Горелка для работы в режиме высокотемпературного горения с аэрационным выносом золы

[Кольчугин]

Сначала представлю Вашему вниманию оригинал
Горелка с высокотемпературной топкой (гвтт)

Авторы патента:
Коныш Валерий Иванович (UA)
Пятковский Александр Фёдорович (RU)
Пятковский Вячеслав Михайлович (UA)



Изобретение относится к области теплоэнергетики и может использоваться как в бытовых отопительных системах, так и на небольших производствах, использующих тепловую энергию, а также для утилизации измельченных горючих бытовых отходов. Горелка с высокотемпературной топкой содержит корпус, выполненный в виде четырехгранной прямоугольной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки, при этом в корпусе горелки имеется пиролизный отсек, соединенный с трубой подачи топлива, в которой имеется воздушный патрубок подачи воздуха и шнек подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора подачи топлива, кроме того, в корпусе горелки имеется зольное окно, смотровое окно, воздух подается в камеру сгорания тангенциально относительно нее же с переходом в ней в круговое движение, имеется камера дожига в форме прямоугольной четырехгранной призмы, в нижнюю часть которой входит сопло горелки, а верхняя часть камеры дожига выполнена в виде вертикально расположенных пластин с пространством между ними. Изобретение обеспечивает высокоэффективное высокотемпературное сжигание твердого сыпучего топлива, а также утилизацию измельченных горючих бытовых отходов. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может использоваться как в бытовых отопительных системах, так и на небольших производствах, использующих тепловую энергию, а также для утилизации измельченных горючих бытовых отходов.

Известен котел для сжигания топлива в псевдоожиженном слое (Патент RU 2168678), содержащий горизонтальную цилиндрическую камеру для проведения процесса сжигания топлива в псевдоожиженном слое с водоохлаждаемыми стенками, в нижней части которой размещена воздухораспределительная система.

Котел по указанному патенту обладает низкой теплопроизводительностью, так как зона горения окружена поверхностями теплообменника, которые препятствуют достижению высоких температур в зоне горения, из-за чего топливо при горении не спекается, и при подаче достаточного для полного сгорания топлива количества воздуха происходит повышенный унос мелких фракций топлива, особенно при сжигании топлива широкого фракционного состава, такого как: опилки, фрезерный торф, лузга подсолнуха, гречихи и т. п. Количество золы и недожженного топлива обратно пропорционально показателю качеству сгорания топлива, и чем ее больше, тем ниже этот показатель. У известного котла (Патент RU 2168678) существуют сложности, связанные с качественным сжиганием легкого и сыпучего топлива (по той причине, что при низких и средних температурах горения не происходит спекания топлива в конгломераты, и при интенсивном раздувании воздушным потоком происходит выброс золы и недогоревшего топлива из зоны горения), преодоление которых влечет за собой потребность в нагромождении разного рода уловителей мелкой летучей фракции золы и недогоревшего топлива, что в свою очередь усложняет конструкцию и ведет к ее удорожанию. Также эффект разлета золы влечет за собой ее осаждение на поверхностях теплообменника, что в свою очередь отрицательно влияет на КПД теплообменника и возникает нужда в частой очистке его поверхностей.

В ГВТТ этот негативный нюанс отсутствует, так как при высоких температурах сыпучее топливо во время горения спекается, и этот эффект предотвращает его разлет до полного сгорания. На теплообменнике же ГВТТ откладывается только незначительный слой пепла, который обычно образуется при розжиге горелки.

Известные высокотемпературные топки, которые применяются сегодня на ТЭС, имеют солидные габариты, высокие цены и жидкое золоудаление (Способ эксплуатации установки для сжигания для электростанции на каменном угле с топкой с жидким шлакоудалением и установка, работающая по этому способу (Патент RU 2152428), Циклонная топка с жидким шлакоудалением (Патент SU 112842). Все это не дает возможности использовать современные методы сжигания топлива в высокотемпературных режимах для бытовых назначений.

Предлагаемая конструкция высокотемпературной топки для бытовых нужд использует не жидкое золоудаление, а аэродинамику вертикального завихрения изотермических процессов, что и придает этому методу надежность в работе, простоту и дешевизну в изготовлении подобных установок. Требования к качеству топлива, используемого в ГВТТ, минимальные. Топить можно дешевым и зачастую бесплатным топливом.

Для решения поставленной задачи предлагается ГВТТ, которая так же как и прототип включает корпус, механизм подачи топлива и входящих отверстий для подачи воздуха.

Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является устройство для сжигания биомассы (Патент RU 2015449), которое призвано решать задачи, в большинстве своем схожие с задачами, ставящимися перед заявленным изобретением, включающее: входной скат, выполненный в виде сплошной пластины, нижний край выходной пластины заведен под нижний край последней до пересечения с воображаемой линией продолжения пластины входного ската.

Устройству для сжигания биомассы (Патент RU 2015449) присущ ряд недостатков:

Огромной площади холодное ядро, которое не позволяет создать высокие температуры - это большой площади входной скат, выходная пластина, а также стенки камеры, выполненные из металла и обеспечивающие отвод тепла из зоны горения. А низкие температуры в топочной камере - это некачественное горение топлива. Соответственно возникают и проблемы связанные с этим нюансом:

1. Входной скат и выходная пластина - слабое место топки, его труднее раскалить, чем потолочную поверхность топки. А если входной скат и выходная пластина "холодные", то на них не происходит равномерный прогрев до высоких температур всего объема топлива, при котором происходит спекание и коксообразование. Таким образом, на этих поверхностях будет обычное «холодное» горение топлива, при котором образуется зола, которая спекается в коржи и "пригорает" к холодным поверхностям камеры сгорания, образуя спекшиеся наросты, которые, в свою очередь, уже нужно удалять механическим путем, особенно при использовании низкокачественного топлива.

