Эффективные горелочные устройства на основе объемных матриц Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Ж ТЕХНОЛОГИИ

Эффективные горелочные устройства на основе объемных матриц

В.М. Шмелев, В.М. Николаев, В.С. Арутюнов

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН

Одним из наиболее рациональных и наименее затратных путей выхода из кризисной ситуации с ископаемыми энергоресурсами, которую сейчас переживает мировая энергетика, является повышение эффективности их использования. Остро стоят и вопросы снижения эмиссии вредных продуктов сгорания. Наконец, определенный интерес представляет применение процессов окислительной трансформации углеводородов для получения не только тепла и энергии, но и ряда базовых химических продуктов.

Все это определяет постоянное внимание к более глубокому изучению физики и химии процессов горения для создания более эффективных и экологически чистых процессов на основе традиционных углеводородных топлив. Наиболее перспективным направлением в

энергетике считается сжигание топлива в системах с частичной рекуперацией теплоты продуктов сгорания. Это не только повышает КПД использования топлива, но и позволяет сжигать низкокалорийное топливо, непригодное для обычных устройств, снижает эмиссию вредных компонентов и даже открывает возможность применения процессов горения для получения продуктов газохимии.

Среди известных методов рекуперации тепла продуктов горения особое место занимает применение горелок инфракрасного излучения с плоской проницаемой матрицей, широко используемых в быту и для решения ряда технологических задач в промышленности (рис.1) [1,2]. Они обеспечивают эффективное и качественное сжигание перемешан-

НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ В ЭНЕРГЕТИКЕ СЧИТАЕТСЯ СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА В СИСТЕМАХ С ЧАСТИЧНОЙ РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ

РИС. 1.

ГОРЕЛКА

ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ

«ЗВЕЗДОЧКА»

С ПЛОСКОЙ МАТРИЦЕЙ И ПРОВОЛОЧНЫМ РАДИАЦИОННЫМ ЭКРАНОМ

ной горючей смеси, которое осуществляется в тонком слое на поверхности плоской проницаемой матрицы в режиме поверхностного горения. При этом часть тепловой энергии из фронта пламени в результате сильного теплоотвода переходит в тело матрицы. Температура фронта пламени Tf существенно понижается, а поверхность матрицы раскаляется до температуры, близкой к Tf, и становится источником мощного инфракрасного излучения, в которое переходит примерно 30-50% энергии горения. Это обеспечивает в ряде технологических применений более высокую эффективность по сравнению с горелками открытого пламени. Снижение температуры горения приводит к резкому уменьшению содержания оксидов азота

Ключевые слова:

Горелочные устройства, объемные матрицы, эмиссия продуктов сгорания, конверсия природного газа, синтез-газ, водород

28 газохимия июль-август 2009

■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GAZOHIMIYA.RU

ТЕХНОЛОГИИ Ж

РИС. 2. ИК-ГОРЕЛКА С ОБЪЕМНОЙ ПРОНИЦАЕМОЙ МАТРИЦЕЙ ИЗ ПРЕССОВАННОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРОВОЛОКИ (А) И ГОРЕЛКА С МАТРИЦЕЙ ИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ ПЛИТОК С РИФЛЕНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ (Б)

метана сначала в условиях, близких к стехиометрии, с последующей подачей в горячие продукты окисления дополнительного количества метана и пара. Последующая каталитическая конверсия нагретых газов позволяет получать почти равновесный состав продуктов. Однако высокая стоимость оборудования и высокая энергоемкость этого процесса заставляет искать более простые варианты.

технически достаточно сложный процесс, для эффективной реализации которого в ряде случаев требуется механическое перемещение нагретого твердого теплоносителя навстречу газовому потоку или организация горения с периодически изменяющимся направлением газового потока. Поэтому использование для рекуперации тепла устройств с постоянным потоком, в которых осуществляется

В настоящее время в связи с потребностью в новых газохимических технологиях и ужесточением экологических требований к процессам сжигания возникает интерес к использованию поверхностного горения для решения соответствующих технологических задач

в продуктах сгорания, но эмиссия оксида углерода остается достаточно высокой (до 40-100 ppm). Сжигание газа в подобных горелочных устройствах осуществляется, как правило, при коэффициенте избытка воздуха а, близком к единице (а=1,05-1,1). При этом область регулирования горения по мощности и величине а весьма узкая.

