Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к устройству для сжигания аммиака, которое может быть использовано в теплотехнических устройствах для получения тепла и в устройствах разложения аммиака на азото-водородную смесь.

В течении многих лет ископаемое углеводородное сырье, прежде всего нефть и природный газ, использовались в качестве основного топлива для различных устройств сжигания в энергетике и теплотехнике. Однако ресурсы ископаемого топлива небесконечны, а образующиеся при сжигании углеводородного сырья продукты сгорания содержат углекислый газ в количествах, угрожающих экологии, прежде всего, как фактор глобального потепления. Поэтому существует потребность в поиске альтернативного углеводородам топливе, изготавливаемого из возобновляемых источников и не выделяющего при его использовании углекислого газа.

Таким топливом, к тому же обладающим высоким качеством сжигания, при котором образуются только пары воды, до недавнего времени, считался водород. Однако при крупномасштабном применении водорода вместо углеводородного сырья возникают вопросы экономической целесообразности такой замены, связанной прежде всего с низкой энергоплотностью водорода. Учитывая изложенное, считается, что взамен углеводородного сырья целесообразней использовать водород не в чистом виде, а в химически связанном виде - в виде жидкого аммиака, который может храниться в жидком виде при небольших давлениях и комнатной температуре или при атмосферном давлении и температуре минус 33°С.

Однако аммиак является трудновоспламеняемым топливом и в отличие от чистого водорода требует применения технических решений, направленных на обеспечение его качественного сжигания. Это обусловлено низкой температурой пламени аммиака (1955°К, для бензина 2336°К), низкой скоростью сгорания, высокой температурой воспламенения аммиачно-воздушных смесей.

Одним из самых распространенных решений по сжиганию аммиака является применение вихревых горелок, в которых обеспечивается качественное приготовление аммиачно-воздушных смесей за счет интенсивного перемешивания этих компонентов. Примерами таких технических решений могут быть заявки на изобретения: JP 2018155412 от 10.04.2018г. «Устройство сгорания топлива и способ его осуществления», JP 2020186843 от 13.05.2019 «Устройство сгорания»; JP 2016130619 от 15.01.2015г «Устройство сгорания топлива с низкими свойствами сгорания».

Однако анализ приведенных выше технических решений показал, что они обеспечивают качественное сжигание с минимальным количеством в отработанных газах, кроме азота и паров воды, еще окислов азота и остатков паров аммиака. Исследования в этом направлении, учитывая важность проблемы, ведутся повсеместно ведущими международными фирмами.

Известно «Устройство для сжигания аммиака» заявка Японии 20180022676 от 13.02.2018г., опубликована как заявка № JP2019138565 от 22 августа 2019г Устройство для сжигания топлива содержит цилиндр сгорания, топливный инжектор для подачи смешанного газа в виде закрученного воздушного потока, воспламенитель 14, расположенный в месте, где смешанный газ остается в цилиндре сгорания. Первым топливом является аммиак, а вторым горючее. Устройство для сжигания дополнительно содержит смеситель, выполняющий функцию смешивания.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа. Недостатком известного устройства является узкий диапазон работы и малый ресурс из-за перегрева боковых стенок горелки. Решаемой технической проблемой является создание устройства для сжигания аммиака с большим диапазоном регулирования и большим ресурсом работы.

Достигаемым техническим результатом является повышение экологических параметров горелки, надежность ее работы и безопасность.

Для достижения технического результата в устройстве для сжигания аммиака, содержащем цилиндрическую камеру сгорания, устройство для подачи воздушно-аммиачной смеси, включающее в себя, по крайней мере, один основной канал для ее подвода, на выходе которого установлен тангенциальный завихритель, искровую свечу, установленную в камере сгорания, канал для подвода вспомогательного топлива с повышенной воспламеняемостью, новым является то, что дополнительно введен цилиндрический корпус, внутри которого и соосно ему расположена цилиндрическая камера сгорания с образованием между ними, входом основного канала и тангенциальным завихрителем, кольцевого дополнительного канала для подвода и нагрева воздушно-аммиачной смеси, при этом на цилиндрических боковых поверхностях корпуса и камеры сгорания выполнено не менее одного сквозного отверстия для установки искровой свечи, введены датчик пламени, устройство для подачи вторичного воздуха и стабилизатор пламени, причем камера сгорания является охлаждающей, на выходе которой установлен каталитический блок.

Датчик пламени выполнен в виде термопары и находится по оси устройства в канале подвода вторичного воздуха, расположен в кольцевом зазоре между датчиками пламени и каналом подвода газов дополнительного топлива. На выходе канала вторичного воздуха установлен аксиальный завихритель. Канал подвода дополнительного топлива выполнен в виде кольцевого зазора между внешним кожухом и внутренней обечайкой канала подвода вторичного воздуха, на его выходе выполнены осевые сопла. Дополнительным топливом может быть Нг, СН ₄ , С Н _х , при этом каталитический блок содержит огнепреградительную пластину, совмещенную с сетчатым катализатором и в качестве активного вещества содержит (Pt, Pd). Теплообменник выполнен как труба в трубе, в кольцевом зазоре которого проходит аммиачно-воздушная смесь, содержащая интенсификаторы для улучшения теплообмена. Искровая свеча охлаждается аммиачно-воздушной смесью. Вторичный воздух подается в устройство в объеме не более 50% от объема первичного воздуха, а дополнительное топливо подается в объеме 5- 15% от объема основного топлива (аммиака).

