СПОСОБ СЖИГАНИЯ МАЗУТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F23D11/44 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкции мазутных и газомазутных горелок, систем сжигания жидкого топлива, и может быть использовано в различных областях техники.

Как известно, мазут, применяющийся в качестве жидкого топлива для горелочных устройств котельных и теплоэнергетических установок, наряду с рядом положительных свойств (низкая стоимость, высокая теплота сгорания) имеет такие недостатки, как широкий разброс химического состава и значительная вязкость. Это приводит к тому, что однородный и мелкодисперсный распыл мазута, осуществляемый при помощи топливных форсунок мазутных горелок, вызывает значительные трудности, заключающиеся в необходимости создания высокого перепада давлений на топливной форсунке для обеспечения мелкодисперсного распыла мазута. Естественно, это приводит к увеличению габаритов форсунки и запорно-регулирующей арматуры горелочных устройств, а также - к увеличению потребной механической мощности на валу топливного насоса, нагнетающего мазут в форсунку. Другой путь, приводящий к снижению вязкости распыливаемого мазута и, следовательно, к уменьшению среднестатистического размера капель последнего - это нагрев мазута до высоких температур. Конкретное значение температуры мазута, обусловливающее его вязкость, достаточную для удовлетворительного качества распыла, зависит от марки мазута и типа форсунки, осуществляющей распыл последнего. Например, для мазута марки М100 ГОСТ 10585-75, распыляемого гидравлической форсункой, эта температура составляет приблизительно 140оС.

Однако если увеличением давления и температуры перед топливной форсункой можно добиться определенного снижения среднестатистического диаметра капель распыленного мазута, то ликвидировать широкий разброс размеров капель относительно среднестатистического и обеспечить равномерное распределение их по всему объему зоны горения указанными способами не представляется возможным. К тому же, горение капель мазута в среде воздуха, как и любое гетерогенное горение, характеризуется ограниченными площадями соприкосновения горючего (в данном случае - мазута) и окислителя (воздуха), что способствует неполному сгоранию топлива в зоне горения. Применительно к известным в настоящее время конструкциям мазутных горелочных устройств и осуществляемым в них процессам сжигания мазута, следует отметить, что, обладая определенной неполнотой сгорания топлива, они имеют относительно низкую экономичность и экологические показатели (неполное сгорание мазута приводит к наличию в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу, угарного газа, углеводородных соединений).

Взятый в качестве прототипа заявляемого изобретения способ сжигания мазута предусматривает подачу воздуха и распыленного мазута в зону горения и сжигание их. При таком способе сжигания мазута горение последнего является гетерогенным. К тому же, при распыле мазута имеет место широкий спектр размеров его капель, сто обусловливает неполное сгорание наиболее крупных из них. Таким образом, способ сжигания мазута по прототипу обладает таким существенным недостатком, как неполное сгорание топлива, причем неполнота сгорания топлива увеличивается при применении более тяжелых марок мазута, имеющих большую вязкость.

Повышения полноты сгорания мазута при сжигании его способом по прототипу можно добиться, ограничив диапазон применяемых марок мазута только легкими сортами последнего, имеющими малую вязкость, определяющую мелкий распыл мазута. Так, например, мазутные горелки фирмы "Вайсхаупт" (ВРГ), реализующие такой процесс сжигания мазута, допускают использование в качестве топлива только мало минерализованного мазута марки ЕL по стандарту ДИН 51603 кинематической вязкостью не более 6 мм2/с при 20оС. Однако такое значительное сокращение диапазона применяемых для горелки топлив усложняет эксплуатацию последней, причем, разрешенные к применению для способа сжигания по прототипу легкие и мало минерализованные сорта мазута являются дефицитными.

За прототип взята конструкция системы сжигания мазута, содержащая воздухоподводящий тракт, магистраль подачи мазута и камеру сгорания с форсуночным устройством. В качестве такой системы сжигания мазута рассматривается конструкция мазутной агрегатированной горелки фирмы "Вайсхаупт" (ФРГ).

