ИНЖЕКЦИОННАЯ ДВУХПОТОЧНАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2003 года по МПК F23D14/04 

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано в топочных устройствах различного назначения и обеспечивает надежность зажигания, стабильность характеристик горения и понижение концентрации оксидов азота, образующихся при сгорании.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является инжекционая однопоточная горелка для сжигания газообразного топлива, содержащая газораздающий узел с, по меньшей мере, одной трубкой для подачи топлива в центральный круглый цилиндрический канал, на выходном срезе которого размещен пластинчатый стабилизатор пламени (см., например, Стаскевич Н.Л. и др. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л., Недра, 1990, с. 509, рис. 12.7б).

Данная горелка и множество других подобных ей работают в режимах, когда коэффициент избытка воздуха при сгорании всего расхода топлива составляет 1,02. . . 1,05. Известно, что сжигание топлива при коэффициенте избытка воздуха, близком к α=1,0, приводит к повышенной концентрации термических оксидов азота в продуктах сгорания, кроме того, обычно в инжекционных горелках для предотвращения проскока пламени и стабилизации факела используется решетка, называемая иногда пластинчатым стабилизатором. Наличие пластинчатого стабилизатора обусловливает еще один недостаток у подобных горелок. В связи с малыми размерами щелей между пластинами в стабилизаторе он засоряется со временем, в результате чего меняются характеристики режима горения. В летнее время решетка стабилизатора забивается пухом тополя и приводит к невозможности эксплуатации горелок в это время. Только трудоемкая очистка решеток возвращает горелки к стандартным эксплуатационным режимам.

Технический результат, достигаемый в результате использования данного изобретения, заключается в обеспечении надежного зажигания, стабильных характеристик горения и понижения концентрации оксидов азота в продуктах горения.

Этот результат достигается тем, что в инжекционной двухпоточной горелке для сжигания газообразного топлива, содержащей газораздающий узел с, по меньшей мере, одной трубкой для подачи топлива в центральный круглый цилиндрический канал, вблизи выходного среза которого на оси размещен круглый конический стабилизатор пламени, согласно изобретению, в цилиндрическом канале установлены лопатки для закрутки потока, вокруг него расположены периферийные каналы, причем газораздающий узел выполнен в виде коллектора с дополнительными трубками для подачи газового топлива, подключенными к периферийным каналам.

На фиг.1 представлена горелка, общий вид; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1.

Горелка содержит газораздающий узел в виде коллектора 1 с, по меньшей мере, одной трубкой 2 для подачи топлива в центральный круглый цилиндрический канал 3 и дополнительными трубками 2 для подачи газового топлива в периферийные каналы 5. На выходном срезе центрального канала 3 размещен конический стабилизатор пламени 7, а в канале 3, кроме того, установлены лопатки 4 для закрутки потока.

В этой горелке реализуется способ сжигания газообразного топлива, состоящий в том, что формируются потоки с различным соотношением составляющих смеси. При этом коэффициенты избытка воздуха для этих потоков выбираются, соответственно, для одного потока α_в<α₁<1,0 и для другого потока α₂>α_н, где α_в и α_н - соответственно верхний и нижний концентрационные пределы воспламеняемости смеси, α₁ и α₂ - коэффициенты избытка воздуха соответствующих потоков. В потоках вначале поджигается смесь в первом потоке, а после сгорания 30% и более этой смеси ее остаток в первом потоке и образовавшиеся продукты сгорания объединяются со вторым потоком смеси и производится дожигание объединенных потоков. Такая схема сжигания дает резкое уменьшение концентрации оксидов азота, образующихся при горении.

Характерное значение скорости потока W в центральном канале горелки превышает 5 м/с, что соответствует значению числа Рейнольдса, определенному по диаметру канала, Re>10⁴, т.е. поток является турбулентным. Скорость горения для предварительно перемешанной смеси природного газа с воздухом в ламинарном потоке составляет U_н<0,5 м/с, а в турбулентном - максимум достигает среднеквадратичного значения скорости турбулентных пульсаций. Величина последней во всяком случае меньше 0,3W. Отсюда следует, что проскок пламени вверх по потоку от стабилизатора внутрь горелки исключается.