На фиг.1 - представлена конструкция заявленного устройства, продольный разрез; на фиг. 2 - поперечный разрез по плоскости А- А.

Устройство для сжигания аммиака (фиг.1) содержит охлаждаемую камеру сгорания 1 цилиндрической формы с расположенными в ней горелочным устройством 3 с тангенциальным вводом рабочих реагентов - аммиака с первичным воздухом, одной или несколько искровых свечей 2, расположенных на цилиндрической поверхности, датчиками пламени 4, расположенными по оси горелочного устройства 3 каналами для подвода вторичного воздуха 6 и вторичного топлива 5, стабилизатора пламени 7, сетчатого блока 8 с катализаторами. На выходе из канала вторичного воздуха 6 установлен аксиальный завихритель 12, на выходе из канала вторичного топлива 5 установлены осевые сопла 13. Газовая смесь аммиака с первичным воздухом подается через штуцер 11 в межтрубное пространство кольцевого типа, образуемого внутренним 14 и внешним 15 цилиндрами. Вторичный воздух подается в штуцер 10 в межтрубное пространство, образуемое цилиндрами 17 и 18, а вторичное топливо подается в штуцер 9 в межтрубное пространство, образуемое цилиндрами 16 и 17.

Устройство работает следующим образом.

При запуске аммиачно-воздушная смесь подается через штуцер 1 1 в межтрубное пространство 18 и выходит в камеру сгорания 1 , одновременно на свечи 2 подается напряжение. При необходимости или потребности в камеру сгорания 1 через штуцер 9 подается вторичное топливо, которое попадает в камеру сгорания 1 через осевые сопла 13. Установленный по оси устройства датчик пламени 4 фиксирует наличие поджига в устройстве. Путем регулирования подачей аммиачно-воздушной смеси, вторичных топлива и воздуха обеспечивается поджиг и регулировка режимов работы устройства по сжиганию аммиака.

Газовая аммиачно-воздушная смесь перед поступлением в тангенциальный завихритель проходит через газоохлаждаемую рубашку, где дополнительно перемешивается и нагревается, что способствует увеличению скорости сгорания аммиака и увеличению полноты сгорания и приводит к снижению выбросов NO _X H NH ₃ . Одновременно внутренний цилиндр и корпус искровой свечи охлаждаются, что обеспечивает увеличение ресурса. На внутреннем цилиндре устройства расположено стабилизирующее устройство в виде шайбы, которое создает зону рециркуляции продуктов сгорания и способствует увеличению времени сжигания топлива и как следствие, к увеличению полноты сгорания. В отличие от устройств сжигания углеводородного сырья, где искровые свечи зажигания располагаются в основном вблизи поступления топливо-воздушной смеси на торцевой поверхности, в заявленном устройстве, по меньшей мере, одна свеча зажигания расположена на боковой поверхности, что обеспечивает более стабильный поджиг и возможность устанавливать свечу или несколько свечей зажигания на разных высотах. При отсутствии в продуктах сгорания аммиачно-воздушных смесей сажи, такое решение позволяет обеспечивать длительный режим работы свечи. Большая площадь внутреннего цилиндра позволяет, при необходимости, устанавливать несколько свечей, как по окружности цилиндра, так и по высоте, что также способствует повышению надежности поджига аммиачно-воздушных смесей.

Обеспечение качественного и полного сгорания аммиачно-воздушных смесей требует, кроме полного и равномерного смешивания аммиака с воздухом и его поджига, также длительного процесса сгорания. Для выполнения этого требования внутри цилиндра устанавливается стабилизирующая мембрана в виде шайбы, что обеспечивает закрутку продуктов сгорания и увеличивает время пребывания продуктов сгорания в камере сгорания. Продуктами полного сгорания аммиачно-воздушных смесей являются N2 и Н ₂ О, а неполного сгорания - NO _X и остатки NH ₃ . Для полного устранения продуктов сгорания необходимо свести к минимуму содержание NO _X и NH ₃ в продуктах сгорания. Для выполнения этого требования предлагается на выходе продуктов сгорания установить сетчатый блок, содержащий как сетки из жаростойкого материала в виде нержавеющей стали или нихрома и размещенный на сетке катализатор дожига. Предлагаемое авторами изобретение является техническим решением, направленным на решение проблемы качественного сжигания аммиака. Изобретение обеспечивает стабильное, надежное экологически чистое сжигание аммиака, повышение ресурса работы устройства и безопасности.