ГОРЕЛКА ФАКЕЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИОННАЯ Российский патент 2003 года по МПК F23D14/02 F23D14/62 

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к газовым горелочным устройствам, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для комплектации газоиспользующего оборудования с огневым нагревом технологической продукции.

Известна универсальная инжекторная горелка по а. с. 1815497 (СССР), опубл. 15.05.93, бюлл. 18. Горелка содержит газовое сопло, соосные ему цилиндрический инжектор и стабилизатор горения (горелочный туннель). В цилиндрическом инжекторе производится одноступенчатое смешение газа и воздуха, подаваемого в инжектор через боковые отверстия в стенке инжектора, размещенные в начальном участке инжектора. Внутри стабилизатора горения установлен распределитель газовоздушной смеси, имеющий осевую цилиндрическую вставку меньшего, чем инжектор, диаметра. Распределитель имеет также несколько соосных вставке периферийных отверстий в круглой поперечной перегородке, разобщающей полость стабилизатора горения на распределительную камеру (зону подогрева и смешения) газовоздушной смеси и зону горения. Причем диаметр горелочного туннеля равен диаметру камеры смешения.

Недостатками горелки являются недостаточно широкий диапазон регулирования вследствие одноступенчатого смешения газа и воздуха и непродолжительный срок службы, обусловленный перегревом металла горелки вследствие перетока теплоты по металлу распределителя (посредством теплопроводности) из зоны горения в распределительную камеру. При подаче на нее недостаточно осушенного газа вместе с газовым конденсатом вследствие снижения давления в инжекторе и скорости истечения из него газовоздушной смеси происходит проскок пламени в смеситель и его последующий перегрев.

Известна также конструкция односопловой газовой горелки с двухступенчатой инжекцией газа и воздуха (Ю.В. Иванов. Основы расчета и проектирования газовых горелок. - М.: Гостоптехиздат, 1963. - 360 с.). Она содержит два соосных газовому соплу последовательно подключенных смесителя, состоящих из входных конфузорных участков и цилиндрических камер смешения. Причем второй (по ходу газовоздушной смеси) смеситель имеет на выходе диффузорный участок, подключенный к горелочному туннелю.

Достоинством горелки с двухступенчатым смешением газа и воздуха является более широкий диапазон ее регулирования. Недостатком этой горелки является невысокий срок ее службы вследствие непосредственного соединения горелочного туннеля с выходным участком горелки и нередким его перегревом при проскоке пламени в инжектор и стабилизации его в диффузоре, в том числе и при подаче на нее недостаточно осушенного газа вместе с газовым конденсатом.

В качестве прототипа может быть рассмотрена инжекционная горелка по патенту РФ 02118753, опубл. 10.09.98. Эта инжекционная горелка имеет газовое сопло, установленное на оси торцевой стенки смесительной камеры. Смесительная камера может перемещаться в осевом направлении с целью регулирования расхода первичного воздуха на горение путем изменения зазора между торцевой стенкой и входным сечением камеры. Выходной участок смесительной камеры оборудован конфузором. Обечайка смесительной камеры зафиксирована внутри стабилизатора горения (горелочного туннеля) и плотно, без зазоров, прилегает к нему. Диаметры этих двух узлов горелки почти равны.

В стенке горелочного туннеля, в зоне размещения выходного конфузора смесительной камеры, выполнены отверстия для вторичного воздуха. На этом же участке горелочного туннеля расположен также термосигнализатор, используемый для контроля наличия пламени.

Газовое сопло горелки кроме основного осевого отверстия имеет дополнительное нижнее радиальное отверстие. Истекающая из радиального отверстия струя газа направлена на электроды запальной свечи, расположенной на торцевой стенке смесительной камеры.

Достоинствами указанной конструкции горелки является достаточно широкий диапазон регулирования ее теплопроизводительности, обусловленный двухступенчатой инжекцией газа и воздуха, а также наличие устройств дистанционного розжига и контроля наличия пламени.

