ГОРЕЛКА С НИЗКИМ ВЫБРОСОМ NOx С ПЕРФОРИРОВАННОЙ ПЛАСТИНЧАТОЙ ПЛАМЕННОЙ ГОЛОВКОЙ Российский патент 2021 года по МПК F23D14/02 F23C9/06 

[Область техники]

[1] Настоящее изобретение относится к горелке с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой, а в частности, к горелке с низким выбросом NOx, облегчающей ремонт, замену и регулировку пламенной головки, позволяющей более эффективно снижать образование оксидов азота (NOx) (далее NOx) и имеющей перфорированный пластинчатый диффузор, которая может использоваться в качестве горелки трубчатого котла.

[Уровень техники]

[2] NOx - это соединение азота и кислорода, такое как монооксид азота и диоксид азота, образующееся при сжигании ископаемого топлива.

[3] NOx разделяют на топливный NOx, термический NOx и быстрый NOx в зависимости от механизма образования. Топливный NOx образуется, когда азот, содержащийся в топливе, окисляется в процессе горения. Термический NOx образуется при окислении азота в процессе горения в результате высвобождения азота, содержащегося в воздухе, используемом для горения, при высокой температуре 1300°С или выше. Быстрый азот NOx образуется тогда, когда топливо подвергается воздействию высокой температуры 1000°С или выше, прежде чем топливо, имеющее высокую концентрацию, будет смешано с воздухом для сжигания.

[4] Такой NOx является причиной фотохимического смога, образующегося под воздействием солнечного света, наряду с углеводородами. Кроме того, даже в том случае, когда NOx присутствует в количестве от 1 до 3 миллионных долей, интоксикация может ощущаться по запаху, снижается иммунитет к респираторным заболеваниям, NOx реагирует с гемоглобином, содержащимся в крови, с образованием метгемоглобина, тем: самым препятствуя доставке кислорода. Кроме того, поскольку диоксид азота, представляющий собой красновато-коричневый раздражающий газ, является: высокотоксичным по сравнению с монооксидом азота, он вызывает острый отек легких, облитерирующий бронхит; пневмонию и: т.д. Соответственно, были: исследованы и разработаны технологии для сокращения выбросов NOx.

[5] С целью снижения концентрации выбросов NOx путем: уменьшения образования NOx была исследована и разработана горелка с низким выбросом NOx, в которой для подавления образования: NOx была усовершенствована форма камеры сгорания топлива, смешиваемого с кислородом.

[6] При этом котел, в котором используется: горелка, разделяют на водотрубный и трубчатый.

[7] Водотрубный котел как котел, генерирующий пар высокого давления: путем нагрева воды, циркулирующей в паровом барабане и водяном барабане, имеет камеру сгорания большого объема, конструкция: которой подходит для уменьшения: выброса NOx, поскольку конструкция, имеющая большую площадь и малую длину, требует более мощного и: короткого пламени в соответствии с характеристиками: камеры сгорания, что обеспечивает передачу большого количества тепла.

[8] Как показано на ФИГ. 1, горелка (1), применяемая для водотрубного котла, содержит форсунку (10) для первичного впрыска топлива, расположенную в центре открывающегося блока, сформированного в передней части камеры сгорания FR, форсунки (20) для вторичного впрыска топлива, расположенные вокруг форсунки (10) для первичного впрыска топлива и одновременно плотно прилегающие к внутренней стороне открывающегося блока, завихритель (30), расположенный на переднем конце форсунки (10) для первичного впрыска топлива, первичную трубу (40), расположенную таким образом, что она окружает форсунку (10) для первичного впрыска топлива и завихритель (30), и двойной трубчатый рециркуляционный эжекторный блок (50), содержащий вторичную трубу (51) и рециркуляционную трубу (52), расположенные между первичной трубой (40) и форсункой (20) для вторичного впрыска топлива.

[9] Такая горелка (1), используемая в водотрубном котле с широкой камерой сгорания, имеет конструкцию, которая максимально увеличивает расстояние между внешними языками пламени за счет увеличения диаметра (D) окружности, на которой располагаются форсунки (20) для вторичного впрыска, топлива, позволяет получить короткое и широко распределенное за счет завихрителя (30) центральное пламя, выпускаемое и формируемое посредством форсунки (10) для первичного впрыска топлива, и формирует пламя из предварительной частичной смеси топлива с воздухом для уменьшения количества образующегося NOx путем выбрасывания части первичного топливного газа в обратном направлении, прежде чем топливный газ достигнет завихрителя (30), тем самым: создавая завихрение первичного топливного газа вдоль потока воздуха.

[10] Формирование такого пламени из предварительной частичной смеси: топлива с воздухом имеет одну проблему, связанную с увеличением нестабильности горения, когда количество первичного топливного газа снижается примерно до 20% или менее от общего количества топливного газа, поскольку уменьшается длина пламени.

[11] [Документ предшествующего уровня техники]

[Патентный документ]

[12] Выложенная публикация китайского патента № CN 107690557 A (дата публикации: 13 февраля 2018 года)

[Раскрытие изобретения]

[Техническая проблема]

[13] Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить горелку с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой, причем горелка с низким выбросом NOx облегчает ремонт, замену и регулировку пламенной головки путем соответствующего изменения конструкции горелки трубчатого котла и использования перфорированной пластинчатой пламенной головки.

