ПАРОВАЯ ФОРСУНКА Российский патент 2002 года по МПК F23D11/10 F23D11/44 

Изобретение может быть использовано в топочных устройствах нефтехимической, химической и металлургической отраслях промышленности.

Существует проблема подавления оксидов азота (NОx), образующихся при сгорании жидкого топлива. Снимание выхода NOx достигается сокращением времени пребывания реагирующих веществ в высокотемпературной зоне. Время пребывания реагирующих веществ в высокотемпературной зоне определяется временем горения топлива, которое зависит от времени смесеобразования. Время смесеобразования определяется дисперсией жидкого топлива и скоростью воздушного потока [1].

Известна форсунка [2] , которая содержит корпус канала распыливающего агента, корпус топливного канала, регулятор расхода распылителя, распределительную шайбу с соплом, центральным и аксиальными отверстиями, распылитель.

Корпус канала распыливающего агента соединен с распылителем. Топливный канал расположен внутри канала распыливающего агента. Регулятор расхода распылителя соединен с корпусом топливного канала и с распределительной шайбой. Стенки распределительной шайбы образуют смесительную камеру. Между корпусом распылителя и регулятором расхода распылителя образован кольцевой канал.

В смесительную камеру через аксиальные отверстия в распределительной шайбе по паровому каналу поступает пар, а через центральное отверстие в распределительной шайбе по мазутному каналу - жидкое топливо. В смесительной камере смешивается пар и жидкое топливо, образуя паромазутную смесь. Паромазутная смесь выходит из смесительной камеры через сопло и распыливается в топке. Распыленный мазут движется прямоточно и диффузионно смешивается с воздухом, подаваемым для горения мазута.

Для регулирования дисперсии мазута удельный расход пара в форсунке меняется регулятором расхода распылителя, который открывает большее или меньшее количество отверстий в распределительной шайбе для прохода распылителя в смесительную камеру.

В описанной форсунке сокращение времени пребывания реагирующих веществ в высокотемпературной зоне обеспечивается регулированием удельного расхода пара. Регулировка удельного расхода пара позволяет поддерживать качественный распыл мазута на режимах работы форсунки, отличных от номинальной мощности. Качественный распыл на режимах работы форсунки отличных от номинальной мощности, приводит к сокращению времени горения и пребывания азота (N₂) и кислорода (O₂) в высокотемпературной зоне факела, что, в свою очередь, снижает выход NOx.

Однако снижение NOx за счет регулирования является недостаточным. В атмосферу выбрасывается большое количество NOx, что негативно влияет на окружающую среду. Большой выброс NOx с продуктами сгорания обусловлен тем, что пламя в известной горелке прямоточное. Прямоточное движение мазута с воздухом обеспечивает самую медленную скорость смесеобразования. При такой скорости смесеобразования продукты реакции продолжают достаточно долгое время оставаться в высокотемпературной зоне. Значительное пребывание продуктов сгорания в высокотемпературной зоне обуславливает высокий выход NOx.

Наиболее близким к заявляемому решению является форсунка [3], которая содержит корпус форсунки с вихревой насадкой и распылительной головкой, паровой штуцер с резьбовым конусом и золотниковой пробкой. В корпусе форсунки с вихревой насадкой и распылительной головкой установлена золотниковая пробка с паровым штуцером и резьбовым конусом. Внутренняя поверхность распылительной головки имеет форму тора.

Пар через паровой штуцер и паровой конус поступает в вихревую насадку. Жидкое топливо по каналу, образованному корпусом форсунки и паровым штуцером, под действием напора и инжекционного эффекта устремляется в вихревую насадку, где смешивается с паром, образуя паромазутную смесь. Паромазутная смесь движется к распылительной головке прямоточно. Паромазутная смесь, попадая на торообразную стенку распылительной головки, меняет направление движения на противоположное, закручивается и выходит через центральное отверстие в топку. В топке распыленный мазут движется турбулентно и смешивается с воздухом, движущимся прямоточно, который подается по воздушному коллектору. Турбулентно движущийся мазут захватывает центральную часть воздушного потока и закручивает его. В периферийной части вращательное движение мазута затухает и смесь движется прямоточно. При этом образуется пламя, состоящее из двух зон: центральной, где топливная смесь движется турбулентно, и периферийной, где топливная смесь движется прямоточно.

