УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК F23D14/24 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания газообразного топлива, также в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известно устройство, содержащее топочную камеру, горелки, расположенные в два яруса и сопла острого дутья ярусов, с помощью которого осуществляется способ сжигания топлива [1]
При работе устройства через горелки подаются топливо и основная часть воздуха, необходимого для сгорания этого топлива. Остальной воздух подается через сопла острого дутья.

Работа горелочных устройств с соплами острого дутья осуществляется со сравнительно большим недостатком воздуха (низкая скорость воздуха), что ухудшает регулировочные характеристики горелки и подготовку смесеобразования топлива воздух.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для сжигания газообразного топлива фирмы "Steinmuller", содержащее цилиндрический корпус, в котором расположены центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, поворотные газораздающие трубки с выходными отверстиями, установленные между воздушными каналами и расположенные тангенциально и радиально к оси воздушного канала, при этом газораздающие трубки соединены с общим коллектором [2]
Недостатком известного устройства является несовершенное смесеобразование газообразного топлива с воздухом, приводящие к недостаточному уровню снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания.

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание устройства для сжигания газообразного топлива, позволяющего повысить уровень снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для сжигания газообразного топлива, содержащем цилиндрический корпус, в котором расположены параллельный и периферийный воздушные каналы с завихрителями и поворотные газораздающие трубки, установленные между воздушными каналами, выходные отверстия которых расположены тангенциально и радиально к оси воздушного канала, отношение диаметра окружности, на которой расположены газораздающие трубки к внутреннему диаметру корпуса составляет 0,45 0,70, а соотношение суммарной площади выходных отверстий тангенциально и радиально расположенных газораздающих трубок равно 0,5 1,0, при этом газораздающие трубки с радиально и тангенциально расположенными отверстиями подключены к разным коллекторам.

Отличительные от прототипа признаки, направленные на повышение уровня снижения содержания окислов азота в продуктах сгорания, в известных источниках информации не обнаружены.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывают, что оно, по мнению авторов, явным образом не следует из уровня техники, так как из рассмотренных решений не выявляется влияние соотношений, характеризующих взаимное расположение струй топлива и воздуха, и соотношений расходов струй топлива, подаваемых в зону горения радиально и тангенциально, на снижение содержания оксидов азота в продуктах сгорания. Заявленное устройство, основанное на снижении концентрации кислорода в зоне горения, является более простым в реализации по сравнению с известными, использующими рециркуляцию дымовых газов (авт. св. СССР N 1477978, кл. F 23 c 11/00, 1987), или инертные газы (авт. св. СССР N 630488, F 23 c 11/00, 1976). Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленных способа и устройства для сжигания газообразного топлива критериям охраноспособности "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведен общий вид устройства, которое реализует способ сжигания газообразного топлива, а на фиг. 2 показана схема направления газовых струй относительно поперечного сечения центральной струи.

Устройство для сжигания газообразного топлива содержит цилиндрический корпус 1, центральный воздушный канал 2 с завихрителями 3 и поворотные газораздающие трубки 4, объединенные в коллекторы 5 и 6, периферийный кольцевой воздушный канал 7 с завихрителем 8, шибер 9 для распределения воздуха между каналами 7 и 9.

Газовоздушные трубки 5 установлены между воздушными каналами 2 и 7, выходные отверстия которых расположены тангенциально и радиально к оси воздушного канала, отношение диаметра окружности, на которой расположены газораздающие трубки, к внутреннему диаметру корпуса 1 составляет 0,45 0,70, а соотношение суммарной площади выходных тангенциально и радиально расположенных отверстий газораздающих трубок равно 0,5 1,0.

Работает устройство следующим образом.

