Способ сжигания горючих газовых смесей в реверс-процессе
Владельцы патента RU 2418239:
Учреждение Российской академии наук Институт химической кинетики и горения Сибирского отделения РАН (ИХКГ СО РАН) (RU)
Изобретение может быть использовано для утилизации низкокалорийных газовых смесей, обезвреживания горючих газообразных и жидких отходов, получения полезных химических продуктов. Способ характеризуется тем, что для сжигания используют два типа горючих газовых смесей и периодически осуществляют фильтрацию каждого типа газовой смеси через инертную пористую среду в одном направлении, причем состав, скорость фильтрации и концентрацию горючего компонента каждого типа газовой смеси выбирают так, чтобы обеспечить встречное движение бегущей волны горения в газовой смеси первого типа направлению фильтрации и спутное движение бегущей волны горения в газовой смеси второго типа направлению фильтрации. Периодичность фильтрации сжигаемых смесей устанавливают по положению бегущей волны горения в соответствующих координатах, или по выбранному временному интервалу движения бегущей волны горения в соответствующих координатах, или термопарным методом. Использование двух типов горючих газовых смесей позволяет изменить направление бегущей волны горения без изменения направления фильтрации сжигаемых смесей и продуктов горения. Однонаправленность продуктов горения исключает их влияние на клапанную систему переключения подачи газовых смесей и позволяет использовать для теплоотвода всего один теплообменник. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к способам сжигания горючих газов и паров и может быть использовано для утилизации низкокалорийных газовых смесей, обезвреживания горючих газообразных и жидких отходов, получения полезных химических продуктов.
Известен способ сжигания горючих газовых смесей в реверс-процессе с бегущими волнами горения в спутном режиме фильтрационного горения. Способ заключается в периодическом изменении направления распространения бегущей волны горения посредством изменения прямого направления фильтрации газовой смеси через инертную пористую среду на противоположное, т.е. газовая смесь подается через выход продуктов горения предыдущей бегущей волны горения. В этом случае бегущая волна горения, двигающаяся по потоку, изменяет свое направление движения с прямого на обратное, оставаясь спутной по отношению к направлению фильтрации [1, 2, 3].
Однако в этом способе высокотемпературные продукты горения контактируют с клапанами системы, переключающими подачу газовой смеси с одного направления на другое, что снижает ресурс и надежность этого компонента системы, возможно дополнительное разбавление газовой смеси продуктами сгорания, для теплоотвода используются два теплообменника на выходах устройства, которые необходимо согласовывать.
Задачей изобретения является устранение влияния горячих продуктов горения на клапаны системы переключения и свежую горючую смесь, использование одного теплообменника за счет сохранения неизменным направление фильтрации сжигаемой смеси.
Поставленная задача решается заявленным способом сжигания горючих газовых смесей в реверс-процессе, который, как и известный способ-прототип, осуществляется посредством фильтрации сжигаемой газовой смеси через инертную пористую среду с изменением направления движения бегущей волны горения.
В отличие от прототипа в заявленном способе используют для сжигания два типа газовых горючих смесей и периодически осуществляют фильтрацию каждого типа газовой смеси через инертную пористую среду в одном направлении, причем состав, скорость фильтрации и концентрацию горючего компонента каждого типа газовой смеси выбирают так, чтобы обеспечить встречное движение бегущей волны горения в газовой смеси первого типа направлению фильтрации и спутное движение бегущей волны горения в газовой смеси второго типа направлению фильтрации.
Периодичность фильтрации газовых смесей первого и второго типов устанавливают по положению бегущей волны горения в соответствующих координатах, или по выбранному временному интервалу движения бегущей волны горения в соответствующих координатах, или термопарным методом.
Использованные для сжигания газовые смеси первого и второго типов либо различаются по физико-химическому составу, либо имеют одинаковый физико-химический состав с различной концентрацией горючего компонента.
Концентрация горючего компонента в газовой смеси первого типа превышает концентрационный предел, а скорость фильтрации этого типа смеси меньше скорости сгорания газовой смеси в условиях рекуперативного теплообмена в пористой среде. В этом случае в газовой смеси первого типа инициируется бегущая волна горения, которая движется навстречу газовому потоку и прогревает пористую среду. Концентрация горючего компонента в газовой смеси второго типа в зависимости от физико-химического состава может быть как выше, так и ниже концентрационного предела и выбирается достаточной для воспламенения от прогретой пористой среды. Направление бегущей волны горения в газовой смеси второго типа совпадает с направлением фильтрации и горение осуществляется в спутном режиме.
В заявленном способе существование бегущих волн горения обеспечивается двумя факторами:
1) прогревом пористой инертной среды встречной волной горения, что дает возможность существования горения в горючих смесях с концентрацией горючего компонента ниже предела.
