ВИХРЕВАЯ ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА С НИЗКИМ ВЫХОДОМ ОКСИДОВ АЗОТА Российский патент 1996 года по МПК F23D1/06 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в качестве горелочного устройства для пылевидного сжигания твердого топлива в топках котельных установок и промышленных печах.

Известны вихревые пылеугольные горелки, в которых по внутреннему цилиндрическому коаксиальному каналу подается закрученный поток топливо- и воздушной смеси, а по наружному кольцевому каналу закрученный поток вторичного воздуха.

Недостатком таких горелок является то, что после завихрителя основная часть угольных частиц за счет центробежных сил концентрируется вблизи наружной стенки цилиндрического коаксиального канала, т.е. вдали от его продольной оси. При таком распределении топлива на выходе из горелки оно попадает во внешнюю зону приосевого обратного тока, где более высокие концентрации кислорода и более низкие температуры. В результате этого такие горелки характеризуются высоким выходом NO_x.

Известны также вихревые пылеугольные горелки, в которых поток топливо- и воздушной смеси подается по внутреннему цилиндрическому каналу и сам канал перед выходом в топку выполнен конфузорно-цилиндрическим.

Недостатками такой конструкции горелки являются повышенный выход NO_x и ухудшенное воспламенение топлива, так как из-за отсутствия крутки топливно-воздушной смеси расход приосевого обратного тока, а также диаметр и глубина внутренней зоны рециркуляции являются недостаточными, чтобы создать вблизи горелки в приосевой области развитую зону с низкой концентрацией О₂ и высокой температурой.

В настоящее время многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями доказано, что при пылеугольном сжигании основная часть NO_x образуется на участке выхода и горения летучих. Поэтому для снижения NO_x необходимо, чтобы выход летучих и воспламенение топлива происходили в зоне с недостатком кислорода и при высокой температуре газов. Такие условия могут быть обеспечены, если топливо на выходе из горелки вводится в приосевую зону обратного тока узким концентрированным пучком.

Целью изобретения является уменьшение выхода NО_x.

Для достижения этой цели предлагаемая вихревая горелка содержит один или несколько внешних цилиндрических коаксиальных каналов вторичного воздуха с завихрителями и один или два цилиндрических коаксиальных каналов топливно-воздушной смеси с завихрителями, пpичем во внутреннем приосевом канале топливно-воздушной смеси после завихрителя последовательно по ходу движения потока установлены конфузорно-цилиндрическая вставка, а за ней конфузорно-диффузорный насадок.

Предлагаемое конструктивное выполнение внутреннего канала топливно-воздушной смеси позволяет за счет установки после завихрителя конфузорно-цилиндрической вставки собрать топливные частицы на периферии канала в узкий концентрированный кольцевой поток, который при дальнейшем движении в конфузорной части выходного насадка собирается за счет сил инерции в приосевой области.

Наличие диффузорной части выходного насадка способствует тому, что после выхода из конфузора воздушная часть потока, двигаясь по законам вязкости, размыкается вдоль стен диффузора, а твердые частицы топлива, двигаясь по законам инерции, сосредотачиваются (фокусируются) на выходе из насадка вблизи оси горелочной струи. В результате на выходе из вихревой горелки основная часть топлива попадает в зону приосевого обратного тока, где к устью горелки притекают обедненные кислородом высокотемпературные топочные газы, обеспечивающие устойчивое воспламенение и горение топлива. Поскольку процесс горения летучих в этой зоне происходит в обедненной кислородом среде, то и образование топливных окислов азота идет замедленно.

По результатам стендовых исследований, проведенных на двухфазных моделях, наибольший эффект по концентрации частиц в приосевой области горелочной струи достигается при следующих соотношениях:
расстояние от выходной
кромки завихрителя
до начала конфузорно- цилиндрической вставки l₁ (0,3-0,5)d
расстояние от выход-
ного сечения конфузор-
но-цилиндрической
вставки до начала
конфузорно-диффузор-
ного насадка l₂ ≅ 0,5d
угол конфузорной части
конфузорно-диффузор- ного насадка Φ 20-40^о
Здесь d внутренний диаметр внешней трубы кольцевого цилиндрического канала топливно-воздушной смеси на входе потока в конфузорно-цилиндрическую вставку.

Как показали стендовые исследования, при l₁ < 0,3d пылевой поток после завихрителя не успевает сформироваться для последующей концентрации его в конфузорно-цилиндрической вставке. При l₁ > 0,5d сконцентрированный на периферии канала поток твердых частиц начинает рассеиваться и эффект их концентрации в конфузорно-цилиндрической вставке уменьшается.

При l₂ > 0,5d пылевой поток, выходящий из конфузорно-цилиндрической вставки начинает заметно рассеиваться и эффект последующей фокусировки частиц на оси горелки уменьшается.

При Φ < 20^о эффект концентрации частиц на оси заметно уменьшается и сама горелка конструктивно удлиняется. При Φ > 40^о часть топливных частиц под влиянием сил инерции пробивает осевую зону и выносится на периферию горелочной струи, что снижает уровень концентрации частиц на оси.