Недостатки такой системы - относительно низкие экономичность и экологические показатели, а также узкий диапазон применяемых марок мазута. Это обусловлено тем, что конструкция системы основана на реализации способа сжигания мазута, предусматривающего подачу воздуха и распыленного мазута в зону горения и сжигание их, т. е. обеспечивает горение гетерогенной смеси, состоящей из капель жидкого горячего (мазута) и газообразного окислителя (воздуха). Конструкция системы-прототипа такова, что никакого другого способа сжигания мазута реализовать не может. Такой системе присуща относительно большая неполнота сгорания топлива, которая приводит к ухудшению экономичности и увеличению уровня вредных выбросов (угарного газа, углеводородных соединений), при ограничении применяемых в качестве топлива марок мазута.

Способ и система сжигания мазута по прототипу используются в агрегатированных мазутных и газомазутных горелках фирмы "Вайсхаупт".

Цель заявляемого способа - повышение полноты сгорания при расширении диапазона применяемых марок мазута.

Цель заявляемого устройства - повышение экономичности и улучшение экологических показателей при расширении диапазона применяемых марок мазута.

Поставленная цель в способе достигается тем, что часть полного расхода мазута распыляют, смешивают при стехиометрическом соотношении с частью расхода воздуха и сжигают. Затем в полученные высокотемпературные продукты сгорания вводят в распыленном виде оставшуюся часть полного расхода мазута. После этого полученную парогазовую смесь вводят в оставшуюся часть расхода воздуха, смешивают и сжигают. При этом увеличивается полнота сгорания топлива по сравнению со способом сжигания мазута по прототипу. Повышение полноты сгорания при сжигании мазута заявляемым способом обусловлено следующим. Поскольку только часть расхода мазута смешивают при стехиометрическом соотношении компонентов с частью расхода воздуха и сжигают, то осуществление нагрева указанной части расхода мазута до температуры, обеспечивающей такую его вязкость, при которой осуществляется мелкодисперный распыл мазута, обусловливающий приемлемую полноту сгорания топлива, легко осуществимо и требует небольших затрат энергии. К тому же, неполное сгорание указанной части мазута не влечет за собой появление недостатков, присущих прототипу, т. к. в дальнейшем продукты сгорания указанной части расхода мазута снова подвергаются смешению с воздухом и попадают в зону горения. В высокотемпературные продукты сгорания, не имеющие вследствие стехиометрического соотношения и небольших значений расходов мазута и воздуха сколь-либо существенного содержания свободного кислорода, вводят в распыленном виде оставшуюся часть расхода мазута. Доля мазута, сгорающего в первой зоне, выбирается так,
чтобы обеспечивалось гарантированное испарение оставшейся части мазута. Парогазовая фаза лучше смешивается с воздухом, чем обеспечивается большая полнота сгорания, чем в случае распыления жидкого мазута. Полученная в итоге топливовоздушная гомогенная смесь характеризуется одинаковой концентрацией компонентов по ее объему и, следовательно, более высокой полнотой сгорания, что приводит к свою очередь к повышению экономичности и снижению уровня вредных выбросов системы сжигания мазута, использующей заявляемый способ.

При заявляемом способе сжигания мазута часть мазута, подаваемого на сжигание, предварительно испаряется с помощью высокотемпературных продуктов сгорания другой части мазута, что позволяет создать гомогенную топливовоздушную смесь, состоящую из испаренного мазута, воздуха и продуктов сгорания мазута и воздуха, способную обеспечить высокую полноту сгорания топлива, обусловливающую снижение расхода мазута, необходимого для получения требуемого количества тепла (т. е. повышение экономичности) и снижение уровня вредных выбросов (угарного газа, углеводородных соединений) в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

Поставленная цель в объекте "устройство" достигается тем, что система сжигания мазута снабжена форкамерой с малорасходными воздухоподводящим трактом и дополнительной топливной форсункой, сообщенной с магистралью подачи мазута, газогенератором на выходе из форкамеры, в котором установлена основная топливная форсунка, сообщенная с магистралью подачи мазута, а камера сгорания выполнена в виде дожигателя, на входе в который установлены газогенератор, основной воздухоподводящий тракт и смеситель.

