ПЛОСКОПЛАМЕННАЯ СВОДОВАЯ ГОРЕЛКА С НИЗКИМ УРОВНЕМ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЫБРОСОВ Российский патент 2011 года по МПК F23D14/12 F23D14/24 

Данное изобретение относится к плоскопламенной сводовой горелке с низким уровнем загрязняющих выбросов.

В частности, целью изобретения является беспламенная газовая горелка, имеющая низкий уровень выбросов оксидов азота.

Горелка вышеупомянутого типа отличается тем, что она устанавливается на своде печей для термической обработки, в частности в зонах, где требуется высокая равномерность температурного поля, создаваемого лучистым теплообменом.

Эти горелки также известны как "плоскопламенные горелки" или "беспламенные сводовые горелки" и устанавливаются в специально предназначенном для них месте на своде печи. Чтобы повысить эффективность камер сгорания, работающих при высокой температуре, и сократить расход топлива, температуру предварительного нагрева топлива для поддержания горения обычно повышают до максимально возможной степени, что, как следствие, приводит к наличию высокого уровня выбросов окислов азота, образование которых, как известно, связано с максимальной температурой пламени.

В связи с этим европейский патент №0041645 является частью известной технологии, касающейся исключительно плоскопламенной горелки, которая, однако, не отличается низким уровнем загрязняющих выбросов оксидов азота.

Правила по контролю загрязнения атмосферы, которые подверглись изменениям в последние несколько лет, предусматривают постоянное сокращение предельных норм выбросов оксидов азота, NO_x.

Поэтому необходимо сокращать образование оксидов азота, совершенствуя процесс горения сводовых горелок, чтобы удовлетворить запросам рынка, которые при существующем уровне 100 миллионных долей могут снизиться даже до 20-30 миллионных долей, а также в присутствии воздуха, предварительно нагретого до 500°С.

Слабое горение и беспламенное горение являются методами, обычно используемыми для уменьшения образования оксидов азота в боковых и передних горелках (которые могут быть установлены на стенах камеры горения и которые имеют осевое развитие струи реагента).

Ввиду этого заявитель почувствовал потребность использования этих методов в беспламенных горелках, применение которых было пока ограничено невозможностью поддержания факела плоским и возвращением к шаровидному, а не к продольному факелу.

Поэтому основная цель данного изобретения состоит в разработке конструкции плоскопламенной горелки с низким уровнем испускания оксидов азота в соответствии с принципами беспламенного горения, основанными на методе разделения газов.

Другая цель данного изобретения состоит в возможности обеспечения в печи температурного режима со стабильной работой при условиях выше температуры самовоспламенения топлива, которая для природного газа составляет около 850°С. Фактически известно, что, чтобы иметь возможность управлять беспламенным горением в безопасном режиме, необходимо постоянно и стабильно поддерживать рабочую температуру выше указанной предельной температуры.

Другая цель данного изобретения состоит в том, чтобы улучшить равномерность температурного поля в камере горения в перпендикулярном направлении к своду благодаря использованию беспламенного горения, которое распределяет реакцию горения по всему объему камеры.

Еще одна цель данного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить беспламенную газовую горелку, способную поддерживать низкий уровень вредных выбросов в широком диапазоне условий работы и которая также пригодна для простого изменения температурного профиля в камере горения.

Принимая во внимание вышеизложенные цели, в соответствии с данным изобретением была разработана плоскопламенная сводовая горелка с низким уровнем выбросов, имеющая признаки, отраженные в прилагаемой формуле изобретения.

Конструктивные и функциональные признаки данного изобретения и его преимущества по отношению к прототипу станут еще более очевидны из последующего описания, со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют плоскопламенную сводовую горелку с низким уровнем выбросов, обеспечиваемых согласно инновационным принципам данного изобретения.

На чертежах:

фиг.1 и 2 изображают частично приподнятые виды в аксонометрии с разрезом горелки, выполненной в соответствии с изобретением и установленной в своде печи;

фиг.3 и 4 изображают вид в аксонометрии двух деталей горелки, выполненной в соответствии с изобретением;

фиг.5 изображает схематический вид установленной горелки.

