УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2004 года по МПК F23D14/24 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания газообразного топлива, в том числе и в воздухе, забалластированном выхлопными газами, например, в среде выхлопных газов после газовой турбины, а также в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известно устройство для сжигания газа (Иссерлин А.С. Газовые горелки. - Л.: Недра, 1973, с.160), включающая в себя корпус с воздушным каналом, в котором расположено стабилизирующее устройство, выполненное из уголковых стабилизаторов, установленных по радиусам и наклоненных к продольной оси горелки, центральный коллектор с газовой форсункой, раздающей газ в виде отдельных струй, каждая из которых располагается за соответствующим стабилизатором, развиваясь вдоль его оси. Оси сопловых отверстий и оси стабилизаторов параллельны. К недостаткам подобной конструкции горелок можно отнести ограничение по тепловой мощности, связанное с дальнобойностью газовых струй, выходящих из сопловых отверстий газовой форсунки, и необходимость обеспечения номинального расхода воздуха через горелку при снижении нагрузки.

Также известны устройства для сжигания газа - горелки газомазутные со смешанной подачей топливного газа (ОСТ 108.836.05 - 82). Конструкция этих горелок содержит расположенные в корпусе воздушные каналы с завихрителями, центральный газовый коллектор с газовым насадком (центральная раздача газа) и имеющий форму тора коллектор снаружи корпуса горелки, подающий газ в периферийный воздушный канал горелки (периферийная раздача газа). Недостатком этих горелок является несовершенное смесеобразование топливного газа с воздухом, приводящее к высокому уровню концентрации оксидов азота в продуктах сгорания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и по достигаемому результату является устройство для сжигания газообразного топлива (патент России №2076271, F 23 D 14/24), содержащее цилиндрический корпус, центральный воздушный канал с завихрителем и газораздающие трубки, объединенные в два газовых коллектора, периферийный кольцевой воздушный канал с завихрителем и поворотную заслонку для распределения воздуха между каналами. Установленные между воздушными каналами поворотные газораздающие трубки имеют выходные отверстия, которые расположены тангенциально и радиально к оси воздушных каналов. Отношение диаметра окружности, на которой расположены поворотные газораздающие трубки, к внутреннему диаметру корпуса горелки составляет 0,45-0,70, а соотношение суммарной площади выходных тангенциально и радиально расположенных отверстий поворотных газораздающих трубок равно 0,5-1,0.

Устройство для сжигания газообразного топлива работает следующим образом. В цилиндрический корпус горелки подают воздух, который, распределяясь между каналами, закручивается их завихрителями, причем закрученный воздух центрального канала смешивается с топливным газом, выходящим струями из выходных отверстий газораздающих трубок таким образом, что образовавшаяся газовоздушная смесь имеет избыток газа, поэтому при воспламенении на начальном участке факела выгорает не весь газ. Несгоревший газ догорает на последующих участках факела после смешения с воздухом из периферийного канала горелки.

Недостатком этого устройства является необходимость дополнительной регулировки поворотных газораздающих трубок для достижения наиболее полного смешения выходящего струями топливного газа с закрученным воздухом, для обеспечения допустимого уровня концентрации оксидов азота в продуктах сгорания при изменении вида газообразного топлива, например при работе на топливном газе более низкой калорийности.

Предлагаемым изобретением решается задача упрощения эксплуатации устройства для сжигания газообразного топлива, обеспечивающего допустимый уровень концентрации оксидов азота в продуктах сгорания при сжигании разных видов газообразного топлива.

Указанная задача решается в заявляемом устройстве для сжигания газообразного топлива, содержащем расположенные в корпусе периферийный воздушный канал, центральный воздушный канал с завихрителем воздуха, поворотную заслонку, распределяющую воздух между каналами, и газовые коллекторы, к которым подсоединены газораздающие трубки с газовыпускными отверстиями, за счет того, что газораздающие трубки расположены поперек воздушного потока центрального канала вдоль выходных кромок лопаток завихрителя воздуха, а газовыпускные отверстия на газораздающих трубках выполнены вдоль последних со стороны, противоположной набегающему потоку воздуха, причем газораздающие трубки одним концом подсоединены к первому газовому коллектору, а другим концом к установленному за завихрителем воздуха второму газовому коллектору, имеющему тороидальную форму.