Расход воздуха через центральный канал может составлять примерно от 50 до 90% от всего расхода воздуха через горелку. Конкретное значение расходов топлива и воздуха через каналы определяются следующими соотношениями:
X₁ = (α₂-α)/(α₂-α₁); Y₁ = (α₁/α)•X₁; Y₂=1-Y₁; X₂=l-X₁,
где α₁, α₂ и α - коэффициенты избытка воздуха в центральном и периферийных каналах и в целом по горелке, X₁, Y₁, X₂, Y₂ - соответственно, доли общего расхода топлива и воздуха через центральный и периферийные каналы.

Например, выберем
α = 1,02, α₁ = 0,7, α₂ = 2,0.
Тогда
X₁=(2-1,02)/(2-0,7)=0,754, X₂=0,246,
Y₁=0,517, Y₂=0,483.

Если сжигаются природный газ и общий расход газа равен, например,
V_г=0,03 нм³/с (108 нм³/ч),
то общий расход воздуха составит
V_в=0,03•9,5•1,02=0,291 нм³/с.

Здесь стехиометрическое объемное соотношение взято равным 9,5.

Тогда через центральный канал следует подать газа и воздуха
V_г1=0,03•0,754=0,0226 нм³/с,
V_в1=0,291•0,517=0,15 нм³/с.

Остальные расходы топлива и воздуха направляются в периферийные каналы.

Горелка по п.2 реализует все особенности процесса, отмеченные при описании выше горелки по п.1, отличаясь тем, что в периферийные каналы не подается топливо. Весь расход топлива идет через центральный канал, в котором коэффициент избытка воздуха устанавливается α_ц<1, а через периферийный канал подается воздух, необходимый для дожигания продуктов неполного горения, поступающих из центрального канала, и доведения значения коэффициента избытка воздуха в среднем по горелке до α_г≥1,01. Сечение периферийного канала выбирается таким, чтобы необходимый расход дополнительного воздуха был обеспечен перепадом давления между атмосферой и топкой. Разрежение в топке обычно превышает 10 Па.

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано в топочных устройствах различного назначения и обеспечивает надежность зажигания, стабильность характеристик горения и понижение концентрации оксидов азота, образующихся при сгорании. Данный технический результат достигается тем, что в инжекционной двухпоточной горелке для сжигания газового топлива, содержащей газораздающий узел с, по меньшей мере, одной трубкой для подачи топлива в центральный круглый канал, вблизи выходного среза которого на оси размещен конический стабилизатор пламени, согласно изобретению вокруг центрального канала расположены периферийные каналы, а газораздающий узел выполнен с дополнительными трубками для подачи газового топлива в периферийные каналы. При этом коэффициент избытка воздуха в центральном канале α_ц<1, в периферийных каналах α>1,9, а итоговый коэффициент избытка воздуха по горелке α₁≥1,01. В варианте исполнения вокруг центрального канала расположены периферийные каналы, в которые поступает воздух из атмосферы под действием разрежения в топке, при этом коэффициент избытка воздуха в центральном канале α_ц<1, а итоговый коэффициент избытка воздуха по горелке α₁>1,01. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Инжекционная двухпоточная горелка для сжигания газообразного топлива, содержащая газораздающий узел с, по меньшей мере, одной трубкой для подачи топлива в центральный круглый канал, вблизи выходного среза которого на оси размещен круглый конический стабилизатор пламени, отличающаяся тем, что вокруг центрального канала расположены периферийные каналы, причем газораздающий узел выполнен в виде коллектора с дополнительными трубками для подачи газового топлива в периферийные каналы, при этом коэффициент избытка воздуха в центральном канале α>1, в периферийных каналах α>1,9, а итоговый коэффициент избытка воздуха по горелке α≥1,01. 2. Инжекционная двухпоточная горелка для сжигания газообразного топлива, содержащая газораздающий узел с, по меньшей мере, одной трубкой для подачи топлива в центральный круглый канал, вблизи выходного среза которого на оси размещен круглый конический стабилизатор пламени, отличающаяся тем, что вокруг центрального канала расположены периферийные каналы, в которые поступает воздух из атмосферы под действием разрежения в топке, при этом коэффициент избытка воздуха в центральном канале α<1, а итоговый коэффициент избытка воздуха по горелке α>1,01.