2. Соприкасаясь с "холодными" поверхностями камеры сгорания, происходит так называемый механический недожог. Топливо, не успев выгореть, остывает и превращается в зольные отложения, которые образуются в значительных объемах, и все это сбрасывается в зольный отсек. В дорогостоящих устройствах эти отсеки представляют собой емкости больших объемов, либо предусматривается механизированное шнековое удаление золы и недожженной фракции топлива (в конструкции которого предусматривается наличие датчиков и логических схем, что влечет за собой значительное удорожание устройства).

3. Прототип изготовлен из стали, которая со временем разрушается, уменьшая срок его службы, ее разъедает древесная кислота, которая всегда выделяется при горении древесины, и не разлагается при низких температурах горения.

В ГВТТ все эти негативы отсутствуют, так как горение происходит при высоких температурах, при которых древесная кислота как соединение углеводородов разлагается с выделением дополнительного тепла при прогоне ее через раскаленные прослойки углерода (это явление описано на интернет-ресурсе "Печи Кузнецова").Также при высоких температурах происходит максимальное выгорание топлива и к раскаленным футерованным поверхностям ничего не прилипает.

В описании прототипа указано, что температура не поднимается выше 1000°С (при использовании сухого (влажность не выше 15%) топлива) и что такое горелочное устройство можно использовать для сжигания влажного топлива с содержанием влаги, достигающим 60%, однако это повышенное содержание влаги является балластом, снижающим КПД (забирая из зоны горения большое количество теплоты для своего прогрева).

В ГВТТ этот эффект отсутствует. В топке с высокотемпературной камерой сгорания горит топливо с влажностью до 60%, и не просто без ухудшения КПД, а и с увеличением этого показателя за счет запуска ряда эндотермических реакций высокой интенсивности с образованием горючих соединений, которые, окисляясь, выделяют дополнительное количество теплоты. Этот эффект начинается при температурах более 950°С. А в ГВТТ температура поднимается до уровня 1300°С, так как водяной газ при сгорании дает ее повышение (стр. 534 Менделеев Д. И. «Горючие материалы» (1893). - Соч., т. XI. М., Изд-во АН СССР, 1949).

(продолжение следует)

[Кольчугин]

(продолжение)
Известным изобретениям, относящимся к энергетике (Патент RU 2015449, Патент RU 2168678 и другие), присущ узкий диапазон выдаваемых мощностей. Максимальные значения мощности превышают минимальные не более чем в три-четыре раза, и плохо справляются с задачей в короткий срок поднять температуру теплоносителя до нужного уровня (в условной системе отопления), потому как невозможно в "холодной" топочной камере быстро сжечь избыточный объем топлива. Нужен значительный временной задел для того, чтобы топливо разгорелось.

А в ГВТТ диапазон мощности намного больше (от 5 до 70 кВт), максимальные значения мощности превышают минимальные более чем в десять раз. Это дает возможность за более короткий промежуток времени поднять температуру теплоносителя до нужного уровня (в условной системе отопления). В раскаленном топочном пространстве переход мощности горения с 5 кВт до 70 кВт занимает не более секунды.

ГВТТ содержит корпус горелки 9 в виде прямоугольной четырехгранной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки 16. В горелке 9 имеется пиролизный отсек 10, соединенный с трубой 7 шнека 6, которая снабжена воздушным патрубком 8 подвода воздуха в шнековую подачу топлива и шнеком 6 для подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора 5 подачи топлива. Также к топливоподающим элементам горелки относятся: загрузочный люк топливного бункера 1, топливный бункер 2 прямоугольной формы с нижней частью в виде обратной пирамиды, в которой расположена ворошилка топлива 3, связанная с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора 4 привода ворошилки 3. В корпусе горелки 9 также имеется зольное окно 12, смотровое окно 14, патрубок 15 подвода воздуха в камеру сгорания, имеющий тангенциальное расположение, что обеспечивает придание потоку воздуха вращательного движения, соединенный с устройством нагнетания (на схеме не указано), а также камера дожига 18, выполненная в форме прямоугольной четырехгранной призмы, в нижнюю часть которой входит сопло 17 горелки, а верхняя часть камеры дожига 18 выполнена в виде вертикально расположенных пластин с пространством между ними для выхода жара.

ГВТТ обеспечивает высокоэффективное высокотемпературное сжигание твердого сыпучего топлива, такого как опилки, отходы элеваторов, отходы деревообработки, пеллеты (в том числе низкокачественные) и тому подобное. Изобретение призвано решать задачи автономного отопления помещений и автономного обеспечения потребителей тепловой энергией. Также изобретение решает задачи утилизации измельченных горючих бытовых отходов.

В отличие от прототипа, в заявляемом техническом решении корпус выполнен в виде прямоугольной четырехгранной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки. В корпусе горелки имеется пиролизный отсек, соединенный с трубой шнека (в которой имеется воздушный патрубок подвода воздуха в шнековую подачу топлива) и шнеком для подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора подачи топлива. Также к топливоподающим элементам горелки относятся загрузочный люк топливного бункера, сам топливный бункер в виде прямоугольной четырехгранной призмы с нижней частью в виде обратной пирамиды, в которой расположена ворошилка топлива, связанная с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора привода ворошилки. В корпусе горелки также имеется зольное окно, смотровое окно, патрубок подвода воздуха в камеру сгорания, соединенный с устройством нагнетания (на схеме не указано), а также камера дожига, выполненная в форме прямоугольного отсека, в нижнюю часть которого входит сопло горелки, а верхняя часть камеры дожига выполнена в виде вертикально расположенных пластин из жаростойкого материала с пространством между ними для выхода жара.

