Газовая горелка с низким содержанием оксидов азота и способ сжигания топливного газа Российский патент 2018 года по МПК F23D14/24 F23D17/00 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к газовой горелке для сжигания топливного газа и со сниженными выбросами термических оксидов азота. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу сжигания топливного газа.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Природный газ широко используется при производстве энергии. Природный газ может сжигаться в котлах, как в реакторе-сжигателе, и в газовых турбинах. Для снижения выбросов оксидов азота при сгорании природного газа поддерживается постоянное давление, и, следовательно, для сокращения выбросов оксидов азота необходимы новые средства.

Природный газ не содержит азота. Следовательно, все выбросы оксидов азота (NO_X), в результате сжигания природного газа, происходят из реакции преобразования азота N₂, содержащегося в воздухе, поступающем в зону горения, в окись азота NO при высоких температурах. Этот тип выбросов окиси азота называют термическим оксидом азота. Количество термических оксидов азота зависит только от температуры горения. Термический оксид азота, как правило, начинает формироваться, когда температура горения превышает 1500°C. Температура печи зависит от горелки и размера печи. Чем меньше печь по отношению к количеству энергии, подаваемой в печь (МВт/м³), тем выше температура горения.

При сжигании природного газа образование оксидов азота может быть уменьшено путем улучшения работы горелки путем усовершенствования зажигания, используя печи большего размера, обеспечивая рециркуляцию топочных газов с целью снижения температуры пламени и используя двухстадийное горение.

В новой Директиве Промышленных Выбросов (IED), которая вступила в силу в государствах-членах Европейского Союза в 2016 году, ограничения выбросов оксидов азота для горелок, сжигающих природный газ, будет составлять 100 мг/Н*м³. Существует, таким образом, необходимость в разработке эффективных способов снижения выбросов оксидов азота в газовых горелках при сжигании природного газа или другого газообразного топлива.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание газовой горелки нового типа для сжигания топливного газа, имеющей улучшенную равномерность распределения температуры внутри печи и сниженные выбросы термических оксидов азота. Кроме того, цель изобретения состоит в создании нового типа способа для сжигания топливного газа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к газовой горелке для сжигания топливного газа, содержащей:

по меньшей мере, одну газовую трубу для подачи топливного газа в печь-котел,

первый цилиндр, окружающий указанную по меньшей мере одну газовую трубу и ограничивающий проточный канал для первичного воздуха вокруг указанной по меньшей мере одной газовой трубы для подачи первичного воздуха в печь-котел, причем первый цилиндр оканчивается у выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха,

второй цилиндр, коаксиально окружающий первый цилиндр и вместе с первым цилиндром образующий кольцевой проточный канал для вторичного воздуха для подачи вторичного воздуха в печь-котел, причем второй цилиндр оканчивается у выпускного отверстия проточного канала для вторичного воздуха, и

третий цилиндр, коаксиально окружающий второй цилиндр и вместе со вторым цилиндром образующий кольцевой проточный канал для третичного воздуха для подачи третичного воздуха в печь-котел, причем третий цилиндр оканчивается у выпускного отверстия проточного канала для третичного воздуха.

Первый цилиндр имеет свободный конец у выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха, при этом к этому свободному концу присоединено кольцо для стабилизации пламени таким образом, что указанное кольцо окружает выпускное отверстие проточного канала для первичного воздуха и перекрывает часть выпускного отверстия проточного канала для вторичного воздуха, при этом указанная по меньшей мере одна газовая труба имеет нижний по потоку конец, который имеет первое выпускное отверстие для подачи топливного газа в печь-котел из нижнего по потоку конца указанной по меньшей мере одной газовой трубы, и второе выпускное отверстие для подачи топливного газа в печь-котел в направлении от центральной оси первого цилиндра и к кольцу для стабилизации пламени.

Настоящее изобретение также относится к способу сжигания топливного газа в печи-котле, включающему:

подачу топливного газа в печь-котел через по меньшей мере одну газовую трубу,

подачу первичного воздуха в печь-котел через проточный канал для первичного воздуха вокруг указанной по меньшей мере одной газовой трубы с помощью первого цилиндра, окружающего указанную по меньшей мере одну газовую трубу и оканчивающегося у выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха,

подачу вторичного воздуха в печь-котел через кольцевой проточный канал для вторичного воздуха, образованный первым цилиндром и вторым цилиндром, коаксиально окружающим первый цилиндр и оканчивающимся у выпускного отверстия проточного канала для вторичного воздуха, и

подачу третичного воздуха в печь-котел через кольцевой проточный канал для третичного воздуха, образованный вторым цилиндром и третьим цилиндром, коаксиально окружающим второй цилиндр.

Способ дополнительно включает:

формирование зоны рециркуляции ниже по потоку и в непосредственной близости от выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха путем установки в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха кольца для стабилизации пламени, прикрепленного к свободному концу первого цилиндра таким образом, что указанное кольцо окружает выпускное отверстие проточного канала для первичного воздуха и перекрывает часть выпускного отверстия проточного канала для вторичного воздуха, и

подачу топливного газа в печь-котел через первое выпускное отверстие газовой трубы из нижнего по потоку конца указанной по меньшей мере одной газовой трубы, и через второе выпускное отверстие газовой трубы в направлении от центральной оси первого цилиндра и к указанному кольцу.

