МНОГОПОТОЧНАЯ ИНЖЕКЦИОННАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 2001 года по МПК F23D14/04 

Предлагаемое изобретение относится к инжекционным горелкам и может быть использовано в технологических нагревателях преимущественно взрыво- и пожароопасных объектов нефтехимических производств, а также для повышения безопасной эксплуатации газового оборудования, например в подогревателях природного газа на входе газораспределительных станций, размещенных в зонах с умеренным и холодным климатом.

Известна инжекционная горелка (авторское свидетельство СССР N 1307156, М. кл. F 23 D 14/04, 1985 г.), содержащая центральную трубу, подключенную к входному соплу с автономным источником газа, и внешнюю трубу, формирующую кольцевой поток газовоздушной смеси, что обеспечивает одновременное сжигание двух газов различного состава с низким выбросом оксидов азота. Недостатком известной инжекционной горелки является недостаточная ее надежность в широком диапазоне регулирования тепловой мощности (например, при потребном коэффициенте рабочего регулирования Кр.р. ≥ 5), так как коэффициент избытка воздуха газовоздушной смеси, истекающей из центральной трубы, и кольцевого зазора мало отличается от единицы, что не исключает опасности проскоки пламени внутри горелки.

Известна инжекционная горелка (авторское свидетельство СССР N 1560912, М. Кл. F 23 D 14/4, 1988 г.), содержащая коаксиально установленные по оси горелки внешнюю, промежуточную и внутреннюю выпускные трубы, в полости которых осуществлены подготовка (инжектирование и смешение) трех потоков газовоздушной смеси и вывод ее в топочную зону теплового агрегата (прототип).

Горелка выполнена таким образом, что по внутренней трубе истекает газовоздушная смесь с α₁= 0,2-0,3; промежуточный кольцевой поток имеет α₂= 0,5-0,2 и наружный α₃= 1,8-2,0, При таких соотношениях невозможен проскок пламени внутрь горелки, и при сгорании наблюдается минимальный выход оксидов азота. Недостатками известной горелки является, во-первых, необходимость установки дополнительной запальной (стабилизационной) горелки мощностью не менее 5% от суммарной, во-вторых, что, впрочем, характерно для всех известных типов инжекционных горелок, необходимость футеровки огнеупорным материалом поверхности огневого днища топочной зоны теплового агрегата существенно снижает надежность указанных агрегатов, так как раскаленная футеровка огневого днища может создать (для сигнализаторов погасания пламени) состояние "кажущегося пламени", что может привести к тяжелым последствиям (см. например, ж. "Безопасность труда в промышленности", Москва, ГГТН России, N 3. 1999 г.). Как правило, это происходит при пуске и остановке теплового агрегата или при работе на малых нагрузках.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности сжигания газового топлива в широком диапазоне регулирования тепловой мощности, безопасной эксплуатации тепловых агрегатов с использованием предложенной горелки, возможность регулирования характеристик факела и уменьшение затрат на разработку горелки.

Эта цель достигается тем, что предложенная горелка, содержащая коаксиально установленные по оси горелки внешнюю, промежуточную и внутреннюю впускные трубы, отличается от известных тем, что внешняя и промежуточная трубы выполнены в виде усеченных конусов, со стороны вершины обращенных в сторону топочной зоны теплового агрегата, а со стороны основания, каждая из них, подключена к четному количеству инжекторов, равнорасположенных по концентрическим окружностям. При этом внутренняя труба со стороны входа подключена к соосному с ней инжектору, за которым последовательно по потоку газовоздушной смеси установлены пламяпреградитель и запальная свеча, а со стороны выхода в топочную зону - стабилизатор пламени. Существенно и то, что наибольший диаметр внешней трубы, обращенной в топочную зону, должен быть не менее внутреннего диаметра топочной зоны, ограниченной боковыми экранами.

Кроме того, оси инжекторов, подключенных к внешней и промежуточной трубам, могут быть ориентированы под углом относительно оси горелки таким образом, что газовоздушная смесь на выходе из этих труб образует закрученный поток, а соотношение диаметра внешней трубы со стороны ее вершины, определяющего размер амбразуры горелки, и диаметра поточной зоны, ограниченной боковыми экранами, должно быть не более 1/3. При этом сменные сопла инжекторов всех выпускных труб могут быть подключены к автономным источникам газа.