2) устойчивой волной горения в спутном режиме.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами:
Фиг.1 - схема реактора для реализации заявленного способа.
Фиг.2 - зависимости координаты бегущей волны горения и температуры стенки реактора от времени, полученные по положению бегущей волны горения.
Фиг.3 - зависимости координаты бегущей волны горения и температуры стенки реактора от времени, полученные по временному интервалу бегущей волны горения.
Фиг.4 - зависимость температур стенки реактора, измеряемых в двух точках, от времени.
Фиг.5 - зависимость температуры продуктов горения от времени.
Заявленный способ реализуется в реакторе, схема которого представлена на фиг.1. Реактор состоит из корпуса (трубы) 1, заполненного инертной пористой средой 2, блока управления 3, соединенного с датчиками положения бегущей волны горения 4 и 5 (например термопары), системы переключения 6 (трехходовой вентиль) с входами 7 - подачи газовой горючей смеси первого типа и 8 - подачи газовой смеси второго типа. На фиг.1 также обозначены: 9 - газовая смесь первого типа, 10 - газовая смесь второго типа, 11 - встречная бегущая волна, 12 - спутная бегущая волна, 13 - продукты горения.
В качестве датчиков положения 4 и 5, кроме термопар, могут быть датчики положения бегущей волны горения в соответствующих координатах, датчики временного интервала движения бегущей волны горения в соответствующих координатах.
Поперечные размеры реактора и расход газовых горючих смесей подбираются так, чтобы обеспечить встречное направление бегущей волны горения при фильтрации газовой смеси первого типа и спутное направление бегущей волны горения при фильтрации газовой смеси второго типа.
Работа реактора (фиг.1) осуществляется следующим образом. Вентилем 6 открывают вход 7 и газовая смесь первого типа 9 поступает в пористую среду 2 корпуса 1. В верхней части реактора инициируется бегущая волны горения 11, которая движется встречно потоку горючей смеси 9 до термопары 5, сигнал с которой поступает в блок управления 3, который переключает вентиль 6 на вход 8. В пористую среду 2 корпуса 1 начинает поступать в том же направлении газовая смесь второго типа 10, которая воспламеняется от прогретой пористой среды. Возникает спутная бегущая волна горения 12. Поддержка горения в этом случае осуществляется за счет отдачи тепла спутной бегущей волне горения предварительно прогретой пористой средой 2. При достижении бегущей волной горения термопары 4 сигнал поступает в БУ 3, по команде которого вентиль 6 переключается на вход 7 и в реактор поступает газовая смесь первого типа 9. Поскольку направление фильтрации газовых смесей 9 и 10 не изменяется, то направление движения продуктов горения 13 остается неизменным.
Заявленный способ подтверждается приведенными примерами. Результаты экспериментов даны в графической форме.
Использовалась инертная пористая среда - кольца Рашига, на основе Al2O3, с характерными размерами: Dвнешн=5 мм, dвнутр=1 мм, длина 5 мм, пористость среды ε=0.59.
Реактор: кварцевая труба с внешним диаметром 50 мм, толщина стенки 2 мм.
В таблице каждого примера показаны основные параметры используемых горючих газовых смесей и показания датчиков положения.
V1 и V2 - скорости фильтрации газовых смесей, соответственно первого и второго типов.
Пример 1, фиг.2.
Переключение подачи газовых смесей осуществляется визуально по положению волны горения в соответствующих координатах.
X1 - координата переключения подачи с газовой смеси 1-го типа на газовую смесь 2-го типа.
Х2 - координата переключения подачи с газовой смеси 2-го типа на газовую смесь 1-го типа.
Х - координата бегущей волны горения (черные квадраты) от времени.
Т - температура стенки реактора от времени (серый штрихпунктир). Значком Т/п отмечено положение термопары на стенке реактора.
| Горючая смесь первого типа | Горючая смесь второго типа | ||
| CH4 8%+воздух | CH4 4%+воздух | ||
| V1, см/с | X1, см | V2, см/с | X2, см |
| 26 | 7 | 56 | 14 |
Колебания температуры симметричны в силу периодичности движения бегущих волн горения. Температура максимальна в нижнем положении бегущей волны горения, т.к. термопара находится в потоке горячих продуктов горения.
Пример 2, фиг.3.
Переключение подачи газовых смесей первого и второго типов осуществляется по временному интервалу движения бегущей волны горения.
Х - координата бегущей волны горения (черные квадраты) от времени.
Т - температура стенки реактора от времени (серый штрихпунктир). Значком Т/п отмечено положение термопары на стенке реактора.
Δt1 - временной интервал движения волны горения в газовой смеси первого типа.