Отличительные признаки заявленной ГВТТ новизны, достаточны и необходимы для выполнения поставленной задачи и имеют ряд положительных качеств, которые влияют на технический результат, а именно:

- внутренняя поверхность горелки выложена слоем футеровки, что препятствует утилизации тепла из зоны горения и создает в ней условия для достижения высокого уровня температур, приближая горение к адиабатическому;

- угол и интенсивность подвода воздуха в зону горения обеспечивают аэродинамику вертикального завихрения изотермических процессов;

- использование в конструкции горелки камеры дожига дает ГВТТ дополнительные преимущества, обеспечивая полное догорание горючих соединений;

- из-за непрерывных эндотермических процессов получаем значительную экономию топлива.

Все отличительные признаки находятся в причинно-следственной связи с полученным техническим результатом и позволяют на должном уровне решить поставленную задачу. Таким образом, признаки заявляемого технического решения являются существенными.

Сущность технического решения ГВТТ поясняется схемой.

ГВТТ работает следующим образом.

Вращением ворошилки 3 топлива, через электрорегулируемый привод мотор-редуктора 4 привода ворошилки 3, слежавшееся в бункере топливо разрыхленным подается на шнек 6 подачи топлива, который через электрорегулируемый привод мотор-редуктора 5 подачи топлива продвигает его в пиролизный отсек 10. Достигнув пиролизного отсека 10, при воздействии температур, из топлива начинает выделяться пиролизный газ, который продвигается к отсеку 11 образования кокса, толкаемый более высоким давлением, созданным подачей воздуха в патрубок 8 подвода воздуха в шнековую подачу топлива. Выделившийся пиролизный газ горит в отсеке 11 кругового вращения изотермических реакций 13, при участии воздуха, поданного через воздушный патрубок 15 подвода воздуха в камеру сгорания, тангенциальное расположение которого обеспечивает придание потоку вращательного движения, неоднократно проходя через раскаленный кокс в отсеке 11 образования кокса. После этого пламя через сопло 17 горелки попадает в раскаленную камеру дожига 18, в которой и происходит полное догорание всех способных гореть химических соединений, после чего раскаленные газы подаются на теплообменник (на схеме не указан).

Данное техническое решение новое и полезное, особенно когда остро стоит вопрос об альтернативных видах топлива.

Заявляемая ГВТТ конструктивно проста и технологически выполнима.

Горелка с высокотемпературной топкой, отличающаяся тем, что ее корпус выполнен в виде четырехгранной прямоугольной призмы, внутренняя поверхность которой выложена слоем футеровки, при этом в корпусе горелки имеется пиролизный отсек, соединенный с трубой подачи топлива, в которой имеется воздушный патрубок подачи воздуха и шнек подачи топлива, который связан с электрорегулируемым приводом мотор-редуктора подачи топлива, кроме того, в корпусе горелки имеется зольное окно, смотровое окно, воздух подается в камеру сгорания тангенциально относительно нее же с переходом в ней в круговое движение, имеется камера дожига в форме прямоугольной четырехгранной призмы, в нижнюю часть которой входит сопло горелки, а верхняя часть камеры дожига выполнена в виде вертикально расположенных пластин с пространством между ними.

Великолепное изделие Прекрасно работающее...
Что не устраивает?
1) Капризность в настройках
2) Горелка довольно слабо проработана в плане пожаробезопасности
3) Хотелось бы расширить возможности в плане многотопливности.

https://www.youtube.com/watch?v=6k-P9u9Xbdo&t=998s

[Кольчугин]

Еще об оригинале:
Горелка под пеллеты, зерноотходы, опилки, полову, щепу с высокотемпературной топкой.

Еще в 19 веке Д. И. Менделеев ввел термин «жаропроизводнтельность», под которой понимается максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива без избытка воздуха, т. е. в условиях, когда все выделяющееся при сгорании тепло полностью расходуется на нагрев образующихся продуктов сгорания.
Сегодня, такой процесс горения, еще называют- адиабатическим Адиабатическое горение — горение, происходящее при постоянном давлении или объёме, при котором отсутствуют потери энергии в окружающую среду. Адиабатическая температура горения — это температура продуктов, достигаемая при полном протекании химических реакций и установлении термодинамического равновесия и отсутствии потерь.
Конструктив предложенной горелки- приближает условия сгорания топлива к такому горению. Работа горелки основана в первую очередь- на обогрев самое себя. Поверхность теплообменника, который греет воду от этой горелки- вообще не получает радиационного излучения от пламени сгораемого топлива. Это и дает возможность поднять температуру в самой горелке- более 1300гр, а в камере дожига - более 1500гр
Д. И. Менделеев в своих работах, посвященных научно обоснован¬ному использованию топлива, большое значение придавал достижению высоких температур при его сжигании. Рассматривая различные свойства топлива, он указывал: «Когда горючие материалы служат для слабого нагревания, например для отопления жилищ, для сушки, для по¬лучения паров и т. п., тогда теплопроизводительность топлива прямо может служить мерилом его относительного достоинства.» .Он отмечал, что в большинстве случаев имеют значение и другие свойства горючих материалов, «из которых важнейшим должно считать способность давать высокие температуры. Это последнее свойство горючего материала необходимо не только потому, что требуется нередко самим существом дела, например для плавления стали требуется иметь температуру около 1450°, но и потому, что, чем выше температура, тем скорее при прочих равных условиях совершается доведение нагреваемых предметов до желаемой температуры и, следовательно, тем скорее идет производство, а потому продукты его удешевляются» [5, с. 224].