[14] Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить горелку с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой, горелка с низким выбросом NOx, позволит более эффективно уменьшить образование NOx, при этом горелка с низким выбросом NOx применяется для трубчатого котла, имеющего конструкцию камеры сгорания, где трудно уменьшить количество NOx, поскольку объем камеры сгорания относительно мал и температура пламени снижается медленно.

[15] Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить горелку с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой, причем горелка с низким выбросом NOx позволяет обеспечить стабильность горения горелки даже в том случае, когда количество первичного газового топлива составляет около 10% или менее от общего количества газа, за счет устойчивого центрального пламени.

[16] Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить горелку с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой, причем горелка с низким выбросом NOx сокращает количество NOx за счет уменьшения диаметра окружности, на которой расположены форсунки для вторичного впрыска топлива, и увеличения количества поступающего рециркулирующего горючего газа.

[Техническое решение]

[17] Горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой согласно настоящему изобретению для достижения целей настоящего изобретения содержит первичную трубу, устанавливаемую таким образом, что она выступает внутрь камеры сгорания для направления воздуха в камеру сгорания, первичный подающий топливопровод, расположенный внутри первичной трубы для первичной подачи топлива, перфорированную пластинчатую пламенную головку, расположенную на переднем конце основного подающего топливопровода таким образом, чтобы сформировать зазор между перфорированной пластинчатой пламенной головкой и концом первичной трубы для распределения воздуха, направляемого первичной трубой, и радиального впрыска первичного топлива, подаваемого по первичному подающему топливопроводу, вторичную трубу, расположенную вокруг первичной трубы для направления несгоревшего газа таким образом, чтобы несгоревший газ впрыскивался в камеру сгорания путем пропуска несгоревшего газа из камеры сгорания между первичной трубой и вторичной трубой, множество форсунок для вторичного впрыска топлива, расположенных вокруг вторичной трубы и вторично впрыскивающих топливо, а также устройство для регулировки расстояния, которое регулирует зазор между перфорированной пластинчатой пламенной головкой и концом первичной трубы путем перемещения перфорированной пластинчатой пламенной головки в осевом направлении.

[18] Устройство для регулировки расстояния содержит фланец, закрепленный на внешней поверхности первичного подающего топливопровода, соединительный стержень, соединенный с фланцем, и регулировочный стержень, соединенный с соединительным стержнем для регулировки положения первичного подающего топливопровода путем перемещения первичного подающего топливопровода.

[19] Первичная труба соединена с внутренней частью воздухозаборной трубы, прикрепленной к стенке камеры сгорания для направления воздуха путем его подачи внутрь и снаружи первичной трубы.

[20] Воздухозаборная труба имеет наклонную часть, сформированную перед воздухозаборной трубой и расположенную под углом к внешней поверхности первичной трубы, и зазор для циркуляции горючего газа, сформированный между наклонной частью и вторичной трубой, чтобы повторно подавать горючий газ в камеру сгорания путем циркуляции горючего газа из камеры сгорания.

[21] Первичная труба и вторичная труба имеют множество первых опорных ребер, расположенных между ними, для центрирования и поддержки труб, а воздухозаборная труба имеет множество вторых опорных ребер, расположенных в ее наклонной части и выступающих в направлении вторичной трубы, чтобы поддерживать внешнюю поверхность вторичной трубы.

[22] Первичная труба имеет часть меньшего диаметра, сформированную в ее передней части, поперечное сечение которой наклонено под заданным углом к перфорированной пластинчатой пламенной головке.

[23] Вторичная труба имеет расширенную часть, сформированную на конце цилиндрической части со стороны камеры сгорания таким образом, что воздух распределяется по внешней стенке камеры сгорания, и опорную часть, сформированную на внешней круговой поверхности расширенной части трубы для поддержки форсунок для вторичного впрыска топлива.

[24] Форсунки для вторичного впрыска топлива содержат шуровочную трубу, сформированную в концевой части соплового патрубка для впрыска вторичного топлива с целью направления горючего газа таким образом, чтобы он повторно впрыскивался в камеру сгорания путем прохождения горючего газа из камеры сгорания в шуровочную трубу.

[25] Шуровочная труба имеет наклонную поверхность, сформированную в ее концевой части, чтобы смесь вторичного топлива и горючего газа могла впрыскиваться под углом к внешней стороне камеры сгорания. Шуровочная труба выполнена таким образом, что длина ее основной части в десять раз или более превышает ее внутренний диаметр.

[26] Вышеуказанная горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с настоящим изобретением облегчает ремонт, замену и регулировку пламенной головки и позволяет более эффективно уменьшать образование NOx, при этом горелка с низким выбросом NOx применяется для трубчатого котла с конструкцией камеры сгорания, в которой трудно уменьшить количество NOx, поскольку объем камеры сгорания относительно мал и температура пламени снижается медленно.

[27] Кроме того, горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает стабильность горения горелки, даже когда количество первичного газового топлива составляет около 10% или менее от общего количества газа, за счет устойчивого центрального пламени, и уменьшает количество NOx за счет уменьшения диаметра окружности, на которой расположены форсунки для вторичного впрыска топлива, и увеличения количества поступающего рециркулирующего горючего газа.

