Способ сжигания водородосодержащей смеси с сухим паром вместе с углеводородным топливом

Изобретение относится к технологии совместного сжигания углеводородного топлива, в частности, природного газа, нефти, мазута, дизельного топлива, спиртов, вместе с водородосодержащей смесью с сухим паром, которую получают, в частности, из жидкого навоза, сыворотки, воды, сточных вод, при этом обеспечивается снижение содержания вредных веществ в дымовых газах и снижения потребления углеводородного топлива, в частности, природного газа.

Предшествующий уровень техники

Известны различные способы сжигания топлива, преимущественно ископаемого топлива, в частности природного газа, или других его разновидностей, задачей которых является более полное его сжигание с минимальными выбросами вредных веществ в атмосферу.

Известен способ сжигания природного газа в потоке набегающего воздуха, который включает подачу воздуха, подачу природного газа через газораздаточные отверстия газогорелочных устройств, смесеобразование, поджигание смеси природного газа и воздуха, согласно изобретению, подачу природного газа осуществляют через газораздаточные отверстия, отношение расстояний между которыми к их диаметру составляет величину 2...5. Природный газ может подаваться перпендикулярно потоку набегающего воздуха. (Патент UA № 51844, опубликовано 16. 12. 2002 г., бюллетень № 12).

Известен способ сжигания природного газа, включающий его подачу через отверстия перпендикулярно потоку воздуха, подготовку однородной газовоздушной смеси, начальное горение, которой выполняют в первой камере, в которую подают природный газ, подачу нагретого воздуха, а полное сжигание оканчивают во второй камере за счет подачи дополнительного воздуха. (Патент UA № 72369, опубликовано 10.08.2012 г., бюллетень № 15). Недостатком известных вышеприведенных технических решений является использование для сжигания природного газа только воздушного потока с образованием смеси природного газа и воздуха, имеющего относительно низкую температуру, что не обеспечивает достаточно полное сгорание топлива (природного газа). Выбросы вредных веществ в атмосферу при этом не отвечают мировым нормативам.

Известен способ сжигания жидкого и газообразного топлива с вводом рециркулирующих дымовых газов в воздушный тракт горелочных устройств Рециркуляция дымовых газов через горелочные устройства позволяет снизить тепловые нагрузки экранов и перераспределить тепловосприятия поверхностей нагрева котлов, а также снизить выход оксидов азота. Однако для сокращения выхода оксидов азота при таком способе сжигания топлива газы рециркуляции нужно подавать в значительных объемах, что может привести к нарушению стабилизации процессов горения топлива с появлением сажи и оксида углерода, а тем самым - к уменьшению КПД котла и снижению надежности его работы. (Ахмедов Р. В. Основы регулирования топочных процессов. М.: Энергия, 1977, с. 245-248).

Снижение выхода оксидов азота достигается также применением способа сжигания топлива с вводом газов рециркуляции в воздушные короба до горелок. (Ахмедов Р. В. Основы регулирования топочных процессов. М.: Энергия, 1977, с. 248).

Кроме вышеуказанного недостатка, этому способу присущ и недостаток, связанный с загазованностью помещения котельной через неплотности воздушных коробов вследствие повышения сопротивления воздушного тракта из-за увеличения в нем объема газовоздушной смеси.

Известен способ одновременного сжигания жидкого и газообразного топлива при подаче их в топочную камеру с помощью вихревой горелки. Воздух подается центральным и периферийным кольцевыми потоками, а газы рециркуляции подают между потоками воздуха со скоростью, в 1,08-1 ,5 раза превышающей среднюю скорость центрального потока воздуха, жидкое топливо распыляется в центральный поток форсункой, расположенной по оси горелки, в газообразное топливо подается из кольцевого коллектора в периферийный поток воздуха (SU№1151761 , опубликовано: 23.04.1985).

Этому способу присущи следующие недостатки.

Чрезмерное охлаждение газами рециркуляции периферийной зоны факела для достижения требуемой температуры по условиям подавления оксидов азота в ядре горения, что приводит к неустойчивости горения. Кроме того, требуются значительные объемы газов рециркуляции, что влечет за собой рост энергетических затрат на собственные нужды, также большие потери с уходящими газами.

Известен способ сжигания воды вместе с топливом, реализующий как минимум три стадии разделения технологических потоков и включающий разделение подачи воды и углеводородного компонента, воду на первой стадии подают для нагрева и парообразования, на второй стадии осуществляют подачу углеводородного компонента, который перемешивают с паром методом инжектирования, смесь нагревают и направляют на третью и последующие стадии разогрева для получения топлива, полученное топливо с последней ступени направляют на вход системы на поджог для образования огневого факела, нагревающего технологический цилиндр многоступенчатого образования топлива, факела, часть топлива направляют на внешнее потребление. (WO2013/095190А1).