Воздух подают в цилиндрический корпус 1. Воздух входит одним потоком через центральный воздушный канал 2, где посредством завихрителя 3 закручивается, образуя центральную закрученную струю. В газораздающие трубки 4 через коллекторы 5 и 6 подают газообразное топлива, которое смешивается с воздухом, подаваемым через центральный воздушный канал 2, и воспламеняется от запального устройства (не показано). Поскольку образовавшаяся смесь газ - воздух имеет избыток газа, то на начальном участке факела выгорает не весь газ, а его часть. Несгоревший газ смешивается с воздухом, который подают через периферийный канал 7 с завихрителем 8, и образующаяся горючая смесь догорает в последующих зонах факела. Регулирование количества воздуха, подаваемого в каналы, производят с помощью шибера 9 путем поворота его вокруг оси.

Пример 1. Расход газа 0,05 м³/c. Отношение диаметра окружности расположения газораздающих трубок к внутреннему диаметру корпуса составляет d/D 0,45. Количество газораздающих трубок 12. Трубки объединены в два коллектора по 6 шт. в каждом. Количество отверстий в каждой газораздающей трубке 10 шт. диаметр каждого отверстия d_отв 5 мм. Расчетная скорость истечения газа составит величину

Природный газ подают в центральную воздушную струю отдельными струями таким образом, что все струи направлены радиально, т.е. N_танг./N_рад. O и F/f 0.

Воздух подают через центральный воздушный канал и периферийный кольцевой канал. Через центральный воздушный канал воздух подают в таком количестве, чтобы образовалась газовоздушная смесь с концентрацией газа не более 15% (предельная верхняя концентрация газа в смеси, при которой еще происходит воспламенение смеси), т.е. расход воздуха составляет величину

Поскольку необходимый объем воздуха для полного сгорания 0,05 м³/с метана равен Goв

= 9,52•0,05 м³/с = 0,476 м³/с,, то количество воздуха, которое необходимо подавать через кольцевой канал, будет следующим:

При этом завихрители воздуха в центральном и кольцевом каналах обеспечивают параметры крутки центральной и кольцевой струи n₁ 5 и n₂ 5 (достигается путем установки соответствующих завихрителей). В этом случае параметр крутки сложной струи будет равен (соотношение 5)

При таком параметре крутки (В.В. Померанцев. Основы практической теории горения. Л. Энергоатомиздат, 1986, с. 41) обеспечивается рециркуляция продуктов сгорания вблизи устья горелки, что оказывает стабилизирующее воздействие на процесс воспламенения смеси (см. В.В. Померанцев, с. 145).

Как известно (см. В. В. Померанцев, с. 48), вблизи сильно закрученных струй создается разрежение, которое достигает (0,6-0,8)ρw2o

/2.. Поэтому для равномерного смешения газа и воздуха необходимо в зону разрежения подавать газ, в противном случае в этой зоне будет образовываться смесь с недостатком газа, что нарушит процесс горения на начальном участке факела. Подача всего газа обеспечивает условия равномерного его смешения с воздухом центральной струи за счет обратных токов рециркуляции. Если бы весь газ подавался радиально, а часть его подавалась тангенциально, то при таких параметрах крутки (n 3,5) подаваемая тангенциально часть газа уносилась бы в кольцевую струю воздуха из-за центробежного эффекта, а следовательно, на начальном участке факела не удалось бы создать условия смешения с избытком газа, что привело бы в свою очередь к горению смеси с повышенной температурой и с повышенным образованием оксидов азота.

Поскольку на начальном участке в нашем случае сгорает не весь газ, а только его следующее количество:

то в последующих зонах факела сгорает

Пример 2. Расход газа 0,1 м³/с. Отношение диаметра окружности расположения газораздающих трубок к внутреннему диаметру корпуса составляет d/D 0,70. Количество газораздающих трубок 12. Трубки объединены в два коллектора по 6 шт. в каждом. Количество отверстий в каждой трубке 10, а диаметр каждого отверстия d_отв 5 мм.