Со ссылкой на прилагаемые чертежи, беспламенная газовая горелка с низким уровнем вредных выбросов, являющаяся объектом изобретения, обозначена в целом номером 10 позиции, и в проиллюстрированном примере, согласно данному изобретению, она установлена в своде 21, который ограничивает камеру 20 горения стальной термической печи.

Горелка 10 содержит:

- основной металлический полый цилиндрический корпус 12,

- одиночный канал 13 для подачи топливного газа, концентричный основному корпусу 12,

- внутреннее центральное сопло 14 для впрыскивания топливного газа,

- первое распределительное устройство 15, представленное в качестве неограничивающего примера в виде распределительного клапана и предназначенное для регулирования расхода центрального потока топливного газа,

- газораспределительную систему 16, состоящую из ряда труб 16′,

- по меньшей мере два сопла 17 снаружи основного корпуса 12 для впрыскивания топлива в камеру 20 горения, питаемых от труб 16′,

- второе распределительное устройство 18, обозначенное в качестве неограничивающего примера как второй распределительный клапан, предназначенное для регулирования расхода потока газа в вышеупомянутых по меньшей мере двух внешних соплах 17,

- соединение 19, предназначенное для подключения частей труб 16′, чтобы облегчить демонтаж распределительного клапана 18.

Горелка установлена в керамическом блоке 22, изготовленном из огнеупорного материала, формирующего свод 21, в котором находится горловина 23 печи.

Указанная горловина 23 печи содержит цилиндрическую заднюю часть 24 и соединительную утопленную переднюю область 25, предпочтительно ограниченную стенкой 26, имеющей профиль кругового или эллипсоидального сектора с центральным углом 90°.

Одинарный воздушный канал 30, предпочтительно подогреваемый, присоединен к основному металлическому корпусу 12.

Горелка 10 также содержит воздушный диффузор 31, предпочтительно изготовленный из металлического материала, имеющий установочную плиту 32, трубчатый корпус 33 и ряд лопаток 34 в количестве от четырех до двадцати шести, предпочтительно шестнадцати, установленных с возможностью поворота вправо или влево с углом наклона от 0 до 35°.

В газовом сопле 14 имеется турбулизатор 35 газа, выполненный в виде спирали из закрепленных лопаток, предпочтительно металлических 36 в количестве от трех до десяти, предпочтительно шести, закрученных вправо или влево, с углом наклона от 0 до 60°, и выпускное отверстие 37, ведущее в камеру горения 20 газового сопла 14, из которого топливо выходит со скоростью от 10 до 50 м/с.

Металлический корпус 12 соединен с огнеупорным блоком 21 при помощи фланца 40 и болтов 41, а также пластины 42 и штифтов 18, либо другим подходящим способом.

Горелка 10, в соответствии с изобретением, выполнена с возможностью работы как в качестве автоматического регулятора в факельном режиме (то есть она может довести температуру печи до правильного значения), так и в беспламенном режиме с низким уровнем выбросов оксида азота.

Указанная горелка 10 содержит также корпус 45 для устройства воспламенения горелки 10, а также корпус 46 для автомата контроля пламени.

Указанные корпуса 45 и 46 сообщаются с полостями, расположенными в керамическом блоке 21 и обозначенными, соответственно, 47 и 48.

Корпуса, соответственно, 45 и 46 обеспечивают механическую опорную конструкцию для правильного расположения устройства воспламенения и автомата контроля пламени горелки 10.

Когда необходимо использовать горелку в "пилотном" режиме, то есть когда температура камеры 20 горения печи не достигла температуры самовоспламенения топлива, горелка работает на газе, выходящем из центрального сопла 14.

Когда камера 20 горения печи достигла температуры самовоспламенения топливного газа в воздухе (то есть для природного газа порядка 850°С), можно переходить к беспламенному режиму: путем манипуляций с распределительными клапанами 15 и/или 18 топливный газ вводят через указанные по меньшей мере два наружных газовых сопла 17 со скоростью от 20 до 200 м/с.

Предварительно нагретый воздух, поступающий из канала 30, проходит через корпус 12 к воздушному диффузору 31, где он достигает скорости от 50 до 150 м/с, в зависимости от давления подачи и температуры предварительного нагрева воздуха.

