снижается также и образование серного ангидрида при сжигании сернистых горючих. Оксид натрия, находящийся в факеле в газообразном состоянии, связывается избытком паров воды по уравнение 2 Н 2 О 2,в результате образующийся гидрооксид натрия, взаимодействуя о углекислым газом по уравнению 2 СО 22 С 32,образует карбонат натрия. Аналогично этому связывается пятиокись ванадия гидрооксидом натрия по уравнению 2522 О 3 Н 2 О. Полученные карбонат и ванадат натрия выбрасываются с отходящими газами в атмосферу. По мере снижения температуры отходящих газов ниже 100 С происходит гидролиз карбоната натрия по уравнению 23 Н 2 О 3 аОН. При этом образующиеся при горении полученной смеси двуокись азота и трехокись серы вступают во взаимодействие с гидрооксидом натрия с образованием смеси солей азотной, азотистой и серной кислот по уравнениям 222322 3 Н 2 О 204 Н 2 О 422204,тем самым снижается совместный эффект коррозионного воздействия пятиокиси ванадия, окиси натрия,окислов азота и серы примерно в 3 - 4 раза на элементы проточной части горелочно-топочных аппаратов. Предлагаемый способ сжигания жидкого горючего и его устройство осуществления позволяет увеличить полноту его сгорания, использовать воду в качестве присадки в топлива и тем самым экономить до 27(по весу) углеводородное горючее, в несколько раз уменьшить скорость коррозии, резко снизить золовые заносы поверхностей нагрева, значительно снизить образование окислов азота (в 3 - 4 раза), повысить к.п.д. горелочно-топочных аппаратов и не требует замены штатных форсунок и горелок на устройства, реализующие указанный способ. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.