МНОГОСТВОЛЬНОЕ ЭЖЕКТОРНОЕ ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК F23D14/04 

Изобретение можно использовать для нагрева разнообразного технического и технологического оборудования и применять в металлургической, химической, строительной, машиностроительной, энергомашиностроительной, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.

Технические решения высокого уровня по данной тематике содержатся как в научных публикациях, так и в описаниях патентов и авторских свидетельств Российской Федерации, Германии, США, Великобритании, Швейцарии, Франции, Японии и т.д.

Известна горелка Куйбышевского политехнического института (КуПИ), предназначенная для сжигания природного газа, а также попутного нефтяного и сжиженного углеводородных газов [1]. Горелка КуПИ включает в себя воздушное сопло, смеситель, регулятор давления газа, встроенный в штуцер редукционный клапан, трубку регулируемого давления, гидросопротивление в тракте горючего. Конструкция этой горелки принимается в качестве прототипа. Работает горелка - прототип следующим образом. Вначале горючее - газ из газопровода поступает в регулятор давления газа, посредством этого регулятора давление газа снижается до атмосферного или до давления в топке. Далее газ через гидросопротивление, установленное в газопроводе, проходит во всасывающую камеру, откуда воздушной струей увлекается в смеситель, в этот же смеситель истекает воздух из осесимметричного сопла. Расход газа в горелке измеряется в зависимости от давления воздуха перед соплом, при этом, как утверждается [1], соотношение газа и воздуха сохраняется постоянным. Отмечается, что достоинством таких горелок по сравнению с обычными инжекционными смесителями является более высокий диапазон регулирования, возможность применения таких горелок для нагрева топок с противодавлением (более 200 Па), использование нагретого воздуха, небольшой шум от истекающей газовоздушной струи и от процесса горения, небольшие габаритные размеры горелки. Однако наряду с вышеупомянутыми достоинствами горелка-прототип имеет и определенные недостатки. Так, в комплект горелки-прототипа входят несколько агрегатов автоматики, а именно регулировочный клапан, размещенный на тракте горючего, регулятор, смонтированный перед горелкой для поддержания постоянного давления газа на входе в горелку. Все эти агрегаты автоматики усложняют конструкцию горелки, снижают ее надежность, ухудшают ее ремонтопригодность. Гopeлкa-пpoтoтип по конструкции принадлежит к одноствольным эжекторам. Известно, что оптимальная длина цилиндрической камеры смешения одноствольного эжектора для получения гомогенной газовоздушной смеси составляет в зависимости от режима работы эжектора 10-18 калибров, где под калибром понимается диаметр камеры смешения [2]. В горелке КуПИ с одноствольным соплом оптимальная длина камеры смешения не выдержана, вследствие этого образования гомогенной газовоздушной смеси не происходит, процесс горения протекает не при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя, температура пламени не является максимальной, более того, при горении в продуктах сгорания образуется повышенное содержание экологически вредных окислов NO и CO, возможно образование сажи.

Технический результат изобретения состоит в улучшении процесса смешения и получении гомогенной газовоздушной смеси с помощью многоствольного эжекторного горелочного устройства, повышении температуры пламени при одновременной экономии расхода горючего газа, снижении содержания экологически вредных окислов NO и CO в продуктах сгорания газовоздушной смеси.

Для достижения указанного технического результата многоствольное эжекторное горелочное устройство выполнено в виде двухступенчатого эжектора из стыкующихся между собой отдельных модулей, при этом лобовой диффузор для забора воздуха из окружающего пространства выполнен как единое целое с осесимметричным кольцевым блоком дополнительного подвода окислителя, снаружи этого блока расположены входные центральный и тангенциальный патрубки, а выход кольцевого блока выполнен в виде щелевого сопла, выходное сечение которого расположено в одной плоскости с выходным сечением лобового диффузора и входным сечением камеры выравнивания скоростных полей окислителя, многоствольный эжектирующий модуль выполнен с размещенными внутри него по окружности и в центре соосными форсунками, которые герметично закреплены на полых Г-образных аэродинамической формы пилонах, принадлежат одному классу по расходным характеристикам и содержат элементы крепления для сменных сопловых патрубков, причем на наружной поверхности эжектирующего модуля герметично смонтирован коллектор подвода горючего, имеющий газовую связь одновременно со всеми форсунками и стыковку с магистралью подвода горючего, многоствольный эжектирующий модуль состыкован с камерой смешения и кормовым диффузором, на выходе которого закреплен стабилизатор горения.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг.2 - то же, сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - общий вид натурного образца многоствольного эжекторного горелочного устройства.

В основу осесимметричного многоствольного эжекторного горелочного устройства (далее ЭГУ) положен блочно-модульный принцип. С позиции газодинамики предлагаемое ЭГУ является двухступенчатым эжектором и представляет собой распределенную определенным образом систему высокоскоростных струй горючего, истекающих в цилиндрическую камеру смешения с низкоскоростным окислителем-воздухом. Данное устройство включает в себя следующие основные блоки и элементы: многоствольный эжектирующий модуль 1, камеру смешения 2, кормовой диффузор 3, камеру выравнивания скоростных полей окислителя 4, кольцевой блок дополнительного подвода окислителя (воздуха и/или кислорода) 5, лобовой диффузор 6, подводящий газопровод 7.