В центральном воздушном канале между газораздающими трубками равномерно по окружности могут быть дополнительно установлены газораздающие трубки, подсоединенные ко второму газовому коллектору и заглушенные со свободного конца, имеющие длину, рассчитанную из условия равенства площадей кольцевых секторов между соседними газораздающими трубками.

Устройство может содержать пилотную горелку, снабженную своим газовым коллектором с газовым насадком и собственным внутренним воздушным каналом, в котором установлена центральная труба, выходной конец которой выполнен в виде пустотелого расширяющегося конуса.

При этом во внутреннем воздушном канале может быть установлен завихритель воздуха.

Сохраняя способ последовательного сжигания частей газа по длине факела, предлагаемая совокупность признаков позволяет решить поставленные задачи за счет того, что расположение газораздающих трубок вдоль выходных кромок лопаток завихрителя воздуха, то есть поперек потока закрученного воздуха, приводит к образованию за ними местных вихревых циркуляционных зон, в которые направлены струи газа из газовыпускных отверстий, расположенных со стороны, противоположной набегающему потоку воздуха, что интенсифицирует процесс смешения газа с воздухом и дает возможность организовать микрофакельное сжигание части газа на начальном участке общего факела и тем самым снизить температуру горения газовоздушной смеси, что при равномерном распределении газовыпускных отверстий газораздающих трубок по площади поперечного сечения центрального воздушного канала, способствующем наиболее полному перемешиванию струй газа с закрученным воздухом, обеспечивает низкий уровень выбросов оксидов азота в атмосферу с продуктами сгорания независимо от вида газообразного топлива, в том числе от его калорийности, без дополнительной регулировки газораздающих трубок в процессе эксплуатации.

На фиг.1 приведен общий вид заявляемого устройства, на фиг.2 приведен вид устройства с фронта.

Устройство для сжигания газообразного топлива содержит корпус 1, центральный воздушный канал 2 с завихрителем 3 воздуха, периферийный воздушный канал 4, поворотную заслонку 5, распределяющую дутьевой воздух между центральным 2 и периферийным 4 воздушными каналами, подключенный штуцером 6 к источнику топливного газа первый газовый коллектор 7 с подсоединенными к нему одним концом газораздающими трубками 8 с газовыпускными отверстиями 9, которые другим концом подключены ко второму газовому коллектору 10, выполненному в виде тора и расположенному за завихрителем 3 воздуха. Газораздающие трубки 8 установлены равномерно по окружности и поперек потока центрального воздушного канала 2 вдоль выходных кромок лопаток 11 завихрителя 3 воздуха, а газовыпускные отверстия 9, расположены вдоль газораздающих трубок 8 со стороны, противоположной набегающему потоку воздуха центрального воздушного канала 2. В данном примере устройство для сжигания газообразного топлива содержит трубу 12 под запальник, трубу 13 под фотодатчик.

С целью сохранения равномерной раздачи топливного газа (равномерного распределения газовыпускных отверстий) по площади сечения центрального воздушного канала более мощных (имеющих большую площадь поперечного сечения центрального воздушного канала) устройств для сжигания газообразного топлива, в последнем между газораздающими трубками 8 равномерно по окружности могут быть дополнительно установлены газораздающие трубки 14, подсоединенные ко второму тороидальному газовому коллектору 10 и заглушенные со свободного конца, имеющие длину, рассчитанную из условия равенства площадей кольцевых секторов 15 и 16 между соседними газораздающими трубками. При этом сектор 15 образован соседними газораздающими трубками 8 и 14 с высотой, равной длине газораздающей трубки 14, а сектор 16 - соседними газораздающими трубками 8 с высотой, равной разнице длин газораздающих трубок 8 и 14.