Автор настоящего изобретения обнаружил, что с помощью горелки и способа, выполненных в соответствии с изобретением, в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха создается большая зона рециркуляции. Пламя стабилизируется с помощью большого кольца для стабилизации пламени вместе с завихрителем третичного воздуха, расположенным внутри проточного канала для третичного воздуха. С помощью газовой горелки и способа, выполненных в соответствии с изобретением, достигаются хорошее воспламенение и стабильность пламени. Эффективность сгорания повышается. Передача тепла к теплопередающим поверхностям улучшается по сравнению с той, что была ранее в печи. В результате средние температуры и максимальные температуры внутри печи снижаются и, следовательно, образование термических оксидов азота снижается.

Часть топливного газа подают в печь-котел из нижнего по потоку конца по меньшей мере одной газовой трубы. Эта часть топливного газа смешивается с третичным воздухом, и обеспечивается ее рециркуляция обратно в выпускное отверстие проточного канала для первичного воздуха с помощью третичного воздуха, приводимого во вращательное движение с помощью завихрителя третичного воздуха. Часть топливного газа подается в печь-котел в направлении от центральной оси первого цилиндра и к кольцу для стабилизации пламени. Топливный газ, подаваемый к указанному кольцу, соединяется с потоком первичного воздуха, который превращается в рециркуляционный поток, возвращающийся к выпускному отверстию проточного канала для первичного воздуха. Эта часть топливного газа образует первичное пламя вблизи выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха. Указанное кольцо вызывает изменения в поле потока ниже по потоку и в непосредственной близости от выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха, создавая область низкой скорости, где пламя может стабилизироваться. Тем самым, достигаются быстрое воспламенение и эффективное сгорание топлива вблизи выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха. Желательно добиться интенсивного горения с целью достижения равномерного распределения температуры в печи-котле. Таким образом, вибрация пламени и проблемы, вызванные вибрацией пламени, могут быть снижены. Большая зона рециркуляции вызывает широкое пламя и улучшенную теплопередачу к теплопередающим поверхностям стенок котла по сравнению с той, что была ранее в печи, уменьшая тем самым максимальные температуры в печи-котле. Из-за улучшенного сжигания вблизи выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха температура топочных газов на входе пароперегревателей ниже, а распределение температуры в топочных газах является более равномерным.

В соответствии с гидродинамическим моделированием (CFD), проведенным авторами изобретения, температура топочных газов на выходе из печи (FEGT) в котле, имеющем низкую нагрузку печи, ниже 1100°C, когда используется газовая горелка, выполненная в соответствии с изобретением. Выбросы окиси углерода в топочных газах приблизительно равно 70 м.д. (миллионных долей), а выбросы оксида азота в топочном газе снижены до уровня ниже 100 мг/Н*м³, выполняя, таким образом, требования новой Директиве Промышленных Выбросов (IED), вступающей в силу в государствах-членах Европейского Союза в ближайшие несколько лет. Когда нагрузка на печь низкая, новый предел выбросов оксидов азота менее чем 100 мг/Н*м³ может быть достигнут только с помощью горелок нового типа. Когда нагрузка на печь высока, новый верхний предел выбросов оксидов азота может быть достигнут путем использования горелки нового типа и дополнительно рециркулируя топочные газы обратно к горелкам.

В существующих горелках газ часто подается из нижнего конца газовой трубы и в направлении центральной оси первого цилиндра. Для стабилизации пламени в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха часто расположена крыльчатка. Первичное пламя образуется ниже по потоку от крыльчатки. Поперечное сечение крыльчатки относительно мало, и по этой причине образующаяся зона рециркуляции также мала. В одном варианте выполнения горелка, выполненная в соответствии с изобретением, не содержит крыльчатку в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха. Вместо нее проточный канал для первичного воздуха действует как плохо обтекаемое тело и стабилизирует пламя.

В одном варианте выполнения топливный газ представляет собой природный газ. Теплотворная способность природного газа составляет около 40 МДж/кг. Следовательно, природный газ часто используется для производства энергии. В одном варианте выполнения топливный газ представляет собой углеводород. В одном варианте выполнения топливный газ представляет собой пропан.

В одном варианте выполнения изобретения газовая горелка содержит несколько газовых труб. В одном варианте выполнения изобретения газовая горелка содержит шесть газовых труб. Количество газовых труб может быть равно любому подходящему числу, в зависимости, например, от котла. Газовые трубы могут быть выдвижными.

Проточный канал для первичного воздуха содержит пространство внутри первого цилиндра и в промежутках между газовыми трубами. Проточный канал для вторичного воздуха содержит трубчатое пространство между первым и вторым цилиндрами. Проточный канал для третичного воздуха содержит трубчатое пространство между вторым цилиндром и третьим цилиндром.

В одном варианте выполнения указанная по меньшей мере одна газовая труба имеет первое выпускное отверстие для подачи топливного газа в печь-котел, по существу в направлении длины газовой трубы. Топливный газ подается в печь-котел под заданным углом по отношению к длине газовой трубы, который может быть выбран специалистом на основании, например, скорости топливного газа. В одном варианте выполнения второе выпускное отверстие находится на той стороне газовой трубы, которая имеет самое короткое расстояние от кольца для стабилизации пламени. В одном варианте выполнения второе выпускное отверстие выполнено с возможностью подачи топливного газа в направлении, перпендикулярном длине указанной по меньшей мере одной газовой трубы. Каждое из первого и второго выпускных отверстий может содержать несколько отверстий.

