Способ сжигания углеводородного топлива и устройство для его осуществления

 

Использование: в энергетике для сжигания углеводородного топлива. Сущность изобретения: способ сжигания углеводородного топлива заключается в том, что углеводородное топливо и воду нагревают до перехода их в парообразное состояние и их смешанные пары пропускают под давлением через нагретый катализатор с выделением водорода и окиси углерода в процессе катализа. Устройство для сжигания углеводородного топлива содержит корпус 1 с расположенным в нем испарителем 6, к которому подводят воду и жидкое топливо, гидрогенизационную камеру 2, плотно прилегающую к корпусу 1 и имеющую на наружной боковой поверхности винтовой паз 3, по всей длине которого уложен катализатор 4. Испаритель 6 выполнен в виде замкнутой емкости, сообщенной с гидрогенизационной камерой 2 и снабженной перепускным клапаном 11. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам сжигания углеводородного топлива и устройствам для его осуществления, и может быть использовано в топливосжигающих устройствах.

Известны горелки для сжигания топлива, содержащие корпус и форсунку для его распыления.

Недостатком этих горелок является невозможность полного окисления топлива кислородом воздуха, часть которого, превращаясь в окислы (СО) и твердые вещества (С), уносится в атмосферу, загрязняя окружающую среду.

Известен прибор для сжигания нефти в топках паровых котлов (патент СССР N 5403, кл. F 23 D 5/04, 1926), в котором осуществляют нагрев углеводородного топлива и воды до перехода их в парообразное состояние, смешивают их, а затем сжигают. Подача в зону горения кислородсодержащего компонента в виде водяного пара интенсифицирует процесс горения. Этот прибор содержит герметичный корпус с горелкой на выходе, внутри которого расположен испаритель, сообщенный с двумя магистралями, одна для подачи углеводородного топлива, а другая для воды.

Однако данные способ и устройство не позволяют организовать полное взаимодействие между компонентами воды и углеводородного топлива по всему объему поточного пространства. Это приводит к неполному сгоранию топлива и образованию вредных для окружающей среды веществ.

Задача изобретения создание способа сжигания жидкого углеводородного топлива, обеспечивающего активирование смеси паров углеводородного топлива и воды для полного их сгорания, а также разработка устройства для осуществления этого способа.

Для этого в способе сжигания углеводородного топлива, заключающемся в том, что нагревают углеводородное топливо и воду до перехода их в парообразное состояние, смешивают их, а затем сжигают, согласно изобретению смешанные пары под давлением пропускают через катализатор, нагретый до температуры, достаточной для взаимодействия парообразной смеси и катализатора с выделением водорода, при указанном давлении.

Преимуществом предлагаемого способа является высокая эффективность сжигания углеводородного топлива с получением безвредных продуктов горения. При использовании для сжигания паров водотопливной смеси после проведения реакции гидрогенизации появляются компоненты горючего газа легко воспламеняющиеся и легко окисляющиеся кислородом воздуха.

Для протекания химико-каталитических взаимодействий между компонентами в качестве катализатора целесообразно использовать металл платиновой группы.

В предлагаемом устройстве для сжигания жидкого углеводородного топлива, содержащем герметичный корпус с горелкой на выходе, внутри которого расположен испаритель, сообщенный с двумя магистралями, одна для подачи углеводородного топлива, другая для воды, согласно изобретению в корпусе установлена гидрогенизационная камера с катализатором, выход которой сообщен с горелкой, а вход с испарителем, выполненным в виде замкнутой емкости, разделенной на две части клапаном для перепускания углеводородного топлива и воды из одной части испарителя, сообщенной с двумя магистралями, в другую его часть, сообщенную с гидрогенизационной камерой.

Такое устройство позволяет простейшим образом реализовать вышеописанный способ и обладает всеми его преимуществами.

Для организации направленных потоков парообразных компонентов внутри корпуса и уменьшения габаритов устройства целесообразно магистрали для подачи углеводородного топлива и воды расположить коаксиально.

