Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 8
1.1. Методы конверсии метана в синтез газ 8
1.1.1. Паровой риформинг метана 9
1.1.2. Парциальное окисление метана в синтез-газ 11
1.1.3. Автотермический риформинг 13
1.1.4. Комбинированный риформинг 14
1.1.5. Получение синтез-газа в горелочных устройствах на основе пористых материалов 17
1.2. Механизмы образования и методы снижения выбросов СО и NOx в
камерах сгорания газотурбинных установок (ГТУ) 27
1.2.1. Механизм образования оксидов азота NOx 28
1.2.2. Механизм образования монооксида углерода 33
1.2.3. Методы снижения выбросов СО и NOx в камерах сгорания ГТУ
1.3. Влияние добавок водорода на скорость горения метановоздушных смесей 41
1.4. Малоэмиссионное горение метановоздушных смесей в проницаемых
матричных горелках 49
ГЛАВА 2. Парциальное окисление метана в синтез-газ в горелочных устройствах (конвертерах) на основе объемных проницаемых матриц 53
2.1. Методика проведения эксперимента 53
2.2. Термодинамический анализ продуктов парциального окисления метана 55
2.3. Сопоставление плоских и объемных пенометаллических матриц в качестве конвертеров для получения синтез-газа 58
2.4. Конвертер на основе объемной шестигранной матрицы. Роль дополнительного отражателя (экрана)
2.5. Конвертеры на основе сеточных матриц. Влияние материала матрицы, концентрации кислорода в окислителе и удельной тепловой нагрузки
2.6. Влияние геометрических параметров конвертера. Конвертер па основе двух плоскопараллельных пластин пенохромаля 72
ГЛАВА 3. Определение нормальной скорости горения водород-метан-воздушных смесей при повышенных начальных давлениях и температурах 78
3.1. Методика проведения эксперимента 80
3.2. Скорость горения метановоздушных смесей 86
3.3. Скорость горения водород-метан-воздушных смесей с концентрацией водорода в метане 10% об 90
3.4. Скорость горения водород-метан-воздушных смесей с концентрацией водорода в метане 20% об 92
ГЛАВА 4. Разработка малоэмиссионных камер сгорания на основе объемных проницаемых матриц 98
4.1. Методика проведения эксперимента 98
4.2. Горение метановоздушных смесей в однокамерном горелочном устройстве с использованием матрицы из плоскопараллельных пенометаллических пластин 100
4.3. Горение метановоздушных смесей в многокамерном горелочном устройстве 106
Основные результаты работы и выводы 118
Список литературы
- Автотермический риформинг
- Сопоставление плоских и объемных пенометаллических матриц в качестве конвертеров для получения синтез-газа
- Скорость горения водород-метан-воздушных смесей с концентрацией водорода в метане 10% об
- Горение метановоздушных смесей в однокамерном горелочном устройстве с использованием матрицы из плоскопараллельных пенометаллических пластин
Введение к работе
Актуальность работы
Актуальность работы определяется ее непосредственной связью с двумя важнейшими проблемами современной энергетики: необходимостью создания эффективных технологий конверсии обильных ресурсов природного газа в жидкие углеводороды и моторное топливо, и необходимостью повышения экологических характеристик энергетических установок и двигателей, работающих на природном газе.
В настоящее время большинство промышленных технологий химической конверсии углеводородных газов, в том числе в жидкие углеводороды и моторное топливо, основаны на их предварительной конверсии в синтез-газ. На эту сложную энергоемкую и капиталоемкую стадию приходится до 70% всех затрат при производстве конечных продуктов. Поэтому создание более простых и эффективных методов получения синтез-газа является одним из приоритетных направлений нефте- и газохимии.
Горелочные устройства на основе проницаемых объемных матриц, обеспечивающие в режиме ламинарного приповерхностного горения газа высокий уровень рекуперации тепла продуктов, открывают принципиально новые возможности расширения пределов горения газовых смесей. Тем самым открывается возможность как эффективной конверсии богатых углеводородных смесей в синтез-газ, так и экологически чистого сжигания бедных топливовоздушных смесей с низкой эмиссией NOx и СО.