По сравнению с прямоточным движением топливной смеси в топочном пространстве турбулентное движение топливной смеси в центральной части пламени имеет большую скорость и приводит к сокращению времени образования топливной смеси, времени горения и пребывания реагирующих веществ в высокотемпературной зоне, что, в свою очередь, подавляет образование NOx.

Однако выброс NОх в атмосферу данной форсункой остается еще значительным. Это обусловлено тем, что вращательное смешивание топливной смеси находится только в центральной области движения мазута, а основная масса топливной смеси двинется прямоточно. Наличие в факеле прямоточно движущейся топливной смеси приводит к тому, что скорость перемешивания и горения остается достаточной для образования NOx.

Задача, стоящая перед изобретателями, заключалась в создании форсунки, в которой снижение оксидов азота обеспечивается за счет образования турбулентного движения всей топливной смеси в топочном пространстве.

Для решения поставленной задачи известная паровая форсунка, содержащая корпус с насадкой и распылительной головкой, внутри которого расположен паровой штуцер с резьбовым конусом и золотниковой пробкой, она дополнительно снабжена экраном, закрепленным с насадкой, при этом поперечное сечение экрана в верхней части очертано дугой радиусом R₁=(¹/₃-¹/₂)•0,7•h с центром, расположенным на расстоянии S₁=0,7•(h-R₁)-R₁ от центральной оси экрана на высоте H₁=R₁, проведенной от верхней кромки экрана, а в нижней половине сечение очертано дугой радиусом, равным R₂= h-R₁ с центром, расположенным на расстоянии S₂= 0,7•(h-R₁)-R₂ от центральной оси экрана на высоте H₂=R₁, проведенной от верхней кромки экрана, при этом верхняя и нижняя дуги поперечного сечения сопряжены, диаметр экрана в выходном сечении определен из соотношения:
D_вых=2•0,7•h-2•1,2•R₁,

где d_a - диаметр амбразуры,
h - высота полости экрана,
а в нижней части экрана выполнены отверстия, общая площадь которых равна площади выходного отверстия экрана.

Установка экрана в зоне топочного пространства и выполнение экрана торообразным приводит к значительному снижению оксидов азота.

Это обусловлено двумя факторами.

Во-первых, топливо и воздух поступает в топочное пространство прямоточно. Воздух, попадая на торообразную стенку экрана, меняет направление движения на противоположное, закручивается и начинает вращаться внутри топочного пространства, вовлекая в турбулентное движение паромазутную смесь.

Благодаря тому, что источником турбулентного движения топливной смеси является воздух, масса которого значительно превышает массу паромазутной смеси, турбулентно движущаяся смесь образуется во всем объеме факела. Турбулентное движение, имеющее высокую скорость вращения топливной смеси, сокращает время горения и пребывания N₂ и О₂ в высокотемпературной зоне, вследствие чего снимется выход оксидов азота.

Во-вторых, расположение экрана в топочном пространстве приводит к нагреву экрана, который, в свою очередь, дополнительно нагревает паромазутную смесь с 120 до 250-270^oС. Рост температуры паромазутной смеси снимет вязкость мазута и увеличивает дисперсию паромазутной смеси, что приводит к сокращению времени образования и горения топливной смеси, пребывания N₂ и О₂ в высокотемпературной зоне и к снижению оксидов азота. Наличие двух факторов приводит к снижению NOx на 60%.

На чертеже изображено поперечное сечение паровой форсунки.

Форсунка для сжигания жидкого топлива содержит корпус форсунки 1 с насадкой 2, экраном 3 и распылительной головкой 4. Внутри корпуса форсунки 1 установлен паровой штуцер 5 с золотниковой пробкой 6. В распылительной головке 4 для распыления паромазутной смеси выполнено отверстие 7. В золотниковой пробке 6 для прохода пара по радиусу выполнены отверстия 8. Наружная часть парового штуцера 4 уплотнена прокладкой 9, уплотнительной шайбой 10 и контргайкой 11. Корпус форсунки 1 соединен с патрубками подвода пара 12 и жидкого топлива 13. Насадка 2 закреплена с экраном 3. Поперечное сечение экрана 3 описано двумя дугами. Верхняя дуга имеет радиус R₁=(¹/₃-¹/₂)•0,7•h с центром, расположенным на расстоянии S₁=0,7•(h-R₁)-R₁ от центральной оси экрана на высоте H₁=R₁, проведенной от верхней кромки экрана.

