Способ сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха

005471 Область техники Изобретение относится к промышленности, коммунальному хозяйству, энергетике и другим отраслям промышленности, использующим природный газ в качестве энергоносителя, в частности к способам сжигания природного газа. Предшествующий уровень техники Известные способы сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха сформировались довольно давно. При осуществлении этих способов на практике реализуются принципы, которые позволяют при организации турбулизации потока и относительно равномерной газораздачи обеспечить смесеобразование для полного сжигания топлива. При этом стабилизация горения осуществляется за счет рециркуляции высокотемпературных топочных газов (аэродинамическая стабилизация), дежурного факела и нагретого тела. Основной проблемой при организации рабочего процесса газогорелочных устройств является осуществление смесеобразования и аэродинамической стабилизации потока за счет закрутки потока воздуха (Теория и практика сжигания газа, Т.6, под редакцией А.С. Иссерлина и М.И. Певзнера,Ленинград, Недра, Ленинградское отделение, 1975 г., с. 10-18, 47-57, 79-83). Главным недостатком такого способа является высокое гидравлическое сопротивление, относительно невысокая полнота сгорания и неравномерность температурного поля, что вызывает перегрев огнетехнического объекта. Закрутка потока не решает большинство проблем смесеобразования, а зачастую ухудшает экономические и экологические показатели газoгорелочного устройства, вызывает пульсации горения и т.д. Известен способ сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха, принятый за прототип,включающий подачу природного газа, подачу воздуха, смесеобразование, поджигание, стабилизацию(Теория и практика сжигания газа, Т.6, под редакцией А.С. Иссерлина и М.И. Певзнера, Ленинград,Недра, Ленинградское отделение, 1975 г., с. 10-18, 47-57, 79-83). Недостатком известного способа является недостаточно эффективное сжигание природного газа. Краткое раскрытие изобретения В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности сжигания природного газа за счет применения высокоэффективного способа сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха путем организации оптимальной структуры течения и интенсивного смесеобразования, обеспечивающего полное сжигание топлива. Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению в способе сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха, включающем подачу воздуха, подачу природного газа через газораздающие отверстия газогорелочных устройств, смесеобразование, поджигание смеси природного газа и воздуха, подачу природного газа производят через газораздающие отверстия, отношение расстояний между которыми к их диаметру составляет величину 2-5. Природный газ подают перпендикулярно набегающему потоку воздуха. Предлагаемый способ сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха обеспечивает максимально возможную полноту сгорания природного газа за счет 1) оптимизации газораздачи, при которой обеспечивается необходимое начальное разделение потока топлива; 2) эффективного смесеобразования воздуха и природного газа; 3) формирования устойчивой зоны рециркуляционного течения воздушным потоком снаружи и газом изнутри; 4) возможности эффективного охлаждения элементов газогорелочного устройства. Для максимальной реализации вышеуказанных возможностей сжигание природного газа в набегающем потоке воздуха производится следующим образом: газ подается через газораздающие отверстия,расположенные с определенным относительным шагом, а именно относительным шагом, составляющим 2-5 безразмерных единиц. Относительный шаг - отношение расстояния между осями газораздающих отверстий S к диаметру газораздающих отверстий d. Экспериментальные и теоретические исследования влияния широкого спектра режимных и конструктивных факторов на структуру течения и состав смеси в зоне обратных токов за системой струй стабилизатором, который находится на некотором расстоянии вниз по потоку за однорядной системой струй, позволили выявить основной фактор - относительный шаг расположения газораздающих отверстий и его оптимальное значение. Значение относительного шага,позволяющего реализовать оптимальный режим горения природного газа в набегающем потоке воздуха,колеблется в пределах 2-5. Применение относительного шага вне этого диапазона негативно отражается на процессе сжигания природного газа вследствие изменения среднего состава газосмеси в зоне обратных токов и ухудшения аэродинамической структуры течения. Аэродинамическая структура потока газовоздушной смеси считается оптимальной, если удачно взаимодействуют так называемые зоны обратных токов, которые существуют за каждой струей газосмеси. Эти индивидуальные зоны обратных токов соединяются в единую зону обратных токов за системой струй. Зона обратных токов образуется также при обтекании стабилизатора газовоздушной смесью. Средний состав смеси в зоне обратных токов за системой струй и за стабилизатором целиком зависит от относительного шага газораздающих отверсий и не зависит от их диаметра. Указанный диапазон значений относительного шага отверстий S/d=2-5 обу-1 005471 словлен тем, что проведения авторами исследования показали, что начиная с относительного шага S/d=5 и менее начинается существенное взаимовлияние струй газа, образуется единая зона взаимовлияния струй газа, образуется единая зона обратных токов за струями, которая способствует перераспределению смеси за струями, которая способствует перераспределению смеси за струями по сечению, выравниванию концентраций. Кроме этого, проведенные исследования показали, что именно с значения S/d=5 концентрация газов топливно-воздушной смеси в зоне стабилизации факела соответствует горючим пределам. Значение относительного шага S/d=2 соответствует минимально возможному шагу, при котором возможно горение в стабилизационной зоне, т.