При протекании химико-каталитических реакций внутри гидрогенизационной камеры и особенно на выходе ее резко увеличивается давление, поэтому необходимо в магистрали подачи углеводородного топлива и воды установить саморегулирующийся питатель для установления внутри корпуса устройства гидродинамического равновесия.

Гидрогенизационная камера выполнена в виде спирального паза на внешней поверхности цилиндрического вкладыша, плотно вставленного в корпус так, что внутренняя поверхность корпуса служит крышкой этой камеры. Это позволяет простейшим образом при небольших габаритах устройства выбрать длину паза, а следовательно, и длину гидрогенизационной камеры такой, чтобы смесь воды и углеводородного топлива могла полностью прореагировать. Это обеспечит полноту сгорания топлива и отсутствие вредных веществ после сгорания.

Для обеспечения полноты протекания химико-каталитической реакции в гидрогенизационной камере необходимо, чтобы суммарная площадь поверхности катализатора была максимально возможной. Это достигается при выполнении катализатора в виде спирали.

На чертеже изображено устройство для сжигания углеводородного топлива в разрезе.

Устройство содержит герметичный корпус 1, выполненный из жаропрочного и химически инертного материала. Корпус 1 имеет цилиндрическую форму, в верхней его части (в плоскости чертежа) расположена кольцевая гидрогенизационная камера, которая выполнена в виде полого цилиндрического вкладыша 2, имеющего на наружной поверхности винтовой паз 3. Вкладыш 2 установлен в корпусе 1 без зазора с его стенками. Внутри паза 3 по всей его длине уложен катализатор 4, выполненный в виде спирали из металла платиновой группы. В полости вкладыша 2 установлен без зазора к нему полый цилиндрический переходник 5.

Внутренняя полость цилиндрического переходника 5 имеет два разных диаметра. В верхней части переходника 5 с большим внутренним диаметром установлен с зазором испаритель 6. Испаритель 6 выполнен в виде двух стаканов 7 и 8 центрального и периферийного, вставленных один в другой. Внутренний стакан 7 испарителя 6 с перегородкой 9 образуют замкнутую емкость. Стакан 7 имеет внутренний уступ 10.

В замкнутой емкости испарителя 6 установлен перепускной цилиндрический клапан 11 и контактирующая с ним пружина 12 растяжения. Клапан 11 выполнен полым с конусообразным основанием, которое упирается во внутренний уступ 10 стакана 7. В стенках клапана 11 выполнены четыре отверстия 13 для пропускания через них пара и жидкости в полость клапана 11. В верхней части испарителя 6 в стакане 7 выполнены восемь выходных отверстий 14, через которые замкнутая емкость испарителя 6 сообщена с полостью, образованной стаканами 7 и 8 испарителя 6 и стаканом 8 испарителя 6 и стенкой переходника 5. В верхней части стенки переходника 5 выполнены отверстия 15, которые сообщают вышеуказанную полость с пазом 3 вкладыша 2. В перегородке 9 замкнутой емкости испарителя 6 выполнены два входных отверстия 16 и входное отверстие 17. Через входное отверстие 17 в испаритель 6 по трубе 18 подается жидкое углеводородное топливо, а по трубе 19 через входные отверстия 16 вода. Трубы 18 и 19 расположены коаксиально, а именно труба 18 расположена внутри магистрали 19. Труба 19 установлена без зазора в полости с меньшим диаметром переходника 5. В нижней части (в плоскости чертежа) корпуса 1 трубы 18 и 19 снабжены саморегулирующимся питателем 20.