[Описание чертежей]

[28] На ФИГ. 1 показан схематический чертеж горелки, используемой в обычном водотрубном котле.

[29] На ФИГ. 2 показана схема компоновки горелки с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

[30] На ФИГ. 3 показан вид спереди, если смотреть на горелку, изображенную на ФИГ. 2, с передней стороны (со стороны пламенной головки).

[31] На ФИГ. 4 показан детальный вид концевой части горелки, изображенной на ФИГ. 2.

[32] На ФИГ. 5 показана схема рабочего состояния горелки с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с настоящим изобретением.

[33] На ФИГ. 6 показана схема компоновки горелки из сравнительного примера для сравнения с горелкой с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с настоящим изобретением.

[34] На ФИГ. 7 показан график с результатами испытаний, полученными после проверки количества образующегося NOx в горелке с низким выбросом NOx в соответствии с настоящим изобретением из примера, изображенного на ФИГ. 2, и в горелке из сравнительного примера, изображенного на ФИГ. 6.

[Вариант осуществления изобретения]

[35] Далее будут подробно раскрыты предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Подробное описание, которое будет раскрыто ниже вместе с прилагаемыми чертежами, представляет собой описание нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения, а не описание единственного варианта осуществления настоящего изобретения. Подробное описание, приведенное ниже, содержит детальную информацию, для того чтобы обеспечить полное понимание сути изобретения. Однако специалистам в данной области техники известно, что настоящее изобретение может быть осуществлено при отсутствии детальной информации.

[36]

[37] Далее горелка с низким выбросом NOx в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения будет раскрыта со ссылкой на чертежи

[38] На ФИГ. 2 показана схема компоновки горелки с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, на ФИГ. 3 показан вид спереди, если смотреть на горелку, изображенную на ФИГ. 2, с передней стороны (со стороны пламенной головки), а на ФИГ. 4 показан детальный вид концевой части горелки, изображенной на ФИГ. 2.

[39] Как показано на ФИГ. 2-4, горелка 100 с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит первичную трубу 110, первичный подающий топливопровод 120, перфорированную пластинчатую пламенную головку 130, вторичную трубу 140, форсунки 150 для вторичного впрыска топлива и устройство 160 для регулировки расстояния.

[40] Первичная труба 110 установлена таким образом, что она выступает внутрь камеры сгорания FR, для того чтобы направлять воздух в камеру сгорания FR. В передней части первичной трубы 110 сформирована часть 111 с меньшим диаметром, поперечное сечение которой наклонено под заданным углом к перфорированной пластинчатой пламенной головке 130. Наклонная часть 111 меньшего диаметра устраняет необходимость увеличения ширины центральной части корпуса за счет обеспечения возможности сбора воздуха в центре горелки и увеличивает скорость подачи воздуха за счет уменьшения площади поперечного сечения канала подачи воздуха, поступающего в камеру сгорания FR.

[41] Множество распорных ребер 112 (три распорных ребра в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения), направляющих перфорированную пластинчатую пламенную головку 130 при ее перемещении и обеспечивающих зазор С между перфорированной пластиной перфорированной пластинчатой пламенной головки 130 и частью 111 меньшего диаметра первичной трубы 110, установлены на внутренней круговой поверхности концевой части первичной трубы 110 таким образом, что они располагаются друг от друга на заданных расстояниях вдоль внутренней круговой поверхности первичной трубы 110. На внешнем конце распорных ребер 112 сформирован фиксирующий выступ 112а для ограничения расстояния, на которое выступает перфорированная пластинчатая пламенная головка 130. Другая сторона фиксирующего выступа 112а распорных ребер 112 загнута в направлении радиуса первичной трубы 110 и закреплена на внутренней круговой поверхности первичной трубы 110. Перфорированные пластины, описанные далее, перфорированной пластинчатой пламенной головки 130 направляются в центральную часть распорных ребер 112 одновременно с их перемещением.

[42] Первичная труба 110 соединена с внутренней частью воздухозаборной трубы 170 вдоль окружности посредством множества соединительных ребер 113, причем воздухозаборная труба 170 сообщается с камерой подачи воздуха, описанной далее.

[43] Подающий топливопровод 120 представляет собой трубу, расположенную внутри первичной трубы 110 и предназначенную для первичной подачи топлива, при этом перфорированная пластинчатая пламенная головка 130 соединена с концевой частью первичного подающего топливопровода 120. Конец первичного подающего топливопровода 120 закрыт, при этом его концевая часть соединена с описанным участком трубы для подачи топлива к перфорированной пластинчатой пламенной головке 130, таким образом, что первичное топливо выпускается в радиальном направлении.

[44] Внутри первичного подающего топливопровода 120 может быть предусмотрена центральная воздухоподводящая труба, позволяющая отдельно подводить воздух к центральной части пламени. Поскольку температура центральной части пламени может повышаться до высокого значения по мере увеличения диаметра образующегося пламени, когда первичная труба 110 имеет большой диаметр, используется центральная воздухоподводящая труба, выдерживающая высокую температуру (центральная воздухоподводящая труба, позволяющая снизить температуру), передняя концевая часть которой открыта в направлении камеры сгорания FR для отдельной подачи воздуха к центральной части пламени.