Согласно данному изобретению, фактически, как только установилась тепловая мощность, подведенная горелкой 10, возможен непрерывный переход от одного режима к другому путем изменения процента распределения топливной жидкости между центральным внутренним соплом 14 и указанными по меньшей мере двумя внешними соплами 17 простым воздействием на систему распределения топлива, на клапаны 15 и 18, без какого-либо изменения подачи поддерживающей горение среды.

Когда горелка работает, поддерживающий горение воздух, предпочтительно подогретый, вводят в камеру 20 горения через воздушный диффузор 31.

Ниже описана работа двух режимов - пламенного и беспламенного.

В пламенном режиме, совместимом с любой температурой камеры сгорания, топливо направляют только через центральное газовое сопло 14 путем соответствующего открытия распределительных клапанов 15 и/или 18.

В горловине печи 23 между воздухом и топливом создается превосходная область смешивания, которая позволяет сформировать ограниченный и устойчивый фронт распространения пламени.

В беспламенном режиме, совместимом с температурами в камере горения выше температуры самовоспламенения топлива, топливо отводят только через внешние газовые сопла 17 путем соответствующего открытия распределительных клапанов 15 и/или 18.

Струи газа проникают в слой воздуха, прилегающий к кривой поверхности горловины конвертора 23, и вызывают реакцию горения в области с однородной атмосферой, в которой имеется оптимальное смешивание между топливом, предварительно нагретым воздухом и топливным газом; реакция горения происходит в слабой форме и нет образования фронта пламени.

В областях смешивания газа с поддерживающим горение веществом и с продуктами сгорания, уже вверх по течению реакции, имеется пониженное содержание кислорода, ниже атмосферного уровня. Ограничение концентрации кислорода позволяет реакции развиваться в большем объеме. Это вызывает реакцию между более обедненными реагентами, которая, вследствие этого, развивается медленнее. Это ограничивает образование температурных пиков, из-за которых происходит образование оксидов азота (тепловых NO_x).

В беспламенном режиме газ может быть подан:

- параллельно оси горелки или

- он может быть введен так, что потоки топливного газа перемещаются тангенциально (под углом от 0 до 15°) и радиально (под углом от 0 до 15°) относительно оси горелки так, что они отходят от оси горелки; или

- он может быть введен так, что потоки топливного газа перемещаются тангенциально (под углом от 0 до 15°) и радиально (под углом от 0 до 15°) относительно оси горелки так, что они направляются к оси горелки.

Изменение количества газа, распределяемого клапанами 15 и 18, между центральным соплом 14 и по меньшей мере двумя внешними соплами 17 позволяет осуществлять непрерывный переход от пламенного режима работы к беспламенному режиму.

Также можно выполнить корпус 45 устройства воспламенения коаксиально оси горелки или же с наклоном от 0° до 30° относительно оси горелки.

Аналогично, корпус 46 устройства контроля пламени может быть коаксиальным с осью горелки или же выполнен под углом от 0° до 30° относительно оси горелки.

Имеются предпочтительно два внешних сопла 17, размещенных симметрично относительно оси горелки, как показано на чертежах, но может быть также и четыре сопла. Согласно предпочтительному варианту выполнения, сопла расположены вертикально.

Вместо установки распределительного клапана 15 возможно иметь калиброванную шайбу, установленную между фланцами.

Также, по возможности, полезно предусмотреть наличие огнеупорной изоляции внутри металлического корпуса 12.

Если нет никаких особых требований к сборке/демонтажу, присоединительная муфта 19 может и отсутствовать. Также определены следующие геометрические характеристики горелки согласно изобретению, устанавливаемой в своде печи:

р - расстояние до выходной поверхности любого из указанных по меньшей мере двух внешних сопел 17 от свода камеры горения; это расстояние положительно, если рассмотренное внешнее сопло 17 проникает в камеру горения; это расстояние отрицательно, если рассмотренное внешнее сопло 17 остается в огнеупорном блоке 10;

h - расстояние до поверхности, ограниченной окружностью воздушного диффузора 31 внутренней стороны камеры горения от самого свода 21 камеры горения;

I - расстояние до центра поверхности выхода любого из указанных по меньшей мере двух внешних сопел 17 от оси горелки;

dl - диаметр корпусного отверстия огнеупорного блока 22 для металлического воздушного диффузора 31, соответствующий поверхности, ограниченной окружностью воздушного диффузора 31 внутренней стороны камеры горения 20;