Конструкция заявляемой системы сжигания мазута обеспечивает испарение большей части расхода мазута, поступающего на сжигание при помощи распыла этой части расхода мазута в высокотемпературную среду, создание гомогенной (парогазовой) смеси испаренного топлива и воздуха и сжигание ее с высокой полнотой сгорания, вследствие чего повышается экономичность и экологические показатели системы сжигания мазута. При этом, возможность предварительного испарения сжигаемого мазута позволяет существенно расширить диапазон применяемых марок мазута ГОСТ 108585-75. В результате реализуется новое свойство заявляемой системы, а именно независимость экономичности и экологических показателей от марки применяемого мазута.

Отличительные признаки способа и устройства не обнаружены в источниках информации, что в сочетании с реализацией новых свойств (независимости полноты сгорания, экономичности и экологических показателей от марки применяемого мазута) позволяет считать заявляемые совокупности признаков новыми.

На чертеже представлена схема системы сжигания мазута.

Заявляемая система включает в свой состав магистраль подачи мазута 1 с топливным клапаном 2, форкамеру 3 с малорасходными воздухоподводящим трактом 4 и дополнительной топливной форсункой 5, газогенератор 6 с основной топливной форсункой 7, основной воздухоподводящий тракт 8, дожигатель (камеру сгорания) 9, смеситель 10.

В исходном состоянии подача мазута в магистраль 1 и воздуха в малорасходный 4 и основной 8 воздухоподводящие тракты отсутствует, топливный клапан 2 закрыт. При запуске системы начинается подача воздуха на вход последней. Суммарный расход воздуха разделяется таким образом, что меньшая его часть поступает в малорасходный воздухоподводящий тракт 4, а большая - в основной воздухоподводящий тракт 8. Одновременно с этим начинается подача подготовленного к распылу мазута (например мазута марки М100 ГОСТ 10585-75, нагретого до температуры 140оС) в магистраль подачи мазута 1. Со входа в магистраль подачи мазута 1 мазут расходом в 10% от полного расхода поступает в малорасходную дополнительную топливную форсунку 5. Форсунка 5 осуществляет распыл мазута в форкамеру 3, где он смешивается в стехиометрическом соотношении с воздухом, подаваемым в форкамеру 3 по малорасходному воздухоподводящему тракту 4 и зажигается каким-либо способом. Высокотемпературные продукты сгорания поступают из форкамеры 3 в газогенератор 6.

При поступлении продуктов сгорания из форкамеры 3 в газогенератор 6 открывается топливный клапан 2 в магистрали подачи мазута 1. При этом 90% -ный от полного расход мазута из магистрали подачи мазута 1 поступает в основную топливную форсунку 7, которая распыляет мазут в газогенератор 6. В газогенераторе 6 распыленный мазут смешивается с высокотемпературными продуктами сгорания, поступающими туда из форкамеры 3 и испаряется. Полученная парогазовая смесь поступает с выхода газогенератора 6 в дожигатель (камеру сгорания) 9, туда же подается по основному воздухоподводящиму тракту 8 воздух. Потоки парогазовой смеси и воздуха турбулизуются на смесителе 10, выполненном в виде дефлектора, смешиваются, и полученная топливовоздушная смесь зажигается каким-либо способом. Система сжигания мазута выходит на установившийся режим. Продукты сгорания из дожигателя 9 отводятся потребителю.

При остановке системы сжигания мазута сначала закрывается топливный клапан 2. При этом прекращается подача мазута в газогенератор 6 и выработка там парогазовой горючей смеси. Пламя в дожигателе 9 гаснет. Затем прекращается подача мазута в магистраль 1, вследствие чего прекращается рабочий процесс в форкамере 3. После этого прекращается подача воздуха на вход в систему. Система приводится в исходное состояние.