Недостатком известного способа является то, что уже на второй стадии получения водородосодержащего газообразного топлива нагретую воду смешивают с углеводородным компонентом, и таким образом углеводородный компонент (ископаемое топливо) принимает участие в дальнейшем разогреве воды, и для получения конечного продукта в способе (водородосодержащего газообразного топлива) его потребление существенно увеличивается.

Из уровня техники не выявлено технического решения тождественного предлагаемому. Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания высокоэкономичного, простого в эксплуатации способа сжигания водородосодержащей смеси с сухим паром вместе с топливом, имеющего высокую эффективность сгорания, низкий расход топлива и малый выброс парниковых газов, в том числе СО ² .

Поставленная задача решен в способе сжигания водородосодержащей смеси с сухим паром вместе с топливом, при котором водородосодержащую смесь с сухим паром получают из жидких смесей отходов или воды, используя при этом водородный генератор для расщепления жидкостей смеси на водород и кислород, затем с помощью индукционного подогревателя нагревают эту смесь до 100°С с образованием пара и далее из вышеупомянутой водородосодержащей смеси вместе с паром получают горючую водосодержащую смесь с сухим паром, путем постепенного нагрева этой смеси до конечной температуры 1200°С в, по крайней мере, четырех, связанных между собой секциях паровой рубашки корпуса теплогенератора, далее эту горючую смесь направляют в горелку, установленную в камере сгорания корпуса теплогенератора, в эту же камеру сгорания корпуса в другую горелку установленную соосно с первой горелкой одновременно направляют топливо, например, или природный газ, или нефть, или отработанное моторное масло или топливный мазут, при этом одновременно в нее и в камеру сжигания корпуса теплогенератора подают сжатый воздух, сжигание смеси осуществляют при температуре от 1300°С до 2500°С, причем количество топлива относительно горючей смеси водорода, кислорода с сухим паром составляет 2-50% в зависимости от жидких смесей отходов или воды.

В способе сжигания жидких смесей отходов вместе с топливом в качестве жидких смесей отходов могут использовать воду.

В способе сжигания жидких смесей отходов вместе с топливом в качестве жидких смесей отходов могут использовать жидкий навоз. В способе сжигания жидких смесей отходов вместе с топливом в качестве жидких смесей отходов могут использовать сточные воды

В способе сжигания жидких смесей отходов вместе с топливом в качестве жидких смесей отходов могут использовать смесь жидкого навоза со сточными водами.

Технический результат заключается в улучшении однородности фазового состояния смеси в зоне горения, что обеспечивает стабильность и постоянство огневого факела и, более эффективное сжигание всех вредных веществ. В итоге, в камере сгорания сжигается 99% вредных веществ, содержащихся в ископаемом топливе, резко снижается потребления ископаемого топлива - в частности, природного газа.

Таким образом, одновременное смешивание топлива и полученной из жидких отходов горючей смеси и сжигание в среде сжатого воздуха происходит уже в горелке, где не требуется использование нагретого ископаемого топлива для дополнительного нагрева водяного пара и, соответственно, оборудование может работать на 98% на водородосодержащей горючей смеси и только 2% углеводородного топлива для поддержания огненного факела в камере сгорания теплогенератора из-за того, что смесь преимущественно состоит из молекул И, О и перегретого сухого пара. Следовательно, происходит существенная экономия ископаемого топлива.

Из-за почти полного сгорания природного газа и использования в качестве топлива отходов сельского хозяйства также существенно снижаются выбросы парниковых газов, в том числе СО ² . При использовании в качестве ископаемого топлива природного газа его потребление составляет на 10-50% меньше, чем при любой известной технологии.

Предлагаемая технология сжигания топлива проста в эксплуатации и не требует сложного оборудования.

Ниже приводится описание конкретного примера осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей Фиг.1- схематически изображает способ сжигания жидких смесей отходов вместе с топливом.

Лучший вариант осуществления изобретения

Способ сжигания водородосодержащей смеси с сухим паром вместе с топливом осуществляют с помощью оборудования содержащего теплогенератор 1, корпус 2 которого имеет паровую рубашку 3, выполненную, по крайней мере, из четырех связанных между собой секций 4, 5, 6, 7. Внутри корпуса 2 установлена горелка 8 для подачи смеси сухого пара, водорода и кислорода в камеру сгорания корпуса 2, связанная трубопроводом 9 с секцией 7 паровой рубашки 3 корпуса 2. Соосно с горелкой 8 в корпусе 2 установлена горелка 10 для сжигания топлива, (природного газа), связанная трубопроводом 1 1 с источником природного газа (на чертеже не обозначено). Горелка 10 имеет также воздуховод 12 для подачи в нее сжатого воздуха. В торце корпуса 2 соосно горелкам 8 и 10 закреплен вентилятор 13 для подачи сжатого воздуха в полость корпуса 2. Кроме того, для подготовки к сжиганию жидких смесей отходов вместе с топливом устройство имеет емкость 14 для накопления жидких отходов, связанную трубопроводом 15 с водородным генератором 16, который связан трубопроводом 17 с индукционным подогревателем 18, имеющим трубопровод 19, выход которого связан с секцией 4 паровой рубашки 3, корпуса 2.