Цель работы. Разработка компактных генераторов синтез-газа и малоэмиссионных камер сгорания на основе горелочных устройств с применением проницаемых объемных матриц.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: ^Экспериментально исследовать процесс конверсии природного газа в синтез-газ
в горелочных устройствах на основе проницаемых объемных матриц;
2) Исследовать влияние добавок водорода на скорость горения метановоздушных
смесей при повышенных давлениях;
3) Исследовать возможность создания малоэмиссионных камер сгорания на основе
объемных матричных горелочных устройств. Научная новизна
-
Установлено, что распределение продуктов парциального окисления метана не зависит от геометрических параметров и материала объемной проницаемой матрицы, а использование в качестве окислителя воздуха, обогащенного кислородом, расширяет пределы горения и увеличивает концентрацию водорода и монооксида углерода в продуктах процесса;
-
Выявлена зависимость нормальной скорости горения метана от добавок водорода при повышенных давлениях;
-
Установлено, что в процессе горения метановоздушных смесей в горелочных устройствах на основе объемных проницаемых матриц достигается низкая
эмиссия оксидов азота и монооксида углерода как при атмосферном, так и при повышенных давлениях. Практическая значимость
-
Определены оптимальные конструктивные параметры и материалы для горелочных устройств на основе проницаемых объемных матриц;
-
Разработан реактор синтез-газа на основе проницаемых объемных матриц производительностью по синтез-газу 12 м /ч;
-
Разработан и испытан прототип малоэмиссионной камеры сгорания для газотурбинных установок (ГТУ) с горелочным устройством на основе проницаемых объемных матриц.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской молодежной конференции «Успехи химической физики» (Черноголовка, 2011 г.), 4th European Conference for Aerospace Sciences EUCASS 2011 (Санкт-Петербург, 2011 г), X Школе-конференции молодых ученых по нефтехимии (Звенигород, 2011 г.), XXIII Симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2011), Ежегодной научной конференции отдела горения и взрыва ИХФ РАН (Москва, 2012), IV Всероссийской конференции по химической технологии с международным участием ХТТ2 (Москва, 2012 г.), IV Российской конференции «Актуальные проблемы нефтехимии» (Звенигород, 2012), Ежегодной научной конференции отдела горения и взрыва ИХФ РАН (Москва, 2013), VII Международном симпозиуме «Горение и плазмохимия» (Алматы, 2013), XXV Конференции «Современная химическая физика» (Туапсе, 2013).
Публикации. Результаты работы представлены в 16 публикациях, включая 3 статьи в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, 4 статьи в научных сборниках, 1 статью в журнале «Горение и плазмохимия», патент РФ, материалы 7 научно-технических конференций.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографического списка. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 8 таблиц и библиографию из 102 наименований.
Автотермический риформинг
Процесс получения синтез-газа парциальным окислением метана был разработан компаниями Texaco и Shell в 1945 году [2], он проводится при высоких температурах (1300-1600 С) и давлении до 15,0 МПа. Процесс протекает по реакции (2), является газофазным и не требует использования катализаторов, что позволяет избежать таких проблем, как отравление катализатора, потеря его стабильности и активности, регенерация. В качестве окислителя используют кислород, который берется в избытке по отношению к стехиометрическому соотношению для реакции (2) с тем, чтобы обеспечить полную конверсию метана. Однако в этом случае образуется некоторое количество продуктов полного окисления СОг и Н20 и, как следствие, могут протекать реакции парового и углекислотпого риформинга метана
Несмотря на то, что процесс паровой конверсии метане наиболее изучен и большую часть синтез-газа в промышленности получают именно этим способом, существует огромный интерес к исследованию парциального окисления. Помимо отсутствия проблем, связанными с катализаторами, в процессе парциального окисления удается получить синтез-газ с соотношением Н2/СО близкое к 2, которое наиболее привлекательно для дальнейшего синтеза на основе процесса Фишера-Тропша. На рис. 1.2 представлена принципиальная схема процесс парциального окисления метана с использованием в качестве окислителя кислорода. Из схемы можно увидеть, что процесс прост в аппаратурном оформлении. Еще одним преимуществом процесса парциального окисления является возможность получения синтез-газа окислением практически любого углеводородного сырья, в том числе и твердого. Однако в этом случае появляются проблемы удаления сажи, содержание которой в газе конверсии находится в пределах 0,5 - 2,5% масс, а так же соотношение Н2/СО становится близким к 1.