[45] Перфорированная пластинчатая пламенная головка 130 расположена на переднем конце первичного подающего топливопровода 120 таким образом, что между перфорированной пластинчатой пламенной головкой 130 и концом первичной трубы 110 образуется зазор С для распределения воздуха, направляемого первичной трубой 110 при радиальной подаче первичного топлива, подводимого по первичному подающему топливопроводу 120. Перфорированная пластинчатая пламенная головка 130 содержит перфорированную пластину 131, множество трубок 132 для выпуска топлива и воспламенитель 133.

[46] Перфорированная пластина 131 установлена таким образом, что концевая часть первичного подающего топливопровода 120 проходит через центр перфорированной пластины 131, а между соответствующими трубками 132 для выпуска топлива сформировано множество отверстий 131а для выпуска воздуха. Воздух, подаваемый в камеру сгорания через отверстия 131а для выпуска воздуха, образует множество высокоскоростных воздушных потоков, вокруг которых образуется завихрение за счет их большого количества, и такое завихрение может способствовать равномерному перемешиванию топлива и воздуха.

[47] Множество трубок 132 для выпуска топлива радиально соединены с внешней круговой поверхностью первичного подающего топливопровода 120 с внешней стороны (со стороны камеры сгорания) перфорированной пластины 131, а по концам трубок 132 для выпуска топлива отдельно сформированы основные первичные топливные форсунки 132а. Соответствующие трубки 132 для выпуска топлива могут устанавливаться в различных положениях вдоль направления осевой линии первичного подающего топливопровода 120, и, соответственно, положения впрыскивания основных первичных топливных форсунок 132а, предусмотренных в трубках 132 для выпуска топлива, могут различаться, в результате, топливо может равномерно впрыскиваться на большую площадь, и за счет этого можно предотвратить увеличение концентрации топлива в определенной области.

[48] С другой стороны, на внешней круговой поверхности переднего конца первичного подающего топливопровода 120, примыкающего к трубкам 132 для выпуска топлива, в радиальных направлениях сформировано множество дополнительных первичных топливных форсунок 121. Соответствующие вспомогательные первичные топливные форсунки 121 также установлены в различных положениях на переднем конце первичного подающего топливопровода 120, аналогично соответствующим основным первичным топливным форсункам, для того чтобы процесс впрыскивания мог осуществляться равномерно.

[49] Воспламенитель 133 установлен на внешней круговой поверхности концевой части первичного подающего топливопровода 120 с помощью опоры, а запальная свеча расположена таким образом, что она проходит через перфорированную пластину 131.

[50] Вторичная труба 140 расположена вокруг первичной трубы 110 и предназначена для направления несгоревшего газа таким образом, чтобы выпускать несгоревший газ в камеру сгорания FR путем пропуска несгоревшего газа из камеры сгорания FR между первичной трубой 110 и вторичной трубой 140. Вторичная труба 140 имеет цилиндрическую часть 141, расширенную часть 142, сформированную на конце цилиндрической части 141 со стороны камеры сгорания таким образом, что воздух распределяется по внешней стороне камеры сгорания FR, а также опорную часть 143, сформированную на внешней круговой поверхности расширенной части 142 трубы для поддержки форсунок 150 для вторичного впрыска топлива. При этом вдоль окружности между первичной трубой 110 и цилиндрической частью 141 вторичной трубы 140 предусмотрено множество первых опорных ребер 144, которые легко центрируются и поддерживают трубы, а на внешней поверхности вторичной трубы 140 предусмотрено множество вторых опорных ребер, описанных ниже.

[51] Множество форсунок 150 для вторичного впрыска топлива расположено вокруг вторичной трубы 140 и воздухозаборной трубы 170, что позволяет осуществлять вторичный впрыск топлива. Форсунки 150 для вторичного впрыска топлива имеют сопловой патрубок 152, соединенный с концевой частью вторичных подающих топливопроводов 151, обеспечивающих подачу вторичного топлива и проходящих через стенку камеры сгорания, и шуровочную трубу 153, по которой несгоревший газ из камеры сгорания подается одновременно с впрыском топлива из концевой части соплового патрубка 152 для направления вторичного топлива таким образом, чтобы вторичное топливо, содержащее несгоревший газ, смешанный с горючим газом, впрыскивалось в камеру сгорания FR.

[52] В концевой части шуровочной трубы 153 сформирована наклонная поверхность 153а, позволяющая смеси вторичного топлива и горючего газа впрыскиваться под углом к внешней стенке камеры сгорания FR. Конструкция, имеющая наклонную поверхность 153а, расположенную под углом к внешней стенке камеры сгорания FR, создает эффект уменьшения количества образующегося NOx, позволяя сжигать вторичное топливо вместе с несгоревшим газом при низких температурах без впрыскивания вторичного топлива в центр камеры сгорания FR.

[53] Кроме того, шуровочная труба 153 сформирована таким образом, что длина L ее центральной части в 10 или более раз превышает ее внутренний диаметр d1. Если шуровочная труба 153 имеет короткую длину, снижается эффективность сжигания, так как топливо и горючий газ в недостаточной степени перемешиваются, и, соответственно, не обеспечивается устойчивая траектория движения потока.