Питатель 20 состоит из двух элементов подвижного полого поршня 21 и неподвижного элемента 22. Подвижный полый поршень 21 установлен на внешней поверхности трубы 19 и имеет на своей внутренней поверхности две канавки 23 и 24. Поршень 21 поджат пружиной 25 к упорам на трубе 19. Неподвижный элемент 22 установлен внутри поршня 21 и перекрывает полости обеих труб 19 и 18. В неподвижном элементе 22 выполнены золотниковые отверстия 26, которые образуют с канавкой 24 поршня 21 канал для перепускания топлива из одной части трубы 18 в другую. Длина канавки 23 подвижного поршня 21 превышает длину неподвижного элемента 22. Таким образом золотниковые отверстия 27, выполненные в трубе 19, образуют с канавкой 23 канал для перепускания воды.

Питатель 20 плотно установлен в корпусе 1. Это гарантирует направленное течение паров от выходного отверстия 28 гидрогенизационной камеры через полость 29 к шести выходным отверстиям с горелками 30. Полость 29 образована внутренней поверхностью стенки корпуса 1, наружной поверхностью трубы 19 и торцовой поверхностью питателя 20.

Устройство для сжигания углеводородного топлива работает следующим образом.

Перед началом работы устройства наружную поверхность камеры нагревают до 500-600^оС. Затем по трубам 18 и 19 под давлением выше атмосферного подают воду и жидкое углеводородное топливо, например керосин.

Поскольку трубы 18 и 19 перекрыты неподвижным элементом дозатора, то вода через отверстие 27 поступает в канавки 23 на внутренней поверхности подвижного поршня 21 и через второе отверстие 27 вновь поступает в трубу 19. Топливо поступает по трубе 18 через отверстие 26 по канавке 24 на внутренней поверхности подвижного поршня 21 и через второе отверстие 26 вновь поступает в трубу 18. По трубам 18 и 19 топливо и вода достигают входных отверстий 16 и 17, через которые поступают в испаритель 6. Под давлением воды и топлива в испарителе 6 перепускной клапан 11 сместится в вертикальном направлении (в плоскости чертежа) и растянет контактирующую с ним пружину 12. В этот момент частично смешанные вода и топливо поступают в нижнюю часть испарителя 6. Происходит впрыск порции смеси внутрь клапана 11 через отверстия 13, которая, испаряясь, занимает всю верхнюю часть емкости испарителя 6. Возрастающее давление от испарения смеси воды и топлива в верхней части испарителя 6 прижмет клапан 11 к уступу 10 и перекроет доступ водотопливной смеси. Поступившая порция смеси от нагревания интенсивно испаряется и перемешивается, заполняет объем испарителя 6 и, достигнув отверстий 14, через них поступает в полость между стаканами 7 и 8. Обогнув стакан 8, смесь поступает в полость между стаканом 8 и переходником 5. Герметичное выполнение вышеуказанных полостей обеспечивает направленное движение парообразной смеси. Достигнув входных отверстий 15 вкладыша 2, парообразная смесь поступает в паз 3 с катализатором 4 гидрогенизационной камеры. В гидрогенизационной камере под действием давления и высокой температуры в парообразной смеси начинают образовываться горючие вещества. Образовавшиеся горючие вещества, пройдя вдоль всего паза 3, через выходные отверстия 28 гидрогенизационной камеры поступают в полость 29 и по ней достигают пространства между горелками 30 и питателем 20.

Повышение давления в области питателя 20 приводит к продольному смещению подвижного поршня 21 по трубе 19. Смещение подвижного поршня 2 приведет к сжатию пружины 25 и к изменению положения канавок 23 и 24 относительно отверстий 26 и 27, т.е. внутренняя поверхность подвижного поршня 21 перекроет отверстия 26 и 27 и прекратится подача топлива и воды к испарителю 6.

Выходящая из шести горелок 30 газообразная горючая смесь поджигается. Вокруг корпуса 1 устройства образуется факел пламени, разогревающий его поверхность до рабочих температур 1200-1300^оС. При установлении такой температуры в гидрогенизационной камере 2 в присутствии катализатора 4 платиновой группы начнут протекать химико-каталитические реакции с образованием водорода и окиси углерода.