Процесс парциального окисления, несмотря определенные недостатки, благодаря более простому технологическому оформлению получил широкое распространение. В мире на 2007 год существовало более 320 установок, в основном построенным по технологиям компаний Texaco, Shell и Lurgi [4].
Ввиду высокой стоимости кислорода, некоторые исследователи предлагают проводить парциальное окисление с использованием в качестве окислителя воздуха. Однако в этом случае увеличивается объем газа за счет разбавления азотом и возрастают затраты на компрессорное оборудование, энергию, а так же увеличиваются размеры реакторов. В [5] рассматривали процесс парциального окисления метана воздухом, а в [6] - кислородов. Авторы работ [7] и [8] сравнили затраты на проведение процесса с использованием чистого кислорода и воздуха. По данным этих работ оказалось, что проведение парциального окисление с использованием чистого кислорода может быть дешевле в 2 раза. Автотермический риформинг является разновидностью парового риформиига. Часто автотермический риформинг называют еще каталитическим парциальным окислением. Отличием автотермического риформинга от паровой конверсии является способ подвода тепла в зону реакции, осуществляемый не через стенку реактора, а непосредственно внутри него за счет частичного парциального окисления метана. Впервые технология автотермического риформинга была реализована в конце 1950-х годов компанией Haldor Topsoe [9] и изначально использовалась для синтеза аммиака и метанола. После некоторых усовершенствований в 1990-х годах появилась возможность получать синтез-газ и для других процессов. Автотермический риформинг сочетает в себе парциальное окисление (2) и паровую конверсию (1), которые протекают в одном реакторе. На входе в реактор (рис. 1.3) происходит частичное парциальное окисление метана, за счет чего температура смеси поднимается до 1200-1250 С. Далее смесь поступает на катализатор, который должен обладать высокой термической стабильностью. Таким катализатором является никель на оксиде алюминия в форме колец Рашига. Произведенный синтез-газ не содержит сажи, а его температура после слоя катализатора составляет 870-955 С [10].
Процесс автотермического риформинга может протекать в широком диапазоне температур и давлений, а так же состава сырья и соотношения пар/углерод. Соотношение Н2/СО в получаемом синтез-газе можно регулировать, изменяя соотношение пар/углерод или кислород/углерод в исходной смеси.
Комбинированный риформинг используется, главным образом, для получения аммиака, метанола и искусственных жидких топлив. Он представляет собой комбинацию процессов паровой конверсии и, следующим за ней, автотермическим риформингом. Такое сочетание позволяет проводить паровой риформинг при более низкой температуре 700-800 С, а непрореагировавшии метан далее конвертируется в ректоре автотермического риформинга. Окислителем может служить воздух или кислород. На сегодняшний день комбинированный риформинг широко используется таким компаниями, как Lurgi и Haldor Topsoe. Комбинированный риформинг позволяет получать синтез-газ с оптимальным соотношением водорода и оксидов углерода. На основе установки комбинированного рпформинга компанией Lurgi построен завод синтеза метанола производительностью 9 тыс. т/сут [2].
Каждый из процессов получения синтез-газа имеет свои преимущества и недостатки. Кроме того, синтез-газ, получаемый разными методами, имеет различный состав. В таблице 1.1 приведены наиболее важные показатели процессов получения синтез-газа [2].
Если сравнивать преимущества и недостатки этих методов, то преимуществом паровой конверсии является отсутствие необходимости в кислороде, что повышает взрывобезопасность процесса и устраняет необходимость в установке по разделению воздуха. Так же к преимуществам данной технологии можно отнести многолетний опыт конструирования и использования установок парового рпформинга. К недостаткам процесса относятся высокая металлоемкость трубчатых риформеров, что увеличивает стоимость оборудования, большое потребление воды и выбросы оксидов азота. Плюсами парциального окисления являются относительная простота аппаратурного оформления и соотношение Н2/СО, близкое к 2 и благоприятное для дальнейшего синтезе Фишера-Тропша. Минусом является использование в качестве окислителя кислорода, что требует строительства установки по разделению воздуха и повышенного внимания к взрывобезопасности. Процесс автотермического рпформинга более гибок к составу сырья, условиям проведения и более прост в аппаратурном оформлении, чем паровая конверсия. Недостатком, как и для парциального окисления, является использование кислорода. Комбинированный риформинг отличается высокой производительностью и возможностью проводить процесс паровой конверсии в более мягких условиях. Недостатками являются использование воды и кислорода.