[54] Устройство 160 регулировки расстояния регулирует расстояние между перфорированной пластинчатой пламенной головкой 130 и концом первичной трубы 110 путем перемещения перфорированной пластинчатой пламенной головки 130 в осевом направлении и содержит фланец 161, закрепленный на внешней поверхности первичного подающего топливопровода 120, соединительный стержень 162, соединенный с фланцем 161, и регулировочный стержень 163, соединенный с соединительным стержнем 162, для регулировки положения (расстояния перемещения) первичного подающего топливопровода 120 путем перемещения первичного подающего топливопровода 120. Регулировочный стержень 163 регулируется снаружи горелки с помощью ручки или регулировочного механизма.

[55] Воздухозаборная труба 170, внутри которой воздух направляется цилиндрической частью 171, прикреплена к стенке камеры сгорания и направляет воздух путем его подачи внутрь и снаружи первичной трубы 110, воздухозаборную трубу 170 устанавливают таким образом, что она выступает в камеру 180 подачи воздуха, установленную снаружи перед камерой сгорания FR.

[56] Перед цилиндрической частью 171 воздухозаборной трубы 170 сформирована наклонная часть 172, расположенная под углом к внешней поверхности первичной трубы 110, а между наклонной частью 172 и вторичной трубой 140 сформирован зазор RC для пропуска горючего газа для его повторной подачи в камеру сгорания FR за счет циркуляции горючего газа из камеры сгорания FR. Кроме того, вдоль окружности в наклонной части 172 предусмотрено множество вторых опорных ребер 173, выступающих в направлении вторичной трубы 140, для поддержки внешней поверхности вторичной трубы 140. При этом вторые опорные ребра 173 повышают устойчивость вторичной трубы 140 и облегчают ее центрирование, поддерживая внешнюю поверхность вторичной трубы 140 по всей длине в продольном направлении.

[57]

[58] Горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, выполненная так, как описано выше, формирует центральное пламя (первичное пламя) и периферийное пламя (вторичное пламя) путем подачи первичного топлива в центр камеры сгорания через первичный подающий топливопровод 120 вдоль направления, показанного стрелкой А, подачи вторичного топлива вокруг центра камеры сгорания через множество вторичных подающих топливопроводов 151 из форсунок 150 для впрыска вторичного топлива вдоль направления, показанного стрелкой В, и подачи воздуха, проходящего через воздухозаборную трубу 170 вдоль направления, показанного стрелкой Е, в камеру сгорания с внутренней и внешней стороны первичной трубы 110, как показано на ФИГ. 5, таким образом обеспечивая сжигание смеси топлива и воздуха.

[59] Первичное топливо, подаваемое по первичному подающему топливопроводу 120, впрыскивается из основных первичных топливных форсунок 132а через трубки 132 для выпуска топлива в перфорированную пластинчатую пламенную головку 130 в радиальном направлении, далее первичное топливо, впрыскиваемое из основных первичных топливных форсунок 132а, смешивается с воздухом, подаваемым через зазор С между концом первичной трубы 110 и перфорированной пластиной 131, таким образом, что сжигание смеси первичного топлива и воздуха происходит одновременно с ее впрыскиванием в камеру сгорания. С другой стороны, первичное топливо впрыскивается радиально через вспомогательные первичные топливные форсунки 121, далее первичное топливо, впрыскиваемое через вспомогательные первичные топливные форсунки 121, смешивается с воздухом таким образом, что сжигание смеси первичного топлива и воздуха происходит одновременно с ее впрыскиванием в камеру сгорания. В это время потоки топлива, впрыскиваемого через основные первичные топливные форсунки 132а, и воздуха, подаваемого через зазор С между концом первичной трубы 110 и внешней круговой поверхностью перфорированной пластины 131, взаимно перпендикулярны. Соответственно, потоки подаваемого воздуха и топлива, впрыскиваемого с высокой скоростью через множество форсунок, смешиваются, пересекая друг друга, что позволяет осуществлять процесс быстрого смешивания воздуха и топлива.

[60] Такой процесс быстрого смешивания не вызывает явления, связанного с частичным отсутствием воздуха в топливе, сжигаемом в камере сгорания FR, за счет равномерного смешивания топлива и воздуха. Условие полного сгорания заключается в том, что воздух, необходимый для сгорания, подается из окружающей среды в нужный момент, когда топливо сгорает, а процесс быстрого смешивания существенно способствует полному сгоранию за счет надлежащего смешивания воздуха и топлива. Здесь, если в ходе процесса быстрого смешивания воздух и топливо смешиваются надлежащим образом, вероятность неполного сгорания сводится к минимуму, и в то же время, когда сжигается топливо, образование быстрого NOx также сводится к минимуму. Это означает, что процесс горения топлива близок к полному сгоранию, и, кроме того, поскольку характеристики горения топлива близки к процессу полного сгорания, образование монооксида углерода (СО) сводится к минимуму.