Н - толщина огнеупорного блока 22;

D - диаметр максимальной предельной окружности криволинейной поверхности огнеупорного блока 22;

DB - наружный диаметр огнеупорного блока 22;

Исходя из определений, перечисленных выше, для данного изобретения установлены следующие соотношения между параметрами (знак<=означает "меньше или равно"):

-0,1<=(р/Н)<=0,1, предпочтительно (р/Н)=-0,06;

0<=(h/H)<=0,75, предпочтительно (h/H)=0,5;

0,1<=dl/D<=0,4, предпочтительно 0,17<=dl/D<=0,22;

0<=(DB-D)<=0,5, предпочтительно (DB-D)=0,1.

Исходя из приведенного выше описания со ссылкой на чертежи, очевидно, что газовая горелка согласно изобретению очень полезна и обладает преимуществами. Таким образом, цель, указанная во вводной части описания, достигнута.

Формы газовой горелки согласно изобретению, так же как и материалы, могут отличаться от тех, которые были рассмотрены в иллюстративных и неограничивающих целях на чертежах.

Защищаемый объем изобретения ограничен, таким образом, прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к плоскопламенной сводовой горелке. Плоскопламенная сводовая горелка (10), предназначенная для установки в своде (21), который ограничивает камеру (20) горения стальной термической печи, содержит основной металлический полый цилиндрический корпус (12), одиночный канал (13) для подачи топливного газа, концентричный основному корпусу (12), центральное внутреннее сопло (14) для впрыскивания топливного газа и одинарный воздушный канал (30), присоединенный к основному корпусу (12). Горелка содержит по меньшей мере два внешних сопла (17), расположенные снаружи основного корпуса (12), для впрыскивания топлива в камеру горения (20), первое распределительное устройство (15), выполненное в виде распределительного клапана для регулирования расхода центрального потока топливного газа, газораспределительную систему (16), состоящую из ряда труб (16′) и предназначенную для питания указанных по меньшей мере двух внешних сопел (17), второе распределительное устройство (18), обозначенное как второй распределительный клапан, предназначенное для регулирования расхода потока газа в указанных по меньшей мере двух внешних соплах (17), причем с помощью указанных распределительных клапанов (15, 18) можно регулировать процент распределения газа между центральным внутренним соплом (14) и указанными по меньшей мере двумя внешними соплами (17) с обеспечением возможности осуществления непрерывного перехода от пламенного рабочего режима, в котором топливо направляется только через центральное газовое сопло (14), к беспламенному режиму, в котором топливо отводится только через внешние газовые сопла (17). Изобретение позволяет обеспечить низкий уровень выбросов NO_x в атмосферу. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плоскопламенная сводовая горелка (10), предназначенная для установки в своде (21), который ограничивает камеру (20) горения стальной термической печи, и содержащая основной металлический полый цилиндрический корпус (12), одиночный канал (13) для подачи топливного газа, концентричный основному корпусу (12), центральное внутреннее сопло (14) для впрыскивания топливного газа и одинарный воздушный канал (30), присоединенный к основному корпусу (12), отличающаяся тем, что она содержит
по меньшей мере два внешних сопла (17), расположенные снаружи основного корпуса (12), для впрыскивания топлива в камеру горения (20),
первое распределительное устройство (15), выполненное в виде распределительного клапана для регулирования расхода центрального потока топливного газа,
газораспределительную систему (16), состоящую из ряда труб (16′) и предназначенную для питания указанных по меньшей мере двух внешних сопел (17),
второе распределительное устройство (18), обозначенное как второй распределительный клапан, предназначенное для регулирования расхода потока газа в указанных по меньшей мере двух внешних соплах (17),
причем с помощью указанных распределительных клапанов (15, 18) можно регулировать процент распределения газа между центральным внутренним соплом (14) и указанными по меньшей мере двумя внешними соплами (17) с обеспечением возможности осуществления непрерывного перехода от пламенного рабочего режима, в котором топливо направляется только через центральное газовое сопло (14), к беспламенному режиму, в котором топливо отводится только через внешние газовые сопла (17).

2. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что указанные внешние сопла (17) расположены симметрично по отношению к оси горелки (10).

3. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что в ней имеются четыре указанных внешних сопла (17).

4. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что указанные внешние сопла (17) расположены вертикально.

5. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что указанные внешние сопла (17) расположены с обеспечением возможности впрыскивания газа параллельно оси горелки (10).

6. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что указанные внешние сопла (17) расположены так, что при впрыскивании потоки топливного газа перемещаются тангенциально (под углом от 0 до 15°) и радиально (под углом от 0 до 15°) относительно оси горелки так, чтобы отходить от оси горелки.

7. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что указанные внешние сопла (17) расположены так, что при впрыскивании потоки топливного газа перемещаются тангенциально (под углом от 0 до 15°) и радиально (под углом от 0 до 15°) относительно оси горелки так, чтобы направляться к оси горелки.

8. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что она установлена в керамическом блоке (22), изготовленном из огнеупорного материала, формирующего свод (21), в котором находится горловина печи (23), причем указанная горловина печи (23) содержит, по существу, цилиндрическую заднюю часть (24) и связанную с ней утопленную переднюю область (25), предпочтительно ограниченную стенкой (26), имеющей профиль кругового или эллипсоидального сектора с центральным углом 90°.

9. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что она также содержит воздушный диффузор (31), изготовленный предпочтительно из металлического материала, имеющий установочную плиту (32), трубчатый корпус (33) и ряд лопаток (34) в количестве от четырех до двадцати шести, предпочтительно шестнадцати, установленных с возможностью поворота вправо или влево с углом наклона от 0 до 35°.

10. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что в центральном газовом сопле (14) имеется турбулизатор (35) газа, выполненный в виде спирали из закрепленных лопаток, предпочтительно металлических (36), в количестве от трех до десяти, предпочтительно шести, установленных с возможностью поворота вправо или влево с углом наклона от 0 до 60°, и выпускное отверстие (37), ведущее в камеру (20) горения указанного центрального газового сопла (14).

11. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что она также содержит корпус (45) для устройства воспламенения горелки (10), а также корпус (46) для автомата контроля пламени, причем указанные корпуса (45, 46) выполнены сообщающимися с расположенными в керамическом блоке (21) соответствующими корпусами (47, 48), а также обеспечивают механическую опорную конструкцию для правильного расположения соответственно устройства воспламенения и автомата контроля пламени горелки (10).

12. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.11, отличающаяся тем, что корпус (45) устройства воспламенения расположен коаксиально оси горелки или же со сходящимся наклоном от 0 до 30° относительно оси горелки, а корпус (46) устройства контроля пламени расположен коаксиально оси горелки или же со сходящимся наклоном от 0 до 30° относительно оси горелки.

13. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.1, отличающаяся тем, что имеет следующие параметры:
(р) расстояние до выходной поверхности любого из указанных по меньшей мере двух внешних сопел (17) от свода камеры горения, причем указанное расстояние положительно, если рассмотренное внешнее сопло (17) проникает в камеру горения, и это расстояние отрицательно, если рассмотренное внешнее сопло (17) остается в огнеупорном блоке (10);
(h) расстояние до поверхности, ограниченной окружностью воздушного диффузора (31) внутренней стороны камеры горения от самого свода (21) камеры горения;
(I) расстояние до центра выходной поверхности любого из указанных по меньшей мере двух внешних сопел (17) от оси горелки;
(dl) диаметр корпусного отверстия огнеупорного блока (22) для металлического воздушного диффузора (31), соответствующий поверхности, ограниченной окружностью воздушного диффузора (31) внутренней стороны камеры (20) горения;
(Н) толщина огнеупорного блока (22);
(D) диаметр максимальной предельной окружности криволинейной поверхности огнеупорного блока (22);
(DB) наружный диаметр огнеупорного блока (22);
при этом установлены следующие соотношения между параметрами:
-0,1<=(р/Н)<=0,1, предпочтительно (р/Н)=-0,06 (где знак <= означает "меньше или равно").

14. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.13, отличающаяся тем, что 0<=(h/H)<=0,75, предпочтительно (h/H)=0,5.

15. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.13, отличающаяся тем, что 0,1<=dl/D<=0,4, предпочтительно 0,17<=dl/D<=0,22.

16. Плоскопламенная сводовая горелка (10) по п.13, отличающаяся тем, что 0<=(DB-D)<=0,5, предпочтительно (DB-D)=0,1.