ГАЗОМАЗУТНАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 2000 года по МПК F23D17/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к комбинированным горелочным устройствам для сжигания газообразного и/или жидкого топлива, и может быть использовано в теплотехнических устройствах различного назначения.

Известна горелка (см. патент РФ N 2091669, М.кл. F 23 D 17/00, опубл. 27.09.97), содержащая камеру с центральным воздушным каналом для подачи по крайней мере части воздуха для зоны горения, множество сопел, радиально разнесенных вокруг центрального канала, сообщенных с источником топлива и выполненных с возможностью пуска выходящего из них агента в зону первичного сгорания, лопастной завихритель, расположенный в центральном канале, и средство для управления объемом воздуха, подаваемого в центральный канал в зону горения, а также узел подачи вторичного воздуха, размещенный в зоне упомянутых сопел, причем сопла, сообщенные с источником топлива, и узел подачи вторичного воздуха выполнены в виде множества эжекторов, впускные сопла которых направлены в центральный канал для подачи в него смеси топлива и воздуха, лопастной завихритель содержит множество лопастей, установленных с возможностью регулирования делительного угла между ними для оптимизации вращения смеси воздуха с горючим газом, подаваемым на сжигание, и установлен с возможностью аксиального перемещения в центральном воздушном канале для изменения расстояния относительно зоны первичного сгорания. Горелка содержит дополнительно камеру рециркуляции топочного газа, сообщенную с упомянутыми эжекторами, а также канал третичного воздуха, выходной участок которого направлен на зону первичного горения по ходу потока для образования зоны конечного сгорания, средство для управления объемом воздуха выполнено в виде заслонки, перераспределяющей объемы воздуха между узлом вторичного воздуха, а также каналами третичного и первичного воздуха, путем изменения объема, подаваемого в последний. Горелка выполнена с возможностью независимого регулирования продольного перемещения завихрителя, изменения делительного угла между лопастями последнего, а также изменения объема смеси, подаваемой впускными соплами эжекторов, кроме того, она содержит горловину, выполненную в виде заменяемых элементов из жаропрочного материала, а образующая центрального канала выполнена в виде съемной обечайки.

Недостатками известной горелки являются низкие эксплуатационные качества и надежность, высокая металлоемкость и высокие концентрации оксидов азота. Причины указанных недостатков обусловлены конструктивными особенностями этой горелки.

Известна также принятая за прототип газовая горелка с низким выбросом оксида азота (см. патент Великобритании N 1171771, М.кл. F 23 C 7/02, опубл. 1969 г. ), содержащая корпус, в котором расположен воздушный канал с плавно расширяющимся конусом у горловины горелки и завершающийся выходным участком, где установлен аксиальный завихритель, дозирование воздуха в канал и горловину горелки осуществляется с помощью подвижной осевой шиберной заслонки, диаметр входного участка воздушного канала меньше, чем у выходного участка воздушного канала, и по конфигурации представляющий трубу Вентури, встроенную в тело горелки, и разделяющую своей обечайкой общий воздушный канал на центральный, снабженный завихрителем, и периферийный каналы, при этом воздух из узкой части трубы Вентури подается в центральный канал горелки, а в периферийный - из широкой конусной ее части.

Недостатком известной газовой горелки с низким выбросом оксида азота являются низкие эксплуатационные качества и надежность, повышенный уровень выбросов оксидов азота, высокое аэродинамическое сопротивление и повышенная металлоемкость, обусловленные, соответственно, ее конструктивными особенностями. "Жесткая" конструкция устройства подачи газа не позволяет производить замену газоподающих устройств "на ходу", что приводит к снижению маневренности оборудования, на котором они установлены, и к невозможности оптимизировать его работу. Кроме того, взаимное расположение основных элементов горелки и соотношение их размеров не оптимизировано, вследствие чего в ряде режимов она работает ненадежно, факел, формируемый горелкой, имеет недостаточную стабильность.

Технический результат, обеспечиваемый настоящим изобретением, выражается в улучшении эксплуатационных качеств и повышении надежности промышленных объектов, понижении уровня выбросов оксидов азота, снижении аэродинамического сопротивления и сокращении металлоемкости, снижении уровней вибрации и шума, предотвращении отрыва пламени от амбразуры горелки при сжигании газа.