При выполнении перечисленной совокупности признаков в связи с использованием предложенной горелки отпадает необходимость защиты огневого днища огнеупорным материалом, что повышает надежность и безопасность теплового агрегата в целом, и, кроме того, за счет изменения состава газовоздушной смеси в тракте внешнего и промежуточного кольцевых потоков, параметров их крутки и, как следствие, характеристик факела в топочной зоне диапазон регулирования тепловой мощности горелки может быть существенно расширен, а возможность унификации инжекторов, входящих в состав горелки, позволит уменьшить затраты на ее разработку.

На чертеже показан общий вид многопоточной инжекционной горелки в виде продольного разреза с сечением А-А.

Горелка содержит коаксиально установленные по оси симметрии внешнюю 1, промежуточную 2 и внутреннюю 3 выпускные трубы. Внешняя 1 и промежуточная 2 трубы, выполненные в виде усеченных конусов, со стороны вершины обращены в сторону топочной зоны теплового агрегата (на чертеже не показан), а со стороны основания, каждая из них, подключена к четному количеству инжекторов, соответственно 4 и 5, равнорасположенных по концентрическим окружностям. Каждый инжектор в составе горелки выполнен по "классической" схеме: газовое сопло 6, входной конфузор 7, смесительная труба 8, выходной диффузор 9 и регулятор 10 подсасываемого воздуха. Внутренняя труба 3 со стороны входа подключена к соосному с ней инжектору 11, за которым последовательно по потоку газовоздушной смеси установлены пламяпреградитель 12 и запальная свеча 13, а со стороны выхода в топочную зону зону - стабилизатор пламени 14, выполненный, например, в виде плохообтекаемого тела. Оси инжектора 4 и 5, подключенных к внешней 1 и промежуточной 2 трубам, соответственно могут быть ориентированы, например, под углом 30^o относительно оси горелки таким образом, что газовоздушная смесь на выходе из труб 1 и 2 образует в топочной зоне закрученный поток. Кроме того, соотношение диаметра внешней трубы 1 со стороны ее вершины, определяющего размер амбразуры горелки Дамбр., и диаметра топочной зоны Дт.з., ограниченной боковыми экранами, должно быть Дамбр. /Дт. з. < 1/3, при этом сменные сопла инжекторов всех выпускных труб 1, 2, 3 могут быть подключены к автономным источникам газа.

Инжекционная горелка работает следующим образом.

Розжиг горелки производится последовательным включением запальной свечи 13 и подачей горючего газа в сопло инжектора 11, соосно подключенного к внутренней трубе 3. При этом пламяпреградитель 12, установленный перед свечой 13, предотвращает возможность проскока пламени в смесительную часть инжектора 11, а стабилизатор 14 обеспечивает на любом режиме работы горелки устойчивость "дежурного" факела в топочной зоне теплового агрегата. После получения импульса о наличии пламени от сигнализатора, следящего за "дежурным" факелом, производится одновременная подача горячего газа в сопла инжекторов 4 и 5, обеспечивающих подачу газовоздушной смеси во внешнюю 1 и в промежуточную 2 трубы соответственно. При этом сменные сопла 6 инжекторов горелки установлены с такими диаметрами (при одинаковых диаметрах смесительных труб 8), что газовоздушная смесь наружного потока, истекающего из внешней 1 трубы на номинальном режиме, соответствует коэффициенту избытка воздуха α₃-1,6, причем соответствующий коэффициент промежуточного потока, истекающего из трубы 2, равен α₂= 0,5, а для центрального потока из внутренней 3 трубы α₁= 1,05, который постоянен во всем диапазоне регулирования мощности горелки. При таких соотношениях (α₃= 1,6 и α₂= 0,5) невозможен проскок пламени внутрь горелки, а за счет снижения общего температурного уровня факела наблюдается минимальный выход оксидов азота. Учитывая, что расходы горячего газа наружного и промежуточного кольцевого потоков одинаковы, то после их перемешивания и сгорания в топочной зоне результирующий α₂= 1,05. При уменьшении расхода газа в процессе регулирования потребной тепловой мощности горелки, (например, при Кр. р ≥ 5) происходит некоторое увеличение до α₂≈ 1,15, что приемлемо, тем более, что связанное с этим дальнейшее снижение температуры факела компенсирует увеличение лучистого теплового потока, падающего на наружную стенку внешней трубы 1, за счет уменьшения дальнобойности факела горения.