Сопоставление плоских и объемных пенометаллических матриц в качестве конвертеров для получения синтез-газа
Методы снижения выброса СО основаны на представлениях о физико-химических закономерностях его образования: - обеспечения в зоне горения состава смеси близкого к а = 1,1 ...1,3; - увеличения объема зоны горения и времени пребывания в пей продуктов горения, что особенно актуально для топливовоздушных смесей (ТВС)са 1,3; - если смесь в зоне горения имеет а 1,3, то необходимо стремиться к диффузионному горению, т.е. компоненты подавать в камеру раздельно, предварительно их не перемешивая. Однако перечисленные методы приводят к резкому увеличению образования NOx, поэтому их невозможно полностью реализовать в малоэмиссионных камерах сгорания (МКС). Только в очень узком диапазоне температур пламени (Гш, = 1750... 1850 К) можно одновременно добиться требуемых уровней выбросов NOx и СО. В конечном итоге большинство непростых технических решений направлены на то, чтобы обеспечить нужный уровень температур пламени во всем объеме зоны горения, исключив «горячие» локальные области на номинальном режиме. Еще сложнее удержать этот уровень во всем рабочем диапазоне мощностей ГТУ [46].
Таким образом, основные усилия по снижению выбросов ГТУ направлены именно на снижение эмиссии NOx. Основными факторами, влияющими на концентрацию NOx, являются температура в зоне реакции и время пребывания топливно-воздушной смеси в области высоких температур. Оксиды азота NOx, основную часть которых составляет окись азота N0, образуются в результате окислении азота воздуха при температуре Г, 1750 К.
Среди основных мер снижения эмиссии NOx, - гомогенизация смеси, предварительное смешивание топлива с воздухом для исключения локальных зон повышенных температур и организация горения "бедной" топливовоздушной смеси (а 2). Однако при традиционной организации горения снижение температуры горения ниже 1600 К может привести к повышению концентрации окиси углерода СО и сужению диапазона устойчивого горения бедной смеси. При традиционной конструкции камеры сгорания низкие концентрации оксидов азота NOx и углерода СО обеспечиваются только при поддержании температуры горения в ограниченном ди апазоне (Г,- = 1600.. .1750 К). Следовательно, малоэмиссионная камера сгорания (МКС) конвертированного ГТД должна удовлетворять ряду противоречивых требований: обеспечивать низкие выбросы NOx и СО, надежный запуск, устойчивое горение на пониженных режимах работы ГТУ и др.
В настоящее время основные способы обеспечения низкой эмиссии NOx: «сухой» способ организации процесса горения - «богато-бедное» горение; «сухой» способ организации процесса горения - «бедное» горение предварительно перемешанной топливо-воздушной смеси; каталитическое горение в дополнительных блочных генераторах синтез-газа; подавление эмиссии NOx с помощью катализаторов на выходе из ГТУ; понижение эмиссии NOx с помощью дополнительного впрыска в камеру сгорания воды или подачи перегретого пара.
В последние годы активно развивается направление снижения эмиссии NOx за счет добавки водорода к топливу. Снижение эмиссии NOx за счет сжигания более бедных смесей ограничивается узким концентрационным диапазоном распространения пламени в углеводород-воздушных смесях. Один из популярных методов решения этой проблемы - расширение концентрационных пределов за счет добавки водорода к углеводородному топливу. Анализ литературных данных показывает, что обогащение сжигаемого природного газа 10-20% водорода рассматривается как один из наиболее привлекательных с экономической точки зрения методов снижения эмиссии NOx газовыми турбинами. Эксперименты по турбулентному горению заранее перемешанных метан-водород-воздушных смесей [47] показали, что добавление водорода действительно приводит к 50%-ному снижению эмиссии NOx за счет понижения предела горения бедных смесей (рис. 1.18). При этом снижая эмиссию NOx и повышая стабильность горения, добавки водорода практически не влияют на эмиссию СО (рис. 19).
