ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2023 года по МПК F23D17/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для совместного сжигания твёрдого (суспензионного), жидкого и газообразного топлив.

Горелочные устройства крупных котлов обычно выполняют, как комбинированные, т. е. рассчитывают на сжигание двух видов топлива. Наибольшее распространение получили газомазутные и пылегазовые горелки. Имеются горелки, работающие на трёх видах топлива, твёрдом, жидком и газообразном.

Для сжигания природного газа и жидкого топлива разработаны газомазутная горелка ЦКТИ им. И. И. Ползунова, газомазутная горелка Таганрогского котельного завода, газомазутная горелка конструкции Оргмонтажэнергогаза и другие.

Недостатки указанных аналогов: громоздки, сложны конструктивно и в эксплуатации, перемешивание природного газа и окислителя производится в ограниченных внутренних камерах, вследствие чего возможен проскок пламени и взрыв газа.

Известна вихревая горелка для сжигания пылеугольных и пылегазовых смесей, а также газа, в которой оптимизировано смешение топливного агента с воздухом, что способствует более полному сгоранию топлива, [RU 131849, 17.12.2012, F23C 1/10, F23D 1/02, F23D 17/00], содержащая корпус с соосно установленными центральной трубой и обечайками, образующими кольцевые каналы подачи топлива, растопочного воздуха, причём на выходе не менее чем из одного кольцевого канала, расположенного между двумя другими каналами, установлен рассекатель.

Указанное решение не обеспечивают совместное сжигание газовых и жидких топлив.

Известно горелочное устройство для сжигания газообразного и жидкого топлива [RU 2551439, 21.05.2014, F23D 17/00], содержащее корпус с патрубком, образующий воздушную камеру, завихритель, центральный воздуховод для прохождения первичного воздуха, трубопровод с форсункой для подачи жидкого топлива.

Устройство не обеспечивает однородного перемешивания воздуха-окислителя, жидкого и газового топлив, и, тем самым, их надёжного эффективного сжигания.

Наиболее близким решением является пневматическая форсунка [RU 2346756, 15.05.2007, B05B 7/08], содержащая корпус с патрубком для подвода сжатого газа, установленную по оси корпуса трубу для подачи жидкого топлива, на торце которой расположен распыливающий насадок, который выполнен в виде диффузора, и воздушное сопло, образованное выступом на внутренней стенке корпуса и кольцевым насадком на трубе, выполненным ниже газового сопла в форме сходящейся к оси корпуса выпуклой головки, при этом длина головки имеет размер порядка диаметра выходного сечения диффузора.

Форсунка предназначена для распыливания жидких сред и не обеспечивает сжигание комплексных топлив, включающих несколько газовых и жидких компонентов.

В основу изобретения положена задача создания горелочного устройства с такой формой газовых и жидкостных трактов, конструкция которых позволила бы обеспечить хорошее качество распыления жидких (однородных, суспензионных, эмульсионных) топлив, их перемешивания с газовыми топливами и, как следствие, обеспечить их эффективное сжигание.

Предложено горелочное устройство, содержащее корпус в виде цилиндрической трубы с распыляющим насадком, выполненным в виде диффузорного сопла, и коаксиально с корпусом установленные центральную трубу подачи жидкого или газового топлива, переходящую в диффузорное сопло, и две внутренние трубы, образующие внутренние кольцевые каналы подачи топлива и окислителя, переходящие в диффузорные кольцевые щелевые сопла, и внешний кольцевой канал, переходящий в коническое щелевое сопло.

Согласно изобретению, внутренний профиль центральной трубы выполнен в форме сопла Лаваля с конфузором, горловиной и диффузором, причём l ≥ 2d, где l - длина горловины, d - диаметр горловины.

Согласно изобретению, первая внутренняя труба образует внутренний кольцевой канал подачи газового топлива с патрубком, переходящий в первое диффузорное кольцевое щелевое сопло, причём внутренний кольцевой канал образован внешней стенкой центральной трубы и внутренней стенкой первой внутренней трубы,

Согласно изобретению, вторая внутренняя труба образует внутренний кольцевой канал подачи газового топлива с патрубком, переходящий во второе диффузорное кольцевое щелевое сопло, причём внутренний кольцевой канал образован внешней стенкой первой внутренней трубы и внутренней стенкой второй внутренней трубы.