Более высокие эффективность и экологические показатели сжигания газового топлива могут быть достигнуты при применении ИК-горелоч-ных устройств с объемной проницаемой матрицей (рис. 2). Исследования закономерностей сжигания газовоздушных смесей в объемных проницаемых матрицах в условиях сильного радиационно-конвективного теплообмена позволили разработать конструкции новых горелочных устройств и показать возможность регулирования их мощности в очень широких пределах, а также возможность сжигания в них низкокалорийных топлив [3-6].

В настоящее время в связи с потребностью в новых газохимических технологиях и ужесточением экологических требований к процессам сжигания возникает интерес к использованию поверхностного горения для решения соответствующих технологических задач. Проблема заключается в необходимости создания горелочных устройств, в которых возможно сжигание смесей как очень бедного, так и очень богатого состава. Если экологически чистые горелки, в которых осуществляется эффективное горение смеси стехиометрического состава, востребованы, в первую очередь, для бытовых нужд, то горелочные устройства для сжигания смесей ультрабедного состава могут найти применение, например, в камерах сгорания газотурбинных установок. В свою очередь, горелочные устройства на смесях очень богатого состава представляют интерес для получения синтез-газа и водорода.

В настоящее время одной из наиболее широко применяемых промышленных технологий получения синтез-газа и водорода на базе парциального окисления метана является автотермический риформинг — комбинация парциального окисления и каталитического парового риформинга метана [7]. В этом процессе низкое суммарное значение коэффициента избытка воздуха достигается ступенчатым сжиганием

В качестве возможной альтернативы рассматриваются процессы фильтрационного горения. В них для повышения температуры исходных реагентов и расширения пределов воспламенения используется рекуперация тепла продуктов горения за счет осуществления горения в среде с твердым пористым теплоносителем, передающим выделившееся при сгорании тепло обратно, к свежей горючей смеси. Это позволяет сжигать в реакторах определенной конструкции смеси от очень бедного до очень богатого состава и осуществлять термохимическую конверсию метана в синтез-газ в рекуперативном самоподдерживающемся режиме [8]. Но фильтрационное горение это тоже

сжигание газа на поверхности проницаемой матрицы, представляется более перспективным.

В настоящей работе рассмотрена возможность сжигания смесей очень бедного и очень богатого состава в глубокой объемной матрице с целью создания соответственно экологически чистых горелочных устройств и реактора для получения синтез-газа. Исследованы пределы устойчивого поверхностного горения метановоздушной смеси в условиях сильного радиационноконвективного теплообмена в геометрически замкнутой полости объемной матрицы с проницаемыми стенками. Рассмотрены перспективы практического решения поставленных задач.

ИЮЛЬ-АВГУСТ 2009 ГАЗОХИМИЯ 29

Ж ТЕХНОЛОГИИ

Экспериментальное определение пределов горения

Поверхностное горение метановоздушной смеси в радиационной полости между двумя проницаемыми керамическими пластинами экспериментально и аналитически исследовали в [3], где была показана возможность горения в такой системе смесей очень бедного состава. В данной работе аналогичную методику применили для сравнения параметров горения смесей над поверхностью плоской открытой матрицы и в радиационной полости объемной матрицы в широком диапазоне варьирования состава. Использовали матрицы на основе перфорированных керамических плиток фирмы Rauschert размером 92х132x12,5 мм с рифленой в виде ромбов поверхностью, пронизанной множеством цилиндрических каналов диаметром 1,39 мм (рис. 2б).