Зависимость эмиссии СО от коэффициента избытка горючего ф для метан-водород-воздушных смесей при постоянном теплосодержании смеси [47]
Экспериментальные данные подтверждаются и результатами кинетического моделирования. В работе [48] на базе механизма GRl-Mcch 3.0 было проведено кинетическое моделирование влияния добавок водорода к метан-воздушной смеси на пределы горения и образование NOx. На рис. 1.20 видно, что хотя добавление водорода несколько повышает выход NO, возможность снижения предельного значения с ф = 0,65 до ф = 0,50 позволяет снизить эмиссию NO с 0,025 до 0,007 r-NO/Kr-02. 005
Скорость горения водород-метан-воздушных смесей с концентрацией водорода в метане 10% об
Одно из возможных и широко обсуждаемых в литературе применений синтез-газа в энергетике — снижение эмиссии энергоустановками таких вредных веществ, как оксиды азота и монооксид углерода. Это связано с тем, что добавление водорода к углеводородному топливу позволяет расширить концентрационные пределы его горения. Для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) уже была показана возможность сжигания бензин-водородных смесей с соотношением воздух-топливо до 30, что невозможно для углеводород-воздушных смесей. Это позволило снизить эмиссию NOx и повысить эффективность использования топлива [85]. Анализ литературных данных показывает, что обогащение подаваемого природного газа 10-15% водорода является одним из наиболее привлекательных с экономической точки зрения методов снижения эмиссии NOx газовыми турбинами. Концепция использования метан-водородных смесей привлекательна еще и тем, что водород рассматривается как потенциальный универсальный энергоноситель в будущей безуглеродной («водородной») энергетике. Поэтому такой постепенный переход к его более широкому использованию снимает многие проблемы, связанные с созданием инфраструктуры распределения и доставки нового вида топлива.
Важнейшим параметром, характеризующим процесс горения газообразного топлива, является нормальная скорость ламинарного пламени щ. Величина нормальной скорости определяет устойчивость процесса горения, условия (скорость подачи газовой смеси), при которых возможен «отрыв пламени» или наоборот, его обратный проскок навстречу потоку. Изучению нормальной скорости пламени метана посвящено большое число исследований (см., например, в [49]). Для стехиометрических метан-воздушных смесей при нормальных условиях по многочисленным литературным данным [49] щ определена с разбросом данных от 36 до 44 см/с (с наиболее вероятным значением, близким к 36 см/с). При повышении начального давления нормальная скорость горения метановоздушных пламен снижается ( табл. 3.1), а при снижении—увеличивается [86].
Для стехиометрических водород-воздушных смесей при нормальных условиях экспериментальные результаты дают значения в диапазоне от 250 до 350 см/с с наиболее вероятным значением, близким к 280 см/с [49]. Различие в скорости горения метана и водорода связано с различием в транспортных коэффициентах, а также в концентрации и кинетике образования радикалов Н, О, и ОН, определяющих протекание процесса [51].
Данные о скорости горения водород-метан-воздушных смесей немногочисленны, а для высоких давлений, характерных для современных газовых турбин, практически отсутствуют. В [87] отмечается, что влияния давления па нормальную скорость горения смесей, содержащих водород, «правильно определить в экспериментах удается не всегда». В литературе встречаются утверждения о зависимости нормальной скорости пламени таких смесей, часто противоречащие друг другу. В измерениях различными методиками получают иногда даже разные знаки барического показателя. Это приводит к большой неопределенности при попытках экстраполяции измеренных значений на неисследованную область давлений. В литературе одно время бытовало правило, приписываемое Б. Льюису [88], что в смесях, у которых при атмосферном давлении скорость горения больше 100 см/с, нормальная скорость горения растет с давлением, а в смесях с нормальной скоростью горения 50 см/с и менее, нормальная скорость с давлением убывает. Но в [87] утверждается, что в настоящее время накоплен экспериментальный материал, не поддерживающий это эмпирическое правило для смесей, содержащих водород.
