УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛА ТОПЛИВА ИЛИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК F23D17/00 

Изобретение относится к области энергетики, а более точно, касается горелки для теплоэнергетических установок, которая может широко использоваться в паровых и водогрейных котлах, мартеновских печах, хлебопекарной промышленности и так далее, обеспечивая снижение оксидов азота в выбросах.

Известна газомазутная горелка, в цилиндрическом корпусе которой установлена центральная мазутная форсунка и соосно расположен кольцевой газовый коллектор, снабженный входным насадком, охваченным соосной обечайкой с образованием кольцевого канала подачи газов рециркуляции. Горелка имеет также центральный и периферийный воздушный каналы. Выходной участок канала подачи газа рециркуляции снабжен поперечной перфорированной перегородкой, причем соотношение суммарной площади живого сечения отверстий перфорированной перегородки к сумме площадей поперечных сечений центрального воздушного канала и периферийного воздушного канала составляет 0,14-0,30 [1]
Основным недостатком такой горелки является сложность ее конструкции и высокие затраты на эксплуатацию при использовании системы рециркуляции дымовых газов, что требует наличия системы отбора отходящих газов, направляющих каналов для их подачи в горелку и средств нагнетания их в каналы горелки, что существенно увеличивает металлоемкость, габариты конструкции и эксплуатационные затраты. Кроме того, в такой горелке суммарные площади живого сечения отверстия ее перегородки, предназначенной для прохода газов рециркуляции, находятся в определенной зависимости от суммы площадей поперечных сечений центрального и периферийного воздушных каналов, что снижает функциональные возможности такой горелки и возможность ее регулирования, поскольку перегородка используется только в горелках определенной конструкции и работающих на определенных видах топлива с заданным расходом топлива и окислителя.

Известно устройство для распыла топлива или жидкости, выбранное за прототип, содержащее корпус с коаксиально установленными в нем трубами подачи топлива или жидкости и окислителя или распылителя и, по меньшей мере, один узел подачи химреагента в заданную зону факела, размещенный в корпусе на уровне выходных срезов упомянутых труб [2]
В данном устройстве в качестве химреагента используют природный газ. Использование в качестве химреагента азотсодержащих веществ в виде присадок в данной горелке невозможно из-за отсутствия технологических средств, обеспечивающих подачу носителя, в качестве которого используют воздух.

В основу изобретения положена задача создания такой горелки для теплоэнергетических установок, конструктивное впыолнение которой позволит использовать ее как для жидкого, так и газового топлива, вписать ее в габариты существующих теплоэнергетических установок и обеспечить уменьшение концентрации образующихся оксидов азота при одновременном снижении расходов топлива и поддержании температуры факела на оптимальном уровне, что позволит увеличить экономичность устройства и работы теплоэнергетической установки в целом.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве, содержащем корпус с коаксиально установленными в нем трубами подачи топлива или жидкости и окислителя или распылителя, и, по меньшей мере, один узел подачи химреагента в заданную зону факела, размещенный в корпусе на уровне выходных срезов упомянутых труб, узел подачи химреагента выполнен в виде форсунки и смесительной камеры, сообщенной с каналами подачи химреагента и носителя, а сама форсунка образована центральным каналом для совместной подачи химреагента и носителя, подключенным к смесительной камере, и расположенной вокруг этого канала за смесительной камерой по ходу потока кольцевой камерой с патрубком, имеющим входные и выходные отверстия, подключенным к каналу подачи носителя.

Узлы подачи химреагента могут быть размещены как снаружи, так и внутри трубы подачи топлива или жидкости.

Кроме того, площади поперечных сечений входных и выходных отверстий патрубка кольцевой камеры выполнены с соотношением, обеспечивающим подачу носителя со сверхзвуковой скоростью.

Такое конструктивное выполнение устройства обеспечивает подачу химических реагентов в заданную зону факела, причем химические реагенты до их подачи в заданную зону факела благодаря наличию форсунки подаются в распыленном виде, что позволяет использовать минимальное количество этих химических реагентов и носителя для их подачи в зону факела. Это позволяет максимально снизить выделение оксидов азота и поддерживать оптимальной температуру факела, поскольку химические реагенты подаются не в корень факела, а в заданную зону, где формируются условия для образования оксидов азота, причем определение зоны образования оксидов азота осуществляется известным образом.