А в наших теплообменниках, для обогрева жилых помещений- нужно греть воду. Её все равно более 100гр. не нагреть, но она много крат быстрее нагреется- если подавать на конвективную поверхность наших котлов температуру дымогазов не 700-800гр,- а более 1500гр.
При обычном сжигании топлива- получают стандартные температуры пламени, не превышающие 700-900гр. В модернизированных топках, работающих на “кипящем слое” – температуры достигают 1000гр. Причем,- во всех случаях получают стандартную теплотворность, присущую тем видам топлива- которые и сжигают в тех топках.
А конструктив горелки- предусматривает пиролизный отсек, где в начальной стадии попадания топлива в горелку-и происходит образование окиси углерода СО, метана, этилена, водяного газа и прочих горючих соединений

Сама горелка состоит из двух отсеков- пиролизного и факельного.

Шнековая подача топлива не только подает топливо к самой горелке, но еще и производит его перемещение в пиролизный отсек. Именно последним витком шнека и происходит это проталкивание. И благодаря этому- происходит равномерное уплотнение объема топливной массы, находящейся в пиролизном отсеке. В этом отсеке образуется большая, плотная пеллета. Протискиваясь сквозь раскаленные стенки этого отсека- происходит равномерный прогрев всего объема топлива с его последующей пиролизацией.


https://www.youtube.com/watch?v=_lcqiUr5mzY&t=10s
https://www.youtube.com/watch?v=LSw0LfGyjB8
(продолжение следует)

[Кольчугин]

(продолжение)
При нагреве топлива происходит разделение его на летучую часть и твёрдый остаток- кокс. Кокс у всех видов топлива состоит в основном из углерода. Углерод находится и в летучей части. Летучая часть - углеводороды. Если в эти два вещества добавлять кислород воздуха при высокой температуре, то происходит горение, в результате которого они превращаются в другие вещества, в том числе газ.
В пиролизном отсеке происходит нагрев топлива без доступа кислорода воздуха, при этом их него выделяются пары, газы и остается твердый, богатый углеродом кокс (древесный уголь, если топливо древесина). Термораспад древесины происходит в целом с выделением тепла, т. е. это процесс экзотермический, в связи с этим облегчается прогрев массива топлива. А. Н. Кислицин (2). Состав продуктов пиролиза многообразен и сложен. Летучие (парогазовая смесь) состоят из газов, которые представляют собой соединения углерода, водорода, кислорода и др. (СО, СО2, СН4, С2Н4, N2, О2, Н2), паров смолы, уксусной (древесной) кислоты (СН3СООН), паров воды и пр. Из этих газов, двуокись углерода (СО2), продукт полного сгорания углерода, не способный к дальнейшему горению и поэтому является вредной примесью в газе пиролиза. Азот (N2), простое газообразное, не способное сгорать, и является балластом. При этом образуется еще и смола, в состав которой входят углерод, водород, кислород и др. Смола способна гореть с выделением большого количества тепла. При нагревании смола испаряется, образуя газообразный продукт - пары смолы.

Полученные в результате пиролиза пары смолы, уксусную кислоту и газы- мы сжигаем в отсеке высокотемпературного горения. Процессы горения могут быть выражены с помощью химических уравнений, показывающих, в каких соотношениях и как взаимодействуют отдельные вещества. В правой части уравнения указывается тепловой эффект реакции, т. е. количество тепла выделяемое при реакции. Д. Б. Гинзбург (1) приводит уравнения горения некоторых веществ. Указанные вещества входят в состав выходящих продуктов, при внешнем нагреве древесины в замкнутой ёмкости.

С+О2=СО2+7940 ккал/кг С, или (33190 кДж/кг);

Н2+1/2О2=Н2О+2579 ккал/нм3 Н2, или (10780 кДж/нм3);

СО+1/2О2=СО2+3018 ккал/нм3 СО, или (12615 кДж/нм3);

СН4+2О2= СО2+2Н2О+8555 ккал/нм3 СН4, или (35760 кДж/нм3)

С2Н4+3О2=2СО2+2Н2О+14107 ккал/нм3 С2Н4 (этилен), или (58967 кДж/нм3)

Э. Д. Левин, (приводит таблицу 2.32, в которой показывает выход и состав газов при внешнем нагреве древесины в замкнутой ёмкости при температурах 400-700 °С. Окислительные реакции происходят за счёт кислорода, выделяющегося при разложении органической массы пиролизуемого топлива. При повышении температуры пиролиза увеличивается выход газов, в основном за счёт увеличения окиси углерода (ст.6), водорода (ст.7), метана (ст. и уменьшается выход твердых продуктов ст. 2. Уменьшается выход двуокиси углерода (ст.3) и азота (ст.9), не желательных примесей в газе сухой возгонки. Увеличивается его теплотворная способность и уменьшается плотность (ст. 10, 11, 12).



При высоких температурах разбавление газа слабее и выжимание его сильнее. При температуре 700гр. гидростатический (гравитационный) напор очень велик.

При температурах выше 400гр. образование двуокиси углерода (СО2) не является продуктом окислительной реакции, а это результат взаимодействие паров воды с раскаленным углем. В результате такого взаимодействия образуется так же водород. В этом случае речь идет о внешнем нагреве сырья в замкнутой ёмкости.