к. уменьшение относительного шага с 5 до 2 влечет за собой изменение концентрационных пределов газа в топливно-воздушной смеси с нижнего концентрационного предела воспламенения (S/d=5), при котором концентрация в зоне стабилизации составляет примерно 5% до верхнего концентрационного предела воспламенения (S/d=2),при котором концентрация составляет примерно 20%. При этом значение S/d=5 следует применять в горелочных устройствах, в которых требуется короткий факел и поддержание температуры продуктов сгорания не выше 1300-1400 С, а S/d=2 следует применять в устройствах, в которых требуется длинный светящийся факел. Кроме того, установлено, что именно в этом диапазоне относительных шагов происходит взаимодействие зоны рециркуляции, образованной системой струй, и зоны рециркуляции, образованной стабилизатором пламени, что приводит к увеличению размеров зоны рециркуляции и, соответственно, повышению устойчивости горения, что, в свою очередь, повышает эффективность сжигания природного газа. Таким образом, способ сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха может быть реализован в газогорелочном устройстве с различными конфигурациями корпусных элементов, в том числе плохообтекаемых. Краткое описание чертежей Далее приводится более подробное описание сущности изобретения с примерами конструктивной реализации заявляемого способа сжигания природного газа в горелочных устройствах огнетехнических объектов различного назначения и со ссылками на сопровождающие чертежи, где фиг. 1 - схема взаимодействия потока природного газа с зоной обратных токов, образованной прямоугольным углублением; фиг. 2 - общий вид газогорелочного устройства с прямоугольным углублением; фиг. 3 - схема взаимодействия потока природного газа с зоной обратных токов, образованной уступом; фиг. 4 - общий вид газогорелочного устройства с уступом; фиг. 5 - схема взаимодействия потока природного газа с зоной обратных токов, образованных конусом; фиг. 6 - общий вид газогорелочного устройства с конусом; фиг. 7 - схема взаимодействия потока природного газа с зоной обратных токов, образованных тором,фиг. 8 - общий вид газогорелочного устройства с тором; фиг. 9 - схема взаимодействия потока природного газа с зоной обратных токов, образованных пилоном; фиг. 10 - общий вид газогорелочного устройства с пилоном. Газогорелочное устройство, реализующее данный способ, содержит корпус 1, газораздающие отверстия 2 для выхода природного газа и образования газовоздушной смеси 3 в направлении зоны обратных токов 4, выполненные диаметром d, расположенные на расстоянии S. На фиг. 1, 2 представлена схема горелочного устройства, стабилизация горения в котором осуществляется рециркуляционным течением в нише, выполненной в корпусе стабилизатора. Данная схема применяется в объектах с высокими скоростями набегающего потока. Пример - фурмы металлургических печей, камеры сгорания газотурбинных двигателей. На фиг 3, 4 представлена схема горелочного устройства, стабилизация горения в котором осуществляется рециркуляционным течением за уступом, выполненным в корпусе стабилизатора. Данная схема применяется в объектах с высокими скоростями набегающего потока воздуха и жесткими требованиями к охлаждению стабилизатора. Пример - блоки дожигания высокотемпературных продуктов сгорания. На фиг. 5 и 6 представлена схема горелочного устройства, стабилизация горения в котором осуществляется рециркуляционным течением в конической полости, выполненной в торце корпуса стабилизатора. Данная схема применяется в горелочных устройствах круглой формы малого диаметра. Пример сушила, печи малой теплопроизводительности. На фиг. 7 и 8 представлена схема горелочного устройства, стабилизация горения в котором осуществляется рециркуляционным течением за торцом корпуса стабилизатора. Данная схема применяется в горелочных устройствах большой теплопроизводительности. Пример - обжиговые вращающиеся печи,нагревательные колодцы и т.д.-2 005471 На фиг. 9 и 10 представлен плоский элемент горелочного устройства, стабилизация горения в котором осуществляется рециркуляционным течением за торцом прямоугольной формы. Данная схема применяется в горелочных устройствах широкого назначения, к которым не предъявляются особые требования по скорости набегающего потока, температурному режиму и т.д. Вышеперечисленные схемы могут рассматриваться как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом. Лучший из вариантов осуществления изобретения Газогорелочное устройство, реализующее заявляемый способ, содержит корпус 1, газораздающие отверстия 2 для выхода природного газа и образования газовоздушной смеси 3 в направлении зоны обратных токов 4, выполненные диаметром d, расположенные на расстоянии S друг от друга. Газогорелочное устройство работает следующим образом. Природный газ подают в корпус 1 газогорелочного устройства и через газораздающие отверстия 2 направляют в набегающий поток воздуха,смешивают с ним, образуя газовоздушную смесь 3. Набегающий поток воздуха направляет газовоздушную смесь 3 в направлении зоны 4, образованную стабилизатором корпуса 1. Образовавшаяся при этом газовоздушная смесь воспламеняется, и пламя стабилизируется рециркуляционным течением в зоне обратных токов 4. При этом относительный шаг газораздающих отверстий 2 обеспечивает поддержание в зоне обратных токов 4 смеси в устойчивых пределах воспламенения, не зависящих от режимов работы горелочного устройства. Таким образом, сжигание природного газа с подачей последнего через газораздающие отверстия,выполненные с относительным шагом 2-5 перпендикулярно потоку воздуха перед зоной обратных токов,является высокоэффективным способом сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха, позволяющим производить эффективное смесеобразование, предоставляющим возможность обеспечения экологической чистоты газогорелочного устройства и надежности его работы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха, включающий подачу воздуха,подачу природного газа через газораздающие отверстия газогорелочных устройств, смешивание воздуха и природного газа, поджигание смеси воздуха и природного газа, стабилизацию факела, отличающийся тем, что подачу природного гaза производят через газораздающие отверстия, отношение расстояния между которыми к их диаметру составляет величину 2-5. 2. Способ сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха по п.1, отличающийся тем, что природный газ подают перпендикулярно набегающему потоку воздуха.