Поддержание в факеле оптимальных значений температуры позволяет сохранить КПД теплоэнергетической установки (например, котельной установки), а подача химических реагентов непосредственно в заданную зону факела позволяет сократить в несколько раз массовый расход реагента, носителя и сократить расход топлива по сравнению с прототипом из-за уменьшения потерь тепла.

Кроме того, предлагаемая конструкция узла подачи химических реагентов позволяет использовать его в горелках, работающих как на жидком, так и газовом топливе, причем конструктивное выполнение этого узла позволяет вписать его в горелки существующих топливоэнергетических установок без существенного их конструктивного изменения, что способствует расширению функциональных возможностей предлагаемой горелки по сравнению с прототипом.

В результате предложенного решения обеспечивается высокодисперсное распыление химических реагентов, которое осуществляется с использованием одного и того же носителя, подаваемого по двум разным каналам, и в два этапа, один из которых проводится в смесительной камере, а другой на выходе из кольцевого патрубка. Это существенно снижает расход носителя, химических реагентов и топлива, при этом значительно упрощается конструктивное выполнение форсунки, ее обслуживание и снижается стоимость ее изготовления.

На фиг.1 изображена схематично часть общего вида устройства распыла для теплоэнергетических установок; на фиг.2 то же, что и на фиг.1, другой вариант выполнения устройства.

Предлагаемое устройство для распыла для теплоэнергетических установок, например парового котла, содержит корпус 1, в котором размещены труба 2 для подачи топлива (горючего вещества) или жидкости и труба 3 для подачи распылителя (воды) и окислителя, например воздуха, которые размещены коаксиально, и узел подачи химических реагентов в заданную зону факела, установленный в корпусе 1. В зависимости от области использования устройства, а также от типа используемого топлива жидкого или газообразного в устройстве устанавливается один или несколько узлов подачи химических реагентов, причем в качестве химических реагентов используются, например, азотсодержащие вещества: карбамид, мочевина и так далее. Так, при использовании жидкого топлива узлы устанавливаются с внешней стороны трубы 2 на выходе из него топлива, как показано на фиг.1, причем узлы устанавливаются на одинаковом или разном расстоянии один от другого и от оси 0-0 устройства, при этом по оси 0-0 в трубе 2 установлена форсунка 4 известной конструкции для подачи жидкого топлива, например мазута.

При использовании в устройстве газового топлива узлы подачи химических реагентов устанавливаются с внешней или с внутренней стороны трубы 2 (фиг.2) на выходе из него топлива на одинаковом или разном расстоянии один от другого и от оси 0-0.

Каждый узел подачи химических реагентов выполнен в виде форсунки 5 и смесительной камеры 6, сообщенной с каналами 7 и 8 соответственно для подачи химических реагентов и носителя.

Форсунка 5 образована центральным каналом 9 для совместной подачи химических реагентов и носителя, подключенным к смесительной камере 6, и кольцевой камерой 10 для носителя, установленной за смесительной камерой 6 по ходу потока концентрично центральному подающему каналу 9. Кольцевая камера 10 сообщена с каналом 11 для подачи носителя и имеет выходной кольцевой патрубок 12, установленный соосно центральному подающему каналу 9 с внешней его стороны. Для подачи химических реагентов в заданную зону факела ось 0₁-0₁ центрального подающего канала 9 ориентирована в заданную зону факела, т.е. расположена под углом к оси 0-0 устройства.

Канал 7 для химических реагентов сообщен через коллектор 13 с источником химических реагентов (не показан), а каналы 8 и 11 для подачи носителя сообщены соответственно через коллекторы 14 и 15 с источниками носителя (не показаны) и обеспечивают подачу носителя в эти каналы 8 и 11 под разным давлением, причем для исключения увеличения габаритов устройства коллекторы 13, 14, 15 установлены концентрично относительно друг друга.