[61] При этом, несмотря на то что метод встречного струйного потока, как метод струйного потока, в котором воздух и топливо смешиваются путем подачи потоков воздуха и топлива под углом 180 градусов, так что потоки воздуха и топлива сталкиваются один с другим, является достаточно эффективным, поскольку обеспечивает максимально эффективное смешивание воздуха и топлива, данный метод струйного потока разработан таким образом, что на практике он максимально приближен к методу встречного струйного потока в рамках диапазона, в котором угол потока воздуха не препятствует струйному движению топлива так, как это происходит в методе встречного струйного потока, когда он применяется в большинстве горелок, в которых требуется регулировка объема сжигания. Поэтому прохождение воздуха, подаваемого вдоль зазора С в настоящем изобретении, происходит под углом, соответствующим углу наклона части 111 меньшего диаметра первичной трубы 110, а угол пересечения, при котором происходит смешивание воздуха и топлива, представляет собой тупой угол чуть больше 90 градусов, так что сформированный угол пересечения более приближен к углу, соответствующему методу встречного струйного потока.

[62] Как описано выше, один из вариантов осуществления настоящего изобретения реализует процесс быстрого смешивания воздуха и топлива путем максимального увеличения скорости подачи воздуха через часть 111 меньшего диаметра первичной трубы 110 и формирования направления струи топлива, впрыскиваемого с высокой скоростью через основные первичные топливные форсунки 132а приблизительно перпендикулярно направлению подачи воздуха, такой процесс быстрого смешивания не только предотвращает образование быстрого NOx, но и может поддерживать более компактное пламя.

[63] При этом, по мере того как вторичное топливо, подаваемое по вторичным подающим топливопроводам 151, впрыскивается через шуровочную трубу 153 из концевой части соплового патрубка 152, несгоревший газ из камеры сгорания FR подается в шуровочную трубу 153 в направлении, показанном стрелкой F, таким образом, что вторичное топливо смешивается с несгоревшим газом, чтобы обеспечить впрыскивание смеси вторичного топлива и несгоревшего газа в камеру сгорания. При этом наблюдается эффект уменьшения количества образующегося NOx, так как в концевой части шуровочной трубы 153 сформирована наклонная поверхность 153а, которая расположена под углом к внешней стенке камеры сгорания FR, так что вторичное топливо не впрыскивается в центр камеры сгорания, а сжигается вместе с несгоревшим газом при низких температурах рабочей среды.

[64] Кроме того, часть воздуха (направление показано стрелкой Е), поступающего в воздухозаборную трубу 170 через камеру 180 подачи воздуха, направляется в камеру сгорания FR через отверстия 131а для подачи воздуха в перфорированной пластине 131, проходя пространство между первичным подающим топливопроводом 120 и первичной трубой 110 (направление показано стрелкой Е1), в то время как другая часть воздуха направляется внутрь камеры сгорания FR, проходя через зазор С между концом первичной трубы 110 и перфорированной пластиной 131.

[65] Далее смесь воздуха и несгоревшего газа впрыскивается в камеру сгорания путем смешивания воздуха (направление показано стрелкой Е2), направляемого наклонной частью 172 воздухозаборной трубы 170 в сторону относительно потока воздуха (направление показано стрелкой Е), поступающего в воздухозаборную трубу 170, с несгоревшим газом, возвращаемым через зазор для циркуляции горючего газа RC в направлении стрелки G при прохождении воздуха (направление показано стрелкой Е2) между первичной трубой 110 и вторичной трубой 140. При этом поскольку вторичная труба 140 сформирована в виде одиночной трубы вместо обычной сдвоенной трубы, несгоревший газ легко поступает во вторичную трубу 140, зазор между вторичной трубой 140 и форсунками 150 для вторичного впрыска топлива может быть уменьшен, т.е. диаметр окружности, на которой располагаются форсунки 150 для вторичного впрыска топлива, уменьшается, а производительность и эксплуатационные характеристики вторичной трубы 140 улучшаются. И поскольку вторичная труба 140 проходит горизонтально в зазоре RC для циркуляции горючего газа, хотя вторичная труба 140 обычно имеет изогнутую форму, она облегчает приток несгоревшего газа и увеличивает количество поступающего (количество циркулирующего) несгоревшего газа, тем самым повышая эффективность сжигания несгоревшего газа.

[66] Рециркуляция несгоревшего газа в направлениях, показанных стрелками F и G, заключается не просто в подаче воздуха к топливу, а в обеспечении равномерного смешивания топлива и воздуха за счет предоставления возможности вихревым потокам воздуха смешиваться с топливом, образуя завихрения. Если частицы топлива равномерно смешиваются с частицами воздуха, вероятность неполного сгорания сводится к минимуму, поскольку частицы окружающего воздуха способствуют сжиганию частиц топлива, когда каждая из частиц топлива сгорает. Минимизация неполного сгорания означает, что образование побочного продукта (например, монооксида углерода) из-за неполного сгорания уменьшается.

[67] В таблице 1 показано количество NOx и монооксида углерода (СО), образующихся в зависимости от способа подачи топлива (сжиженный природный газ) и воздуха (О₂) в горелке, имеющей пламенную головку по типу завихрителя или перфорированную пластинчатую пламенную головку, применяемую для трубчатого котла.

[68]

[69] Как видно из таблицы 1, горелка с перфорированной пластинчатой пламенной головкой является горелкой с низким выбросом NOx, в которой количество монооксида углерода (СО) увеличивается, но количество NOx значительно уменьшается по сравнению с горелкой, имеющей пламенную головку по типу завихрителя, в режиме работы, когда количество первичного топлива уменьшается по отношению к вторичному топливу, т.е. количество первичного топлива поддерживается на уровне 10% от общего количества топлива или меньше.