Недостатками прототипа являются непродолжительный срок его службы, а также потенциальная пожароопасность в случае подачи на горелку недостаточно осушенного топливного газа. Указанные недостатки обусловлены следующими конструктивными особенностями.

Смесительная камера, ее начальный цилиндрический участок, имеет диаметр, почти равный диаметру горелочного туннеля. При наличии радиального отверстия в газовом сопле, подающем поток газа на встроенный в камеру электрозапальник, смесительная камера является по сути камерой сгорания, в которой осуществляется сгорание первичной газовоздушной смеси, скорость движения которой внутри цилиндрической обечайки практически равна скорости пламени в горелочном туннеле. Выходящие из смесительной камеры продукты неполного горения затем смешиваются с вторичным воздухом и догорают в горелочном туннеле. Так как стенки обечайки не охлаждаются (потоком вторичного воздуха охлаждается только конфузор), то вследствие ее перегрева снижается срок службы горелки.

Потенциальная пожароопасность горелки (возможность воспламенения снаружи горелки пролившегося газового конденсата) обусловлена наличием нижнего радиального отверстия в газовом сопле. При недостаточно качественной осушке топливного газа и подаче в сопло газоконденсатной смеси вытекающая из радиального отверстия жидкость поступит на нижнюю образующую цилиндрической обечайки, а затем в зазор для первичного воздуха между обечайкой и торцевой стенкой. Часть конденсата сгорит в смесительной камере, а несгоревшая часть может вытечь наружу в горелки и вызвать осложнения в работе газоиспользующего оборудования, на котором установлена горелка.

Необходимо также отметить, что все рассмотренные конструкции инжекционных горелок не имеют технических решений по организации рециркуляции дымовых газов в горелочном туннеле для обеспечения оптимального температурного режима и необходимого времени пребывания дымовых газов в зоне горения, при которых обеспечиваются отсутствие химнедожога топлива и сокращаются выбросы оксидов азота.

Задачей изобретения является повышение срока службы и надежности горелки факельной инжекционной.

Задача решается тем, что горелка факельная инжекционная включает газовое сопло, соосный с газовым соплом двухступенчатый цилиндрический смеситель, имеющий диаметры ступеней, увеличивающиеся по ходу газовоздушной смеси, электрозапальник и термодатчик, горелка дополнительно снабжена соосным с газовым соплом стабилизатором горения, а газовое сопло содержит сменный вкладыш, имеющий центральное отверстие и периферийные каналы, примыкающие к внутренней поверхности газового сопла, при этом диаметр выходной ступени смесителя меньше диаметра стабилизатора горения, а смеситель отделен от стабилизатора горения зазором, причем выходное отверстие смесителя размещено в тепловом экране.

При поступлении вместе с газом газового конденсата сменный вкладыш позволяет произвести его распыливание и обеспечить на выходе из газового сопла однородную газожидкостную смесь. При этом обеспечивается ее качественное смешение с воздухом и ее полное сгорание, исключается проскок пламени в инжектор вследствие снижения в нем давления.

Соосный газовому соплу двухступенчатый цилиндрический смеситель горелки имеет диаметры ступеней, увеличивающиеся по ходу газовоздушной смеси, причем диаметр выходной ступени смесителя меньше, чем диаметр стабилизатора горения. Скорость движения газовоздушной смеси в смесителе превышает скорость распространения пламени, и стабилизация горения происходит в стабилизаторе горения.

Смеситель горелки отделен от стабилизатора горения зазором, причем выходное отверстие смесителя размещено в тепловом экране, исключающем тепловое воздействие зоны горения на проточную часть смесителя. Изнутри смеситель охлаждается газовоздушной смесью, поступающей на горение, а снаружи - воздухом, подаваемым в смеситель. Тем самым предотвращается перегрев смесителя и увеличение срока службы смесителя и горелки в целом.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид (продольный разрез) горелки факельной инжекционной, при размещении горелки внутри жаровой трубы низкотемпературного огнетехнического агрегата (или при ее размещении в горелочной амбразуре высокотемпературного огнетехнического агрегата).