Кольцевая камера 10 сообщена с патрубком 12 отверстиями 16, причем соотношения площадей поперечного сечения входных отверстий 16 и выходного кольцевого отверстия 17 кольцевого патрубка 12 выбраны из условия подачи потока носителя со сверхзвуковой скоростью, что определяется расчетным путем (составляет, например, 1:10) и зависит от вида носителя и его давления в магистрали.

Работа устройства на жидком или газообразном топливе осуществляется известным образом. При необходимости уменьшения концентрации оксидов азота в факеле включают в работу узел подачи химических реагентов в заданную зону факела. Для этого одновременно по каналам 8 и 11 подается носитель под определенными давлениями, например, соответственно 2 и 5 атм, а по каналу 7 подаются химические реагенты, при этом носитель из канала 8 и химические реагенты из канала 7 попадают в смесительную камеру 6, где происходит их смешивание и формирование газожидкостной дисперсной струи, которая по центральному направляющему каналу 9 выбрасывается из форсунки 5. При этом носитель из канала 11 попадает в кольцевую камеру 10, а из нее через отверстия 16 направляется в выходной кольцевой патрубок 12. Носитель из кольцевого патрубка 12 выходит через отверстие 17 со сверхзвуковой скоростью в виде кольцевой струи вокруг центрального потока, образованного газожидкостной дисперсной струей из химических реагентов и носителя. В результате такого динамического воздействия потока носителя, подаваемого со сверхзвуковой скоростью, на дисперсную газожидкостную струю происходит вторичное дробление последней. Это в конечном итоге обеспечивает высокодисперсное распыливание химических реагентов с диаметром капель 2-15 мкм, а также высокую равномерность распределения капель жидкости по сечению потока при относительно небольших затратах энергии ( Δ P ≅ 0,1 МПа ). Поскольку на втором этапе распыливания газожидкостная дисперсная струя взаимодействует с кольцевой струей носителя, подаваемой со сверхзвуковой скоростью, то обеспечивается заданная концентрация химических реагентов в носителе и транспортировка их в заданную зону факела. Это поддерживает температуру факела на оптимальном уровне и обеспечивает экономичность устройства.

Использование: в паровых и водогрейных котлах для снижения оксидов азота при сжигании топлива. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, трубы для подачи топлива и окислителя и узел подачи химических реагентов в заданную зону факела, установленный в корпусе на участке выхода топлива и окислителя из труб. Узел подачи химических реагентов содержит форсунку, каналы для раздельной подачи химических реагентов и носителя и смесительную камеру, сообщенную с каналами подачи химических реагентов и носителя. Форсунка образована центральным подающим каналом, ориентированным в заданную зону факела и сообщенным со смесительной камерой, кольцевой камерой для носителя и кольцевым патрубком. Площади поперечных сечений входного и выходного отверстий кольцевого патрубка выполнены с соотношением, обеспечивающим подачу носителя со сверхзвуковой скоростью. В результате этого носитель, выходящий со сверхзвуковой скоростью, динамически воздействует на газожидкостный поток химических реагентов и в конечном итоге формирует высокодисперсное распыливание химических реагентов в заданной зоне факела. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПЫЛА ТОПЛИВА ИЛИ ЖИДКОСТИ, содержащее корпус с коаксиально установленными в нем трубами подачи топлива или жидкости и окислителя или распылителя и по меньшей мере один узел подачи химреагента в заданную зону факела, размещенный в корпусе на уровне выходных срезов упомянутых труб, отличающееся тем, что узел подачи химреагента выполнен в виде форсунки и смесительной камеры, сообщенной с каналами подачи химреагента и носителя, а сама форсунка образована центральным каналом для совместной подачи химреагента и носителя, подключенным к смесительной камере и расположенной вокруг этого канала за смесительной камерой по ходу потока кольцевой камерой с патрубком, имеющим входные и выходные отверстия, подключенным к каналу подачи носителя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узлы подачи химреагента размещены снаружи трубы подачи топлива или жидкости. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узлы подачи химреагента размещены внутри трубы подачи топлива или жидкости. 4. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что площади поперечных сечений входных и выходных отверстий выполнены с соотношением, обеспечивающим подачу носителя со сверхзвуковой скоростью.