Исходя из вышесказанного, целью данной главы стало экспериментальное определение методом реактора постоянного объема нормальной скорости горения метан-водородных смесей в воздухе при повышенных начальных давлениях до 10 атм и повышенных начальных температурах до 300С. 3.1. Методика проведения эксперимента
Существует несколько подходов к определению нормальных скоростей и пределов горения. Их подробный обзор можно найти в [49]. Подавляющее число методик основано па определении скорости потока свежей смеси в стабилизированное пламя. Естественно, в таких установках очень трудно организовать измерение ламинарной скорости пламени при повышенных давлениях. Поэтому при довольно большом числе исследований, проведенных при атмосферном давлении, не удалось найти литературных данных о скоростях ламинарного горения метан-водородных смесей при давлениях выше 1 атм.
Применяемая в данной работе методика реактора постоянного давления позволяет работать при повышенных давлениях, но также влечет определенные проблемы. Во-первых, требуется идеальная сферичность самого реактора (поскольку быстро горящие смеси генерируют довольно мощный поток свежей смеси в ходе горения, который, взаимодействуя со стенками реактора, может существенно исказить форму пламени, а, следовательно, и скорость его распространения по разным направлениям). При слежении за процессом горения с помощью датчиков давления (что является наиболее подходящим способом при повышенных или пониженных начальных давлениях) отклонение от сферичности пламени потребует дополнительных измерений общей площади фронта пламени в каждый момент времени, а это практически невыполнимая задача. Поэтому в большинстве исследований используется только начальный участок изменения давления, когда пламя, распространяющееся от источника зажигания, генерирует еще слабый поток свежей смеси, и его влияние на пламя пренебрежимо мало.
Горение метановоздушных смесей в однокамерном горелочном устройстве с использованием матрицы из плоскопараллельных пенометаллических пластин
Как и в случае «богатых» метановоздушных смесей переход от горелочного устройства с плоской матрицей к горелочпому устройству с объемной матрицей (рис. 2.6) позволяет «запереть» в объеме матрицы большую часть инфракрасного излучения. Тем самым снижаются радиационные потери энергии, что ведет к увеличению температуры поверхности матрицы и существенному повышению значения коэффициента избытка окислителя на нижнем пределе горения (рис. 17). Полученные данные демонстрируют возможность заметного расширения предела горения бедных смесей метан-воздух в объемной пористой матрице и значительного снижения за счет этого эмиссии вредных веществ. Устойчивое горение смеси при коэффициенте избытка окислителя а=1,7 позволяет снизить концентрацию СО в продуктах сгорания до уровня менее 15 ррга. Концентрация NOx при этом
Зависимость концентрации СО в продуктах горения и температуры обратной поверхности матрицы Т (Д, А) от коэффициента избытка окислителя а. Пунктирные линии и полые символы - плоская матрица; Сплошные символы - объемная шестигранная матрица
Дальнейшее повышение температуры внутренней поверхности матрицы и, соответственно, расширение пределов горения, как уже было отмечено в главе 2, может быть достигнуто за счет введения в полость матрицы параллельно ее внутренней поверхности тонкого отражающего экрана из нержавеющей стали или металлической сетки. Нагреваемый за счет конвективного теплообмена с продуктами горения почти до температуры фронта пламени, значительно превышающей температуру поверхности матрицы, экран становится интенсивным вторичшлм источником ИК излучения, направленного на поверхность матрицы. Это приводит к дополнительному нагреву поверхности матрицы и расширению предела горения. Эксперименты в однокамерном горелочном устройстве с двумя плоскопараллельными матрицами с изменяемым расстоянием между ними (рис. 4.3) показали, чю, как и для богатых смесей метан-воздух, введение в полость матрицы между ее пластинами отражающего экрана из нержавеющей стали толщиной 0,1 мм заметно повышает температуру поверхности матрицы. За счет этого заметно, до значения а = 1,9, расширяется предел устойчивого горения (рис. 4.4).
Зависимость температуры рабочей (А, Д) и обратной (, о) поверхностей матрицы от коэффициента избытка окислителя а. Сплошные линии и залитые символы - горелочное устройство с использованием отражающего экрана; Пунктирные линии и полые символы - без использования отражающего экрана
Горелочные устройства на основе объемных матриц могут работать в широком диапазоне удельных тепловых нагрузок W=10-40 Вт/см . В этом диапазоне тепловых нагрузок пределы горения хотя и не сильно зависят от тепловой нагрузки, но, тем не менее, несколько снижаются с ее повышением. Например, при удельной тепловой нагрузке W=30 Вт/см2, несмотря на выделение большего количества тепла, чем при W=20 Вт/см", измеряемая температура поверхности матрицы была ниже (рис. 4.5). Вероятно, это связано с увеличением линейной скорости топливовоздушной смеси в порах матрицы с увеличением тепловой нагрузки, что повышает скорость ее охлаждения за счет теплоотвода от матрицы к газовому потоку.
