6.2. Методы сжигания топлива
Методы сжигания топлива можно классифицировать по:
• наличию или отсутствию факела – факельные (инжекционные горелки) и не факельные (каталитические, беспламенные горелки);
• сжиганию одного или нескольких различных топлив одновременно – монотопливные (сжигают или газ, или мазут) и политопливные, комбинированные (сжигают газ + мазут);
• температуре топлива и воздуха – холодные или с подогревом или топлива или воздуха или топливно-воздушной смеси;
• полноте использования топлива в процессе сжигания – одноступенчатые и многоступенчатые (когда на каждой ступени сжигания топлива сгорает лишь только его определенная часть). Многоступенчатые методы позволяют обеспечивать полное сжигание топлива при относительно низкой температуре.
• избытку воздуха при стехиометрическом расходе воздуха (при малом его избытке) или при большом избытке воздуха. Чем ближе количество воздуха к стехиометрии реакции горения, тем меньше вероятность образования в зоне высоких температур термических оксидов азота (NOХ) из N2 и О2 воздуха.
Беспламенное горение
Беспламенное горение – это горение топливно-воздушной смеси на поверхности раскаленных огнеупорных материалов. Существует множество технологий беспламенного горения. В качестве иллюстрации на рис. 6.2 приведена схема инжекционной беспламенной горелки, у которой сжигание топливно-воздушной смеси происходит в огнеупорном туннеле.
Рассмотрим работу беспламенной инжекционной горелки. Пуск горелки начинается с пламенного горения смеси в огнеупорном туннеле. По мере его разогрева увеличивают скорость подачи горючей смеси так, чтобы она превысила скорость ее горения. Иначе говоря, искусственно создаются условия для срыва пламени горелки, и горение топливно-воздушной смеси продолжается далее уже без пламени в сильно нагретом огнеупорном туннеле.
Рис. 9.2 Схема инжекционной беспламенной горелки
1 – сопло газовое; 2 – регулятор подачи воздуха; 3 – смеситель; 4 – насадка;
5 – огнеупорный туннель
Преимущества (+) и недостатки (-) беспламенной горелки по сравнению с обычной:
(+)
высокое, в расчете на объем туннеля, тепловыделение (тепловое напряжение), достигающее величины около 100 млн. кДж/ч·м3, что примерно на 2 порядка превышает тепловое напряжение пламенной горелки;
(-)
огнеупоры, применяемые для туннеля, должны обладать исключительно высокой термической прочностью, особенно и случае применения топлива с высокой жаропроизводительностью.
Каталитическое горение
Каталитическое горение топливно-воздушной смеси – это беспламенное горение углеводородного топлива, его глубокое окисление до СО2 и Н2О в присутствии катализаторов. Обычно для этой цели используют гетерогенные катализаторы, устойчивые при высокой температуре.
Катализаторы – вещества, изменяющие скорость химической реакции и не входящие в ее стехиометрическое уравнение.
В процессах сжигания топлива наиболее часто используют 2 группы катализаторов:
1) металлы, в качестве которых применяют Pt и Pd;
2) оксиды металлов - Cr2O3, Fe2O3, CuO.
В присутствии катализаторов первой группы процесс горения проводят при температуре 150 – 250°С, на катализаторах второй группы – при температуре 300-500°С.
Преимущества каталитического беспламенного горения – сравнительно низкие температуры и практически количественное (полное) сжигание топлива без избытка воздуха в топливно-воздушной смеси.
В качестве недостатков следует отметить достаточно высокую стоимость катализаторов на основе металлов платиновой группы, а также необходимость тщательной подготовки топлива, включая предварительную очистку топлива от соединений, снижающих эффективность каталитических нагревателей.
На рис. 6.3 приведена схема каталитического нагревателя, работающего на газе. Газ из баллона поступает через редуктор в камеру каталитического нагревателя. Сгорание газа происходит без пламени в слое катализатора на воздухе. Температура каталитического горения определяется типом катализатора и теплотворной способностью газообразного топлива и обычно составляет около 400°С. Производительность по теплу (тепловая нагрузка) такого нагревателя определяется конструкционными особенностями и составляет, как правило, (12–15)·103 кДж/ч.
Рис. 6.3 Схема каталитического нагревателя
1- баллон с газом, 2-редуктор, 3-каталитический нагреватель, 4-катализатор
Каталитические газовые нагреватели предназначены для обогрева фонтанной, регулирующей и запорной арматуры газовых промыслов, приборов автоматики и КИП (контрольно-измерительных приборов).
Широкое распространение каталитические нагреватели на жидком органическом топливе получили в качестве индивидуальных безопасных карманных печек для нефтяников, газовиков, геологов, разработчиков, буровиков.