Чем выше температура в зоне газификации, интенсивнее и равномернее обтекание газами кусков топлива, больше поверхность соприкосновения газов и топлива и выше реакционная способность топлива, тем полнее разложение водяного пара и двуокиси углерода, меньше балласта в получаемом газе, больше теплотворная способность газа и выше производительность газогенератора. Топливо с большей реакционной способностью кокса при более низкой температуре газификации дает тот же результат, что и топливо с меньшей реакционной способностью кокса при более высокой температуре. (ДБ. Гинзбург стр 23)

В представленной горелке, топливо., протискиваясь сквозь пиролизный отсе к- нагревается до 800гр. При этом происходит его спекание. Будь это пеллеты, зерноотходы или опилки- все от высоких температур приобретает свойства пластичности и из самого пиролизного отсека топливо выходит уже в виде равномерной, спекшейся массой (без просыпания).

https://www.youtube.com/watch?v=BnGdmS636Vk
https://www.youtube.com/watch?v=kmo-vQrTacg&t=7s
https://www.youtube.com/watch?v=Wm_Vpi7E0w8
(продолжение следует)

[Кольчугин]

(продолжение)
На выходе нашей “большой пеллеты”- образуется вертикальный слой кокса.

В обычных топках, этот раскаленный углерод, при обдуве воздухом- сгорает как обычное топливо С+О2= СО2.

Но в этой горелке- он используется как катализатор для эндотермических реакций, то есть- для образования водяного газа , получения окиси углерода из его двуокиси, разложения древесной кислоты и т.д.. В этой горелке воздух не подается на раскаленный кокс, на кокс подаются только сгоревшие в топке газы и сквозь него проходят пары влажности, которые в отопительный сезон в немалом количестве содержится как и в самом топливе, так и в атмосферном воздухе, который мы подаем в горелку.

При этом мы получаем водяной газ.




Факт получения горючего газа через разложение водяного пара раскаленным углем открыт итальянским ученым, профессором Фелицием Фонтана, жившим в 1730-1805гг.

Водяной пар при прохождении через раскаленные угли дров разлагается, образуя водород, окись углерода и угольную кислоту. Количество последней зависит от температуры, при которой происходит процесс: при t=500°C пар разлагается на водород и углекислоту, а при t=1000-1200° C на водород и окись углерода. Хотя в газовой смеси водяного газа находится небольшое количество угольной кислоты и азота, отличительные его качества обусловливаются двумя главными составными частями: водородом и окисью углерода. Поэтому при определении нагревательной способности водяного газа и количества возможных единиц тепла (калорийности) нужно иметь в виду количества тепла, выделяемых при сгорании газа - переходе водорода в воду и окиси углерода в угольную кислоту. Расход теплоты сгорания топлива (углерода) на образование водяного газа по Науманну составляет около 8% . На основании этого считают, что при водяном газе наивыгоднейшим способом реализуется тепловая способность углерода.

[Кольчугин]

Водород - как топливо

Водород. Вторым по значению компонентом топлива является водород. Его содержание в горючей массе различных видов топлива (округленно) дано в табл. 14.

При сгорании 1 кмоль газообразного водорода, с образованием воды, выделяется 68 260 ккал тепла, т. е. 33 860 ккал на 1 кг газообразного водорода, при 3046 ккал на 1 м3 водорода при нормальных условиях (температура 0°С, давление 1 кгс/см2).
Следовательно, при сгорании I кг газообразного водорода выделяется в 4,2 раза больше тепла, чем при сгорании 1 кг углерода. Поэтому теплота сгорания топлива значительно возрастает с повышением содержания в нем водорода. Так, теплота сгорания горючей массы кокса с минимальным содержанием водорода равна около 8000 ккал/кг, а теплота сгорания мазута, состоящего примерно из 88% углерода и 12% водорода, — более 10000 ккал/кг. Теплота сгорания 1 кг метана, состоящего из 75% углерода и 25% водорода, еще выше и равна — 12 000 ккал. (4.. М. Б. Равич 16стр.)
А Менделеев в свое время писал-
Очевидно, что производство воздушного газа много проще, чем водяного, а потому первый и распространился в промышленности весьма сильно, а второй лишь понемногу пробивает себе дорогу в приложениях для топок, хотя распространяется для освещения (после карбурирования и т. п. О разложении воды. Начнем с водяного газа, потому что здесь-дело проще. Но и оно усложняется тем обстоятельством, что для реакции Н2 О+ С = Н2 + СО требуется большой калильный жар, около 1000°, при низших же температурах происходит более или менее углекислоты и водорода по уравнению: 2Н2 + С = 2Н* + СО2; очевидно, что и водяные пары должны быть нагреты, как уголь до 1000°, иначе они его охладят (охлаждение произойдет и без того, потому что, как мы видели, при реакции тепло поглощается), а потому все то тепло, которое затрачивается для предварительного нагревания воды и угля до 1000°, надо считать теряющимся при образовании водяного газа. А затратить приходится на каждый I г угля, по крайней мере, 2300 единиц тепла;* следовательно, превращая 1 г угля в водяной газ, приходится побочно расходовать на предварительное нагревание по крайней мере еще 1/2г угля (в действительности гораздо более). Газ же, происходящий при реакции, в которой участвует 1 г угля, будет весить (2+28): 12, или 2.5 г. В нем по объему будет содержаться 50% водорода и 50% окиси углерода, следовательно, по весу: 6.7%водорода и 93.3% окиси углерода, т. е. на I г реагировавшего угля 0.1675 г. водорода и 2.3325 г окиси углерода. Они, вполне сгорая, разовьют 5779 +5682 или около 11 460 единиц тепла (следовательно, Q=4584 для 1 г водяного газа, считая происходящую воду жидкою, а если она в парах Q= 4222, а если происходящая вода останется в виде паров (как это и будет в топке) — около 10 500 единиц тепла (в действительности, конечно, меньше).* А так как для побочного предварительного нагревания идет по крайней мере 0.5 г угля, то, присчитывая его, можно принимать, что на 1 г израсходованного угля получается в виде водяного газа топливо, дающее около 7000 единиц тепла. Реакцию образования воздушного газа прямо из угля и воздуха должно представить, в параллель с предшествующей, так: СО = СО, и побочного расхода топлива здесь нет. Следовательно, на 1 г употребленного угля здесь образуется 28/12 или 21/3 г окиси углерода, которая, сгорая, после охлаждения дает 21/3 х 2436 = 5684 единиц тепла. Отсюда очевидно, что водяной газ представляет лучшую, чем воздушный газ, утилизацию теплоты угля.