Технический результат достигается тем, что в известной газомазутной горелке, содержащей корпус с обечайкой, выполненной в форме трубы Вентури, встроенной в тело горелки и разделяющей общий воздушный канал на центральный, снабженный аксиальным завихрителем, и периферийный, устройства для подачи газа в центральный и периферийный воздушный каналы, форсунку, расположенную по оси горелки, независимые друг от друга автоматические газозапальное и защитное устройства, согласно изобретению, отношение диаметра выходной конфузорной части к диаметру горловины трубы Вентури находится в пределах от 1,2 до 1,6, входное устройство в центральный воздушный канал расположено в сужающейся части трубы Вентури, а входное устройство в периферийный воздушный канал расположено в ее расширяющейся части с относительным сдвигом по продольной оси горелки от 0,55 до 0,85 диаметра амбразуры, отношение выходных сечений центрального и периферийного воздушных каналов составляет от 6 до 8, устройство для подачи газа в периферийный воздушный канал содержит съемные концевые насадки, расположенные ближе к амбразуре, чем устройство для подачи газа в центральный воздушный канал, с относительным сдвигом между ними по продольной оси горелки от 0,06 до 0,17 диаметра амбразуры, аксиальный завихритель расположен ближе к амбразуре, чем устройство для подачи газа в центральный воздушный канал, с относительным сдвигом между ними по продольной оси горелки от 0,03 до 0,09 диаметра амбразуры, отношение диаметра аксиального завихрителя к диаметру амбразуры составляет от 0,35 до 0,65, причем труба Вентури содержит пьезометрическое кольцо, расположенное снаружи ее горловины, кроме того, она дополнительно соединена с системой рециркуляции дымовых газов, подаваемых в воздушный поток, направляемый к горелке, а газозапальное устройство расположено на относительных расстояниях от 0,15 до 0,2 и от 0,03 до 0,05 диаметра амбразуры от центрального газоподающего устройства по радиусу и по продольной оси, соответственно, а защитное устройство для осуществления контроля за факелом, расположено на относительных расстояниях от 0,15 до 0,2 и от 0,03 до 0,05 диаметра амбразуры от центрального газоподающего устройства по радиусу и по продольной оси горелки, соответственно.

Между отличительными признаками и достигнутым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

В отличие от аналогов и прототипа, отношение диаметра выходной конфузорной части к диаметру горловины трубы Вентури находится в пределах (1,2-1,6), что позволяет снизить безвозвратные потери давления до минимума. Это наглядно подтверждает фиг.2, показывающая, что при соотношении диаметров выходного D_т и узкого (горловины) участков D_о трубы Вентури в таком интервале безвозвратная потеря давления составляет менее 15 %, что считается приемлемым. При D_т/D_о> 1,6 безвозвратная потеря давления возрастает до недопустимых значений. Из фиг.3 видно, что при D_т/D_о = 1,6 относительная потеря давления в трубе Вентури почти в два раза выше, чем в случае ее отсутствия (D_т/D_о = 1,0). Поэтому превышение соотношения D_т/D_о>1,6 неприемлемо.

Расположение входного устройства в периферийный воздушный канал в ее расширяющейся части с относительным сдвигом по продольной оси горелки от 0,55 до 0,85 диаметра амбразуры не допускает увеличения металлоемкости горелки. Как видно из фиг.4, при увеличении относительного расстояния между входами в центральный воздушный канал, расположенный в сужающейся части трубы Вентури, от 0,55 до 0,85 диаметра амбразуры, металлоемкость горелки возрастает до 15%, а при дальнейшем увеличении этого расстояния относительная металлоемкость возрастает до недопустимых значений.

Отношение выходных сечений центрального и периферийного воздушных каналов от 6 до 8 позволяет найти оптимальное решение по определению размеров упомянутых величин. Как видно из фиг.5, при значениях отношения сечений центрального и периферийного каналов менее 6, относительная металлоемкость горелки заметно снижается, но относительная потеря давления начинает расти очень быстро и при значениях более 8 возрастает до недопустимых величин, а при значениях отношения между этими сечениями более 8 относительная металлоемкость горелки становится неприемлемой.

Выполнение концевых насадков устройств для подачи газа в периферийный воздушный канал съемными и расположенными ближе к амбразуре, чем устройство для подачи газа в центральный воздушный канал с относительным сдвигом между ними по продольной оси горелки 0,06-0,17 диаметра амбразуры позволяет не только повысить эксплуатационные качества предлагаемой газомазутной горелки и маневренность оборудования, на котором они установлены, но и оказать влияние на уровень концентраций NOx и СО. Фиг. 10 наглядно показывает, что при относительном расстоянии между ними менее 0,6 диаметра амбразуры горелки концентрация NOx еще высока, но она интенсивно снижается, а при относительном расстоянии более 0,12 ее значения стабилизируются. Концентрация СО монотонно возрастает по мере увеличения относительного расстояния между центральным и периферийным газовыми узлами, особенно при значениях более 0,18, но уже при значении 0,13 наблюдается десятикратной увеличение СО. Эти данные свидетельствуют, что оптимальные значения относительного расстояния между центральным и периферийным газовыми узлами должны быть именно в указанных выше пределах (0,06-0,17) диаметра амбразуры.