Цель кольца для стабилизации пламени заключается в воздействии на поле потока, в непосредственной близости от проточного канала для первичного воздуха, форсируя, таким образом, воспламенение и стабилизируя пламя. Первичный воздух протекает по одной стороне указанного кольца, а вторичный воздух протекает по другой его стороне. Кольцо для стабилизации пламени перекрывает часть выпускного отверстия из проточного канала для вторичного воздуха таким образом, что часть вторичного воздуха наталкивается на указанное кольцо и поле потока воздуха изменяется. Внутри кольца ниже по потоку и в непосредственной близости от выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха, проходящего от одной стороны указанного кольца до другой его стороны, образуется низкоскоростная зона рециркуляции. Когда газ подается через газовую трубу в направлении к кольцу для стабилизации пламени, топливный газ объединяется с потоком первичного воздуха, который рециркулирует к выпускному отверстию проточного канала для первичного воздуха. Пламя стабилизируется в этой зоне рециркуляции.

Газовая горелка может быть использована для производства энергии в котлах. Один котел может содержать несколько газовых горелок. В одном варианте выполнения тепловая мощность котла составляет 500 МВт. В одном варианте выполнения тепловая мощность котла составляет 50 МВт. В одном варианте выполнения тепловая мощность котла составляет 1000 МВт.

В одном варианте выполнения первое выпускное отверстие из газовой трубы выполнено с возможностью подачи от 80 до 95% топливного газа, а второе выпускное отверстие из газовой трубы выполнено с возможностью подачи от 5 до 20% топливного газа. В одном варианте выполнения первое выпускное отверстие из газовой трубы выполнено с возможностью подачи от 85 до 95% топливного газа, а второе выпускное отверстие из газовой трубы выполнено с возможностью подачи от 5 до 15% топливного газа. В одном варианте выполнения первое выпускное отверстие из газовой трубы выполнено с возможностью подачи 90% топливного газа, а второе выпускное отверстие из газовой трубы выполнено с возможностью подачи 10% топливного газа.

В одном варианте выполнения от 80 до 95% топливного газа подается через первое выпускное отверстие из газовой трубы и от 5 до 20% топливного газа подается через второе выпускное отверстие из газовой трубы. В одном варианте выполнения от 85 до 95% топливного газа подается через первое выпускное отверстие из газовой трубы и от 5 до 15% топливного газа подается через второе выпускное отверстие из газовой трубы. В одном варианте выполнения 90% топливного газа подается через первое выпускное отверстие из газовой трубы и 10% топливного газа подается через второе выпускное отверстие из газовой трубы.

В одном варианте выполнения указанная по меньшей мере одна газовая труба имеет третье выпускное отверстие для подачи топливного газа в печь-котел в направлении центральной оси первого цилиндра и от кольца для стабилизации пламени. В одном варианте выполнения топливный газ подается в печь-котел через третье выпускное отверстие из газовой трубы в направлении центральной оси первого цилиндра и от кольца для стабилизации пламени.

Третье выпускное отверстие может быть расположено на боковой стороне газовой трубы, которая противоположна второму выпускному отверстию. В одном варианте выполнения третье выпускное отверстие расположено на той стороне газовой трубы, которая имеет наименьшее расстояние до центральной оси первого цилиндра. Третье выпускное отверстие может содержать несколько отверстий. В одном варианте выполнения третье выпускное отверстие выполнено с возможностью подачи топливного газа в направлении, перпендикулярном длине указанной по меньшей мере одной газовой трубы.

Топливный газ всегда подается через первое и второе выпускные отверстия газовой трубы. Однако нет необходимости в подаче топливного газа через третье выпускное отверстие газовой трубы. Может потребоваться подавать топливный газ через третье выпускное отверстие газовой трубы, когда скорость первичного воздуха, подаваемого через проточный канал первичного воздуха, низкая.

В одном варианте выполнения первое выпускное отверстие газовой трубы выполнено с возможностью подачи от 80 до 95% топливного газа, а второе и третье выпускные отверстия газовой трубы выполнены с возможностью совместной подачи от 5 до 20% топливного газа. В одном варианте выполнения первое выпускное отверстие газовой трубы выполнено с возможностью подачи от 85 до 95% топливного газа, а второе и третье выпускные отверстия газовой трубы выполнены с возможностью совместной подачи от 5 до 15% топливного газа. В одном варианте выполнения первое выпускное отверстие газовой трубы выполнено с возможностью подачи 90% топливного газа, а второе и третье выпускные отверстия газовой трубы выполнены с возможностью совместной подачи 10% топливного газа.

В одном варианте выполнения от 80 до 95% топливного газа подается через первое выпускное отверстие газовой трубы и в общей сложности от 5 до 20% топливного газа подается через второе и третье выпускные отверстия газовой трубы. В одном варианте выполнения от 85 до 95% топливного газа подается через первое выпускное отверстие газовой трубы и в общей сложности от 5 до 15% топливного газа подается через второе и третье выпускные отверстия газовой трубы. В одном варианте выполнения 90% топливного газа первое выпускное отверстие газовой трубы и в общей сложности 10% топливного газа подается через второе и третье выпускные отверстия газовой трубы.

Когда от 80 до 85% топливного газа подается через первое выпускное отверстие и от 5 до 20% топливного газа подается через второе выпускное отверстие, либо совместно через второе и третье выпускные отверстия, топливный газ смешивается с воздухом, поступающим в зону горения, в правильное соотношение и достигается хорошее сгорание.