[Кольчугин]

Если же расчесть степень жара, доставляемого горением обоих газов, то преимущество водяного газа станет еще более очевидным. Но для этого предварительно надо расчесть предельный состав воздушного газа, для чего (чтобы упростить расчет) примем, что воздух содержит 23% по весу кислорода и 77% азота, следовательно на 1 г по реагировавшего угля пойдет 1!/$г кислорода и 4.463 г азота, или 5.8 г воздуха, и к 2% г окиси углерода прибавится около 4.46 г азота, т. е. в пределе воздушный газ будет содержать но весу около 34.3% окиси углерода и 65.7% азота (по объему будет тот же состав, потому что плотности обоих газов одинаковы). Рассчитывая по способу, данному в § 9, получаем для такого воздушного газа жаропроизводительность XV, близкую к 1460°. * А так как водяной газ содержит около 6.7 весовых % водорода и 93.3% окиси углерода, то для него вычисляется' предельное XV около 1880°, т. е. гораздо более, чем для воздушного газа, и даже немного более, чем для чистого водорода (1827°). У водяного газа есть и еще одно очень важное 8 преимущество, зависящее от отсутствия в нем азота. При 0° и 760мм ] куб. м этого газа весит 672 г (по воздуху плотность = 0.52), следовательно может дать около 2837тыс. единиц тепла (или 2837 килограммовых единиц тепла) тогда как I куб м воздушного газа (разочтенного выше состава) весит 1256 г (плотность по воздуху около 0.962), следовательно, при горении даст 1256 х 835.5 — I 049 ООО единиц тепла (или 1049 килограммовых единиц тепла), т. е. при равных объемах почти в три раза менее греет и требует объемистых труб для своего провода. Эти немаловажные преимущества водяного газа привлекли к нему лет 20 тому назад общее внимание, ему даже придали характерное название «газа будущего», 10 множество инженеров обратилось (особенно в Америке и Германии) к отысканию способов его удобного производства, стали строить заводы для его приготовления, пробовали употреблять на место воздушного газа для заводских топок — и кончили тем, что повсюду для отопления отдали практическое предпочтение воздушному газу по чрезвычайной простоте и верности его производства и даже по выгодности применения. Основная причина того, что водяной газ не удовлетворил возлагавшимся на него надеждам и его перестали пробовать применять на заводах (вместо воздушного газа), состоит в следующем: уголь, назначенный для реакции, надо сперва сильно (примерно до 1000°) накалить, а для этого пропускать чрез него воздух (т. е. получать воздушный газ) — иначе в водяном газе будет много угле-кислоты; в то же время надо накаливать (сильно прогревать) водяные пары и их пропускать чрез накаленный уголь, заменяя проходивший воздух, так что в одном и том же генераторе происходят оба газа и их надо отдельно собирать, причем нельзя избежать ни взаимного смешения, из накопления побочно образующейся массы воздушного газа, которому надо находить свое местное потребление,11 если требуется готовить только водяной газ.12 Все это очень сложно и требует очень тщательного присмотра. Притом для сколько-либо выгодного приготовления водяного газа требуется очень богатое углеродом топливо (кокс, антрацит), тогда как воздушный газ весьма выгодно готовится из самых убогих видов топлива (например бурых углей, богатых золою, из хвойных шишек и т. п.), что одно уже заставляет предпочитать это топливо водяному газу. Все это приводит к тому, что в фабрично-заводском отношении водяному газу, по крайней мере доныне, нельзя приписывать какого-либо существенного значения в деле топки (он зато получил большое значение в деле освещения, как о том будет говориться при описании производства светильного газа), тогда как воздушный газ имеет его в высокой мере. Однако же вся история с водяным газом не пропала бесследно для практики отопления, так как подмесь этого газа к воздушному, возвышая качество последнего, готовится очень легко чрез посредство простой прибавки водяных паров к воздуху при производстве воздушного газа, что и составляет так называемый Даусоновский газ, который мы рассмотрим, познакомившись ближе с самим воздушным газом и его способами производства.'* Менделеев ср. 534