Горелка размещается внутри жаровой трубы (или амбразуры) 11 и закрепляется на ее торцевой входной части посредством фланцевого соединения.

Внутри жаровой трубы (амбразуры) размещаются стабилизатор горения 7 (горелочный туннель или рециркуляционная вставка), смеситель 4 (инжектор) горелки, электрозапальник 9, термодатчик (термопара) 10 и при необходимости контрольный электрод (не показан).

Двухступенчатый цилиндрический смеситель 4 горелки состоит из двух коаксиально расположенных труб. Их диаметр увеличивается по ходу газовоздушной смеси. Взаимная их центровка выполнена с помощью шпилек. Входная часть смесителя с помощью шпилек закреплена на торцевой крышке 5 горелки и имеет возможность регулирования зазора между входным срезом смесителя и газовым соплом и изменения коэффициента инжекции горелки. Охлаждение смесителя производится как изнутри - потоком газовоздушной смеси, так и снаружи - потоком воздуха, поступающего на горение. Выходная часть смесителя закреплена на оси теплового экрана 6, предотвращающего перегрев смесителя и снижение срока его службы.

Электрозапальник 9 установлен на выходном участке смесителя, заподлицо с его внутренней поверхностью. От перегрева запальник защищен тепловым экраном, это увеличивает его срок службы. Провода к запальнику проложены в трубке (чехле), что обеспечивает повышение надежности их работы.

На оси крышки 5 закреплен патрубок газовый 1, выходная часть которого снабжена газовым соплом 2. Газовое сопло имеет сменный вкладыш 3, обеспечивающий эффективное сжигание топливного газа, в том числе газа, содержащего газовый конденсат. Газовый конденсат, движущийся по нижней образующей газоподводящего патрубка 1, периферийными каналами вкладыша распределяется по периметру внутренней поверхности газового сопла и эффективно распыливается струей газа, выходящей из центрального отверстия.

На крышке горелки закрепляются также чехлы (корпуса) электрозапальника 9, термопары 10, контрольного электрода и присоединительный тройник тягонапоромера (контрольный электрод и присоединитель тягонапоромера на чертеже не показаны). Указанный датчики и устройства предназначены для подключения к ним устройств розжига и контроля наличия пламени.

На крышке горелки имеется воздушная заслонка 8. При необходимости розжига горелки переносным запальником подвод запальника к входной горловине смесителя осуществляется через предварительно открытую заслонку.

Подвод воздуха на горение к смесителю горелки производится по воздушному каналу в начальном участке жаровой трубы (амбразуры), на входе которого установлена заслонка 8. (Начальный участок может быть также подключен и к общему воздуховоду.). Регулирование расхода воздуха производится: вручную, воздушной заслонкой. Подается воздух к горелке за счет самотяги дымовой трубы и за счет инжекции воздуха струей топливного газа.

Стабилизатор горения 7 (на чертеже показан один из вариантов конструктивного исполнения горелочного туннеля - из жаростойкой стали) располагается соосно смесителю. Зазор между тепловым экраном 6 смесителя и входным срезом стабилизатора горения предотвращает перегрев смесителя 4. При изменении зазора можно регулировать необходимую кратность рециркуляции продуктов сгорания, обеспечивающую эффективное сжигание неосушенного газа и снижение концентрации окислов азота в продуктах сгорания.