В одном варианте выполнения скорость первичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха может иметь значение в диапазоне от 5 до 25 м/сек. В одном варианте выполнения скорость первичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха может иметь значение в диапазоне от 5 до 20 м/сек. В одном варианте выполнения скорость первичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха может иметь значение в диапазоне от 5 до 10 м/сек. В одном варианте выполнения скорость первичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха имеет значение в диапазоне от 5 до 25 м/сек. В одном варианте выполнения скорость первичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха имеет значение в диапазоне от 5 до 20 м/сек. В одном варианте выполнения скорость первичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха имеет значение в диапазоне от 5 до 10 м/сек.

Уменьшение скорости первичного воздуха образует разрежение в выпускном отверстии проточного канала для первичного воздуха и, таким образом, усиливает образование зоны рециркуляции, проходящей между сторонами кольца для стабилизации пламени. Проточный канал для первичного воздуха действует как плохо обтекаемое тело, которое улучшает стабилизацию пламени. Когда скорость первичного воздуха снижается, рециркуляция вблизи выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха увеличивается. Если скорость первичного воздуха низкая, для стабилизации пламени может быть выгодно подавать небольшую часть топливного газа также и в направлении центральной оси первого цилиндра.

В одном варианте выполнения скорость вторичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для вторичного воздуха может иметь значение в диапазоне от 45 до 60 м/сек. В одном варианте выполнения скорость вторичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для вторичного воздуха имеет значение в диапазоне от 45 до 60 м/сек. В одном варианте выполнения скорость третичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для третичного воздуха может иметь значение в диапазоне от 45 до 60 м/сек. В одном варианте выполнения скорость третичного воздуха в выпускном отверстии проточного канала для третичного воздуха имеет значение в диапазоне от 45 до 60 м/сек. Когда скорость вторичного воздуха имеет значение в диапазоне от 45 до 60 м/с, стабильность пламени улучшается. Точно так же, когда скорость третичного воздуха имеет значение в диапазоне от 45 до 60 м/с, стабильность пламени улучшается.

В типичной известной газовой горелке скорость каждого из первичного, вторичного и третичного воздуха составляет, например, 40 м/с. Общее количество воздуха, необходимое для горения, определяется в зависимости от количества и типа топлива. Когда количество первичного воздуха уменьшается без изменения поперечного сечения проточного канала для первичного воздуха, скорость первичного воздуха уменьшается. Количество оставшегося первичного воздуха может быть направлено в проточные каналы для вторичного воздуха и третичного воздуха без изменения поперечного сечения этих каналов, увеличивая тем самым скорость вторичного и третичного воздуха. В одном варианте выполнения количество вторичного и третичного воздуха увеличивается в таком количестве, что скорость вторичного воздуха является по существу такой же, что и скорость третичного воздуха.

Изобретение может быть реализовано путем изготовления новой горелки или модификации существующей горелки.

Поперечное сечение каждого из проточных каналов для первичного, вторичного и третичного воздуха может быть определено специалистом с тем, чтобы придать массовому потоку воздуха требуемую скорость.

В одном варианте выполнения кольцо для стабилизации пламени содержит кольцевую секцию, расширяющуюся в направлении от выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха. Таким образом, диаметр поперечного сечения кольцевой секции увеличивается в направлении от выпускного отверстия проточного канала для первичного воздуха. В одном варианте выполнения кольцо для стабилизации пламени содержит расширяющуюся секцию, выступающую в направлении проточного канала для вторичного воздуха, и несколько зубцов, выступающих по направлению к внутренней стороне проточного канала для первичного воздуха. В одном варианте выполнения расширяющаяся секция указанного кольца имеет плавно искривленное поперечное сечение или профиль с толщиной, которая плавно уменьшается к ободу расширяющейся секции. Было определено, что плавно искривленное поперечное сечение в расширяющейся секции уменьшает тепловые напряжения в указанном кольце во время пуска и во время обычной работы горелки, что влечет за собой увеличение износоустойчивости и долговечности кольца для стабилизации пламени. В одном варианте выполнения свободный конец первого цилиндра выполнен более тонким, а кольцо для стабилизации пламени содержит кольцевую секцию постоянного поперечного сечения, которая может быть вставлена вокруг свободного конца первого цилиндра, чтобы прикрепить указанное кольцо к первому цилиндру. Кольцо для стабилизации пламени может иметь конструкцию, описанную в заявке на европейский патент №2592341 А1.

Указанное кольцо может быть изготовлено из жаропрочной стали. Оно может содержать одну или несколько частей. Зубцы, выступающие по направлению к внутренней части проточного канала для первичного воздуха, могут быть изготовлены из жаропрочной стали или из теплостойкого керамического материала.

В одном варианте выполнения проточный канал для третичного воздуха содержит завихритель третичного воздуха для приведения третичного воздуха во вращательное движение перед выпускным отверстием проточного канала для третичного воздуха. Завихритель третичного воздуха обычно представляет собой радиальный завихритель. В одном варианте выполнения проточный канал для вторичного воздуха содержит завихритель вторичного воздуха для приведения вторичного воздуха во вращательное движение перед выпускным отверстием проточного канала для вторичного воздуха. Завихритель вторичного воздуха обычно представляет собой осевой завихритель.

В одном варианте выполнения третичный воздух приводят во вращательное движение до выпускного отверстия проточного канала для третичного воздуха путем установки завихрителя третичного воздуха в проточном канале для третичного воздуха. В одном варианте выполнения вторичный воздух приводят во вращательное движение до выпускного отверстия проточного канала для вторичного воздуха путем установки завихрителя вторичного воздуха в проточном канале для вторичного воздуха.