Оптимальное расположение завихрителя первичного воздуха выбрано на основании данных, отраженных в виде диаграмм (фиг. 8, 9), из которых следует, что по мере приближения к амбразуре горелки температура тела завихрителя растет, особенно при относительном расстоянии до амбразуры менее 0,09 диаметра амбразуры горелки. С другой стороны, при увеличении относительного расстояния до амбразуры более 0,03 диаметра амбразуры горелки снижение концентрации NOx резко замедляется. Таким образом, оптимальные значения относительного расстояния завихрителя до амбразуры горелки лежат в пределах 0,03-0,09 диаметра амбразуры.

При соотношении диаметра аксиального завихрителя к диаметру амбразуры от 0,35 до 0,65 сопротивление возрастает на 10 -15%, что считается приемлемым, но при его больших значениях (фиг.6,) возникает недопустимый рост сопротивления горелки. На фиг.7 показана зависимость стабильности факела от отношения диаметра аксиального завихрителя к диаметру амбразуры. При значениях менее 0,35 стабильность факела уменьшается в такой степени, что он может быть оторван от амбразуры и упущен, это в свою очередь может привести к взрыву в топке, т.е. значительно понижается надежность горелки.

Исходя из вышеизложенного, были определены: оптимальные значения соотношения диаметров выходного участка и узкого (горловины) трубы Вентури - в пределах 1,2 < D_т/D_о > 1,6; оптимальные значения относительного расстояния между входами в центральный и периферийный воздушные каналы в пределах (0,55-0,85); оптимальные значения отношения сечений центрального и периферийного каналов в пределах 6-8; оптимальные значения сдвига по продольной оси горелки между съемными концевыми насадками, расположенными ближе к амбразуре и устройством для подачи газа в центральный воздушный канал (0,06-0,017) D_а; оптимальные значения сдвига по продольной оси горелки между аксиальным завихрителем, расположенным ближе к амбразуре, и устройством для подачи газа в центральный воздушный канал (0,03-0,09); оптимальное отношения диаметра завихрителя к диаметру амбразуры (0,35-0,65), совпадающие между собой оптимальные отношения расстояния от центрального газоподающего устройства по радиусу и продольной оси газозапального устройства и газозащитного устройства для осуществления контроля за факелом к диаметру амбразуры (0,15-0,2 и 0,03-0,05), соответственно, которые в своей совокупности позволяют повысить надежность и эксплуатационные качества, понизить аэродинамическое сопротивление и металлоемкость, снизить уровень вибрации и шума, уровень выброса оксидов азота, предотвратить отрыв пламени от амбразуры горелки. Кроме этого, оснащение трубы Вентури пьезометрическим кольцом повышает эффективность автоматического регулирования процессов сжигания топлива, а соединение газомазутной горелки с системой рециркуляции дымовых газов, подаваемых в воздушный поток, обеспечивает более глубокое снижение выброса оксидов азота при регулировании нагрузки.

По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению заявителя сущность заявляемого изобретения не следует главным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на достигаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупности признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в производстве газомазутных горелок с получением технического результата, заключающегося в улучшении эксплуатационных качеств и повышении надежности промышленных объектов, понижении уровня выбросов оксидов азота, снижении аэродинамического сопротивления и сокращении металлоемкости, снижении уровней вибрации и шума, предотвращении отрыва пламени от амбразуры горелки при сжигании газа, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения "Газомазутная горелка" критерию "промышленная применимость".

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения, где
на фиг. 1 - схематически газомазутная горелка;
на фиг. 2 - зависимость относительной потери давления в трубе Вентури от соотношения ее диаметров на выходе и в горловине;
на фиг. 3 - зависимость относительной потери давления в трубе Вентури от расхода воздуха;
на фиг. 4 - зависимость металлоемкости горелки от расстояния между входами в центральный и периферийный воздушный каналы;
на фиг. 5 - зависимости увеличения относительной потери давления и относительной металлоемкости горелки от сечения центрального и периферийного воздушных каналов;
на фиг. 6 - зависимость относительного сопротивления горелки от диаметра завихрителя;
на фиг. 7 - зависимость относительного числа сигналов от диаметра завихрителя;
на фиг.8 - зависимость температуры тела от расстояния между завихрителем и выходным сечением горелки;
на фиг. 9 - зависимость относительной концентрации NOx от расстояния между завихрителем и выходным сечением горелки;
на фиг. 10 - зависимости относительных концентраций СО и NOx от расстояния между центральным и периферийным газовыми узлами.

