КОМБИНИРОВАННАЯ ГОРЕЛКА С ПЕННЫМ СЛОЕМ Российский патент 2001 года по МПК F23D17/00 F23D5/02 

Изобретение относится преимущественно к теплоэнергетике, химической, нефтехимической, нефтедобывающей отраслям, жилищно-коммунальному комплексу и другим отраслям промышленности, и может быть использовано при совместном или раздельном сжигании жидкого и газообразного топлив в теплоэнергетических агрегатах малой, средней и большой мощности, для топок с разрежением и противодавлением на холодном и нагретом воздухе.

Известны горелки для сжигания природного газа. Такой горелкой, предназначенной для сжигания природного газа в тепловых установках нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, где требуется равномерный нагрев больших поверхностей, является горелка беспламенная ГБПш конструкции ВНИИнефтемаша /Стаскевич Н. Л. и др. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990. - 762 с. Рис. 12.19. /. Горелка имеет распределительную камеру, металлическую трубку, туннель, изоляционный слой, рассекатель, смеситель, сопло, воздушную заслонку /шибер/. В горелке ГБПш конструкции ВНИИнефтемаша не предусмотрен ввод рециркуляционных газов, пара или воды с целью подавления образования вредных выбросов, что делает горелку экологически не эффективной и обусловливает дополнительные расходы на природоохранные мероприятия. Номинальная тепловая мощность горелок ГБПш конструкции ВНИИнефтемаша колеблется в узком диапазоне от 50 до 300 кВт, что резко сужает границы их применения в практических условиях.

Наиболее близкой по технической сущности является газомазутная горелка, разработанная Харьковским филиалом Центрального конструкторского бюро /Ахмедов Р. Б. и др. Рациональное использование газа в энергетических установках. -Л. : Недра, 1990.-423 с. Рис. 5.6./. Такая горелка имеет мазутную форсунку, регулировочные воздушные шиберы, завихритель, улиточно-тангенциальный завихритель, аксиальный завихритель, периферийный и центральный воздушные каналы, систему газовыпускных органов, периферийную и центральную камеры газа. Смешение топлива с воздухом в горелке достигается за счет работы сложных и громоздких завихрителей первичного и вторичного воздуха, что усложняет конструкцию горелки, увеличивает ее габариты и металлоемкость. Мазут распиливается с помощью механической форсунки, после которой капли топлива подвергаются многократному дроблению воздухом, что требует значительных энергозатрат. С целью более полного подавления образования вредных выбросов, при работе горелки осуществляют зональное впрыскивание пара или воды в ядро факела горения с помощью специальных /обособленных/ паровых агрегатов или форсунок, что делает конструкцию горелки в целом более энергоемкой, дорогостоящей, металлоемкой, громоздкой и менее надежной, так как форсунки имеют тенденцию забиваться и "зарастать", вплоть до полной остановки их работы. Горелки имеют тепловую мощность от 35 до 100-180 МВт, что не охватывает диапазона мощностей для котлов малой и средней производительности и тем самым сужает возможность использования горелок в практических условиях.

Задачей изобретения является создание подовой комбинированной горелки с пенным слоем /КГПС/, обеспечивающей компактность, экологичность и эффективность совместного сжигания газообразного и жидких топлив или водотопливных смесей, или подтоварных вод.

Этот технический результат в комбинированнной горелке с пенным слоем, содержащей корпус, патрубок для подвода воздуха, распределительную камеру, решетку, стаканы, трубу для подвода природного газа, трубу для подвода рециркуляционного газа, газовыпускные патрубки, поддон, двухсотовую решетку, пенообразующие соты, "провальные" соты, туннель, переливное устройство, трубу для подачи жидкости, коллектор для подачи природного газа, коллектор для подачи рециркуляционного газа, запорно-регулирующее устройство, стабилизаторы пены, достигается тем, что смешение газов с воздухом до однородной смеси, перед выходом в туннель, происходит в пенном слое пенообразующих сот, а жидкость, обусловливающая водотопливное отношение, поступает в ядро факела горения с поверхности пенного слоя в результате брызгоуноса путем фонтанирования в виде мелких капель.

