CC BY
115
УДК 621.181.2.016:662.951.2
ИСПЫТАНИЯ ГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА БЕСПЛАМЕННОГО ГОРЕНИЯ И ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С.В. Долгов*, А.С. Заворин, А.Ю. Долгих, А.Н. Субботин
*ООО «Энергонефть Томск», г. Стрежевой Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Разработана конструкция горелочного устройства беспламенного горения и инфракрасного излучения с пористым наполнителем, перспективная для сжигания взрывоопасных газов. Приведеныы описание экспериментального стенда для испытания горелочного устройства и результаты испытаний. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о работоспособности устройства при сжигании горючих газов и жидких испаряющихся топлив.
Ключевые слова:
Горелочное устройство, водород, ацетилен, керосин, криптол, безопасное сжигание, пористая структура, топливовоздушная смесь. Key words:
Burner device, hydrogen, acetylene, kerosene, kriptol, safe burning, porous structure, air-fuel mixture.
Актуальность альтернативной энергетики в мире из-за обострения энергетических проблем и удорожания углеводородных топлив неуклонно повышается. В связи с этим растет интерес к развитию энергетики на базе использования в ней ацетилена и водорода в качестве высокоэффективного, недорогого и доступного топлива.
Технологии получения ацетилена и водорода, а также исследования их свойств и особенностей на сегодня достигли достаточно высокого уровня. Однако развитие этих ветвей энергетики сдерживается тем фактором, что в сравнении с основными компонентами природного газа ацетилен и водород очень взрывоопасны (табл. 1). Вследствие этого во всех странах, где имели дело с ацетиленом, в свое время были приняты законы, полностью запрещающие применение жидкого ацетилена и допускающие применение газообразного ацетилена при избыточном давлении не выше 0,025 МПа [1, 2]. Относительно водорода меры безопасности предельно обострены, т. к. в случае его утечки образуется самовоспламеняющаяся гремучая смесь с кислородом воздуха.
Применительно к проблеме безопасности хранения и сжигания взрывоопасных газов большое значение имеют размеры (объем) газонаполненной системы. Так, при увеличении размеров сосуда смесь, не склонную к самовоспламенению, можно привести к взрыву, и наоборот, уменьшение размеров подавляет воспламенение [3]. Эта взаимосвязь открывает возможности для использования пористых систем в качестве рабочей зоны процесса окисления воздухом таких веществ, как ацетилен и водород, поскольку пористая структура не способствует созданию критической для взрыва концентрации газа, ограничивая объем и препятствуя проскоку пламени. Частично эти свойства пористых структур используются в известном классе горе-лочных устройств беспламенного горения, а также в получивших развитие на их основе горелках инфракрасного излучения. При этом пористыми элементами чаще всего являются специальные жаро-
стойкие керамические насадки с высокой теплоемкостью каркасного материала, что помимо их основного назначения способствует стабилизации горения.
Таблица 1. Параметрыі воспламеняемости горючих газов [1]
Газ Температура воспламенения, °С Предел воспламеняемости при содержании газа в смеси с воздухом, %
Низкая Высокая Нижний Верхний
Водород 530 590 4 74
Метан 645 850 5 15
Этан 530 594 3,2 12,45
Пропан 530 588 2,37 9,5
Бутан 490 569 1,86 8,4
Ацетилен 355 500 2,5 80
Дальнейший прогресс в области горелочных устройств этого класса в направлении технологии водородного топлива определяется совершенствованием используемых пористых систем и процессов управляемого смесеобразования внутри них. Распространенными принципами подхода к управлению процессами смесеобразования являются наличие камеры подготовки топливовоздушной смеси, а также нескольких реакционных зон, заполненных зернистым материалом с жаростойкостью до температуры 1500 °С [4, 5]. Наряду с этим применяется увеличение размера пористых каналов в реакционных зонах по мере продвижения топливовоздушной смеси и прироста продуктов сгорания и другие способы влияния на стехиометрические соотношения компонентов среды внутри пор.
В развитие известных преимуществ беспламенных горелок инфракрасного излучения авторами разработано горелочное устройство для безопасного и эффективного сжигания не только газообразных, но и жидких топлив [6].