Δt2 - временной интервал движения волны горения в газовой смеси второго типа.
При достижении заданного временного интервала осуществляется переключение подачи на другой тип газовой смеси.
| Горючая смесь первого типа | Горючая смесь второго типа | ||
| CH4 7.5%+воздух | CH4 3.5%+воздух | ||
| V1, см/с | Δt1, мин | V2, см/с | Δt2, мин |
| 26 | 8 | 56 | 4 |
Пример 3, фиг.4.
Переключение подачи газовых смесей первого и второго типов осуществляется термопарным методом.
Две термопары закреплены на расстоянии 4 см друг от друга на корпусе реактора.
Т1 - термопара, установленная ближе к входу газовой смеси (поз.5, фиг.1).
Т2 - термопара, установленная ближе к выходу продуктов горения (поз.4, фиг.1).
При достижении встречной волной горения точки установки термопары Т1 происходит рост температуры до определенного значения. При температуре на термопаре Т1, равной Тпереключения~560°С, происходит переключение на 2-й тип горючей смеси.
Образовавшаяся волна горения движется в спутном режиме до термопары Т2.
При Тпереключения ~560°С происходит переключение на первый тип смеси.
| Горючая смесь первого типа | Горючая смесь второго типа | ||
| CH4 7.5%+воздух | CH4 3.5%+воздух | ||
| V1, см/с | Тпереключения, °C | V2, см/с | Тпереключения, °C |
| 25,3 | ~560 | 49,2 | ~560 |
Т.к. термопара Т2 находится при температуре продуктов горения, то колебания показаний на ней существенно ниже, чем на термопаре Т1.
Пример 4, фиг.5.
Переключение подачи газовых смесей первого и второго типов осуществляется термопарным методом по температуре продуктов горения.
Т - температура продуктов горения от времени (черная квадраты). Термопара располагалась в 22 см от конца пористой среды в потоке продуктов горения. При встречном движении бегущей волны горения происходит уменьшение температуры продуктов горения, при спутном движении температура продуктов горения растет.
| Горючая смесь первого типа | Горючая смесь второго типа | ||
| CH4 7.5%+воздух | CH4 3.5%+воздух | ||
| V1, см/с | Тпереключения, °C | V2, см/с | Тпереключения, °C |
| 25,3 | ~380 | 49,2 | ~420 |
Из приведенных чертежей видно, что заявленный способ сжигания горючих газовых смесей в реверс-процессе с бегущими волнами горения является воспроизводимым и периодическим. При сжигании газовой смеси второго типа горение поддерживается за счет предварительно прогретой пористой среды сжиганием горючей смеси первого типа.
Таким образом, в заявленном способе сохраняется однонаправленность фильтрации сжигаемых смесей и продуктов горения и, следовательно, продукты горения не влияют на подаваемую горючую смесь и клапаны системы переключения, что повышает их надежность и срок службы, причем неизменное направление потока продуктов горения позволяет использовать для теплоотвода только один теплообменник.
Литература
1. Киселев О.В., Матрос Ю.Ш., Бунимович Г.А., Носков А.С., Загоруйко А.Н., Иванов А.Г. Осуществление каталитических процессов в режиме формирования и распространения теплового фронта в неподвижном слое каталзатора. // Распространение тепловых волн в гетерогенных средах. // Под. Ред. Ю.Ш.Матрос. - Новосибирск: Наука, 1988, 288 с.
2. Hoffman J.G., Echigo R., Yoshida H., Tada S.Experimental study on combustion in porous media with reciprocating system. Combust. Flame, 1997, v.111, p.32-46.
3. Бабкин B.C., Бунев В.А., Какуткина Н.А., Лаевский Ю.М., Намятов И.Г. Проблемы реверс-процесса с газофазной реакцией окисления метана. - Горение и плазмохимия, 2003, T.1, №4, с.357-370.
1. Способ сжигания горючих газовых смесей в реверс-процессе, включающий фильтрацию сжигаемых смесей через инертную пористую среду с изменением направления движения бегущей волны горения, отличающийся тем, что для сжиганиия используют два типа горючих газовых смесей и периодически осуществляют фильтрацию каждого типа газовой смеси через инертную пористую среду в одном направлении, причем состав, скорость фильтрации и концентрацию горючего компонента каждого типа газовой смеси выбирают так, чтобы обеспечить встречное движение бегущей волны горения в газовой смеси первого типа направлению фильтрации и спутное движение бегущей волны горения в газовой смеси второго типа - направлению фильтрации.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодичность фильтрации сжигаемых газовых смесей устанавливают по положению бегущей волны горения в соответствующих координатах, или по выбранному временному интервалу движения бегущей волны горения в соответствующих координатах, или термопарным методом.