Теплогенераторное устройство работает следующим образом.

Для осуществления способа предварительно осуществляют подготовку жидких смесей отходов для образования водородосодержащей горючей смеси с сухим паром. Жидкие смеси отходов или вода, требуют предварительного хранения в емкости 14, их подают из емкости 14 в водородный генератор 16, в котором под действием постоянного электрического тока происходит ослабление межатомных связей в молекулах жидкости, что способствует их разложению на молекулы Н и О, при относительно низких температурах.

Образуется смесь жидкости и около 30% смеси атомарного водорода и кислорода. Затем полученную смесь подают в индукционный подогреватель 18, где смесь нагревают до 100°С и при этом образуется смесь из водорода, кислорода и пара. Далее образовавшуюся смесь с помощью трубопровода 19 подают в секцию 4 паровой рубашки 3 корпуса 2 для постепенного ее нагревания до 1200°С, путем последовательного прохождения по секциям 4, 5, 6, 7 паровой рубашки 3. На этой стадии происходит дальнейшее последовательное повышение температуры водродосодержащей горючей смеси и пара в каждой из четырех секций 4, 5, 6, 7 паровой рубашки 3 до конечной температуры 1200°С, а именно, в первой камере до 400-450°С, во второй до 500-700°С, в третьей до 700-800°С и в четвертой до 1000-1200°С. В итоге, на выходе из секции 7 мы имеем смесь сухого пара, водорода и кислорода. Которую подают в камеру сгорания корпуса 2 теплогенератора 1 через горелку 8. Одновременно осуществляют подачу топлива, например, природного газа в камеру сгорания корпуса 2 через горелку 10 и подачу сжатого воздуха на горелку 10 через воздуховод 12. Одновременно также подают сжатый воздух в камеру сгорания корпуса 2 с помощью вентилятора 13. для того, чтобы углеводородное топливо приводилось в контакт со сжатым воздухом в горелке 10 для сжигания углеводородного топлива и под дополнительным давлением попадало оттуда в камеру сгорания теплогенератора. Подача воздуха через вентилятор 10 в камеру сгорания корпуса 2 газогенератора 1 необходима для постоянного равномерного движения воспламененной смеси природного газа и горючей смесь сухого пара, водорода и кислорода в камере сгорания. Подача сжатого воздуха через воздуховод 12 сжатого воздуха в горелку 8 для сжигания природного газа в камере сгорания способствует его продвижению в камеру и более полному сгоранию. Совместное сжигание природного газа и горючей смеси сухого пара, водорода и кислорода, полученной из жидких отходов происходит при температуре от 1300°С - 2500°С при которой сжигается до 99% вредных веществ. Образующееся пламя под давлением воздуха проходит через всю камеру сгорания корпуса 2. Для поддержания высокой температуры на уровне в камере сгорания корпуса 2 ее внутренняя часть покрыта поликарбоном, который способен выдерживать высокие температуры от 1300 до 2500°С. Горелки изготавливают индивидуально для каждого вида углеводородного топлива и типа котла и печей для получения тепла, в том числе и пара. Горелки могут заменяться в теплогенераторе и, таким образом, имеется возможность переводить теплогенератор на различные виды углеводородного топлива так как происходит сжигание углеводородного топлива и водородосодержащей смеси с сухим паром в одной камере горения но подача происходит отдельно через разные горелки. После выхода оборудования на температурный режим 1800- 2200°С оно может работать на 98% на водородосодержащей горючей смеси и 2% углеводородного топлива для поддержания факела из-за того, что водородосодержащая смесь состоит из Н, О и перегретого пара.

Промышленная применимость

Наиболее успешно предлагаемый способ может найти применение в энергетических установках, в установках по переработке и утилизации бытовых и промышленных отходов коммунальных и частных предприятий. Тепловую энергию при реализации способа по полезной модели можно использовать в промышленности, коммунальном хозяйстве, учреждениях и частными лицами.

Экспериментальным путем подтверждено, что при реализации способа предлагаемого технического решения происходит сжигание в камере сгорания 99% вредных веществ, содержащихся в ископаемом топливе, в частности природном газе. Это отвечает требованиям большинства стран, особенно стран ЕС -резко сократить вредные выбросы и потребление природного газа.

Использование предлагаемого технического решения позволит сократить использование углеводородного топлива, например, природного газа на 98% и существенно снизить на 90% выброс в атмосферу вредных веществ, в том числе СО ² . Кроме того, использование предлагаемого технического решения решает проблему частичной утилизации бытовых и промышленных отходов, чем снижается негативное влияние на окружающую среду.