Область эффективной работы горелки обусловливает величина угла β раскрытия туннеля в диапазоне от 15 до 120^o.

Эффективность работы пенообразующих сот при диаметре более 50 мм обуславливают стабилизаторы пены высотой от 50 до 400 мм, диаметр которых соответствует диаметру пенообразующих сот в диапазоне от 50 до 1000 мм.

Область эффективной работы горелки обуславливает величина диаметра пенообразующих сот в диапазоне от 25 до 1000 мм.

Область эффективной работы горелки обуславливает величина отношения суммарной площади поперечного сечения пенообразующих сот к суммарной площади поперечного сечения "провальных" сот в диапазоне от 0,1 до 10.

Высокая интенсивность смешения в пенном слое /на 1-2 порядка выше, чем в аппаратах смешения других типов/ газов /природного и рециркуляционного/ с воздухом позволяет за 0,01 - 0,25 секунды при уровне шума 20-25 дБ получить однородную газовую смесь перед туннелем с коэффициентом избытка воздуха α = 1,01, что позволяет на 1% рециркуляции снизить концентрацию NO_x, на 1,5% при сжигании газа и на 2% при сжигании мазута. Исследованиями ВНИИПромгаза и других организаций установлено, что максимальный эффект достигается при подаче рециркулята через воздушный тракт горелки /как и в нашем случае/ в количестве не более 20%. Это позволяет снизить выход NO_x на 30-60% в зависимости от типа котла. На выходе из пенообразующих сот струи газа, разрывая внешнюю поверхность слоя пены, образуют фонтанирующие источники брызг, которые попадая в ядро факела горения при водотопливном отношении 8-10%, позволяют снизить выход оксидов азота более чем на 30%, что повышает эффективность работы горелки и расширяет границы ее использования. В качестве жидкости в горелке можно использовать воду или водотопливную смесь, или подтоварные воды.

В зависимости от параметров гидродинамического режима массовая концентрация грубодисперсных капель, уносимых газовым потоком из пенного слоя, может быть L_б.г = 0-120 г/м³, а массовая концентрация мелкодисперсных капель L_б.т=1-16 мг/м³. В тонкодисперсном уносе 70-90% от общего количества по массе составляют капли размером менее 5 мкм. Размер преобладающей части брызгоуноса грубодисперсных капель в основном больше 200 мкм. При скорости газа до 1,5 м/с унос грубодисперсных капель практически отсутствует. При скоростях газа от 1,5 до 2,5 м/с унос грубодисперсных капель постепенно возрастает до 40 г/м³. При скоростях газа от 2,5 до 3,3 м/с наступает стремительное возрастание /до 120 г/м³/ брызгоуноса грубодисперсных капель. При скорости газа более 3,3 м/с наблюдается разрушение пены и превращение ее в брызги. Такой режим уже не удобен для практического использования из-за очень большого уноса жидкой фазы. Тонкодисперсный унос капель присутствует постоянно в диапазоне рабочих скоростей от 1,5 до 3,3 м/с и возрастает адекватно грубодисперсному уносу. Таким образом величина брызгоуноса, то есть количество воды, поступающее в ядро факела горения, зависит от скорости газа в поперечном сечении на входе в туннель. Скорость газа в диапазоне от 15 до 3,3 м/с изменяют запорно-регулирующим устройством, а так же за счет угла β раскрытия туннеля в диапазоне от 15 до 120^o, что позволяет регулировать водотопливное отношение в ядре факела горения в диапазоне от 3 до 10% и делает работу горелки более надежной, так как отпадает необходимость в дополнительной установке форсунок и паровых аппаратов для поддержания заданного водотопливного соотношения в ядре факела горения. При этом сама горелка становится менее металлоемкой и энергоемкой, но более компактной и экологически эффективной, что расширяет границы ее использования.