Отношение суммарной площади поперечного сечения каналов к общему сечению керамики составляло 0,32. Радиационная полость в условиях геометрически замкнутой объемной матрицы образовывалась между двумя плоскими керамическими плитками с малым расстоянием

между ними ~5 мм для исключения боковых радиационных и конвективных потерь. Природный газ из городской сети (концентрация метана -98%) при давлении 160-180 мм водяного столба через вентиль регулировки расхода подавали в смесительную камеру объемом 350 см3. Расход газа измеряли газовым счетчиком ГСП-400. Количество воздуха, нагнетаемого в смесительную камеру мини-компрессором, измеряли расходомером диафрагменного типа. Коэффициент избытка воздуха a варьировали в широких пределах а = 0,4^ 2,2. Исходная смесь поступала в радиационную полость через нижнюю перфорированную плитку, а

ПОВЕРХНОСТНОЕ ГОРЕНИЕ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В РАДИАЦИОННОЙ ПОЛОСТИ МЕЖДУ ДВУМЯ ПРОНИЦАЕМЫМИ КЕРАМИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО И АНАЛИТИЧЕСКИ ИССЛЕДОВАЛИ В [3], ГДЕ БЫЛА ПОКАЗАНА ВОЗМОЖНОСТЬ ГОРЕНИЯ В ТАКОЙ СИСТЕМЕ СМЕСЕЙ ОЧЕНЬ БЕДНОГО СОСТАВА

продукты горения выводились через верхнюю перфорированную плитку толщиной 6 мм. Плоский фронт пламени располагался между плитками внутри радиационной полости.

Температуру поверхности матрицы Tm измеряли хромель-алюмеле-вой термопарой и с помощью ИК термометра TR-T4. Точность измерений с учетом колебаний давления газа в магистрали была в пределах 10%. Состав продуктов сгорания бедных смесей измерялся газовым анализатором «Testo-335», а богатых — газовым хроматографом.

В опытах с открытой матрицей температура поверхности матрицы увеличивается только за счет теплопередачи от фронта пламени. Горючая смесь, протекая в каналах матрицы, прогревается и поступает к фронту пламени с температурой, близкой к температуре поверхности матрицы. Были проведены измерения температуры поверхности матрицы Tm при расходе воздуха -0,4 л/с и варьируемом расходе газа. В области стехиометрического расхода газа достигалась максимальная температура поверхности матрицы Tm = 1040 К. При увеличении в смеси избытка воздуха или га-

30 газохимия июль-август 2009

ТЕХНОЛОГИИ Ж

за температура поверхности матрицы уменьшалась. Устойчивое горение наблюдалось в интервале 0,6 < а < 1,4 при температурах матрицы Tm > 800 К (рис. 3, кривая 1). Экспериментально полученные значения пределов горения не достигали известных значений концентрационных пределов распространения пламени в метановоздушных смесях из-за относительно сильных радиационных потерь.

В опытах с радиационной полостью происходит дополнительная внутренняя рекуперация тепла в результате радиационной обратной связи за счет излучения, отражаемого от верхней поверхности полости к рабочей матрице. Температура матрицы увеличивалась по сравнению с открытой горелкой более чем на 350 К (рис. 3, кривая 2). Это приводило к интенсификации процесса сгорания смеси в радиационной полости и позволяло осуществлять сжигание более богатых и более бедных смесей в интервале а = 0,45-2,15 при Tm = 1290-925 К. При этом устойчивое горение наблюдалось и вне концентрационных пределов для обычных условий открытого пламени.

Горение метановоздушных смесей в углубленной объемной матрице

Поскольку объемная матрица обеспечивает возможность создания более экологически чистого горелочного устройства, в дальнейшем исследовали горение газовой смеси в углубленной (для обеспечения высокой производительности горелочного устройства) объемной матрице с открытым верхним сечением. Матрица изготавливалась из керамических плиток фирмы Rauschert. Она представляла собой прямоугольный параллелепипед из 5 плиток с открытой верхней гранью и размерами рабочей полости 90х66х130 мм (рис. 1б). Подвод горючей смеси осуществляли через дно и боковые стенки полости. Площадь горения с учетом боковых стенок составляла S0 = 436 см2. Отношение площади рабочей поверхности матрицы (площади горения) S0 к площади выходного сечения матрицы S1 составляло р = S0/S1 = 7,3.