Природный газ подают в центральную воздушную струю отдельными струями таким образом, что шесть струй направлены параллельно, а шесть струй - тангенциально, т. е. N_танг./N_рад. 1; F/f 1. Через центральный воздушный канал воздух подают в таком количестве, чтобы образовалась газовоздушная смесь с концентрацией газа не более 15% т.е. расход воздуха составит величину

Так как необходимый объем воздуха для полного сгорания 0,1 м³/c газа равен Goвозд

= 9,52•0,1 = 0,952 м³/с, то количество воздуха, которое необходимо подавать через кольцевой канал составит величину

Одновременно с подачей воздуха и газа в мазутную форсунку 2 подают мазут и зажигают мазутный факел, который воспламеняет смеси. После воспламенения смеси мазутный факел гасят.

Завихрители воздуха в центральном и кольцевом каналах обеспечивают параметры крутки центральной и кольцевой струй n₁ 0,7 и n₂ 0,7

При таком параметре крутки для равномерного смешения газа с воздухом центральной струи необходимо газ подавать таким образом, чтобы струи газа равномерно распределялись в струе воздуха, что возможно при подаче газа радиально и тангенциально с одинаковой интенсивностью, т.е. количество струй газа, подаваемых тангенциально, равно количеству струй газа, подаваемых радиально, т.е. газ подается во все стороны равномерно.

На начальном участке струи сгорает следующее количество газа:

Остальной газ сгорает в последующих зонах факела:
Gост.газ

= (0,1-0,0596) м³/с = 0,0404 м³/с
Увеличение отношения d/D > 0,7 нецелесообразно, так как параметр крутки не увеличивается, а сопротивление кольцевого канала растет из-за уменьшения расхода для воздуха (увеличивается диаметр центрального канала при неизменном D). Уменьшение же d/D < 0,45 приводит к уменьшению параметра n < 0,5.

Оптимальный диапазон изменения соотношения суммарной площади выходных отверстий тангенциально и радиально расположенных газораздающих трубок находится в пределах 0,5 1,0. Отклонение от заявленного соотношения приводит к ухудшению смесеобразования и повышению содержания оксидов азота в продуктах сгорания.

Как показали исследования, проведенные на котле ТГМ-84-Б (Дк 420 т/ч), оборудованном шестью горелками с поворотными газораздающими трубками, содержание оксидов азота составляет 50 70% (100 120 мг/м³).

Таким образом, предлагаемое устройство для сжигания газа улучшает смесеобразование газообразного топлива с воздухом, что позволяет снизить выбросы оксидов азота в атмосферу.

Использование: в энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство для сжигания газообразного топлива содержит цилиндрический корпус 1, мазутную форсунку 2, центральный воздушный канал с завихрителями 3, поворотные газораздающие трубки 4, объединенные в коллекторы 5 и 6, периферийный кольцевой воздушный канал 7 с завихрителями 8, шибер 9 для распределения воздуха между каналами 7 и центральным воздушным каналом. Газораздающие трубки 4 установлены между центральным воздушным каналом и периферийным каналом 7. Выходные отверстия газораздающих трубок расположены тангенциально и радиально к оси воздушного канала, отношение диаметра окружности, на которой расположены газораздающие трубки, к внутреннему диаметру корпуса 1 составляет 0,45 - 0,70, а соотношение суммарной площади тангенциально и радиально расположенных отверстий газораздающих трубок равно 0,5 - 1,0. 2 ил.

Устройство для сжигания газообразного топлива, содержащее расположенные в корпусе центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, коллектор и установленные на окружности между воздушными каналами поворотные газораздающие трубки, причем выходные отверстия части трубок расположены тангенциально, а остальных радиально к оси устройства, отличающееся тем, что дополнительно установлен второй коллектор, отношение диаметра окружности, на которой расположены газораздающие трубки, к внутреннему диаметру корпуса горелки составляет 0,45 0,7, отношение суммарных площадей тангенциальных и радиальных отверстий 0,5 1,0, при этом газораздающие трубки с тангенциальными и радиальными выходными отверстиями подключены к разным коллекторам.