В одном варианте выполнения изобретения газовая горелка содержит форсунку для жидкого топлива для подачи жидкого топлива в печь-котел. В одном варианте выполнения форсунка для жидкого топлива является концентрической с первым цилиндром. Газовая горелка может содержать форсунку для жидкого топлива, но форсунка для жидкого топлива также может быть не предусмотрена.

В одном варианте выполнения изобретения газовая горелка содержит несколько газовых труб, расположенных по периферии вокруг центральной оси первого цилиндра. В одном варианте выполнения топливный газ подается в печь-котел через несколько газовых труб, расположенных по периферии вокруг центральной оси первого цилиндра. В одном варианте выполнения изобретения газовая горелка содержит шесть газовых труб, расположенных по периферии вокруг центральной оси первого цилиндра. В одном варианте выполнения изобретения газовая горелка содержит форсунку для жидкого топлива, расположенную концентрично с первым цилиндром, и несколько газовых труб, периферически расположенных вокруг форсунки для жидкого топлива. В одном варианте выполнения первый цилиндр окружает указанные несколько газовых труб, расположенных по периферии вокруг центральной оси первого цилиндра. В одном варианте выполнения газовые трубы расположены на равном расстоянии от центральной оси первого цилиндра. В одном варианте выполнения газовые трубы расположены на одинаковом расстоянии от соседних газовых труб. Путем симметричного расположения газовых труб достигается симметричное пламя.

С помощью горелки и способа, выполненных в соответствии с изобретением, достигаются некоторые преимущества. Достигаются хорошее воспламенение и стабилизация пламени. Теплопередача к теплопередающим поверхностям также улучшается. Средние температуры и максимальные температуры внутри печи уменьшаются. Из-за пониженной температуры выбросы термических оксидов азота снижаются, при этом достигается новый предел выбросов оксидов азота в 100 мг/Н*м³. Выбросы окиси углерода составляют приблизительно 70 частей на миллион. Кроме того, температура топочных газов на выходе из печи снижается.

Варианты выполнения настоящего изобретения, описанные выше, могут быть использованы в любой комбинации друг с другом. Некоторые варианты выполнения могут быть объединены вместе с формированием еще одного варианта выполнения изобретения. Газовая горелка и способ сжигания топливного газа, к которому относится изобретение, может включать по меньшей мере один из вариантов выполнения изобретения, описанных выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые включены для обеспечения дополнительного понимания изобретения и составляют часть настоящего описания, иллюстрируют варианты выполнения настоящего изобретения и вместе с описанием помогают объяснить его принципы. На чертежах:

Фиг. 1 изображает схематический вид газовой горелки, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения, если смотреть изнутри печи-котла,

Фиг. 2 изображает схематический вид сбоку в разрезе (А-А) газовой горелки, выполненной в соответствии с Фиг. 1, и

Фиг. 3 представляет собой схематический вид сбоку в разрезе газовой трубы газовой горелки, выполненной в соответствии с Фиг. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На Фиг. 1 изображен схематический вид газовой горелки, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения, если смотреть изнутри печи-котла. Фиг. 2 изображает схематический вид сбоку в разрезе (А-А) газовой горелки, выполненной в соответствии с Фиг. 1.

Газовая горелка, изображенная на Фиг. 1 и 2, содержит шесть газовых труб 2, расположенных в окружном направлении вокруг центральной оси (не показана) первого цилиндра 19.

Количество газовых труб не ограничивается шестью, а может быть любым подходящим числом, в зависимости от котла. Трубы 2 могут быть выдвижными. Как видно из Фиг. 1, трубы 2 расположены на воображаемой окружности на равном расстоянии от центральной оси первого цилиндра и от соседних труб 2. Газовая горелка, изображенная на Фиг. 1 и 2, также содержит форсунку 13 для жидкого топлива. Тем не менее, форсунка 13 не обязательно представляет собой часть газовой горелки и может быть не предусмотрена. Топливный газ, например природный газ, поступает в печь-котел через трубы 2. Газовая труба 2 подробно показана на Фиг. 3.

Газовые трубы 2 окружены первым цилиндром 19, который ограничивает проточный канал 3 для первичного воздуха вокруг труб 2. В газовой горелке, изображенной на Фиг. 1 и 2, форсунка 13 для жидкого топлива также расположена внутри проточного канала 3 для первичного воздуха. Проточный канал 3, таким образом, содержит пространство внутри первого цилиндра 19 и между трубами 2 и форсункой 13. Первичный воздух подается в печь-котел через проточный канал 3.

Первый цилиндр 19 коаксиально окружен вторым цилиндром 20, а кольцевой проточный канал 4 для вторичного воздуха сформирован между первым цилиндром 19 и вторым цилиндром 20. Вторичный воздух подается в печь-котел через проточный канал 4. Проточный канал 4 содержит завихритель 5 вторичного воздуха для приведения вторичного воздуха во вращательное движение перед выпускным отверстием 22 проточного канала 4.

Второй цилиндр 20 коаксиально окружен третьим цилиндром 23, и между вторым цилиндром 20 и третьим цилиндром 23 образован кольцевой проточный канал 9 для третичного воздуха. Третичный воздух подается в печь-котел через проточный канал 9. Проточный канал 9 содержит завихритель 8 третичного воздуха для приведения третичного воздуха во вращательное движение перед выпускным отверстием 24 проточного канала 9.

Газовая горелка также содержит традиционный воспламенитель и датчик пламени (не показан).

Проточный канал 3 для первичного воздуха содержит выпускное отверстие 21, проточный канал 4 для вторичного воздуха содержит выпускное отверстие 22, и проточный канал 9 для третичного воздуха содержит выпускное отверстие 24. Первый цилиндр имеет свободный конец 25, к которому прикреплено кольцо 7 для стабилизации пламени.