Газомазутная горелка содержит корпус 1 с обечайкой в форме трубы Вентури 2, встроенной в тело горелки и разделяющей общий воздушный канал на центральный 4, снабженный аксиальным завихрителем 8, и периферийный 3, снабженный регулятором потока 7, устройство 5 для подачи газа в центральный и устройство 6 для подачи газа в периферийный воздушный каналы, форсунку 9, расположенную по оси горелки, независимые друг от друга автоматические газозапальное 10 и защитное устройства 11. В оптимальном опытном образце отношение диаметра выходной конфузорной части горелки к диаметру горловины трубы Вентури равно 1,32. Входное устройство в центральный воздушный канал расположено в сужающейся части трубы Вентури, а входное устройство в периферийный воздушный канал расположено в ее расширяющейся части с относительным сдвигом по продольной оси горелки 0,7 диаметра амбразуры. Отношение площадей выходных сечений центрального и периферийного воздушных каналов составляет 6,8. Устройство 6 для подачи газа в периферийный воздушный канал содержит съемные концевые насадки 13, расположенные ближе к амбразуре 14, чем устройство для подачи газа в центральный воздушный канал, с относительным сдвигом между ними по продольной оси горелки 0,06 диаметра амбразуры. Аксиальный завихритель 8 расположен ближе к амбразуре, чем устройство для подачи газа в центральный воздушный канал, с относительным сдвигом между ними по продольной оси горелки равным 0,06 диаметра амбразуры. Отношение диаметра аксиального завихрителя к диаметру амбразуры составляет 0,5. Труба Вентури содержит пьезометрическое кольцо 12, расположенное снаружи ее горловины. Труба Вентури дополнительно соединена с системой рециркуляции дымовых газов, подаваемых в воздушный поток, направляемый к горловине. Газозапальное устройство 10 расположено на относительных расстояниях 0,18 и 0,04 диаметра амбразуры от центрального газоподающего устройства по радиусу и по продольной оси, соответственно. Защитное устройство для осуществления контроля за факелом, расположено на относительных расстояниях 0,17 и 0,04 диаметра амбразуры от центрального газоподающего устройства по радиусу и по продольной оси горелки, соответственно.

Работа горелки газомазутной осуществляется следующим образом. Подача воздуха осуществляется из воздуховода, при необходимости предварительно смешанного с газами рециркуляции через трубу Вентури 2, разделяющую своей обечайкой общее воздушное пространство на центральный канал 4, снабженный аксиальным лопаточным завихрителем 8 для закрутки части проходящего по каналу воздуха (первичного воздуха), и периферийный канал 3. Газообразное топливо из коллектора поступает в центральное 5 и периферийные 6 устройства подачи газа, на выходе из которых его струи последовательно смешиваются с воздухом. Аксиальный завихритель первичного воздуха, расположенный ближе к амбразуре горелки, чем центральные газовые сопла 5, но дальше, чем периферийные насадки 13, закручивает первичный воздушный поток и струи газа из центрального 5 газового устройства, и тем самым интенсифицирует общий процесс смесеобразования в горелке. При этом значения коэффициента избытка закрученного потока воздуха находится в пределах 0,5-0,8, при которых обеспечивается высокая стабильность факела первичной газовоздушной смеси. Закрученный центральный поток первичной газовоздушной смеси соприкасается со вторичным прямоточным воздушным потоком, также проходящим внутри трубы Вентури и увлекающим в дальнейшее смесеобразование струи газа из насадок 13 периферийного газового устройства 6. Вторичный перемешанный газовоздушный поток также образован с коэффициентом избытка воздуха в горелке меньше 1. Ступенчатое горение предварительно подготовленной первичной и вторичной топливовоздушной смеси с указанными значениями коэффициента избытка воздуха в горелке сопровождается образованием небольших количеств, в основном "быстрых" оксидов азота. Вероятность образования высокой концентрации "термических" оксидов азота, в условиях существующего недостатка окислителя и температуры факела ниже 1650 К, крайне мала. После подмешивания третичного прямоточного воздуха, расход которого регулируется регулятором 12, к факелам первичной и вторичной топливовоздушной смеси, интенсифицируются процессы дожигания топлива и образования "термических" оксидов азота. Однако из-за уменьшения снижения максимальной температуры факела, их концентрации относительно малы.