На практике возникает необходимость резкого снижения тепловой мощности горелки, например, вдвое. Это возможно осуществить одновременным отключением половины инжекторов, подключенных к внешней 1 и промежуточной 2 трубам соответственно, сохраняя при этом их равнорасположенность по концентрическим окружностям, что обеспечивает (одновременно с закруткой) окружную равномерность кольцевых потоков, необходимую для надежного охлаждения наружного корпуса 1 и сохранения равномерности температурного поля по сечению топочной зоны теплового агрегата.

Немаловажно и то обстоятельство, что возможность унификации инжекторов в составе позволяет на этапе разработки экспериментально снять характеристики с одного инжектора на малой опытной модели горелки, без отработки полноразмерного образца, что осуществлено снижает общие затраты, связанные с разработкой горелки, тем более для различных технологических областей ее применения.

Таким образом, при использовании предложенной горелки отпадает необходимость защиты огневого днища огнеупорным материалом, что повышает надежность и безопасность теплового агрегата в целом, и кроме того, за счет изменения состава газовоздушной смеси в тракте внешнего и промежуточного кольцевых потоков, параметров их крутки и, как следствие, характеристик факела в топочной зоне, диапазон регулирования тепловой мощности горелки может быть существенно расширен, а возможность унификации инжекторов, входящих в состав горелки, позволит уменьшить затраты на разработку горелки в целом.

Изобретение относится к инжекционным горелкам и может быть использовано в технологических нагревателях преимущественно взрыво- и пожароопасных объектов нефтехимических производств, а также для повышения безопасной эксплуатации газового оборудования, например в подогревателях природного газа на газораспределительных станциях, размещенных в зонах с умеренным и холодным климатом. Многопоточная инжекционная горелка содержит коаксиально установленные по оси горелки внешнюю, промежуточную и внутреннюю выпускные трубы. Новым в горелке является то, что внешняя и промежуточная трубы, выполненные в виде усеченных конусов, со стороны вершины обращены в сторону топочной зоны теплового агрегата, а со стороны основания каждая из них подключена к четному количеству инжекторов, равнорасположенных по концентрическим окружностям, причем внутренняя труба со стороны входа подключена к соосному с ней инжектору, за которым последовательно по потоку газовоздушной смеси установлены пламяпреградитель и запальная свеча, а со стороны выхода в топочную зону - стабилизатор пламени, при этом наибольший диаметр внешней трубы, обращенной в топочную зону, должен быть не менее внутреннего диаметра топочной зоны, ограниченной боковыми экранами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многопоточная инжекционная горелка, содержащая коаксиально установленные по оси горелки внешнюю, промежуточную и внутреннюю выпускные трубы, отличающаяся тем, что внешняя и промежуточная трубы, выполненные в виде усеченных конусов, со стороны вершины обращены в сторону топочной зоны теплового агрегата, а со стороны основания подключены к четному количеству инжекторов, равнорасположенных по концентрическим окружностям, причем внутренняя труба со стороны входа подключена к соосному с ней инжектору, за которым последовательно по потоку газовоздушной смеси установлены пламяпреградитель и запальная свеча, а со стороны выхода в топочную зону - стабилизатор пламени, при этом наибольший диаметр внешней трубы, обращенной в топочную зону, должен быть не менее внутреннего диаметра топочной зоны, ограниченной боковыми экранами. 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что оси инжекторов, подключенных к внешней и промежуточной трубам, ориентированы относительно оси горелки таким образом, что газовоздушная смесь на выходе из этих труб образует закрученный поток. 3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что соотношение диаметра внешней трубы со стороны ее вершины, формирующей амбразуру горелки, и диаметра топочной зоны, ограниченной боковыми экранами, должно быть не более 1/3, при этом сменные сопла инжекторов всех выпускных труб могут быть подключены к автономным источникам газа.