В газовой горелке, выполненной в соответствии с Фиг. 1 и 2, кольцо 7 прикреплено к свободному концу 25 проточного канала 3 для первичного воздуха. Кольцо 7 окружает выпускное отверстие 21 проточного канала 3 для первичного воздуха и перекрывает часть выпускного отверстия 22 проточного канала 4 для вторичного воздуха так, что часть вторичного воздуха, подаваемого через проточный канал 4, наталкивается на кольцо 7. Таким образом, как показано на Фиг. 1, часть выпускного отверстия 22 проточного канала 4 для вторичного воздуха скрыто за кольцом 7. Первичный воздух, подаваемый через проточный канал 3 для первичного воздуха, протекает по другой стороне кольца 7, и вторичный воздух, подаваемый через проточный канал 4 для вторичного воздуха, протекает по другой стороне кольца 7. Кольцо 7 воздействует на поле потока вблизи газовой горелки и тем самым улучшает воспламенение и стабилизирует пламя.

Кольцо 7 выступает в направлении вниз по потоку от первого цилиндра 19 и в направлении стенок печи. Форма кольца 7, прикрепленного к первому цилиндру 19, может быть ступенчатой, так что вблизи точки крепления кольцо 7 направлено перпендикулярно длине первого цилиндра 19, блокируя, таким образом, часть канала 4 для вторичного воздуха, а на некотором расстоянии от точки крепления кольцо 7 поворачивается под углом в направлении стенок печи. Кольцо 7 может иметь по существу форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении стенок печи и средней части печи. Кольцо 7 может также содержать расширяющуюся секцию, выступающую в направлении проточного канала для вторичного воздуха, и ряд зубцов, выступающих по направлению к внутренней части проточного канала для первичного воздуха, при этом расширяющаяся секция имеет плавно изогнутое поперечное сечение, или профиль, с толщиной, которая плавно уменьшается к ободу расширяющейся секции. Кольцо 7 также может иметь любую другую форму, при условии что оно изменяет поле потока в непосредственной близости от горелки, как это требуется.

На Фиг. 3 показан схематический вид сбоку в разрезе газовой трубы 2 газовой горелки, выполненной в соответствии с Фиг. 1 и 2. Газовая труба 2 окружена первым цилиндром 19. Проточный канал 3 для первичного воздуха, имеющий выпускное отверстие 21, сформирован вокруг трубы 2 и других пяти газовых труб, не представленных на Фиг. 3. На Фиг. 3 в проточном канале 3 также размещена форсунка 13 для жидкого топлива. Форсунка 13 может быть не предусмотрена. Первичный воздух подается в печь-котел через проточный канал 3 со скоростью от 5 до 25 м/с.

Первый цилиндр 19 коаксиально окружен вторым цилиндром 20, имеющим выпускное отверстие 22. Кольцевой проточный канал 4 для вторичного воздуха сформирован между первым цилиндром 19 и вторым цилиндром 20. Вторичный воздух подается в печь-котел через проточный канал 4 со скоростью от 45 до 60 м/с. Проточный канал 9 для третичного воздуха сформирован между вторым цилиндром 20 и третьим цилиндром 23 (не показан). Третичный воздух подается в печь-котел через проточный канал 9 со скоростью от 45 до 60 м/с.

Первый цилиндр 19 имеет свободный конец 25, а кольцо 7 прикреплено к свободному концу 25 первого цилиндра 19. Кольцо 7 содержит кольцевую секцию 26, уширяющуюся в направлении от выпускного отверстия 21 проточного канала 3 для первичного воздуха. Вторичный воздух, подаваемый через проточный канал 4, наталкивается на кольцо 7.

Газовая труба 2 имеет нижний по потоку конец 14. Первое выпускное отверстие 10 трубы 2 расположено на ее нижнем по потоку конце 14 для подачи топливного газа из указанного конца 14. Поверхность нижнего по потоку конца 14 трубы 2 расположена под заданным углом относительно длины трубы 2. Боковые стороны трубы 2 также имеют второе выпускное отверстие 11 и третье выпускное отверстие 12. Второе выпускное отверстие 11 трубы 2 имеет два отверстия и направлено к кольцу 7 и в сторону от центральной оси (не показана) первого цилиндра 19. Третье выпускное отверстие 12 трубы 2 содержит два отверстия и направлено по направлению к центральной оси (не показана) первого цилиндра 19 и от кольца 7. Количество отверстий в каждом из выпускных отверстий 10, 11, 12 трубы 2 не ограничено каким-либо конкретным значением.

Первое выпускное отверстие 10 трубы 2 выполнено с возможностью обеспечивать от 80 до 95% топливного газа. Второе выпускное отверстие выполнено с возможностью обеспечивать от 5 до 20% топливного газа. В качестве альтернативы, второе выпускное отверстие 11 и третье выпускное отверстие 12 трубы 2 вместе могут быть выполнены с возможностью обеспечивать от 5 до 20% топливного газа. Однако подача топливного газа через третье выпускное отверстие 12 трубы 2 не является необходимым.