Устройство (рис. 1) имеет теплоизолированный цилиндрический корпус - 1, в котором размещен опорный каркас - 5 из разнесенных по окружно-
сти стальных прутков, удерживающий на себе сетчатую насадку-излучатель - 2. Пространство внутри сетчатой насадки-излучателя представляет собой рабочую зону - 6 горелочного устройства и заполнено пористыми частицами. Вдоль продольной оси рабочей зоны установлен топливный инжектор - 3 в виде металлической трубки с отверстиями для струйного истечения топлива. Подвод воздуха в рабочую зону горения осуществляется через воздушные инжекторы - 4, которые представляют собой три металлические трубки с перфорациями, обращенными к топливному инжектору, и расположенные вокруг него по окружности с шагом 120°. В корпусе горелочного устройства предусмотрены смотровые окна для визуального контроля процесса горения.
з
Рис. 1. Конструктивная схема горелочного устройства 1 -корпус; 2 - сетчатая насадка-излучатель; 3 - топливный инжектор; 4 - воздушные инжекторы; 5 - опорный каркас; 6 - рабочая зона
Пористая структура в рабочей зоне горелочного устройства образована плотным заполнением всего объема под сетчатой насадкой-излучателем частицами угольного криптола. Этот доступный материал, представляющий собой отсев коксохимическо-
го производства, обладает рядом свойств, которые определяют его несомненную пригодность для использования в горелочных устройствах беспламенного горения. Прежде всего, к таким свойствам относится собственная высокопористая структура частиц, благодаря чему создается необходимая для внутрипорового смесеобразования развитая удельная поверхность и обеспечивается незначительное аэродинамическое сопротивление даже для механически уплотненного слоя. Длительная практика применения криптола в электрических печах сопротивления в качестве токопроводящей среды [7] зарекомендовала его достаточно высокими показателями жаростойкости, эффективного термического сопротивления и термической прочности, что способствует увеличению ресурса пористого наполнения при многократном термическом воздействии на него в рабочей зоне горения.
Немаловажное значение для термических процессов в рабочей зоне имеет и то, что криптол по химическому составу представляет собой практически чистый углерод (от 96 %). При высокой удельной поверхности гетерогенного восстановительного взаимодействия с продуктами основного горения и последующего доокисления вторичных продуктов создаются условия для более полного распространения тепловыделения на весь объем рабочей зоны горелочного устройства.
Необходимо отметить, что создание условий для наиболее полного использования свойств криптола в рабочей зоне горелочного устройства предполагает достаточно однородный гранулометрический состав пористого заполнителя.
Для испытаний горелочного устройства изготовлен стенд (рис. 2), который позволяет производить все операции обслуживания устройства и измерения его эксплуатационных характеристик, параметров топливной и воздушной сред. С целью обеспечения безопасности экспериментов на данном этапе разработки горелочного устройства испытания проводились с использованием керосина в качестве топлива.
Горелочное устройство - 1 устанавливалось в рабочее положение, далее проводилась его коммутация с компрессором - 2 для подачи воздуха в рабочую зону горения, с постоянным контролем напора среды посредством установленного напо-ромера - 3. Линия подачи воздуха включает в себя также игольчатый вентиль - 4 для регулирования количества поступающего на горение воздуха. Для жидких топлив подача в горелку осуществляется за счет гидростатического давления из емкости -5, находящейся под атмосферным давлением и расположенной на определенной высоте, изменение их расхода производится посредством вентиля - 4. Ротаметрами - 6, 7 фиксировался расход соответственно воздушной и топливной сред. Останов горелочного устройства осуществлялся путем перекрытия вентилей подачи топлива и воздуха с последующим выключением воздушного компрессора.