Испытываемая матрица помещалась в корпус горелочного устройства размером 155х125х190 мм. В горелку поступала предварительно перемешанная в смесителе смесь природного газа из городской сети

ТАБЛ. 1.

а

NOx, ppm CO, ppm

КОНЦЕНТРАЦИЯ ОКСИДОВ АЗОТА И УГЛЕРОДА В ПРОДУКТАХ ГОРЕНИЯ БЕДНЫХ СМЕСЕЙ МЕТАНА С ВОЗДУХОМ В РАДИАЦИОННОЙ МАТРИЧНОЙ ГОРЕЛКЕ

1,05 1,1 1,2 1,3 1,4

10 8 6 3,5 2,5

5 4 2,3 2 1,5

ТАБЛ. 2.

СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ (ОБ. ДОЛИ)

В СУХИХ ПРОДУКТАХ ГОРЕНИЯ БОГАТЫХ СМЕСЕЙ МЕТАНА С ВОЗДУХОМ В РАДИАЦИОННОЙ МАТРИЧНОЙ ГОРЕЛКЕ

а CO П О H2 CH4

0,4 0,10 0,02 0,18 0,06

0,5 0,096 0,03 0,16 0,03

0,6 0,092 0,04 0,135 0,018

В опытах с радиационной полостью происходит дополнительная внутренняя рекуперация тепла в результате радиационной обратной связи за счет излучения, отражаемого от верхней поверхности полости к рабочей матрице

и воздуха. Исследования горения бедных смесей проводили в широком диапазоне изменения расхода смеси и коэффициента избытка воздуха а (от а = 1 до 1,5). Максимальная мощность горения, ограниченная пропускной способностью газопровода, достигала 9,9 кВт при удельной мощности на единицу площади внутренней поверхности матрицы W0 ~230 кВт/м2. Удельная мощность горения на единицу выходного сечения W1 = W0P достигала W1 = 1680 кВт/м2.

РИС. 3. ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ МАТРИЦЫ ОТ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА СМЕСИ ДЛЯ ОТКРЫТОЙ ПЛОСКОЙ МАТРИЦЫ (1) И ГЕОМЕТРИЧЕСКИ ЗАМКНУТОЙ ОБЪЕМНОЙ МАТРИЦЫ (2)

0,5 1 1,5 2 а

Точки — эксперимент, кривые — расчет

В выходном сечении матрицы в продуктах сгорания смеси варьируемого состава при различных режимах работы горелочного устройства были измерены концентрации оксидов азота и оксида углерода. При высокой температуре рабочей поверхности концентрации указанных выше оксидов оказались весьма низкими. При мощности горения W = 5,9 кВт, что соответствует удельной тепловой нагрузке матрицы W0 = 135 кВт/м2, а = 1,25 и температуре рабочей поверхности Tm = 1340 K концентрации CO и NOx не превышали 3 ppm. При изменении состава смеси от почти стехиометрического до бедного при мощности горения W = 7,1-7,5 кВт (W0 = 160170 кВт/м2) концентрации оксидов NOx и CO монотонно снижались: NOx от 10 до 2,5 ppm и CO от 5 до 1,5 ppm (табл. 1).

При исследовании горения богатых смесей преследовалась другая цель — возможность получения синтез-газа (водорода). В этом случае для увеличения эффективности процесса использовали геометрически замкнутую углубленную объемную матрицу сечением 80х40 мм и глубиной 115 мм. Подвод исходной смеси также осуществляли через дно и боковые стенки полости, а продукты сгорания выходили через проницаемое верхнее сечение матрицы.

Было исследовано горение богатых смесей в широком диапазоне

ИЮЛЬ-АВГУСТ 2009 ГАЗОХИМИЯ 31

Ж ТЕХНОЛОГИИ

изменения расхода смеси (до 50 л/мин) при коэффициенте избытка воздуха в интервале от 0,4 до 0,8. В этом интервале изменения а наблюдали устойчивое горение смеси. Пробы для хроматографического анализа отбирали из центральной части горелки на расстоянии примерно 20 мм от боковой поверхности и дна полости. Содержание сухих продуктов конверсии метана приведено в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что концентрации Н2 и СО растут с уменьшением величины а и при минимальном значении а = 0,4 концентрация Н2 достигает 18%, СО — 10%, соответственно, а концентрация СО2 монотонно убывает до 2%.