На чертеже изображена предлагаемая горелка.

Горелка содержит входной патрубок топливно-воздушной смеси 1, внутреннюю трубу 2 для установки мазутной форсунки, цилиндрическую трубу 3, образующую канал топливно-воздушной смеси, завихритель топливно-воздушной смеси 4, конфузорную часть 5 и цилиндрическую часть 6 конфузорно-цилиндрической вставки, конфузорную 7 и диффузорную 8 части конфузорно-диффузорного насадка, выходную амбразуру вторичного воздуха 9, канал вторичного воздуха 10 с завихрителем 11 и входным патрубком 12.

Расстояния l₁ (0,3-0,5)d, l₂ (0-0,5)d
Угол Φ 20-40^о.

Подготовленная для сжигания топливно-воздушная (угольная) смесь подается в горелку через патрубок 1 и направляется по каналу 3 к завихрителю 4. Пройдя завихритель 4, поток угольных частиц под действием центробежных сил перераспределяется в сечении с увеличением концентрации частиц с ростом радиуса. После завихрителя 4 топливно-воздушный поток делится на два подпотока внутренний и внешний.

Внутренний подпоток с малой концентрацией угольных частиц проходит прямо вдоль внутренней трубы 2, а внешний подпоток направляется в канал, образованный конфузорно-цилиндрической вставкой 5, 6 и трубой 3. Под влиянием конфузорной части 5 вставки внешний подпоток угольных частиц собирается узким кольцевым сечением. Пройдя цилиндрическую часть 6, внешний поток стабилизируется в осевом направлении по скорости и концентрации частиц и направляется затем в конфузор 7 выходного насадка.

Под действием конфузора 7 основная доля угольных частиц направляется в приосевую область и за счет инерционных сил сохраняет это направление и в диффузорной части 8. Что же касается потока воздуха или другого газа носителя топливно-воздушной смеси, то он после конфузора 7, подчиняясь законам турбулентной вязкости, размыкается и растекается по всему сечению, диаметр которого не менее d. В итоге на выходе из предлагаемой горелки топливно-воздушная струя будет иметь максимум концентрации топливных частиц вблизи оси.

Вторичный воздух через входной патрубок 12 попадает в канал 10 и, пройдя завихритель 11 и амбразуру 9, выходит из горелки, образуя сильнозакрученную струю. Отличительной особенностью такой струи является наличие развитой по размерам и массовому расходу зоны приосевого обратного тока, благодаря которой к устью горелки возвращаются (притекают) высокотемпературные топочные газы.

Топливно-воздушная струя, попадая в приосевую зону высокотемпературных газов, быстро прогревается и воспламеняется. Поскольку топочные газы в приосевой зоне обратного тока имеют минимум кислорода, то процесс выхода и горения летучих, а с ними и азотсодержащих составляющих в этой зоне протекает при недостатке кислорода, что ограничивает реакции образования NО_x. Учитывая, что в предлагаемой горелке основная часть топливных частиц сосредоточена в приосевой области, то все они при сгорании будут образовывать минимум NО_х.

Использование: в качестве горелочного устройства для пылевидного сжигания твердого топлива в топках котельных установок и промышленных печах. Сущность изобретения: горелка содержит один или несколько внешних цилиндрических коаксиальных каналов вторичного воздуха с завихрителями и один или два цилиндрических коаксиальных каналов топливно-воздушной смеси с завихрителями. Во внутреннем приосевом канале топливно-воздушной смеси после завихрителя последовательно по ходу движения потока установлены конфузорно-цилиндрическая вставка, а за ней конфузорно-диффузорный насадок, при этом расстояние от выходной кромки завихрителя до начала конфузорно-цилиндрической вставки составляет (0,3 - 0,5 d), а расстояние от выходного сечения конфузорно-цилиндрической вставки до начала конфузорно-диффузорного насадка не более 0,5 d, угол конфузорной части конфузорно-диффузорного насадка равен 20 - 40^o, где d - внутренний диаметр внешней трубы кольцевого цилиндрического канала топливновоздушной смеси на входе в конфузорно-цилиндрическую вставку. 1 ил.

ВИХРЕВАЯ ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА С НИЗКИМ ВЫХОДОМ ОКСИДОВ АЗОТА, содержащая по крайней мере один цилиндрический канал вторичного воздуха с завихрителями и по крайней мере один внутренний цилиндрический канал топливовоздушной смеси с завихрителями, отличающаяся тем, что во внутреннем приосевом канале топливовоздушной смеси после завихрителя последовательно по ходу движения потока установлены конфузорно-цилиндрическая вставка, а за ней конфузорно-диффузорный насадок, при этом расстояние от выходной кромки завихрителя до начала конфузорно-цилиндрической вставки составляет (0,3 - 0,5) d, расстояние от выходного сечения конфузорно-цилиндрической вставки до начала конфузорно-диффузорного насадка не более 0,5d, угол конфузорной части конфузорно-диффузорного насадка равен 20 - 40^o, где d - внутренний диаметр внешней трубы кольцевого цилиндрического канала топливовоздушной смеси в сечении на входе потока в конфузорно-цилиндрическую вставку.