Сущность изобретения обоснована расчетом, в результате которого определена доля от полного расхода сжигаемого мазута, подающегося в первую зону горения, где мазут в распыленном виде смешивается при стехиометрическом соотношении с частью расхода воздуха, что имеет целью испарить другую часть расхода мазута.

Расчет проводится применительно к сжиганию высокосернистого мазута марки М100 ГОСТ 10585-75.

Исходные данные для расчета: средний элементарный состав указанной марки мазута согласно источнику: Роддатис К. Ф. , Полтарецкий А. Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М. : Энергоатомиздат, 1989, с. 35, табл. 2.8, температура кипения мазута при атмосферном давлении 332оС (по экспериментальным данным), теплота испарения мазута 6737 кал/моль.

В ходе расчета определена молярная масса указанной марки мазута по методике, изложенной в книге: Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей/Под ред. В. М. Кудрявцева. М. : Высшая школа, 1983, 6.1. , значение массы одного моля мазута составляет 25,882 г.

В результате расчета определена минимальная доля от расхода мазута, подаваемого на сжигание, определяющая полное испарение последнего и получение гомогенной парогазовой смеси. Указанная величина составляет 3,6% . Однако с учетом нестабильности характеристик мазута, потерь тепла в окружающую среду и необходимости гарантированного испарения мазута в ограниченном объеме перед сжиганием его в виде парогазовой смеси, доля мазута, необходимая для сжигания с воздухом при стехиометрическом соотношении их расходов определена с запасом и составляет 10% от подаваемого на сжигание расхода мазута.

Заявляемые способ и устройство разработаны на предприятии-заявителе при разработке технического предложения на газомазутную агрегатированную автоматизированную горелку тепловой мощностью 1,1 МВт.

Благодаря предварительному испарению 90% мазута перед его сжиганием, осуществляемому за счет использования тепловой энергии 10% мазута, сжигаемых в распыленном виде при стехиометрическом соотношении с воздухом, повышается полнота сгорания мазута, тем самым повышается экономичность и улучшаются экологические показатели системы сжигания мазута, кроме того, расширяется диапазон применяемых марок мазута.

Использование: в области энергетического машиностроения. Сущность изобретения: 10% от полного расхода распыляют, смешивают при стехиометрическом соотношении с частью расхода воздуха и сжигают. Затем в полученные высокотемпературные продукты сгорания вводят в распыленном виде оставшиеся приблизительно 90% от полного расхода мазута, после чего полученную парогазовую смесь вводят в оставшуюся часть расхода воздуха, смешиват и сжигают. 2 с. п. ф - лы, 1 ил.

1. Способ сжигания мазута путем подачи воздуха и распыленного мазута в зону горения, отличающийся тем, что, с целью повышения полноты сгорания при расширении диапазона применяемых марок мазута, часть мазута в распыленном виде смешивают при стехиометрическом соотношении с частью воздуха и сжигают, затем в полученные высокотемпературные продукты сгорания вводят в распыленном виде оставшуюся часть мазута, после чего полученную парогазовую смесь вводят в оставшуюся часть воздуха, смешивают и дожигают. 2. Устройство для сжигания мазута, содержащее воздухоподводящий тракт, магистраль подачи мазута, форсунку и камеру сгорания, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности и улучшения экологических показателей при расширении диапазона применяемых марок мазута, оно дополнительно содержит форкамеру с малорасходными воздухоподводящим трактом и дополнительной топливной форсункой, сообщенной с магистралью подачи мазута, и газогенератор на выходе из форкамеры, в котором установлена основная топливная форсунка, сообщенная с магистралью подачи мазута, а камера сгорания выполнена в виде дожигателя, на входе в который установлен этот газогенератор, основной воздухоподводящий тракт и смеситель.