СПОСОБ СЖИГАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И ДРУГИХ ТОПЛИВНЫХ УСТРОЙСТВАХ Российский патент 1998 года по МПК F23R3/14 F23R3/34 

Заявленное изобретение относится к области газотурбостроения, котлостроения, в частности к камерам сгорания газотурбинных установок и топок парогенераторов.

Известны способы сжигания органического топлива в камерах сгорания газотурбинных установок [1].

Недостатком аналога является низкая экологичность процесса сжигания топлива, т. к. в продуктах сгорания имеется большое количество (выше нормы) вредных газообразных примесей, например оксидов азота.

Известен способ сжигания органического топлива в камере сгорания ГТУ, выбранный в качестве прототипа [2].

Недостатком прототипа является большое гидравлическое сопротивление горелочного устройства, плохая регулируемость процесса горения и относительная сложность устройства.

Предлагаемый способ сжигания органического топлива в камере сгорания ГТУ или топках парогенераторов решает задачу повышения экологической чистоты получаемых при сгорании органического топлива продуктов сгорания при низких гидравлических сопротивлениях и высокой степени регулируемости тепловой нагрузки. В предлагаемом способе указанные преимущества достигаются путем предварительного перемешивания топлива с первичным воздухом с коэффициентом избытка воздуха 0,75-0,85 перед истечением в зону горения в кольцевой камере смешения с лопаточным завихрителем, а вторичный воздух поступает в зону горения по крайней мере одним рядом струй по периферии зоны горения, при этом часть топлива, в количестве не более 30%, поступает в зону горения с вторичным воздухом, струи которого направлены к оси зоны горения под углом не более 60^o, причем дополнительно осуществляют закрутку струй вторичного воздуха с одинаковым или противоположным направлением закрутки как относительно первичного воздуха, так и вторичного, помимо этого дополнительно осуществляют подачу воды (водяного пара) в зону горения совместно с топливом или отработавшие продукты сгорания совместно с первичным воздухом.

Ступенчатое сжигание топлива является одним из самых перспективных методов снижения образования оксидов азота. Имеются по меньшей мере две зоны горения. В первичную зону горения подается воздух меньше, чем необходимо теоретически α = 0,75-0,85, в результате чего происходит снижение максимальной температуры в зоне факела, снижение содержания кислорода в ядре факела, уменьшение скорости реакции образования оксидов азота.

Во вторичной зоне горения оксиды азота практически не образуются из-за разбавления продуктов дожигания топлива продуктами сгорания, поступающими из первичной зоны горения, и процесс дожигания топлива протекает при более низкой температуре.

Исследования, проведенные в Институте газа АН УССР показали, что для того, чтобы оксиды азота не образовались во вторичной зоне горения, коэффициент избытка воздуха в первичной зоне горения следует выбирать в пределах 0,75-0,85. (см. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. -Л.:Недра, 1988, с. 203-204).

Подача части топлива (до 30%) с вторичным воздухом создает дополнительные условия, приводящие к снижению образования оксидов азота, за счет растягивания процесса сжигания топлива, помимо этого расширяются пределы регулирования процесса сжигания топлива при различных нагрузках работы горелочного устройства
Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что процесс сжигания органического топлива по заявленному способу отличается от известного тем, что смешения топлива с первичным воздухом осуществляется до начала процесса горения (готовится гомогенная горючая смесь), помимо этого часть топлива подается со вторичным воздухом, а также дополнительно осуществляется подача воды (водяного пара) или продуктов сгорания в зону горения, т. е. используются все известные способы для снижения газообразных вредных примесей в продуктах сгорания, осуществляемые при помощи предлагаемого способа в горелочном устройстве.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Пример осуществления способа.

На фиг. 1 изображен продольный разрез, а на фиг. 2 - поперечное сечение горелочного устройства, в котором реализуется предлагаемый способ.

Горелочное устройство включает корпус 1, кольцевую смесительную камеру 2 с лопаточным завихрителем 3, форсунку 4 жидкого топлива (выполненную аналогично газовой горелке), зону 5 горения, воздуховод 6 первичного воздуха, воздуховод 7 вторичного воздуха, газопроводы 8, газовые коллекторы 9, выходящие газовые сопла 10, трубопровод 11 подачи жидкого топлива или воды, трубопровод 12 подачи первичного (распыливающего) воздуха или водяного пара, газопровод 13 отработавших продуктов сгорания, регулирующую арматуру 14, 15, 16 соответственно первичного, вторичного воздуха и газа, выходные сопла 17 вторичного воздуха.

Способ осуществляется следующим образом
а) При работе на газообразном топливе.