Расчетная модель

Закономерности горения смесей над поверхностью проницаемой керамической матрицы в зависимости от величины а были исследо-

ваны в [2]. Для анализа процесса горения смеси над плоской матрицей рассмотрим тепловой баланс в одномерной постановке задачи с общепринятыми упрощениями без конкретизации химических и кинетических свойств системы [4]. Анализ экспериментальных данных показал, что при поверхностном горении температура пламени Tf выше температуры поверхности матрицы Tm на величину AT = Tf - Tm = 250^350 К при температуре фронта пламени 1000-1400 К.

Для поверхностного горения над открытой плоской матрицей с уче-

УВЕЛИЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ МАТРИЦЫ ПРИВОДИТ К УВЕЛИЧЕНИЮ СКОРОСТИ СГОРАНИЯ СМЕСИ И РАСШИРЯЕТ ОБЛАСТЬ УСТОЙЧИВОГО ГОРЕНИЯ

том уравнения неразрывности Пара = Up уравнение баланса энергии, учитывающее излучение с поверхности матрицы, имеет следующий вид:

и^е = риа& = тта-Т,) = иср(ггТ0УгиВ^ -Г04)

где U0, р0, T0 — скорость потока, плотность, температура исходной смеси на входе в матрицу соответственно; U, р, Ta — скорость горения при наличии теплопотерь излучением, плотность продуктов горения, адиабатическая температура горения соответственно; e — тепловой эффект реакции, a0 — концентрация компонента, находящегося в недостатке, Q — энергия, выделяющаяся при его полном сгорании, c — удельная теплоемкость смеси, £ — излучательная способность поверхности матрицы, о — постоянная Стефана-Больцмана (типично £ = 0,9), T0 = 300 К. Коэффициент B равен отношению площади излучающей поверхности к площади рабочей поверхности S матрицы, пронизанной каналами с суммарной площадью поперечного сечения Sc, Величина B меньше единицы и для плоской матрицы лежит в интервале 1-Sc/S <B<1 (в наших экспериментах B = 0,68).

Из выражения (1) найдем скорость потока на входе в матрицу, обеспечивающую устойчивое горе-

ние:

™в(т:-т0*)

РоС(^а _

(2)

В стационарных условиях (при неподвижном фронте пламени, т.е. без отрыва и проскока пламени) усредненная скорость потока на выходе из матрицы равна скорости пламени. При фиксированном значении U0 уменьшение температуры Ta за счет разбавления смеси горючим или воздухом приводит к соответствующему уменьшению Tm.

Увеличение температуры поверхности матрицы приводит к увеличению скорости сгорания смеси и расширяет область устойчивого горения. Создавая геометрически замкнутую полость или используя глубокую объемную матрицу, можно существенно снизить радиационные потери. В этом случае коэффициент B < Sc/S для замкнутой полости или B = Si/S , где S1 — площадь выходного сечения объемной матрицы. Величина В может быть <<1. Следовательно, в соответствии с выражением (2) при фиксированных значениях Uo и Tm температура Ta может быть существенно уменьшена, т.е. пределы горения смесей расширены.

32 газохимия июль-август 2009

ТЕХНОЛОГИИ Ж

ТАБЛ. 3.

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ, КОНВЕРСИИ МЕТАНА И СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ (ОБ. ДОЛИ) В СУХИХ ПРОДУКТАХ ГОРЕНИЯ БОГАТЫХ СМЕСЕЙ МЕТАНА С ВОЗДУХОМ В РАДИАЦИОННОЙ МАТРИЧНОЙ ГОРЕЛКЕ

а Tf, K CO n О H2 H2O CH4 п, %

0,4 1575 0,122 0,015 0,205 0,067 0,031 84,5

(0,131) (0,016) (0,22) (0,033)

0,5 1610 0,097 0,023 0,143 0,097 0,026 84,2

(0,107) (0,025) (0,158) (0,029)

0,6 1645 0,077 0,031 0,096 0,12 0,022 84,3

(0,087) (0,035) (0,109) (0,025)

Для описания химического превращения метана при его сжигании в данных горелочных устройствах использовался метод глобального моделирования. В данном методе рассмотрение детальной кинетики процесса для существенного упрощения задачи сводится к решению нескольких кинетических уравнений с учетом уравнения материального баланса. Например, для описания расходования метана с достаточной точностью можно рассматривать только одно уравнение. В этом случае порядок реакции по реагентам и эффективная энергия активации процесса определяются из эксперимента.