При работе горелки топливный газ (содержащий газовый конденсат) поступает на газовое сопло 2, оборудованное вкладышем 3. Газовый конденсат, движущийся по нижней образующей газоподводящего патрубка, периферийными каналами вкладыша распределяется по периметру внутренней поверхности газового сопла и эффективно распиливается струей газа, выходящей из центрального отверстия. Тем самым исключается случай истечения только струи жидкости из сопла горелки, снижение давления в инжекторе и проскок в него пламени. Протечки газового конденсата из проточной части газового сопла наружу в горелки при его распыливании и высокой скорости истечения аэрозоля из газового сопла также исключены.

Газоконденсатный аэрозоль, выходящий из газового сопла 2, оборудованного вкладышем 3, поступает в смеситель 4 и инжектирует в нем (в две ступени) воздух, необходимый для горения. Розжиг горелки производится предварительно (до подачи газа) включенным эпектрозапальником 9, установленным на выходном участке смесителя, в том месте, где ее состав близок к стехиометрическому и розжиг более вероятен. Выходящая из смесителя газовоздушная смесь (воспламенившаяся при розжиге) поступает внутрь стабилизатора горения 7 (рециркуляционной вставки), где происходит стабилизация фронта горения и полное выгорание смеси. Благодаря наличию зазора между смесителем 4, снабженным тепловым экраном 6 и стабилизатором горения 7, зоны смешения газа и воздуха и горения газовоздушной смеси разделены и перегрев смесителя 4 исключен. Его охлаждение осуществляется изнутри потоком газовоздушной смеси, а снаружи - потоком воздуха, поступающим на горение. Струя газовоздушной смеси, выходящая из смесителя 4 при поступлении в проточную часть стабилизатора горения 7, эжектирует также часть продуктов полного горения газа из зазора между тепловым экраном 6 и стабилизатором горения 7. Тем самым за счет эжекции осуществляется рециркуляция потока дымовых газов. Вследствие этого увеличивается время пребывания и степень выгорания продуктов сгорания газа, обеспечивается оптимизация их температурного уровня, при котором исключается появление химнедожога топлива и обеспечивается снижение оксидов азота.

Таким образом, предложенная горелка факельная инжекционная обеспечивает повышение срока службы и надежности за счет перечисленных конструктивных решений, улучшающих перемешивание газа (при наличии в нем конденсата) и воздуха, предотвращающих проскок пламени и перегрев смесителя. Кроме того, за счет конструктивных особенностей горелки предотвращается образование продуктов химнедожога топлива и снижается концентрация оксидов азот в дымовых газах. Вследствие этого повышена надежность (срок службы) эксплуатации горелки, обеспечено эффективное сжигание на ней газа (в том числе не наличием газоконденсата).

Изобретение относится к газовым горелочным устройствам. Горелка факельная инжекционная включает газовое сопло, соосный с газовым соплом двухступенчатый цилиндрический смеситель, имеющий диаметры ступеней, увеличивающиеся по ходу газовоздушной смеси, электрозапальник и термодатчик, горелка дополнительно снабжена соосным с газовым соплом стабилизатором горения, а газовое сопло содержит сменный вкладыш, имеющий центральное отверстие и периферийные каналы, примыкающие к внутренней поверхности газового сопла, при этом диаметр выходной ступени смесителя меньше диаметра стабилизатора горения, а смеситель отделен от стабилизатора горения зазором, причем выходное отверстие смесителя размещено в тепловом экране. Изобретение позволяет увеличить срок службы и эксплуатационную надежность горелки. 1 ил.

Горелка факельная инжекционная, включающая газовое сопло, соосный с газовым соплом двухступенчатый цилиндрический смеситель, имеющий диаметры ступеней, увеличивающиеся по ходу газовоздушной смеси, электрозапальник и термодатчик, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена соосным с газовым соплом стабилизатором горения, а газовое сопло содержит сменный вкладыш, имеющий центральное отверстие и периферийные каналы, примыкающие к внутренней поверхности газового сопла, при этом диаметр выходной ступени смесителя меньше диаметра стабилизатора горения, а смеситель отделен от стабилизатора горения зазором, причем выходное отверстие смесителя размещено в тепловом экране.