Рис. 2. Схема испытательного стенда: 1 - горелочное устройство; 2 - компрессор; 3 - напоромер; 4 - игольчатый вентиль; 5 -емкость; 6 - ротаметр (тип РП-8); 7 - ротаметр (тип РП-5); 8 - термопары (№ № 1, 2, 3, 4, 5); 9 - милливольтметр
Таблица 2. Результаты испытаний (один цикл)
Время регистрации показаний Номер термо- пары Показание милливольт-метра, мВ Тем- пера- тура, °С Расход топлива, м3/сх108 Расход воздуха, м3/сх103
1 0 20
2 0 20
1200 3 0 20 - -
4 0 20
5 0 20
1 4,6 131,4
2 4,9 140,0
1205 3 5,0 142,8 8,3 4,4
4 5,1 145,7
5 5,6 160,0
1 12,8 365,7
2 11,9 340,0
12» 3 12,7 362,9 11,7 4,4
4 13,8 394,3
5 8,1 231,4
1 23,8 680,0
2 26,0 742,8
1220 3 23,7 677,1 15 4,4
4 26,1 745,7
5 10,8 308,6
1 24,3 694,2
2 27,1 774,2
1230 3 26,8 765,7 16,7 4,4
4 27,7 791,4
5 12,3 350,4
1 16,2 462,8
2 15,3 437,1 -(прекраще- -(прекра-
1240 3 14,8 422,8 ние подачи щение пода-
4 15,9 454,2 топлива) чи воздуха)
5 8,9 254,3
1 12,8 365,7
2 11,5 328,6 -(прекраще- -(прекра-
1250 3 11,6 331,4 ние подачи щение пода-
4 12,3 351,4 топлива) чи воздуха)
5 6,1 174,3
1 6,3 180,0
2 6,9 197,1 -(прекраще- -(прекра-
1300 3 8,7 248,6 ние подачи щение пода-
4 7,8 222,9 топлива) чи воздуха)
5 4,6 131,4
Температура в различных точках рабочей зоны (т. 1, т. 2, т. 3, т. 4) и на внешней поверхности сетчатой насадки-излучателя (т. 5) контролировалась с помощью пяти термопар (градуировка ХА).
Вид сверху на насадку-излучатель в разных эксплуатационных фазах в процессе испытаний показан на рис. 3, а основные результаты приведены в табл. 2 и на рис. 4.
Рис. 3. Горелочное устройство инфракрасного излучения в стадии испытания: а) состояние пуска (через 5 минут после розжига); б) состояние номинальной нагрузки
Максимальная зафиксированная температура в пористом заполнении рабочей зоны составила 791,4 °С. При этом средняя температура рабочей зо-
ны при номинальном режиме на основе показаний всех четырех термопар оказалась равной 7З6,4 °С, что соответствует порядка З,67 кВт тепловой мощности горелки. Температура излучающего элемента составляет не более 400 °С, что существенно ниже в сравнении с температурой излучающей поверхности горелок с керамической насадкой (800...9З0 °С) [4]. Многократные циклы испытаний показали, что тепловая мощность (Q) горелочного устройства может изменяться в широких пределах (рис. 4), достигая почти 6 кВт в диапазоне регулируемого расхода топлива (B) до 16,7-10-8 (м3/с) без каких либо ограничений по условиям проницаемости криптолового заполнения.
Выводы
1. Испытаниями на жидком топливе подтверждена работоспособность конструктивного решения горелочного устройства и его соответствие принципам действия горелок беспламенного горения и инфракрасного излучения.
2. Полученные данные по эксплуатационным характеристикам горелочного устройства тепловой мощностью 6 кВт свидетельствуют о перспективности использования криптола в качестве материала для создания пористой среды в горелках данного типа.
Работа выполнена в рамках госзадания на НИР (тема
2.59.2012).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кязимов К.Г. Справочник работника газового хозяйства. - М.: Высшая школа, 2006. - 278 с.
2. Миллер С.А. Ацетилен, его свойства, получение и применение: в 2 т. Т. 1. - Л.: Химия, 1969. - 879 с.
3. Талантов А.В. Основы теории горения. Ч. 1. - Казань: КАИ им. А.Н. Туполева, 1975. - 273 с.
4. Богомолов А.И. Газовые горелки инфракрасного излучения и их применение. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1977. - 252 с.
5. Горелка: пат. 2125204 Рос. Федерация. № 95112038/06; заявл. 01.07.94; опубл. 20.01.99, Бюл. № 1. - 5 с.
6. Горелочное устройство инфракрасного излучения: решение № 2012141632/06(067033) от 13.02.2013 о выдаче пат. на пол. модель; заявл. 28.09.2012. - 3 с.
7. Сибилев А.В. Электрические печи. - М.; Л.: Главредлитцвет-мет, 1934. - 739 с.
Поступила 23.01.2013 г.