[70] На ФИГ. 7 показан график с результатами испытаний, полученными после проверки количества образующегося NOx в горелке 100 с низким выбросом NOx в соответствии с настоящим изобретением из примера, изображенного на ФИГ. 2, и в горелке с100 из сравнительного примера, изображенного на ФИГ. 6, приводимыми в качестве примера сравнения горелок со специальными конструкциями. Горелка с100 из сравнительного примера, изображенного на на ФИГ. 6, отличается от горелки 100 с низким выбросом NOx в соответствии с настоящим изобретением из примера, изображенного на ФИГ. 2, тем, что первичный подающий топливопровод с120 имеет расширенную часть с121, сформированную в конце него таким образом, что в расширенной части с121 топливопровода предусмотрено отверстие с122 для впрыскивания с целью формирования области предварительного смешивания в пространстве между первичным топливопроводом с120 и внутренней частью первичной трубы с110, концевая часть расширенной части с121 топливопровода проходит горизонтально, чтобы на конце расширенной части с121 топливопровода можно было установить завихритель с130, а шуровочная труба с153 имеет наклонную поверхность с154, сформированную в ее концевой части таким образом, что эта наклонная поверхность с154 располагается под углом к внутренней стенке камеры сгорания FR.

[71] В остальном конструкция горелки из сравнительного примера, с которой проводились сравнительные испытания, почти такая же, как в примере (ФИГ. 2) осуществления настоящего изобретения. Испытание включало в себя измерение изменений выброса NOx в зависимости от количества подаваемого воздуха (О₂) в соответствии с общим методом испытаний (который аналогичен методу испытаний, приведенному в таблице 1) после подачи топлива (сжиженного природного газа) в общем количестве 330 н.м³/ч и 260 н.м³/ч.

[72] Как видно из графика, количество NOx в горелке с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения (ФИГ. 2) меньше примерно на 40% по сравнению с горелкой, имеющей головку сгорания по типу завихрителя (ФИГ. 6).

[73] При этом настоящее изобретение облегчает ремонт и замену пламенной головки за счет возможности отсоединения от первичной трубы 110 по отдельности первичного подающего топливопровода 120 и пламенной головки 130, расположенных внутри первичной трубы 110. Кроме того, настоящее изобретение позволяет легко регулировать площадь сечения для пропуска воздуха, поступающего в камеру сгорания, в зависимости от условий горения за счет возможности перемещения первичного подающего топливопровода 120 и пламенной головки 130 с использованием устройства 160 для регулировки расстояния. Положение пламенной головки 130 можно регулировать путем вытягивания и вталкивания соединительного стержня 162 при вращении регулировочного стержня 163, расположенного снаружи горелки, таким образом перемещая первичный подающий топливопровод 120 и пламенную головку 130, прикрепленную к фланцу 161.

[74]

[75] Как описано выше, горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения облегчает ремонт, замену и регулировку пламенной головки и позволяет более эффективно уменьшать образование NOx, при этом горелка с низким выбросом NOx применяется для трубчатого котла с конструкцией камеры сгорания, в которой трудно уменьшить количество NOx, поскольку объем камеры сгорания относительно мал и температура пламени снижается медленно. Кроме того, горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает стабильность горения горелки, даже когда количество первичного газового топлива составляет около 10% или менее от общего количества газа, за счет устойчивого центрального пламени, и уменьшает количество NOx за счет уменьшения диаметра окружности, на которой расположены форсунки для вторичного впрыска топлива, и увеличения количества поступающего рециркулирующего горючего газа.

[76] Несмотря на то что варианты осуществления настоящего изобретения описываются со ссылкой на представленные чертежи, предмет изобретения, раскрываемый выше, следует считать пояснительным, а не ограничительным, и прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех подобных модификаций, усовершенствований и других вариантов осуществления, которые находятся в рамках сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, в максимальной степени, допускаемой законом, объем настоящего изобретения должен определяться наиболее широким допустимым толкованием следующих пунктов формулы изобретения и их эквивалентов и не должен ограничиваться приведенным выше подробным описанием.

[77] [Описание обозначений]