В пенообразующей соте при диаметре более 50 мм и скорости газа более 2 м/с возникает волновой режим, так как часть кинетической энергии газового потока уходит на раскачивание пенного слоя, что приводит к ухудшению структуры пены. Для подавления возникновения волнового режима внутрь пенообразующей соты установлен стабилизатор пены, высота которого всегда равна высоте пенного слоя и составляет от 50 до 400 мм, а диаметр соответствует диаметру пенообразующей соты в диапазоне от 50 до 1000 мм, что позволяет кинетическую энергию газового потока, ранее затрачиваемую на раскачивание пенного слоя, использовать на дополнительное дробление газовых пузырей о стенки стабилизатора пены, значительно улучшая тем самым структуру пены и гидродинамический режим, так как в этом случае волновой режим не возникает при повышении линейной скорости до 3,3 м/с, что расширяет границы использования горелки.

При заданной тепловой мощности горелки в ней может быть различное количество пенообразующих сот в зависимости от величины их диаметра, принимаемого в диапазоне от 25 до 1000 мм, что позволяет широко использовать принцип рассредоточения пламени для организации факела горения с увеличенной поверхностью теплоотдачи. С другой стороны: интенсивное взаимодействие факелов друг на друга повышает турбулентность потока, при соударении газовых струй. Это в свою очередь интенсифицирует процесс горения. Возможность широкой мультипликации вариантов компоновки горелки за счет изменения диаметра пенобразующих сот расширяет границы ее использования.

Поскольку единичная тепловая мощность горелки зависит от количества и диаметра пенообразующих сот, но не зависит от плотности их размещения, то возникает дополнительная возможность мультипликации вариантов использования принципа рассредоточения пламени для увеличения поверхности теплоотдачи и снижения неравномерности тепловой нагрузки экранов топочной камеры за счет изменения величины отношения суммарной площади поперечного сечения пенообразуюших сот к суммарной площади поперечного сечения "провальных" сот в диапазоне от 0,1 до 10, что расширяет границы использования горелки и область ее эффективной работы в диапазоне от 100 кВт до 100 МВт.

На фиг. 1 выполнен продольный разрез комбинированной горелки с пенным слоем; на фиг. 2 - разрез комбинированной горелки с пенным слоем по сечению А-А.

Комбинированная горелка с пенным слоем /КГПС/ содержит корпус 1, патрубок для подвода воздуха 2, распределительную камеру 3, решетку 4, стакан 5, трубы для подвода природного газа 6, трубы для подвода рециркуляционного газа 7, газовыпускные патрубки 8 и 9, поддон 10, двухсотовую решетку 11, пенообразующие соты 12, "провальные" соты 13, туннель 14, переливное устройство 15, трубу для подачи жидкости 16, коллектор для подачи природного газа 17, коллектор для подачи рециркуляционного газа 18, запорно-регулирующее устройство 19, стабилизаторы пены 20.