Суммарная скорость окисления метана Wm представлялась «глобальным» кинетическим уравнением:

ния компонентов Ta = f(a) может быть определена без использования сторонних экспериментальных данных. Величина Ta может быть найдена из выражения на основе разности сумм энтальпий H продуктов сгорания и исходных реагентов:

концентраций компонентов) является замкнутой и позволяет найти температуру поверхности матрицы при горении смеси как над поверхностью плоской открытой матрицы, так и в геометрически замкнутой радиационной полости.

Wn=-£- = -А№тМь0ХЩТ* ехр(-Еа/КТ), (3)

где А, a, b, c, d — эмпирические параметры, Ea — эффективная энергия активации процесса, Nm , Nox, Nn — молярные концентрации метана, кислорода и азота соответственно в метановоздушной смеси, t — время, T — текущая температура, R — универсальная газовая постоянная. Эмпирические коэффициенты в уравнении (3) выбирались на основании экспериментов с бедными и богатыми метановоздушными смесями [9, 10].

При кинетическом расчете продуктов сгорания ограничивались рассмотрением реакции водяного газа, которая описывалась кинетическим уравнением:

d^-k1NC0Nhl0-k2N„2Nh2, (4)

т 1Л(прод.сгор.)-Ш(исх.реаг) | ^ , (6)

‘ ср ° ’

где Ср — удельная теплоемкость смеси при постоянном давлении. Реализуемая температура пламени может быть рассчитана из аналогичного выражения, но с учетом теплопотерь на излучение:

^ Ш(прод. сгор.)-Ш(исх. реаг.)-еаВ(Т) -Т))1 q ^ ip-

где q — мольный расход смеси.

Скорость распространения пламени можно определить из классического выражения:

U = AexTp(rEa/2RTf) , (8)

где A — предэкспоненциальный множитель, зависящий от начальной температуры и температуры пламени. Система уравнений (2)-(8) (при этом из уравнений (3)-(5) находятся равновесные значения

Результаты расчета

Рассчитанная зависимость температуры поверхности открытой матрицы от коэффициента избытка воздуха а смеси при AT = 300 К и U = 0,035-0,036 м/c приведена на рис. 3 (кривая 1). Температура внутренней поверхности радиационной полости геометрически замкнутой объемной матрицы при U0 = 0,035 м/c описывается кривой 2. Соответствие расчета эксперименту в обоих случаях можно считать удовлетворительным, принимая во внимание упрощенность модели и некоторую неопределенность в выборе AT.

Оценим возможность реализации реактора получения синтез-газа. Расчет по предложенной модели состава продуктов реакции и конверсии метана п от первоначального состава смеси а и температуры

где Nco2, Nco, Nh2o, Nh2 — молярные концентрации углекислого газа, оксида углерода, водяного пара и водорода, соответственно; k1 и k2 — константы прямой и обратной реакции [11].

Концентрации продуктов реакции находились из рассмотрения уравнения материального баланса с привлечением кинетических уравнений (3) и (4):

xmCH.4 + O2 ^ (1 - X)(xmCH4 + O2) + % ( %1 CO + %2 H2 + x3 CO2 + x4 H2O), (5) где xm — входной параметр задачи, а неизвестные молярные коэффициенты x1, x2, x4 вычислялись из баланса по углероду, водороду и кислороду, коэффициент x3 — из кинетического уравнения (4), доля прореагировавшего метана % — из кинетического уравнения (3).