Согласно изобретению, вторая внутренняя труба образует также внешний кольцевой канал подачи окислителя (сжатого воздуха) с патрубком, переходящий в коническое щелевое сопло, причём внешний кольцевой канал образован внешней стенкой второй внутренней трубы и внутренней стенкой корпуса.

Согласно изобретению, трубы установлены относительно корпуса с возможностью осевого перемещения и таким образом, чтобы струи газовых топлив, исходящих из первого диффузорного кольцевого щелевого сопла и второго диффузорного кольцевого щелевого сопла тангенциально примыкали к внутренней поверхности диффузорного сопла горелочного устройства.

Согласно изобретению, угол раскрытия второго диффузорного кольцевого щелевого сопла является функцией от характеристик сжигаемого топлива.

На фиг. 1 представлен продольный разрез предложенного горелочного устройства, где: 1 - корпус; 2 - центральная труба; 3 - центральный канал подачи жидкого или газового топлива, выполненный по оси корпуса; 4 - первая внутренняя труба; 5 - первый внутренний кольцевой канал подачи газового топлива; 6 - патрубок для подвода газового топлива в первый внутренний кольцевой канал; 7 - первое диффузорное кольцевое щелевое сопло; 8 - вторая внутренняя труба; 9 - второй внутренний кольцевой канал подачи газового топлива; 10 - патрубок для подвода газового топлива во второй внутренний кольцевой канал; 11 - второе диффузорное кольцевое щелевое сопло; 12 - внешний кольцевой канал подачи окислителя (сжатого воздуха); 13 - патрубок для подвода окислителя во внешний кольцевой канал; 14 - щелевое коническое сопло; 15 - кольцевой насадок, 16 - выступ; 17 - диффузорное сопло горелочного устройства; 18 - диффузорное сопло центральной трубы (диффузор сопла Лаваля); l - длина горловины сопла Лаваля; d - диаметр горловины сопла Лаваля.

Горелочное устройство включает корпус 1 в форме цилиндрической трубы с распыляющим насадком, выполненным в виде диффузорного сопла (17) горелочного устройства, и три коаксиально установленные внутри него трубы 2, 4 и 8, образующие центральный канал 3 и кольцевые каналы 5, 9 и 12 подачи топлива и окислителя, переходящие в сопла, формирующие диффузорное сопло горелочного устройства 17.

В корпусе коаксиально (от центра к периферии) расположены:

- центральная труба 2 с каналом 3 подачи газового топлива, переходящая в диффузорное сопло 18;

- первая внутренняя труба 4, образующая первый внутренний кольцевой канал подачи газового топлива 5 с патрубком 6, переходящий в первое диффузорное кольцевое щелевое сопло 7.

- вторая внутренняя труба 8, образующая второй внутренний кольцевой канал подачи газового топлива 9 с патрубком 10, переходящий во второе диффузорное кольцевое щелевое сопло 11, и внешний кольцевой канал подачи окислителя (сжатого воздуха) 12 с патрубком 13, переходящий в коническое щелевое сопло 14.

Канал 3 подачи жидкого или газового топлива образован внутренними стенками центральной трубы 2. Внутренний профиль трубы 2 выполнен в форме сопла Лаваля с конфузором, горловиной и диффузором. Диаметр горловины сопла Лаваля является функцией расхода топлива и его задают для каждого конкретного устройства в зависимости от предполагаемого расхода топлива. Длина горловины l превышает более чем в 2 раза диаметр горловины d, l ≥ 2d.

Первый внутренний кольцевой канал 5 образован внешней стенкой центральной трубы и внутренней стенкой первой внутренней трубы 4.

Второй внутренний кольцевой канал 9 образован внешней стенкой первой внутренней трубы и внутренней стенкой второй внутренней трубы 8.