Таким образом, предлагаемый способ сжигания углеводородного топлива заключается в нагреве углеводородного топлива и воды до перехода их в парообразное состояние, затем смешанные их пары под давлением пропускают через катализатор, нагретый до температуры, достаточной для взаимодействия парообразной смеси и катализатора с выделением водорода, при указанном давлении.

В результате сгорания части газообразной смеси давление внутри полости 29 упа- дет и пружина 25 вернет подвижный поршень 21 питателя 20 в первоначальное положение. Золотниковые отверстия 26 и 27 откроются и через канавки 23 и 24 вновь начнет поступать топливо и вода по трубам 18 и 19 к испарителю 6. Вновь в нижней части замкнутого объема испарителя 6 возрастет давление. Клапан 11 сместится в продольном направлении и порция смеси воды и топлива поступит через отверстия 14 на испарение, а затем на гидрогенизацию. Процесс повторяется снова до тех пор, пока не установится термодинамическое равновесие и устройство перейдет на устойчивый режим работы.

Таким образом, дублируя друг друга питатель 20, клапан 11 в автоматическом режиме обеспечивает стабильное горение факела в горелках 30. Клапан 11 выполняет запорную функцию и позволяет производить впрыск порций отдозированных компонентов смеси воды и топлива внутри испарителя 6. При испарении смеси многократно повышается давление во внутренних полостях устройства, это позволяет создать направленное движение продуктов химических реакций к горелкам 30. При сгорании продуктов химических реакций корпус 1 устройства нагревается до температур 1200 1300^оС. При такой температуре в пазе 3 гидрогенизационной камеры с катализатором 4 из металла платиновой группы при наличии избытка паров воды начнут протекать реакции ее термической диссоциации, например: H₂О _→ H + О + Н 219 ккал H₂О _→ Н + ОН 118 ккал.

Продукты диссоциации воды находятся в атомарном состоянии и, обладая повышенной химической активностью, будут энергично взаимодействовать с углеводородами, т. е. будет происходить реакция обмена между компонентами в присутствии катализатора из металла платиновой группы, в результате которой образуются простые соединения СО и Н₂, которые способствуют реакции горения.

В результате такого взаимодействия компонентов увеличивается вес легко сгорающих на воздухе газообразных веществ, продукты окисления которых не загрязняют окружающую среду.

Образовавшиеся в результате химических реакций тяжелые молекулы окиси углерода стабилизируют горение и предотвращают возможность образования "гремучего газа" и возникновение самовозбуждающихся цепных реакций.

Формула изобретения

1. Способ сжигания углеводородного топлива, заключающийся в том, что углеводородное топливо, находящееся в одном из трех фазовых состояний, предварительно смешивают с водой, смесь нагревают и испаряют, а образовавшиеся пары сжигают, отличающийся тем, что до процесса сжигания образовавшуюся смесь паров углеводородного топлива и воды под давлением выше атмосферного одновременно пропускают через катализатор и нагревают, выделяя в процессе катализа водород и оксид углерода.

2. Устройство для сжигания жидкого углеводородного топлива, содержащее герметичный корпус с горелкой на выходе, испаритель в виде двух стаканов, центрального и периферийного, вставленных один в другой с подсоединенными к нему трубами подачи топлива и воды, отличающееся тем, что вокруг испарителя с образованием кольцевого канала установлена кольцевая гидрогенизационная камера, плотно прилегающая к корпусу и имеющая на наружной боковой поверхности винтовой паз, по всей длине которого уложен катализатор, трубы для подачи топлива и воды расположены коаксиально, сообщены с центральным стаканом испарителя и образуют с корпусом кольцевой зазор, посредством которого гидрогенизационная камера сообщена по меньшей мере с одной горелкой, испаритель выполнен в виде замкнутой емкости, сообщенной с гидрогенизационной камерой и снабженной перепускным клапаном.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что трубы для подачи углеводородного топлива и воды снабжены саморегулирующимся питателем.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что катализатор выполнен в виде спирали из металла платиновой группы.

РИСУНКИ

Рисунок 1