Сжигание топливного газа с низкой калорийностью (малым процентным содержанием горючих составляющих) часто требует дополнительных мероприятий для розжига, стабилизации и устойчивости горения этого газа. С этой целью устройство может содержать пилотную (растопочную) горелку 17, снабженную своим газовым коллектором 18 со штуцером 19 для подачи природного газа, с газовым насадком 20, имеющим газовыпускные отверстия 21 и подключенным к воздуху штуцером 22 собственным внутренним воздушным каналом 23, в котором установлена центральная труба 24, выходной конец которой выполнен в виде пустотелого расширяющегося конуса 25.

При этом во внутреннем воздушном канале может быть установлен завихритель 26 воздуха.

Устройство для сжигания газообразного топлива работает следующим образом.

Подаваемый в корпус 1 воздух параллельными потоками поступает в центральный 2 и периферийный 4 воздушные каналы устройства. В центральный газовый коллектор 7 посредством штуцера 6 подается топливный газ, который затем поступает в газораздающие трубки 8 и выходит через газовыпускные отверстия 9 последних. Для наиболее полного перемешивания газа с воздухом необходимо равномерно раздать газ по сечению центрального воздушного канала 2. С этой целью надо не только расположить газовыпускные отверстия 9 наиболее равномерно по сечению центрального воздушного канала 2, что в данном случае достигается установкой газораздающих трубок 8 в центральном воздушном канале 2 в радиальных направлениях равномерно по окружности и расположением на них газовыпускных отверстий 9 в продольный ряд по всей длине, но и обеспечить, по возможности, одинаковый расход газа, выходящего из газовыпускных отверстий 9 как на одной трубке, так и на всех газораздающих трубках 8 в целом. Выходящие из первого газового коллектора 7 газораздающие трубки 8 другим концом замкнуты на второй тороидальный газовый коллектор 10, что позволяет в процессе работы выровнять давление газа между газораздающими трубками 8 и внутри каждой трубки по ее длине (исключить коллекторный эффект), а, значит, и выровнять расходы газа из газовыпускных отверстий 9. Поступающий в центральный канал 2 воздух, закрученный завихрителем 3, смешивается с топливным газом, истекающим струями из газовыпускных отверстий 9 газораздающих трубок 8. Образовавшаяся газовоздушная смесь воспламеняется от запального устройства, размещенного в трубе 12. Через центральный воздушный канал 2 подают воздух в таком количестве, чтобы образовавшаяся газовоздушная смесь имела избыток топливного газа с концентрацией не более 15% - предельной верхней концентрацией газа в смеси, при которой еще происходит ее воспламенение. Поскольку образовавшаяся на выходе из центрального воздушного канала 2 газовоздушная смесь имеет избыток газа, то на начальном участке общего факела выгорает не весь газ, а только его часть. Остальной газ смешивается с воздухом, выходящим из периферийного канала 4 и вновь образовавшаяся газовоздушная смесь догорает в последующих участках факела. Регулирование количества воздуха между центральным 2 и периферийным 4 воздушными каналами устройства производится с помощью поворотной заслонки 5 путем ее поворота вокруг своей оси. Контроль за горящим факелом осуществляется посредством фотодатчика, размещенного в трубе 13.

В случае использования более мощных устройств для сжигания газообразного топлива газ из первого газового коллектора 7 поступает в газораздающие трубки 8 и частично выходит из их газовыпускных отверстий 9. Остальной газ, пройдя по газораздающим трубкам 8 во второй - тороидальный - газовый коллектор 10, а из него в газораздающие трубки 14, выходит через газовыпускные отверстия 9 последних.