Адиабатическая температура пламени в зависимости от соотноше-

июль-август 2009 газохимия 33

Ж ТЕХНОЛОГИИ

горения Tf проводился для описанной выше геометрически замкнутой глубокой объемной матрицы (табл. 3). Характерное время движения продуктов горения от фронта пламени до области отбора газовой пробы в эксперименте составляло ~0,2 с. Концентрации продуктов реакции (и остаточного метана) выражены в мольных долях. Конверсия метана п выражена в процентах. Принято, что температура горения Tf отлична от температуры матрицы на величину AT = 300 K, где температура матрицы Tm(a) соответствует кривой 2 на рис. 3. Указанные в скобках значения концентраций приведены к сухому газу. Из таблицы видно, что с обогащением смеси (уменьшением а) в продуктах реакции происходит рост концентрации водорода и оксида углерода (компонентов синтез-газа) и уменьшение содержания продуктов полного окисления (диоксида углерода и паров воды). Конверсия при этом остается приблизительно одинаковой.

Сравнение расчетных данных (табл. 3) с результатами хроматографического анализа (табл. 2) дает удовлетворительное согласие. Так, в интервале изменения а = 0,4-0,6 экспериментальная концентрация Н2 меняется от 18 до 13,5% (расчет — 22-10%), СО — 10-9,2% (расчет — 13-9%), СО2 монотонно возрастает от 2 до 4% (расчет дает 1,6-3,5%).

Заключение

Продемонстрирована возможность существенного расширения пределов горения предварительно перемешанных смесей природного газа с воздухом (диапазон а от 0,4 до 2,15) при проведении процесса в радиационной полости объемной проницаемой матрицы. Эффект достигается благодаря внутренней рекуперации тепла при интенсивном радиационно-конвективном теплообмене. Простая модель удовлетворительно описывает процессы в таком горелочном устройстве.

Показана возможность экологически чистого сжигания бедных смесей в горелочном устройстве с углубленной объемной матрицей, способном устойчиво работать при

1. Родин А.К. Газовое лучистое отопление. Л.: Недра, 1987.

2. Брюханов О.Н., Крейнин Е.В., Мастрюков Б.С. Радиационный газовый нагрев. Л.: Недра, 1989.

3. Шмелев В.М. Горение перемешанной газовой смеси в радиационной полости между матрицей и перфорированным керамическим экраном. Химическая физика, 1999, т.18, № 5. c. 84-89.

4. Шмелев В.М., Марголин А.Д. О горении газовой смеси над поверхностью перфорированной матрицы. Химическая физика, 2000, т.19, № 5, с. 36-42.

5. Шмелев В.М., Марголин А.Д. Радиационная горелка. Патент RU 2151956, 27.06.2000.

6. Шмелев В.М. Инфракрасная горелка с объем-

коэффициенте избытка воздуха вплоть до а ~ 2.

Рассмотрена возможность создания химического реактора для получения синтез-газа на основе горелочного устройства с углубленной геометрически замкнутой объемной матрицей. Эксперименты показали возможность эффективной конверсии природного газа в режиме поверхностного горения в синтез-газ с соотношением №/CO=2. При использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха концентрация водорода на выходе из горелки достигала 20%, оксида углерода — 10%. ГХ

Авторы благодарны |И.Н. Лобанову | и С.Н. Подойницыну за помощь в проведении экспериментов с богатыми смесями.

ной матрицей. Газовая промышленность, 2008, № 5, с. 74-79.

7. Арутюнов В.С., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998, c. 361.

8. Футько С.И., Жданок С.А.. Химия фильтрационного горения газов. Минск. «Беларуская навука», 2004.

9. Petersen E.L., Davidson D.F., Hanson R.K. Kinetic modeling of shock-induced ignition in low-dilution CH4/O2 mixtures at high pressures and intermediate temperatures. Comb. Flame, 1999, v.117. P. 272-290.

10. Borisov A.A., Dragalova E.V. et al. Oxidation Communication. 1983. No. 1-4. P. 45.

11. Евлампиев А.В., Фролов С.М., Басевич В.Я., Беляев А.А. Химическая физика. 2001. Т. 20. № 11. С. 21.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

34 газохимия июль-август 2009