Нижняя дуга имеет радиус R₂=h-R₁ с центром, расположенным на расстоянии S₂= 0,7•(h-R₁)-R₂ от центральной оси экрана на высоте H₂=R₁, проведенной от верхней кромки экрана.

В нижней части экрана выполнены отверстия 14, общая площадь которых равна площади выходного отверстия экрана.

Для форсунки, установленной в амбразуре с диаметром выходного сечения 350 мм, экран имеет следующие параметры: h=85 мм, R₁=30 мм; S₁=8,5; H₁=30; R₂= 55 мм; S₂=-16,5 мм (знак минус означает расположение точки за осью экрана), Н₂=30 мм; D_вых=47 мм; три отверстия диаметром ⊘ 16 мм.

Форсунка работает следующим образом.

Пар, имеющий температуру 200^oС, поступает по патрубку подвода 12 через отверстия 8 в золотниковой пробке 6 в паровой штуцер 5 и насадку 2.

Жидкое топливо, нагретое до температуры 120^oС, из патрубка подвода 13 перетекает в канал, образованный корпусом форсунки 1 и паровым штуцером 5. Под действием напора и инжекционного эффекта топливо устремляется в насадку 2, где смешивается с паром. При этом образуется паромазутная смесь.

Паромазутная смесь протекает по насадке 2 и выходит прямоточно через центральное отверстие 7 распылительной головки 4 в полость экрана 3.

Воздух из воздушного коллектора (не показан) перетекает под действием разряжения в топке в экран 3 через отверстие 14 и закручивается. В экране 3 распыленный мазут смешивается с частью воздуха. При этом образуется топливная смесь, которая движется турбулентно. После чего начинается прогрев и горение мазута.

Одновременно факел нагревает радиацией экран 3, который в свою очередь нагревает мазут, протекающий при насадке 2 до температуры 250-260^oС. Под действием температуры снимается вязкость мазута, в результате чего увеличивается дисперсия паромазутной смеси.

Высота полости экрана h определяет общий размер экрана. Радиусы дуг R₁, R₂ и выходной диаметр экрана D_вых определяются высотой полости экрана, которая лежит в диапазоне ^1/3 d_a≤1,4 h≥¹/₂ d_a. Радиусы дуг R₁, R₂ определяют объем воздуха, попадающего на торообразную стенку экрана. Воздух, попадая на торообразную стенку экрана, меняет направление движения на противоположное и закручивается.

Выходной диметр экрана D_вых. определяет объем вытекающего из экрана закрученного воздуха. При соотношении D_вых=2•0,7•h-2•1,2•R₁ объем завихряемого воздуха равен объему вытекающего из экрана воздуха, так как:
D_вых=2•07•h-2•12•R₁,
R₁=(1/3-1/2)•0,7•h,
тогда, подставляя R₁ в D_вых , получим
D_вых=2•0,7•h-2•1,2•(¹/₃-¹/₂)•0,7•h=
=2•0,7•h•(1-1,2•(¹/₃-¹/₂))=
=1,4•h•(0,6•0,4),
где 1,4 h - наружный диаметр экрана (см. чертеж).

При общем размере экрана 1,4 h<1/3 d_а объем протекающего через экран и закручиваемого воздуха составляет менее 30% от общего объема воздуха, что не позволяет значительно сократить время смесеобразования, горения топлива и время пребывания N₂ и O₂ в высокотемпературной зоне. При этом содержание оксидов азота снижается только на 5-8%. Применение экрана становится неэффективным.

При общем размере экрана 1,4 h>¹/₂ d_a размер экрана увеличивается до размеров амбразуры, и весь воздух проходит через экран и закручивается. Следствием этого являются сильные пульсации в факеле, которые проводят к неустойчивому горению топлива.