Угол раскрытия второго диффузорного кольцевого щелевого сопла 11 задают в зависимости от вида сжигаемого топлива. Углы раскрытия первого диффузорного кольцевого щелевого сопла 7 и диффузорного сопла 18 задают в зависимости от угла раскрытия второго диффузорного кольцевого щелевого сопла 11 таким образом, чтобы струи газовых топлив, исходящие из первого диффузорного кольцевого щелевого сопла и второго диффузорного кольцевого щелевого сопла максимально близко примыкали к внутренней поверхности диффузорного сопла 17 горелочного устройства.

Внешний кольцевой канал 12 образован внешней стенкой второй внутренней трубы 8 и внутренней стенкой корпуса 1. Внешний кольцевой канал 12 переходит в щелевое коническое сопло 14, формируемое выступом на внутренней стенке корпуса 16 и кольцевым насадком 15 на второй внутренней трубе.

Внутренние трубы, благодаря возможности их передвижения вдоль оси устройства, устанавливают в корпусе устройства в зависимости от распыляемых газовых топлив таким образом, чтобы струи газовых топлив, исходящие из первого диффузорного кольцевого щелевого сопла 7 и из второго диффузорного кольцевого щелевого сопла 11 тангенциально примыкали к внутренней поверхности диффузорного сопла 17 горелочного устройства.

Установленная внутри корпуса горелочного устройства центральная труба служит как для подачи жидкого топлива, так и для подачи газового топлива. Горелочное устройство используется для одновременного сжигания в различных сочетаниях комплекса разных твёрдых, жидких и газовых топлив, например, водоугольной суспензии, дизельного топлива, мазута, метана, водорода и других, в том числе, на стадии розжига котла. Содержание каждого из компонентов суммарного комплексного топлива может изменяться от 0 до 100%.

Предложенное горелочное устройство работает следующим образом. Воздух (окислитель) через патрубок 13 подается в канал 12. Струя газа, вытекающая из этого канала через сопло 14, образует сходящийся струйный газовый поток. В результате столкновения элементарных струй этого потока образуется струйное течение с точкой остановки на оси симметрии устройства, формированием дальнейшей сплошной струи вдоль оси устройства и образованием кумулятивной возвратной струи. Подача жидкости под напором в трубу 3 приводит к формированию струи, вытекающей из сопла Лаваля. Высокоскоростная кумулятивная струя газа, внедряясь в жидкостную струю вдоль ее оси, нарушает целостность струи и заставляет жидкость распределяться по стенкам диффузора 18 и далее диффузора 17. При этом возвратная газовая струя после соударения с жидкостной струей еще раз изменяет свое направление на обратное, растекается вдоль стенок диффузора 17 и ускоряет поток жидкости. Одновременно через патрубки 6 и 10 соответственно в каналы 5 и 9 подаются разные газовые топлива (например, природный газ и водород), которые с помощью сопл 7 и 11 формируют вдоль стенок диффузора 17 пристенные газовые струи. В своем дальнейшем течении эти струи, частично перемешиваясь между собой, вступают во взаимодействие с газокапельным потоком, сформированным жидкостным потоком и кумулятивной газовой струей, а затем и с воздушной струей, вытекающей из сопла 14. При этом внутри диффузора в пространстве, заполненном смесью всех трёх газов и жидкого топлива, формируется тороидальный вихрь.

Таким образом, в результате взаимодействия жидкой топливной струи, кумулятивной газовой струи и струи воздуха (окислителя), вытекающего из сопла 14, внутри конуса 17 формируется тороидальный вихрь, способствующий эффективному перемешиванию всех трёх газовых потоков и четвертой жидкой компоненты комплексного топлива, а на выходе из диффузора 17 образуется результирующий топливный газокапельный поток.

Формирование такого течения способствует безопасному и эффективному перемешиванию сжигаемых газов, воздуха (окислителя) и жидкого топлива и, как следствие, более полному и безопасному их совместному сжиганию. Следует отметить, что горение смеси топлив происходит за пределами среза диффузорного сопла горелочного устройства в открытом пространстве.