При работе устройства с пилотной горелкой 17 подаваемый в корпус 1 воздух параллельными потоками поступает во все воздушные каналы устройства. На выходе из внутреннего воздушного канала 23 подаваемый через штуцер 22 воздух, благодаря выполненному в виде пустотелого расширяющегося конуса 25 выходному концу центральной трубы 24, расходится от оси канала в стороны и смешивается с частью топливного газа (~ 10% -15%), подаваемого через штуцер 19 в газовый коллектор 18 и выходящего струями из газовыпускных отверстий 21 газового насадка 20. Образующаяся смесь воспламеняется от запального устройства, размещенного в трубе 12. При этом формируется конусный пилотный факел из горящей газовоздушной смеси с внутренней зоной рециркуляции раскаленных топочных газов. Для организации более эффективной зоны рециркуляции, то есть более надежной стабилизации горения газа, при недостаточном давлении воздуха на входе во внутренний воздушный канал 23, в последнем дополнительно может быть установлен завихритель 26. Поступающий в центральный воздушный канал 2 воздух, закрученный завихрителем 3, смешивается с остальным топливным газом, истекающим струями из газовыпускных отверстий 9 газораздающих трубок 8 и 14. Образовавшаяся газовоздушная смесь воспламеняется от горящего пилотного факела, формируя общий факел устройства для сжигания газообразного топлива.

Таким образом, использование предлагаемого устройства обеспечивает низкий уровень выбросов оксидов азота в атмосферу, независимо от вида топливного газа, без дополнительной регулировки устройства в процессе его эксплуатации.

Изобретение может быть использовано для сжигания газообразного топлива, в том числе, и в воздухе, забалластированном выхлопными газами, например в среде выхлопных газов после газовой турбины. Устройство для сжигания газообразного топлива содержит расположенные в корпусе периферийный воздушный канал, центральный воздушный канал с завихрителем воздуха, поворотную заслонку, распределяющую воздух между каналами, и газовые коллекторы, к которым подсоединены газораздающие трубки с газовыпускными отверстиями. Газораздающие трубки расположены поперек воздушного потока центрального канала вдоль выходных кромок лопаток завихрителя воздуха, а газовыпускные отверстия на газораздающих трубках выполнены вдоль последних со стороны, противоположной набегающему потоку воздуха, причем газораздающие трубки одним концом подсоединены к первому газовому коллектору, а другим концом к установленному за завихрителем воздуха второму газовому коллектору, имеющему тороидальную форму. В центральном воздушном канале между газораздающими трубками равномерно по окружности могут быть дополнительно установлены газораздающие трубки, подсоединенные ко второму газовому коллектору и заглушенные со свободного конца, имеющие длину, рассчитанную из условия равенства площадей кольцевых секторов между соседними газораздающими трубками. Устройство может содержать пилотную горелку, снабженную своим газовым коллектором с газовым насадком и собственным внутренним воздушным каналом, в котором установлена центральная труба, выходной конец которой выполнен в виде пустотелого расширяющегося конуса. Использование позволяет обеспечить низкий уровень выбросов оксидов азота в атмосферу независимо от вида топливного газа, без дополнительной регулировки устройства в процессе его эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для сжигания газообразного топлива, содержащее расположенные в корпусе периферийный воздушный канал, центральный воздушный канал с завихрителем воздуха, поворотную заслонку, распределяющую воздух между каналами, и газовые коллекторы, к которым подсоединены газораздающие трубки с газовыпускными отверстиями, отличающееся тем, что газораздающие трубки расположены поперек воздушного потока центрального канала вдоль выходных кромок лопаток завихрителя воздуха, а газовыпускные отверстия на газораздающих трубках выполнены вдоль последних со стороны, противоположной набегающему потоку воздуха, причем газораздающие трубки одним концом подсоединены к первому газовому коллектору, а другим концом - к установленному за завихрителем воздуха второму газовому коллектору, имеющему тороидальную форму.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в центральном воздушном канале между газораздающими трубками равномерно по окружности дополнительно установлены газораздающие трубки, подсоединенные ко второму газовому коллектору и заглушенные со свободного конца, имеющие длину, рассчитанную из условия равенства площадей кольцевых секторов между соседними газораздающими трубками.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно имеет растопочную горелку, снабженную своим газовым коллектором с газовым насадком и собственным внутренним воздушным каналом, в котором установлена центральная труба, выходной конец которой выполнен в виде пустотелого расширяющегося конуса.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что во внутреннем воздушном канале растопочной горелки установлен завихритель воздуха.