Зависимость температуры рабочей поверхности матрицы от коэффициента избытка окислителя а при различных величинах удельной тепловой нагрузки. () - W=10 Вт/см2; - W=20 Вт/см2; (А) - W=30 Вт/см2
Эксперименты в горелочном устройстве с двумя плоскопараллельными матрицами с изменяемым расстоянием между ними (рис. 4.3) показали, что в закрытой полости процесс горения не очень чувствителен к расстоянию между поверхностями, образующими матрицу (рис. 4.6). Тем не менее, это расстояние не должно быть меньше расстояния между поверхностью и фронтом пламени, т.е. должно быть не менее 10 мм.
При расстоянии между пластинами 20 и 30 мм температура поверхности матрицы практически совпадает, а концентрационный предел горения одинаков (рис. 4.6). При расстоянии между пористыми пластинками 10 мм уже наблюдается снижение температуры поверхности матрицы и сужение пределов горения. Скорее всего, при работе горелочного устройства с величинами а 1,5 фронт пламени становится шире и располагается несколько дальше от поверхности, и при расстоянии между поверхностями матрицы в 10 мм этого пространства оказывается недостаточно для стабильного горения.
Зависимость температуры рабочей поверхности матрицы от коэффициента избытка окислителя а при различных расстояниях между пластинами, образующими матрицу. 10 мм; - 20 мм; (А) - 30 мм
Таким образом, оптимальными условиями для данной конструкции горелочного устройства являются: а) наличие в полости матрицы отражающего экрана; б) удельная тепловая нагрузка W 20 Вт/см2; в) расстояние между пенометаллическими пластинами -20 мм. При указанных условиях концентрация СО в продуктах горения не превышает 30 ppm, а концентрация NOx - 5 ppm (рис. 4.7).
Одним из важнейших параметров камер сгорания реальных ГТУ является удельная мощность, получаемая с единицы объема камеры сгорания. При факельном сжигании ее высокое значение достигается за счет развитой поверхности фронта пламени при турбулентном горении топливовоздушной смеси. При ламинарном горении вблизи поверхности проницаемой матрицы высокая удельная мощность может быть достигнута за счет развитой внутренней поверхности матрицы.
Одна из возможных конструкций, обеспечивающих достаточно большую поверхность горения на единицу объема камеры сгорания, представлена на рис. 4.8. При такой конструкции матричная горелка представляет собой набор колец из пенометалла (рис. 4.8а), расположенных параллельно друг другу с общим подводом топливовоздушной смеси вдоль наружной стенки модуля и общим отводом продуктов сгорания по его оси. Каждая пара пенометаллических колец, по сути, представляет собой однокамерное горелочное устройство (рис. 4.3). При оптимальном расстоянии между проницаемыми поверхностями -20 мм и шаге ячейки -30 мм такая компоновка позволяет получать достаточно высокую мощность горения на единицу объема камеры сгорания, а общая тепловая мощность такого единичного модуля диаметром 250 мм и длиной 400 мм может быть доведена до 500 кВт.
Для получения мощности, соответствующей реальной ГТУ, несколько модулей могут быть скомпонованы в единую камеру сгорания, например, так как показано на рис. 4.86, т.е. камера сгорания может быть реализована как набор единичных модулей. Набор из 7 единичных модулей, скомпонованных в единую камеру сгорания диаметром 750 мм и длиной 400 мм, может обеспечить получение тепловой мощности камеры сгорания на уровне 3,5 МВт.
Для проверки работоспособности единичного модуля, представленного на рис. 4.8а, было изготовлено многокамерное горелочное устройство, эскиз которого представлен на рис. 4.9а, а общий вид - на рис. 4.96. Горелочное устройство состоит из 6 расположенных попарно параллельных пенометаллических колец. Расстояние между кольцами 20 мм. Между каждой парой колец помещен отражающий экран из нержавеющей стали толщиной 0,1 мм.