[78] 100: Горелка с низким выбросом NOx 110: Первичная труба

[79] 111: Часть меньшего диаметра 112: Распорные ребра

[80] 113: Соединительные ребра 120: Первичный подающий топливопровод

[81] 121: Вспомогательные первичные топливные форсунки

130: Перфорированная пластинчатая пламенная головка

[82] 131: Перфорированная пластина 132: Трубки для выпуска топлива

[83] 140: Вторичная труба 141: Цилиндрическая часть

[84] 142: Расширенная часть трубы 143: Опорная часть

[85] 144: Первые опорные ребра

150: Вторичные форсунки для впрыска топлива

[86] 151: Вторичные подающие топливопроводы

152: Сопловой патрубок

[87] 153: Шуровочная труба 160: Устройство для регулировки расстояния

[88] 161: Фланец 162: Соединительный стержень

[89] 163: Регулировочный стержень 170: Воздухозаборная труба

[90] 171: Цилиндрическая часть 172: Наклонная часть

[91] 173: Вторые опорные ребра 180: Камера для подачи воздуха

[92] FR: Камера сгорания RC: зазор для циркуляции горючего газа

Изобретение относится к области энергетики. Горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой содержит первичную трубу, установленную таким образом, что она выступает внутрь камеры сгорания с обеспечением направления воздуха в камеру сгорания, первичный подающий топливопровод, предназначенный для первичной подачи топлива и расположенный внутри первичной трубы. Перфорированную пластинчатую пламенную головку, расположенную на переднем конце первичного подающего топливопровода с образованием зазора для распределения воздуха, направляемого первичной трубой, между перфорированной пластинчатой пламенной головкой и концом первичной трубы, и обеспечением впрыскивания первичного топлива, подаваемого по первичному топливопроводу, в радиальном направлении. Вторичную трубу, расположенную вокруг первичной трубы, для направления несгоревшего газа таким образом, чтобы выпускать несгоревший газ в камеру сгорания посредством пропуска несгоревшего газа из камеры сгорания между первичной трубой и вторичной трубой. Множество форсунок вторичного впрыска топлива, расположенных вокруг вторичной трубы и вторично впрыскивающих топливо. Устройство регулировки расстояния, регулирующее расстояние между перфорированной пластинчатой пламенной головкой и концом первичной трубы путем перемещения перфорированной пластинчатой пламенной головки в осевом направлении. Изобретение позволяет облегчить ремонт, замену и регулировку пламенной головки и снизить образование NOx. 9 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Горелка с низким выбросом NOx с перфорированной пластинчатой пламенной головкой, содержащая:

первичную трубу, установленную таким образом, что она выступает внутрь камеры сгорания с обеспечением направления воздуха в камеру сгорания;

первичный подающий топливопровод, предназначенный для первичной подачи топлива и расположенный внутри первичной трубы;

перфорированную пластинчатую пламенную головку, расположенную на переднем конце первичного подающего топливопровода с образованием зазора для распределения воздуха, направляемого первичной трубой, между перфорированной пластинчатой пламенной головкой и концом первичной трубы, и обеспечением впрыскивания первичного топлива, подаваемого по первичному топливопроводу, в радиальном направлении;

вторичную трубу, расположенную вокруг первичной трубы, для направления несгоревшего газа таким образом, чтобы выпускать несгоревший газ в камеру сгорания посредством пропуска несгоревшего газа из камеры сгорания между первичной трубой и вторичной трубой;

множество форсунок вторичного впрыска топлива, расположенных вокруг вторичной трубы и вторично впрыскивающих топливо; и

устройство регулировки расстояния, регулирующее расстояние между перфорированной пластинчатой пламенной головкой и концом первичной трубы путем перемещения перфорированной пластинчатой пламенной головки в осевом направлении.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что устройство регулировки расстояния содержит:

фланец, закрепленный на внешней поверхности первичного подающего топливопровода;

соединительный стержень, соединенный с фланцем; и

регулировочный стержень, соединенный с соединительным стержнем для регулировки положения первичного подающего топливопровода путем перемещения первичного подающего топливопровода.

3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что первичная труба соединена с внутренней частью воздухозаборной трубы, прикрепленной к стенке камеры сгорания, для направления воздуха путем его подачи внутрь и снаружи первичной трубы.

4. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что воздухозаборная труба имеет наклонную часть, сформированную перед воздухозаборной трубой и расположенную под углом к внешней поверхности первичной трубы, и зазор для циркуляции горючего газа, сформированный между наклонной частью и вторичной трубой, чтобы повторно подавать горючий газ в камеру сгорания путем циркуляции горючего газа из камеры сгорания.

5. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что первичная труба и вторичная труба имеют множество первых опорных ребер, расположенных между ними, для центрирования и поддержки труб, а воздухозаборная труба имеет множество вторых опорных ребер, расположенных в ее наклонной части и выступающих в направлении вторичной трубы, чтобы поддерживать внешнюю поверхность вторичной трубы.

6. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что первичная труба имеет часть меньшего диаметра, сформированную в ее передней концевой части и имеющую поперечное сечение, наклоненное под заданным углом к перфорированной пластинчатой пламенной головке.

7. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что вторичная труба имеет расширенную часть, сформированную на конце цилиндрической части со стороны камеры сгорания таким образом, что воздух распределяется по внешней стенке камеры сгорания, и опорную часть, сформированную на внешней круговой поверхности расширенной части трубы для поддержки форсунок, предназначенных для вторичного впрыска топлива.

8. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что форсунки для вторичного впрыска топлива содержат шуровочную трубу, сформированную в концевой части соплового патрубка для впрыска вторичного топлива с целью направления горючего газа таким образом, чтобы он повторно впрыскивался в камеру сгорания путем прохождения горючего газа из камеры сгорания в шуровочную трубу.

9. Горелка по п. 8, отличающаяся тем, что шуровочная труба имеет наклонную поверхность, сформированную в ее концевой части, чтобы смесь вторичного топлива и горючего газа впрыскивалась под наклоном в направлении внешней стенки камеры сгорания.

10. Горелка по п. 8, отличающаяся тем, что шуровочная труба выполнена так, что длина центральной части шуровочной трубы в десять раз или более превышает ее внутренний диаметр.