Многоствольный эжектирующий блок 1 представляет собой жесткий круговой цилиндр, во внутреннем объеме которого на полых Г-образных аэродинамической формы пилонах 8 смонтированы, например, семь прямоструйных соосных газовых форсунок 9. Одна из этих прямоструйных форсунок 9 расположена на оси эжектирующего модуля 1, шесть других прямоструйных соосных форсунок 9 расположены равномерно по окружности диаметром 2/3 d, где d - внутренний диаметр эжектирующего модуля 1. Выбранная схема расположения прямоструйных форсунок является, по-видимому, близкой к оптимальной, поскольку при таком расположении каждая форсунка 9 "обслуживает" примерно одинаковую долю площади поперечного сечения эжектирующего модуля 1. Необходимо сказать, что по мере надобности для уменьшения, например, расхода горючего на прямоструйных форсунках 9 могут быть закреплены сменные сопловые патрубки с иными проходными сечениями. С этой целью на наружной поверхности высоконапорных прямоструйных форсунок 9 предусмотрена резьба, переходящая вблизи выходного сечения форсунок в плавное скругление. Основное назначение резьбы - крепление сменных сопловых патрубков с меньшими проходными сечениями, которые навинчиваются, когда нужно уменьшить расход горючего, например метана, истекающего в камеру смешения 2. При отсутствии сменных сопловых патрубков вышеупомянутая резьба является турбулизатором окислителя - воздуха, обтекающего Г-образные пилоны 8 и прямоструйные форсунки 9, улучшает процесс смешения высокоскоростных струй горючего с окислителем. Следует также отметить, что вышеупомянутая резьба на осесимметричных форсунках 9 необходима и для крепления технологического кондуктора, с помощью которого прямоструйные форсунки надлежащим образом размещаются во внутренней полости эжектирующего модуля 1 и привариваются к его стенкам. Все вновь изготовленные прямоструйные форсунки подвергаются гидропроливкам, после чего определяются форсунки, имеющие близкие коэффициенты расхода и принадлежащие одному классу.

Все входные сечения Г-образных пилонов 8 прямоструйных форсунок 9 выведены в торовый коллектор 10, который, в свою очередь, связан с подводящим газопроводом 7. По газопроводу 7 в коллектор 10 и далее в прямоструйные форсунки 9 поступает горючее, например природный газ метан (CH₄). Для облегчения изготовления, сборки и транспортировки ЭГУ газопровод 7 выполнен разборным, для чего на нем предусмотрены фланцы 11. Вход в газопровод 7 также выполнен в виде аналогичного фланцевого соединения
Для крепления газопровода 7 к камере выравнивания 4 используются ушки 12. Крепление эжектирующего модуля 1 к камере смешения 2 в предлагаемой конструкции осуществляется с помощью фланцевого соединения 13 на болтах. С целью устранения заклинивания последних на все крепежные элементы ЭГУ обязательно должна быть нанесена графитовая смазка. К противоположному, выходному торцу камеры смещения 2 крепится с помощью, например, сварки кормовой диффузор 3. В опытном образце (см. фиг. 4) полуугол раствора кормового диффузора был выбран равным 3^o, а степень расширения кормового диффузора = S_вых/S_вх = 2, где S_вх и S_вых - площади входного и выходного сечений кормового диффузора соответственно. При необходимости кормовой диффузор 3 с целью повышения антикоррозионных свойств, износостойкости и жаропрочности может быть подвергнут силицированию, азотированию, борированию и т.д. Очевидно, что стоимость изготовления кормового диффузора при этом существенно возрастает.

К эжектирующему модулю 1, помимо камеры смешения 2 крепится также и камера выравнивания скоростных полей 4, а к последней - кольцевой блок дополнительного подвода окислителя (воздуха или кислорода) 5 с лобовым диффузором 6. Камера выравнивания скоростных полей 4 представляет собой, как и многоствольный эжектирующий модуль 1, осесимметричный жесткий круговой цилиндр, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру эжектирующего модуля 1, длина же равна примерно 10 калибрам. Кольцевой блок дополнительного подвода окислителя (воздуха или кислорода) 5, в свою очередь, включает в себя лобовой фланец 14 и кормовой фланец 15, наружную обечайку 16, внутреннюю обечайку 17, два входных патрубка - центральный 18 и тангенциальный 19 для дополнительного подвода окислителя (воздуха и/или кислорода). Возможны ситуации, когда воздух в кольцевой блок 5 подводится через центральный патрубок 18, а кислород - через тангенциальный 19, либо наоборот. Возможно дополнительно подавать и один только воздух (или кислород) через один патрубок, другой патрубок в такой ситуации закрывается заглушкой. Внутренняя обечайка 17 и кормовой фланец 15 образуют щелевое сопло 20, а щелевое сопло 20 в свою очередь вместе с лобовым диффузором 6 образует входную эжекторную ступень. Для стабилизации пламени в выходном сечении кормового диффузора 3 крепится стабилизатор горения 21, выполненный в виде, например, торового кольца с образующей в виде треугольника.