Использование настоящего изобретения "Горелка газомазутная" дает возможность получить технический результат, выраженный в улучшении эксплуатационных качеств и повышении надежности промышленных объектов, понижении уровня выбросов оксидов азота, аэродинамического сопротивления и металлоемкости, снижение уровней вибрации и шума, предотвращении отрыва пламени от амбразуры горелки при сжигании газа.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к комбинированным горелочным устройствам для сжигания газообразного и/или жидкого топлива, и может быть использовано в теплотехнических устройствах различного назначения. Для улучшения эксплуатационных качеств и повышения надежности промышленных объектов, понижения уровня выбросов оксидов азота, аэродинамического сопротивления и металлоемкости, снижения уровней вибрации и шума, предотвращения отрыва пламени от амбразуры горелки при сжигании газа газомазутная горелка содержит корпус 1 с обечайкой в форме трубы Вентури 2, встроенной в тело горелки и разделяющей общий воздушный канал на центральный 4, снабженный аксиальным завихрителем 8, и периферийный 3, снабженный регулятором потока 7, устройство 5 для подачи газа в центральный и устройство 6 для подачи газа в периферийный воздушный канал, форсунку 9, расположенную по оси горелки, независимые друг от друга автоматические газозапальное 10 и защитное устройство 11. В горелке отношение диаметра выходной конфузорной части горелки к диаметру горловины трубы Вентури равно 1,32. Входное устройство в центральный воздушный канал расположено в сужающейся части трубы Вентури, а входное устройство в периферийный воздушный канал расположено в ее расширяющейся части с относительным сдвигом по продольной оси горелки 0,7 диаметра амбразуры, отношение площадей выходных сечений центрального и периферийного воздушных каналов составляет 6-8. Устройство 6 для подачи газа в периферийный воздушный канал содержит съемные концевые насадки 13. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Газомазутная горелка, содержащая корпус с обечайкой в форме трубы Вентури, встроенной в тело горелки, и разделяющей общий воздушный канал на центральный, снабженный аксиальным завихрителем, и периферийный, устройства для подачи газа в центральный и периферийный воздушный каналы, форсунку, расположенную по оси горелки, независимые друг от друга автоматические газозапальное и защитное устройства, отличающаяся тем, что отношение диаметра выходной конфузорной части к диаметру горловины трубы Вентури находится в пределах 1,2 - 1,6, входное устройство в центральный воздушный канал расположено в сужающейся части трубы Вентури, входное устройство в периферийный воздушный канал расположено в ее расширяющейся части с относительным сдвигом по продольной оси горелки 0,55 - 0,85 диаметра амбразуры, отношение выходных сечений центрального и периферийного воздушных каналов составляет 6 - 8, устройство для подачи газа в периферийный воздушный канал содержит съемные концевые насадки, расположенные ближе к амбразуре, чем устройство для подачи газа в центральный воздушный канал, с относительным сдвигом между ними по продольной оси горелки 0,06 - 0,17 диаметра амбразуры, аксиальный завихритель расположен ближе к амбразуре, чем устройство для подачи газа в центральный воздушный канал, с относительным сдвигом между ними по продольной оси горелки 0,03 - 0,09 диаметра амбразуры, отношение диаметра аксиального завихрителя к диаметру амбразуры составляет 0,35 - 0,65. 2. Газомазутная горелка по п.1, отличающаяся тем, что труба Вентури содержит пьезометрическое кольцо, расположенное снаружи ее горловины. 3. Газомазутная горелка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно соединена с системой рециркуляции дымовых газов, подаваемых в воздушный поток, направляемый к горловине. 4. Газомазутная горелка по п.1, отличающаяся тем, что газозапальное устройство расположено на относительных расстояниях 0,15 - 0,2 и 0,03 - 0,05 диаметра амбразуры, от центрального газоподающего устройства по радиусу и по продольной оси соответственно. 5. Газомазутная горелка по п. 1, отличающаяся тем, что защитное устройство для осуществления контроля за факелом расположено на относительных расстояниях 0,15 - 0,2 и 0,03 - 0,05 диаметра амбразуры от центрального газоподающего устройства по радиусу и по продольной оси горелки соответственно.