В комбинированной горелке с пенным слоем поток воздуха со скоростью 20-22 м/с через запорно-регулирующее устройство 19 по патрубку для подачи воздуха 2 поступает в распределительную камеру 3, под решетку 4 и в стакан 5 совместно с газами, которые подают из газовыпускных патрубков 8 и 9 по трубам для подвода природного газа 6 и по трубам для подвода рециркуляционного газа 7, соответственно от коллекторов 17 и 18. Для заполнения жидкостью поддона 10 и поддержания заданного уровня подтопления /всех одновременно/ стаканов 5 предназначено переливное устройство 15, прикрепленное к корпусу 1. В переливное устройство 15 жидкость поступает по трубе для подачи жидкости 16. В пенообразующих сотах 12 двухсотовой решетки 11, при заданном уровне подтопления стаканов 5, происходит смешение жидкости с газами, которые при этом интенсивно перемешиваются между собой до однородной газовоздушной смеси - таким образом возникает слой газожидкостной эмульсии /пена/. Подвижная газожидкостная эмульсия заполняет свободный объем пенообразующих сот 12, а при переполнении излишек пены перетекает в "провальные" соты 13, где пена разрушается /разделяется/ на газ и жидкость, которая поступает снова в поддон 10. Для подавления возникновения волнового режима, при диаметре пенообразующих сот 12 более 50 мм в них устанавливают стабилизаторы пены 20. По мере поступательного движения газожидкостной эмульсии вверх происходит постепенное разрушение пены. Основная часть жидкости отбрасывается к стенкам стабилизатора пены 20 и пенообразующих сот 12 и под действием силы тяжести стекает вниз в поддон 10. Другая часть жидкости, обусловливающая брызгоунос, фонтанирует с поверхности пенного слоя в виде мелких капель, которые захватывает газовый поток и увлекает в ядро факела горения. Количество уносимой жидкости можно регулировать скоростью газа за счет расширения верхней части туннеля. Так, снижение скорости газа с 2,0 до 1,2 м/с позволяет уменьшить брызгоунос /по массе уносимых капель/ на 75%. На выходе из пенного слоя однородную газовоздушную смесь в туннеле 14 поджигают с помощью переносного запальника. Длина и форма факела горения, а также количество жидкости, уносимое в виде капель в ядро факела горения, регулируют углом β раскрытия туннеля 14.

Корпус комбинированной горелки с пенным слоем может быть квадратной, прямоугольной или круглой формы в плане. Все элементы горелки могут быть изготовлены из металла или керамики.

Технические показатели комбинированных горелок с пенным слоем, приведенных типоразмеров, представлены в таблице.

Изобретение может быть использовано при совместном сжигании газообразного и жидкого топлив или водотопливных смесей или подтоварных вод в тепловых агрегатах малой, средней и большой мощности. Смешение газов с воздухом до однородной смеси, перед выходом в туннель, происходит в пенном слое пенообразующих сот, а жидкость, обуславливающая водотопливное соотношение, поступает в ядро факела горения с поверхности пенного слоя в результате брызгоуноса путем фонтанирования в виде мелких капель. Изобретение позволяет обеспечить компактность, экологичность и эффективность совместного сжигания газообразного и жидкого топлив или водотопливных смесей. 4 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Комбинированная горелка, с пенным слоем содержащая корпус, патрубок для подвода воздуха, распределительную камеру, решетку, стаканы, трубы для подвода природного газа, трубы для подвода рециркуляционного газа, газовыпускные патрубки, поддон, двухсотовую решетку, пенообразующие соты, "провальные" соты, туннель, переливное устройство, трубу для подачи жидкости, коллектор для подачи природного газа, коллектор для подачи рециркуляционного газа, запорно-регулирующее устройство, стабилизаторы пены, отличающаяся тем, что смешение газов с воздухом до однородной смеси, перед выходом в туннель, происходит в пенном слое пенообразующих сот, а жидкость, обуславливающая водотопливное соотношение, поступает в ядро факела горения с поверхности пенного слоя в результате брызгоуноса путем фонтанирования в виде мелких капель. 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что область ее эффективной работы обусловливает брызгоунос с поверхности пенного слоя, что обеспечивает в ядре факела горения водотопливное соотношение от 3 до 10%, размер которого зависит от величины угла β раскрытия туннеля в диапазоне от 15 до 120^o. 3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что эффективность работы пенообразующих сот при диаметре более 50 мм обуславливают стабилизаторы пены высотой от 50 до 400 мм, диаметр которых соответствует диаметру пенообразующих сот в диапазоне от 50 до 1000 мм. 4. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что область ее эффективной работы обуславливает величина диаметра пенообразующих сот в диапазоне от 25 до 1000 мм. 5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что область ее эффективной работы обуславливает величина отношения суммарной площади поперечного сечения пенообразующих сот к суммарной площади поперечного сечения "провальных" сот в диапазоне от 0,1 до 10.