Работа многоствольного эжекторного горелочного устройства происходит следующим образом.

В начале с помощью агрегата автоматики при входе в подводящий газопровод 7 устанавливается заданное давление (вернее перепад давлений) горючего. Для используемого горючего (природный газ - метан) потребный перепад давления П_кр=P_о/P_кр = 1,834, где Р_о - полное давление природного газа на входе в подводящий газопровод; P_кр - статическое давление в метане в критическом сечении форсунки.

При таком перепаде давления будет обеспечиваться истечение газа из прямоструйных форсунок 9 эжектирующего модуля 1 со звуковой скоростью в камеру смешения 2. Далее срабатывает газовая задвижка, горючее - природный газ (метан) по газопроводу 7 поступает в торовый коллектор 10, а из него - в прямоструйные форсунки 9, из которых начинает истекать со звуковой скоростью в камеру смешения 2. Во входном сечении камеры смешения 2 сразу же устанавливается статическое давление, которое всегда ниже полного давления окружающей среды - атмосферного воздуха перед лобовым диффузором 6. Под действием этой разности давлений окислитель - атмосферный воздух - устремляется в лобовой диффузор 6 и далее через камеру выравнивания скоростных полей окислителя 4 поступает в камеру смешения 2, где перемешивается с высокоскоростными газовыми струями, например, метана, образуя при этом стехиометрическую метановоздушную смесь, которая через кормовой диффузор 3, обтекая стабилизатор горения 21, истекает в техническое или технологическое оборудование - устройство, которое необходимо нагреть или прогреть. Поджиг стехиометрической метановоздушной смеси осуществляется с помощью, например, дежурного факела.

Помимо лобового диффузора 6 в предлагаемой конструкции ЭГУ предусмотрен подвод окислителя и через кольцевой блок дополнительного подвода окислителя 5. Данный блок, выполняя в ЭГУ роль еще одного управляемого параметра, в случае необходимости позволяет надежно и стационарно поддерживать смешение газовых струй, например, метана с воздухом и их стехиометрию в ЭГУ. Как уже говорилось, с помощью кольцевого блока дополнительного подвода окислителя 5 в ЭГУ можно подавать и более сильный, чем воздух, окислитель, например газообразный кислород, рабочая смесь в ЭГУ в этом случае будет "накислороженной".

Использование: в металлургической, химической, строительной, машиностроительной, энергомашиностроительной, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: многоствольное эжекторное горелочное устройство содержит стыкующиеся между собой отдельные модули, при этом лобовой диффузор для забора воздуха из окружающей среды выполнен как единое целое с осесимметричным кольцевым блоком дополнительного подвода окислителя, снаружи этого блока расположены входные центральный и тангенциальный патрубки, а выход кольцевого блока выполнен в виде щелевого сопла, выходное сечение которого расположено в одной плоскости с выходным сечением лобового диффузора и входным сечением камеры выравнивания скоростных полей окислителя, многоствольный эжектирующий модуль выполнен с размещенными внутри него по окружности и в центре форсунками, которые герметично закреплены на полых Г-образных аэродинамической формы пилонах, принадлежат одному классу по расходным характеристикам и содержат элементы крепления для сменных сопловых патрубков, причем на наружной поверхности эжектирующего модуля герметично смонтирован коллектор подвода горючего, имеющий газовую связь одновременно со всеми форсунками и стыковку с магистралью подвода горючего, многоствольный эжектрирующий модуль состыкован с камерой смешения и кормовым диффузором, на выходе которого закреплен стабилизатор горения. Изобретение позволяет улучшить процесс смешения. 4 ил.

Многоствольное эжекторное горелочное устройство, содержащее корпус, расположенное внутри этого корпуса сопло, регулятор давления газа, отличающееся тем, что оно выполнено в виде двухступенчатого эжектора из стыкующихся между собой отдельных модулей, при этом лобовой диффузор для забора воздуха из окружающей среды выполнен как единое целое с осесимметричным кольцевым блоком дополнительного подвода окислителя, снаружи этого блока расположены входные центральный и тангенциальный патрубки, а выход кольцевого блока выполнен в виде щелевого сопла, выходное сечение которого расположено в одной плоскости с выходным сечением лобового диффузора и входным сечением камеры выравнивания скоростных полей окислителя, многоствольный эжектирующий модуль выполнен с размещенными внутри него по окружности и в центре соосными форсунками, которые герметично закреплены на полых Г-образных аэродинамической формы пилонах, принадлежат одному классу по расходным характеристикам и содержат элементы крепления для сменных сопловых патрубков, причем на наружной поверхности эжектирующего модуля герметично смонтирован коллектор подвода горючего, имеющий газовую связь одновременно со всеми форсунками и стыковку с магистралью подвода горючего, а многоствольный эжектирующий модуль состыкован с камерой смешения и кормовым диффузором, на выходе которого закреплен стабилизатор горения.