Разложение воды раскаленным углеродом на водяной газ-это в первую очередь эндотермическая реакция, то есть, реакция, которая “гасит”температуры, причем- в легкую, как вода на пожаре. И обычные, стандартные установки синтез газа- действительно очень сложные и в технологическом плане и в обслуживании. Но воду добавляли в газгены еще в 50е годы прошлого столетия, причем- не просто воду, а через капельницу-в парообразователь и только пар подавали в активную зону. Максимум чего добивались, это отношение воды к антрациту под 40%. А в ГВТТ круг изотермических реакций имеет температуры под 2000гр. Этот “ад” не касается футеровки, он удерживается выставленным раздувом, но он своей вершиной “лижет” под пиролизного отсека, то есть он все время поддерживает “пекло” на исходящем слое образовавшегося кокса. В обычных установках синтез газа температуры раскаленного углерода достигают 950-1000гр, в в ГВТТ- под 2000гр., что и позволяет без всякого геморроя получать водяной газ, который попадая в карусель изотермических реакций самой горелки- еще больше разгонять температуры. Это (по накалу) прекрасно видно на видеороликах, причем- на моих, где раздув обеспечивался воздуходувкой с боковым нагнетанием, и без синтез газа температуры накалы были “адскими”, а вот в горелках Петра и Михаила применялись простые самоделки или ВАПовские дуйки, которые не могли разогнать изотермию в их горелках под 2000гр, но с применением синтез газа, то есть- при добавлении простой воды в топливо перед пиролизной камерой, - результат имели тот же, что и у меня. Синтез газ и у них раскалял изотермию до 2000гр. Все до безумия просто, без всяких дорогущих установок, без кибернетики и прочей лабуды-тупо, подал воду в топливо и получай на выходе “ужасную” мощность горения. Обобщу- три человека поделились своими результатами, приложили видео ролики, отзывы, что еще нужно “не верующим”? Горелка ГВТТ признана Российским патентным бюро- как изобретение, выдан соответствующий патент- так какие еще доказательства вам нужны? Можно из года в год вести высокозаумные рассуждения о горении дров в печке, а можно скачать весь материал о ГВТТ, который бесплатно выложен в интернет ресурсах , изучить его и за пару дней сделать горелку ГВТТ, потом, как минимум месяц будешь в восторженном шоке от полученных результатов, как в прочем и все, кто сделал ГВТТ…
Поверхностный подсчет того, что дает нам водородное топливо-
Всем известен тот факт, что число грамм-атома равно массе атома вещества, а грамм-молекулы = молекулярной массе вещества. К примеру, грамм-молекула Н₂ в молекуле Н₂О = 2г, а грамм-атом атома О2 = 16г. Грамм-молекула воды =18г. Поскольку масса Н₂ равна 2/18*100%=11,11%, а масса Н₂О 16/18*100%=88,89%, то такое же соотношение О₂ и Н₂ останется и в литре воды. Таким образом получается, что 1000 г воды содержат в себе 111,11 г Н₂ и 888,89 г О₂.
Вес одного литра водорода составляет 0.09 г, а один литр кислорода – 1,47 г. Таким образом получается, что, если следовать правилу, из 1 л воды можно получить: 1234,44 л = 111,11/0,09 – водорода, и 604,69 л = 888,89/1,47 – кислорода. Вывод: один грамм воды содержит в себе 1,23 л водорода .
И так- этой горелой можно тремя килограммами топлива- разложить литр воды (за 1 час).. Хотя можно и больше и меньше, я “не углублялся” в этих экспериментах.(А если углубиться, то "Водяной газ" является следствием реакции С+Н2О = Н2+СО+Q, т.е получим не кислород, а монооксид углерода) Тепловая мощность на выходе- взлетает, а мне всего то – дом отапливать, а не пятиэтажку. Но тем не менее- несколько дней прошлой осенью “погонял” горелку “на воде”.
И так- с одного литра воды имеем 1,2 кубометра водорода. Водород всегда горит ярким и жарким пламенем- ему “по барабану” любые огрехи вашей топочной камеры. Остается только успевать снимать этот “ужасный” жар и отдавать его на теплообменник. И что бы больше не приводить ни каких цифр, напишу проще- один литр воды, после разложения его на водяной газ (по своей теплотворности), в такой горелке- заменяет 5кг антрацита, 11кг бурого угля, 18кг сырых, свежеспиляный дров, 4,4 кубометра природного газа, 3,3 литра бензина и.т.д. (Весма спорное утверждение, т.к. существует много таблиц с разными данными теплотворной способности как водяного газа так и водорода... Пример: и по Лаврову , хотя первая таблица вызывает гораздо больше доверия)
Все “работает” просто и надежно. Высокие температуры- сами устраняют всевозможные ошибки дозировки, подачи топлива и воды…
https://www.youtube.com/watch?v=inm_hCAO5sE