Выполнение отверстий 14, общая площадь которых равна площади выходного отверстия экрана, позволяет пропускать воздух в объеме, равном пропускной способности выходного отверстия экрана.

При выполнении отверстий 14, общая площадь которых меньше площади выходного отверстия, объем воздуха, поступающий и завихряемый в экране, сокращается. Следствием этого является сокращение объема топливной смеси движущейся турбулентно, что продлевает время горения и пребывания N₂ и О₂ в высокотемпературной зоне факела, что, в свою очередь, увеличивает выход МОх. Следовательно, экран работает неэффективно.

При выполнении отверстий 14, общая площадь которых больше площади выходного отверстия, дополнительного положительного эффекта не наблюдается. Это обусловлено тем, что при этих параметрах отверстий в экране объем завихряемого воздуха определяется пропускной способностью выходного отверстия экрана.

Использование заявляемой паровой форсунки приводит к сокращению времени горения жидкого топлива и пребывания N₂ и О₂ в высокотемпературной зоне, следствием чего является снижение оксидов азота на 50-60%.

Источники информации
1. Спейшер В.А., Горбаренко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.; Энергоатомиздат, 1991. - 184 с.

2. Пат. 2005955 РФ, МПК⁷ F 23 D 11/10. Форсунка/ Сироткин Ю.С. (РФ). -/ 4795339; заявл. 04.01.90; опубл. 15.01.94.

3. Пат. 2097653 РФ, МПК⁷ F 23 D 11/10. Форсунка для сжигания жидкого топлива/ Масло Г.-П., Верховых Н.А., Горшенев В.Е. (РФ). - / 95110451; заявл. 26.06.95; опубл. 27.11.97.

Изобретение может быть использовано в топочных устройствах нефтехимической, химической и металлургической отраслях промышленности. Паровая форсунка содержит корпус с насадкой и распылительной головкой, внутри которого расположен паровой штуцер с резьбовым конусом и золотниковой пробкой. Форсунка дополнительно снабжена экраном, закрепленным с насадкой, при этом поперечное сечение экрана в верхней части очертано дугой радиусом R₁=(1/3-1/2)•0,7•h с центром, расположенным на расстоянии S₁= 0,7•(h-R₁)-R₁ от центральной оси экрана на высоте H₁=R₁, проведенной от верхней кромки экрана, а в нижней половине сечение очертано дугой радиусом, равным R₂=h-R₁, с центром, расположенным на расстоянии S₂=0,7•(h-R₁)-R₂ от центральной оси экрана на высоте Н₂=R₁, проведенной от верхней кромки экрана, при этом верхняя и нижняя дуги поперечного сечения сопряжены, диаметр экрана в выходном сечении определен из соотношения D_вых= 2•0,7•h-2•1,2•R₁, d_a/3≤1,4•h≥d_a/2, где d_a - диаметр амбразуры, h - высота полости экрана, а в нижней части экрана выполнены отверстия, общая площадь которых равна площади выходного отверстия экрана. Изобретение позволяет снизить выход оксидов азота за счет образования турбулентного движения всей топливной смеси в топочном пространстве на 60%. 1 ил.

Паровая форсунка, содержащая корпус с насадкой и распылительной головкой, внутри которого расположен паровой штуцер с резьбовым конусом и золотниковой пробкой, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена экраном, закрепленным с насадкой, при этом поперечное сечение экрана в верхней части очертано дугой радиусом R₁= (¹/₃-¹/₂)•0,7•h с центром, расположенным на расстоянии S₁= 0,7•(h-R₁) - R₁ от центральной оси экрана на высоте H₁= R₁, проведенной от верхней кромки экрана, а в нижней половине сечение очертано дугой радиусом, равным R₂= h-R₁, с центром, расположенным на расстоянии S₂= 0,7•(h-R₁)-R₂ от центральной оси экрана на высоте H₂= R₁, проведенной от верхней кромки экрана, при этом верхняя и нижняя дуга поперечного сечения сопряжены, диаметр экрана в выходном сечении определен из соотношения
D_вых= 2•0,7•h-2•1,2•R₁,

где d_a - диаметр амбразуры;
h - высота полости экрана,
а в нижней части экрана выполнены отверстия, общая площадь которых равна площади выходного отверстия экрана.