Топливный газ, подаваемый через второе выпускное отверстие 11 трубы 2, объединяется с потоком первичного воздуха, который превращается в рециркулируемый поток, возвращаемый к выпускному отверстию проточного канала 3 для первичного воздуха. Пламя воспламеняется в этой зоне рециркуляции, формирующейся вниз по потоку и в непосредственной близости от проточного канала для первичного воздуха. Топливный газ, подаваемый через первое выпускное отверстие 10 трубы 2, рециркулируют к выпускному отверстию 21 канала 3 с помощью третичного воздуха, приведенного во вращательное движение с помощью завихрителя 8. В случае если скорость первичного воздуха, подаваемого через проточный канал 3, является низкой, то может быть желательным подавать небольшое количество топливного газа через третье выпускное отверстие 12 трубы 2, в дополнение к подаче топливного газа через первое 10 и второе 11 выпускные отверстия трубы 2.

Для специалиста очевидно, что с развитием технологии основная идея изобретения может быть реализована различными способами. Изобретение и его варианты выполнения, таким образом, не ограничены лишь примерами, описанными выше; вместо этого они могут изменяться в пределах объема формулы изобретения.

Изобретение относится к области энергетики. Газовая горелка для сжигания топливного газа содержит по меньшей мере одну газовую трубу (2) для подачи топливного газа в печь-котел, первый цилиндр (19), окружающий указанную по меньшей мере одну газовую трубу (2) и ограничивающий проточный канал (3) для первичного воздуха вокруг указанной по меньшей мере одной газовой трубы (2) для подачи первичного воздуха в печь-котел, причем первый цилиндр (19) оканчивается у выпускного отверстия (21) проточного канала (3) для первичного воздуха, второй цилиндр (20), который коаксиально окружает первый цилиндр (19) и вместе с первым цилиндром (19) образует кольцевой проточный канал (4) для вторичного воздуха для подачи вторичного воздуха в печь-котел, причем второй цилиндр (20) оканчивается у выпускного отверстия (22) проточного канала (4) для вторичного воздуха, и третий цилиндр (23), который коаксиально окружает второй цилиндр (20) и вместе со вторым цилиндром (20) образует кольцевой проточный канал (9) для третичного воздуха для подачи третичного воздуха в печь-котел, причем третий цилиндр (23) оканчивается у выпускного отверстия (24) проточного канала (9) для третичного воздуха. Первый цилиндр (19) имеет свободный конец (25) у выпускного отверстия (21) проточного канала (3) для первичного воздуха, и к этому свободному концу (25) присоединено кольцо (7) для стабилизации пламени таким образом, что указанное кольцо (7) окружает выпускное отверстие (21) проточного канала (3) для первичного воздуха и перекрывает часть выпускного отверстия (22) проточного канала (4) для вторичного воздуха, при этом указанная по меньшей мере одна газовая труба (2) имеет нижний по потоку конец, который имеет первое выпускное отверстие для подачи топливного газа в печь-котел из нижнего по потоку конца указанной по меньшей мере одной газовой трубы (2) и второе выпускное отверстие для подачи топливного газа в печь-котел в направлении от центральной оси первого цилиндра (19) и к кольцу (7) для стабилизации пламени. Первое выпускное отверстие газовой трубы (2) выполнено с возможностью подачи от 80 до 95% топливного газа, а второе выпускное отверстие газовой трубы (2) выполнено с возможностью подачи от 5 до 20% топливного газа. Указанная по меньшей мере одна газовая труба (2) имеет третье выпускное отверстие для подачи топливного газа в печь-котел в направлении к центральной оси первого цилиндра (19) и от кольца (7) для стабилизации пламени. Изобретение позволяет снизить количество выбросов NO_X . 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газовая горелка для сжигания топливного газа, содержащая:

по меньшей мере одну газовую трубу (2) для подачи топливного газа в печь-котел,

первый цилиндр (19), окружающий указанную по меньшей мере одну газовую трубу (2) и ограничивающий проточный канал (3) для первичного воздуха вокруг указанной по меньшей мере одной газовой трубы (2) для подачи первичного воздуха в печь-котел, причем первый цилиндр (19) оканчивается у выпускного отверстия (21) проточного канала (3) для первичного воздуха,

второй цилиндр (20), который коаксиально окружает первый цилиндр (19) и вместе с первым цилиндром (19) образует кольцевой проточный канал (4) для вторичного воздуха для подачи вторичного воздуха в печь-котел, причем второй цилиндр (20) оканчивается у выпускного отверстия (22) проточного канала (4) для вторичного воздуха, и

третий цилиндр (23), который коаксиально окружает второй цилиндр (20) и вместе со вторым цилиндром (20) образует кольцевой проточный канал (9) для третичного воздуха для подачи третичного воздуха в печь-котел, причем третий цилиндр (23) оканчивается у выпускного отверстия (24) проточного канала (9) для третичного воздуха,

отличающаяся тем, что

первый цилиндр (19) имеет свободный конец (25) у выпускного отверстия (21) проточного канала (3) для первичного воздуха, и к этому свободному концу (25) присоединено кольцо (7) для стабилизации пламени таким образом, что указанное кольцо (7) окружает выпускное отверстие (21) проточного канала (3) для первичного воздуха и перекрывает часть выпускного отверстия (22) проточного канала (4) для вторичного воздуха,

при этом указанная по меньшей мере одна газовая труба (2) имеет нижний по потоку конец (14), который имеет первое выпускное отверстие (10) для подачи топливного газа в печь-котел из нижнего по потоку конца (14) указанной по меньшей мере одной газовой трубы (2) и второе выпускное отверстие (11) для подачи топливного газа в печь-котел в направлении от центральной оси первого цилиндра (19) и к кольцу (7) для стабилизации пламени.