Первичный воздух поступает в корпус 1 горелочного устройства по воздуховоду 6 и далее попадает в кольцевую смесительную камеру 2 с лопаточным завихрителем 3.

В кольцевую смесительную камеру 2 подается газообразное топливо, поступающее по газопроводу 8, через газовый коллектор 9 и выходные газовые сопла 10. В лопаточном завихрителе 3 газообразное топливо смешивается с первичным воздухом с коэффициентом избытка воздуха 0,75-0,85 и далее гомогенная газовоздушная смесь выходит в зону 5 горения, где поджигается специальным устройством (не показано).

Вторичный воздух по воздуховоду 7 и далее через выходные сопла 17 совместно с топливом в количестве не более 30% также поступает в зону горения 5. Причем вторичный воздух в выходных соплах 17 может закручиваться с направлением угла закрутки одинаковым друг к другу и относительно закрутки первичного воздуха или с противоположным направлением угла закрутки, при этом струи вторичного воздуха подаются в зону горения через выходные сопла 17, имеющие углы наклона к оси горелки, не превышающие 60^o. Таким образом, осуществляется ступенчатое сжигание газообразного топлива, позволяющее снизить концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания более чем в 5 раз, при этом достигается полное сгорание газообразного топлива при коэффициентах избытка окислителя 1,02-1,03.

Для еще большего подавления оксидов азота в зону горения 5 может подаваться вода (водяной пар) через форсунку 4 жидкого топлива вместо него.

Для снижения концентрации оксидов азота, возможна подача отработавших продуктов сгорания совместно с первичным воздухом в зону горения 5, поступающего по газопроводу 13 в воздуховод 6.

б) При работе на жидком топливе.

Процесс работы осуществляется аналогичным работе на газообразном топливе, только вместо газообразного топлива подается жидкое топливо через форсунку 4, а вода предварительно смешивается с жидким топливом перед поступлением в форсунку 4.

Таким образом, осуществляя регулирование подачи первичного, вторичного воздуха, газообразного или жидкого топлива отработавших продуктов сгорания и воды регулирующей арматуры 14, 15, 16, можно добиться эффективного и экологичного сжигания органического топлива.

Источники информации
1. Газообразные установки. Конструкция и расчет. /Справочное пособие под общ. ред. Л. В. Арсеньева и В.Г.Тырышкина.-Л.: Машиностроение, 1972, с.90, рис. VI.

2. Мурзаков В.В. Основы теории и практики сжигания газа в паровых котлах. -М.: Энергия, 1969, с. 335, рис. 9-14.

Использование: газотурбостроение, парогенераторостроение. Сущность изобретения: в результате предварительного перемешивания топлива с первичным воздухом получают смесь с коэффициентом избытка воздуха 0,75-0,85 перед истечением в зону горения в кольцевую камеру смешения с лопаточным завихрителем. Вторичный воздух поступает в зону горения по крайней мере одним рядом струй по периферии зоны горения, при этом часть топлива, в количестве не более 30%, поступает в зону горения с вторичным воздухом, струи которого направлены к оси зоны горения под углом не более 60^o и могут быть закручены с одинаковым или противоположным направлением угла закрутки как относительно первичного воздуха, так и вторичного, помимо этого дополнительно осуществляется подача воды (водяного пара) в зону горения совместно с топливом или отработавшие продукты сгорания совместно с первичным воздухом. Технический результат заключается в снижении гидравлического сопротивления горелочного устройства. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ сжигания органического топлива в камерах сгорания газотурбинных установок и парогенераторов путем смешения топлива с первичным воздухом в кольцевой камере смешения с лопаточным завихрителем, истечения топливо-воздушной смеси в зону горения и подачи в зону горения вторичного воздуха, получения продуктов сгорания, отличающийся тем, что перед истечением в зону горения в кольцевой камере смешения с лопаточным завихрителем производится перемешивание топлива с первичным воздухом с коэффициентом избытка воздуха 0,75-0,85, а вторичный воздух поступает по крайней мере одним рядом струй по периферии зоны горения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть топлива в количестве не более 30% поступает в зону горения со вторичным воздухом. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что струи вторичного воздуха подают в зону горения под углом к ее оси не более 60^o. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляется закрутка струй вторичного воздуха с одинаковым направлением закрутки друг к другу и по отношению к закрутке первичного воздуха. 5. Способ по пп.1 -3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляется закрутка струй вторичного воздуха с противоположным направлением закрутки друг к другу и по отношению к направлению закрутки первичного воздуха. 6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что в зону горения дополнительно подают воду (водяной пар) совместно с топливом, подаваемым с первичным воздухом. 7. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что дополнительно подают отработавшие продукты сгорания в зону горения совместно с первичным воздухом.