На предложенное горелочное устройство разработана техническая документация, изготовлены и испытаны опытные образцы. Испытания по формированию факела, с использованием воды в качестве жидкого топлива и воздуха в качестве сжигаемых газов, показали хорошее качество распыления воды по всему объёму создаваемого факела.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания газообразного и жидкого топлив. Горелочное устройство содержит корпус 1 в виде цилиндрической трубы с распыляющим насадком 17, выполненным в форме диффузорного сопла, и коаксиально с корпусом 1 установленные центральную трубу 2 подачи топлива, переходящую в диффузорное сопло 1, и внутренние трубы 4, 8, образующие кольцевые каналы подачи топлива и окислителя. Внутренний профиль центральной трубы 2 выполнен в форме сопла Лаваля с конфузором, горловиной и диффузором, причём l ≥ 2d, где l – длина горловины, d – диаметр горловины, а коаксиально с корпусом 1 и центральной трубой 2 установлены две внутренние трубы: первая внутренняя труба 4, образующая первый внутренний кольцевой канал 5 подачи газового топлива с патрубком 6, переходящий в первое диффузорное кольцевое щелевое сопло 7, причём первый внутренний кольцевой канал 5 образован внешней стенкой центральной трубы 2 и внутренней стенкой первой внутренней трубы 4, вторая внутренняя труба 8, образующая второй внутренний кольцевой канал 9 подачи газового топлива с патрубком 10, переходящий во второе диффузорное кольцевое щелевое сопло 11, причём второй внутренний кольцевой канал 9 образован внешней стенкой первой внутренней трубы 4 и внутренней стенкой второй внутренней трубы 8, а внешней стенкой второй внутренней трубы 8 и внутренней стенкой корпуса 1 образован внешний кольцевой канал 12 подачи окислителя с патрубком 13, переходящий в коническое щелевое сопло 14, при этом все трубы установлены относительно корпуса 1 с возможностью осевого перемещения таким образом, чтобы струи газовых топлив, исходящие из первого диффузорного кольцевого щелевого сопла 7 и второго диффузорного кольцевого щелевого сопла 11, тангенциально примыкали к внутренней поверхности диффузорного сопла 17 горелочного устройства. Изобретение позволяет повысить качество сжигания топлив. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Горелочное устройство, содержащее корпус в виде цилиндрической трубы с распыляющим насадком, выполненным в форме диффузорного сопла, и коаксиально с корпусом установленные центральную трубу подачи топлива, переходящую в диффузорное сопло, и внутренние трубы, образующие кольцевые каналы подачи топлива и окислителя, отличающееся тем, что внутренний профиль центральной трубы выполнен в форме сопла Лаваля с конфузором, горловиной и диффузором, причём l ≥ 2d, где l – длина горловины, d – диаметр горловины, а коаксиально с корпусом и центральной трубой установлены две внутренние трубы: первая внутренняя труба, образующая первый внутренний кольцевой канал подачи газового топлива с патрубком, переходящий в первое диффузорное кольцевое щелевое сопло, причём первый внутренний кольцевой канал образован внешней стенкой центральной трубы и внутренней стенкой первой внутренней трубы, вторая внутренняя труба, образующая второй внутренний кольцевой канал подачи газового топлива с патрубком, переходящий во второе диффузорное кольцевое щелевое сопло, причём второй внутренний кольцевой канал образован внешней стенкой первой внутренней трубы и внутренней стенкой второй внутренней трубы, а внешней стенкой второй внутренней трубы и внутренней стенкой корпуса образован внешний кольцевой канал подачи окислителя с патрубком, переходящий в коническое щелевое сопло, при этом все трубы установлены относительно корпуса с возможностью осевого перемещения таким образом, чтобы струи газовых топлив, исходящие из первого диффузорного кольцевого щелевого сопла и второго диффузорного кольцевого щелевого сопла, тангенциально примыкали к внутренней поверхности диффузорного сопла горелочного устройства.

2. Горелочное устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол раскрытия второго диффузорного кольцевого щелевого сопла является функцией от характеристик сжигаемого топлива.