2. Газовая горелка по п. 1, отличающаяся тем, что первое выпускное отверстие (10) газовой трубы (2) выполнено с возможностью подачи от 80 до 95% топливного газа, а второе выпускное отверстие (11) газовой трубы (2) выполнено с возможностью подачи от 5 до 20% топливного газа.

3. Газовая горелка по п. 1, отличающаяся тем, что указанная по меньшей мере одна газовая труба (2) имеет третье выпускное отверстие (12) для подачи топливного газа в печь-котел в направлении к центральной оси первого цилиндра (19) и от кольца (7) для стабилизации пламени.

4. Газовая горелка по п. 3, отличающаяся тем, что первое выпускное отверстие (10) газовой трубы (2) выполнено с возможностью подачи от 80 до 95% топливного газа, а второе (11) и третье (12) выпускные отверстия газовой трубы (2) вместе выполнены с возможностью подачи от 5 до 20% топливного газа.

5. Газовая горелка по п. 1, отличающаяся тем, что скорость первичного воздуха в выпускном отверстии (21) проточного канала (3) для первичного воздуха может составлять от 5 до 25 м/с.

6. Газовая горелка по п. 1, отличающаяся тем, что скорость вторичного воздуха в выпускном отверстии (22) проточного канала (4) для вторичного воздуха может составлять от 45 до 60 м/сек.

7. Газовая горелка по п. 1, отличающаяся тем, что скорость третичного воздуха в выпускном отверстии (24) проточного канала (9) для третичного воздуха может составлять от 45 до 60 м/с.

8. Газовая горелка по п. 1, отличающаяся тем, что указанное кольцо (7) для стабилизации пламени содержит кольцевую секцию (26), расширяющуюся в направлении от выпускного отверстия (21) проточного канала (3) для первичного воздуха.

9. Газовая горелка по п. 1, отличающаяся тем, что газовая горелка содержит форсунку (13) для жидкого топлива для подачи жидкого топлива в печь-котел.

10. Газовая горелка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что газовая горелка содержит несколько газовых труб (2), расположенных по периферии вокруг центральной оси первого цилиндра (19).

11. Способ сжигания топливного газа в печи-котле, включающий этапы:

подачи топливного газа в печь-котел через по меньшей мере одну газовую трубу (2),

подачу первичного воздуха в печь-котел через проточный канал (3) для первичного воздуха вокруг указанной по меньшей мере одной газовой трубы (2) с помощью первого цилиндра (19), окружающего указанную по меньшей мере одну газовую трубу (2) и оканчивающегося у выпускного отверстия (21) проточного канала (3) для первичного воздуха,

подачу вторичного воздуха в печь-котел через кольцевой проточный канал (4) для вторичного воздуха, образованный первым цилиндром (19) и вторым цилиндром (20), коаксиально окружающим первый цилиндр (19) и оканчивающимся у выпускного отверстия (22) из проточного канала (4) для вторичного воздуха, и

подачу третичного воздуха в печь-котел через кольцевой проточный канал (9) для третичного воздуха, образованный вторым цилиндром (20) и третьим цилиндром (23), коаксиально окружающим второй цилиндр (20),

отличающийся тем, что он включает

формирование зоны рециркуляции ниже по потоку от выпускного отверстия (21) проточного канала (3) для первичного воздуха в непосредственной близости от этого отверстия путем обеспечения в указанном выпускном отверстии (21) кольца (7) для стабилизации пламени, прикрепленного к свободному концу (25) первого цилиндра (19) таким образом, что указанное кольцо (7) окружает выпускное отверстие (21) проточного канала (3) для первичного воздуха и перекрывает часть выпускного отверстия (22) проточного канала (4) для вторичного воздуха, и

подачу топливного газа в печь-котел через первое выпускное отверстие (10) газовой трубы (2) из нижнего по потоку конца (14) указанной по меньшей мере одной газовой трубы (2) и через второе выпускное отверстие (11) газовой трубы (2) в направлении от центральной оси первого цилиндра (19) к указанному кольцу (7).

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что через первое выпускное отверстие (10) газовой трубы (2) подают от 80 до 95% топливного газа, а через второе выпускное отверстие (11) газовой трубы (2) подают от 5 до 20% топливного газа.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что топливный газ подают в печь-котел через третье выпускное отверстие (12) газовой трубы (2) в направлении к центральной оси первого цилиндра (19) от указанного кольца (7).

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что через первое выпускное отверстие (10) газовой трубы (2) подают от 80 до 95% топливного газа и через второе (11) и третье (12) выпускные отверстия газовой трубы (2) подают в общей сложности от 5 до 20% топливного газа.

15. Способ по п. 11, отличающийся тем, что скорость первичного воздуха в выпускном отверстии (21) проточного канала (3) для первичного воздуха составляет от 5 до 25 м/с.

16. Способ по п. 11, отличающийся тем, что скорость вторичного воздуха в выпускном отверстии (22) проточного канала (4) для вторичного воздуха составляет от 45 до 60 м/с.

17. Способ по п. 11, отличающийся тем, что скорость третичного воздуха в выпускном отверстии (24) проточного канала (9) для третичного воздуха составляет от 45 до 60 м/сек.

18. Способ по п. 11, отличающийся тем, что указанное кольцо (7) для стабилизации пламени содержит кольцевую секцию (26), расширяющуюся в направлении от выпускного отверстия (21) проточного канала (3) для первичного воздуха.

19. Способ по любому из пп. 11-18, отличающийся тем, что топливный газ подают в печь-котел через несколько газовых труб (2), расположенных по периферии вокруг центральной оси первого цилиндра (19).