[Кольчугин]

Д.И. Менделеев писал еще в XIX веке следующее:"Превращая дерево в древесный уголь или в воздушный (генераторный) газ, много процентов теряют из тепло-производительности исходного материала, но практически выгадывают в деле пользования топливом, потому что получают возможность при сжигании полученных продуктов достигать таких температур, каких само дерево, прямо сгорая, вовсе не может давать." (Менделеев стр. 373)
Горючая масса дров и торфа с высоким содержанием кислорода обладает теплотой сгорания, значительно более низкой, чем горючая масса антрацита или каменного угля. Однако различие в жаро-производительности указанных видов топлива существенно меньше. Так, теплота сгорания горючей массы дров на 44% меньше, чем антрацита, а жаропроизводительность горючей массы ниже лишь на 9%.

Более сложная зависимость выявляется при сопоставлении теплоты сгорания и жаропроизводительности углерода и окиси углерода. Теплота сгорания 1 кг-атома углерода в виде графита равна около 94000 ккал, а 1 моля окиси углерода — лишь около 68000 ккал. Тем не менее жаропроизводительность окиси углерода равна 2370°С, т. е. почти на 200 град, выше жаропроизводительности графита (2175°С).
Указанное положение обусловлено тем, что присоединение к углероду первого атома кислорода связано с большой затратой энергии на разрыв связей между атомами углерода в графите. Вследствие этого из 94 000 ккал потенциального тепла 1 кг-атома углерода лишь около 26000 ккал, т. е. менее 30%, выделяется в результате присоединения первого атома кислорода и образования окиси углерода. Присоединение же второго атома кислорода с окислением СО до С02 сопровождается выделением 68 000 ккал тепла:
В результате при горении графита (а) на 1 моль продуктов сгорания выделяется около 20000 ккал (94 000:4,76), а при горении СО (б) на 1 моль продуктов сгорания выделяется около 23 500 ккал (68 000:2,88), т. е. значительно больше тепла. Этим и объясняется, что максимальная температура нагрева продуктов сгорания СО, т. е. жаропроизводительность окиси углерода, значительно выше жаропроизводительности графита.
Таким образом, горючая масса всех видов топлива — от антрацита и кокса до дров и торфа — с различным содержанием кислорода и различной теплотой сгорания характеризуется высокой жаропроизводительностью порядка 2000—2200 °С. (4. М. Б. Равич стр. 88)

Как все это реализовать в случае горения топлива в бытовом тепломодуле?
Всем известно что эффективность сгорания любого твердого топлива в воздушной среде не превышает 60% в силу того, что при выгорании углерода топлива горение происходит по наружной оболочке частицы сгорающего углерода, а шлак образующийся при горении углерода топлива, являясь прекрасным теплоизолятором, снижает температуру термохимической реакции горения вплоть до прекращения горения. Поэтому и приходится придумывать разного рода шуровки с ворошилками. И что? Тупик???
В отношении сжигания углерода в кислородной (воздушной) среде - ДА... Но если изменить среду в которой протекает термохимическая реакция, убрав из нее кислород (использовать его для сжигания горючего газа и подойти к слою углерода без кислорода, но с высокой температурой продуктов горения, состоящих в основном из СО2) и не сжигать углерод а использовать его в качестве "топлива" в термохимических реакциях восстановления (давно известных):
С+СО2+39893кал/моль = 2СО;
С+Н2О(пар)+30044кал/моль = Н2 + СО;

[Кольчугин]

В результате подобного "сжигания" углерода топлива мы имеем безшлаковое сгорание углерода... Совсем избежать золообразования не получится ввиду того что помимо углерода в древесном топливе содержатся щелочные металлы, которые легко обнаруживаются при химическом анализе золы...
О выгодах сжигания газов (в сравнении с сжиганием твердого топлива) говорит практически полное отсутствие в продуктах сгорания шлаков и золы... Зола расплавляется и выносится вместе с дымгазами за пределы камеры сгорания, либо откладывается на футеровке КС в виде расплава (природная футеровка",защищая футеровку от расплавления...
О температурах которые может дать сжигание горючих газов можно судить из приведенных таблиц:

[Кольчугин]

Не буду в подробностях расписывать горелку ГВТТ о ней все сказано(размеры, чертежи,способы настроек и подбора вентиляторов, изготовление шнека и ворошилки топлива и пр.) вот здесь -http://sozydatel.su/viewtopic.php?f=6&t=9
Приведенный выше ресурс создан для пропаганды "Валериной горелки" и прочитать негативные отзывы присущие этой горелке, от людей у которых не получилось ее воспроизвести. на данных ресурсах не удастся по причине (банальной) удаления тех отзывов и забанивания всех опубликовавших данные отзывы...
Познакомиться с негативными отзывами можно на ФХ (или КМ) в теме: " Самодельная горелка под пеллеты, опилки, зерноотходы..."
Суть всего высказанного негатива сводится к следующим пунктам:
1) В случае отклонения от пропорций горелки, а они жестко привязаны к диаметру применяемого шнека (в авторском варианте диаметр шнека 120мм) нарушается аэродинамика работы КС (камеры сгорания)... Потому любое изменение диаметра шнека (а самодельщики предпочитают работать с тем что уже есть под рукой) чревато со сложностями в работе горелки...
2) Сложности с подбором "Дуйки"(вентилятора наддува), которая должна обеспечить высокое давление наддувного воздуха при сравнительно небольшом его объеме...
3) Сложности с настройками воздушного патрубка...
4) Не желание горелки работать на всех видах топлива (автор утверждает что горит в ней все, что можно подать шнеком)... Хорошо горит жирное маслянистое топливо такое как агропеллеты из отходов подсолнечника, лузга подсолнечника или отходы рапса, семечка, отходы от орехов... Прекрасно горят и обычные древесные пеллеты...
Низшим порогом для сгорания являются опилки...
Нет НИКОГО кроме автора, у кого бы горели зерноотходы и полова или бурый уголь(а у меня в Новосибирске именно он является самым дешевым видом топлива)... По крайней мере мне таких пользователей найти не удалось...
5) Были у пользователей Валериной горелкой и случаи возгорания топлива в бункере, и довольно серьезные пожары... В следствии подачи воздуха в шнек (для подпора и перенаправления пиролизных газов образующихся в результате нагрева от стенок таможенного отсека и кондуктивного прогрева самого топлива)...
6) Ну и вызывают сомнения температуры при которых происходит мгновенная пиролизация топлива (автор заявляет о 700гр.С)... Прогреть кондуктивно небольшой слой топлива со стороны КС конечно можно, но получить такие температуры через прогрев шамотного массива через 3-6,5см грань в это поверить ну никак не могу...