Низкоэмиссионная газовая горелка с внешней подачей топлива Российский патент 2024 года по МПК F23D14/24 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при организации сжигания высококалорийного газового топлива в топках котлов, камер сгорания и печах.

Известна горелка с ультранизкой эмиссией NOx (RU № 2426030 C2, МПК F23D 14/22, F23D 14/32, F23D 14/58, 2007г.), содержащая удлиненный корпус, имеющий периферийную часть, выпускную сторону, смежную с зоной горения, и ось, причем ось проходит через зону горения, одну или более окислительных форсунок, расположенных на выпускной стороне удлиненного корпуса и приспособленных для выпуска газообразного окислителя в зону горения, и одну или более топливных форсунок, расположенных на выпускной стороне удлиненного корпуса и приспособленных для выпуска топлива в зону горения. При этом, по меньшей мере, одна из окислительных и топливных форсунок характеризуется форм-фактором σ, несколько большим 10, причем σ - безразмерный параметр, определяемый как , где P - значение периметра выпускного отверстия и A - площадь выпускного отверстия. По меньшей мере, одна, из одной или более, топливная форсунка и, по меньшей мере, одна, из одной или более, окислительная форсунка расположены на равных радиальных расстояниях от оси. По меньшей мере, одна, из одной или более, топливная форсунка расположена между двумя окислительными форсунками. По меньшей мере, одна, из одной или более, топливная форсунка расположена на радиальном расстоянии от оси, большем радиального расстояния от оси, по меньшей мере, одной, из одной или более, окислительной форсунки. Удлиненный корпус разделен горизонтальной плоскостью, содержащей ось удлиненного корпуса, в котором число окислительных форсунок, расположенных выше плоскости, больше числа окислительных форсунок, расположенных ниже плоскости, и в котором число топливных форсунок, расположенных ниже плоскости, больше числа топливных форсунок, расположенных выше плоскости. Горелка содержит, по меньшей мере, один стабилизатор пламени, расположенный в пределах периферийной части удлиненного корпуса. Стабилизатор пламени приспособлен для горения топлива стабилизатора пламени с одним или несколькими окисляющими газами для формирования продуктов горения и для выпуска продуктов горения в зону горения.

Недостатком этой горелки является низкая эффективность работы центрального стабилизатора по поддержанию основного факела вследствие большой удаленности факела центрального стабилизатора от зоны горения топлива из топливных форсунок и отсутствия прямого попадания излучения от факела центрального стабилизатора в зону инжекции топлива из топливных форсунок. Более того, заглубление факела центрального стабилизатора может привести к повреждениям элементов конструкции горелки за счет высоких температур в зоне горения топлива на выходе из центрального стабилизатора. Также в данной конструкции горелки эффективность эжекции дымовых газов топливными струями из топливных форсунок может быть низкой в силу расположения выходных частей каналов горелки и форсунок в одной плоскости со стенами топки или камеры, на которых установлена горелка, что может привести к снижению интенсивности разбавления окислителя и нагрева смеси топлива с газами в данной области и, как следствие, менее эффективному снижению скорости образования NOx. Дополнительно в данной конструкции горелки можно отметить отсутствие вихревого аппарата в каналах подачи окислителя, что снижает эффективность дожигания топлива из-за слабого перемешивания с окислителем, существенно затягивает процесс выгорания топлива и приводит к увеличению дальнобойности факела горелки.

Наиболее близкой по технической сущности является модернизированная прямоточно-вихревая горелка (RU № 216775 U1, МПК F23D 14/22, 2022г.), содержащая воздушный канал, аксиальный завихритель, газораздающие трубки, расположенные вокруг последнего симметрично продольной оси канала, формирующие периферийный канал топливного газа, и центральный канал топливного газа. Газораздающие трубки периферийного канала топливного газа на выходе снабжены удлиняющими газовыми трубками с выпускными соплами, которые заведены в топку и расположены по периметру амбразуры. На газовых соплах могут быть установлены смесители для организации контролируемого качества эжекции. Данная горелка обеспечивает снижение выбросов NOx при сжигании газообразного топлива.

Недостатком этой горелки является низкая эффективность работы центрального стабилизатора по воспламенению топлива вследствие большой удаленности факела центрального стабилизатора от зоны горения топлива, выходящего через выпускные сопла периферийного канала топливного газа. Более того, вывод удлиняющих газовых трубок в непосредственной близости от зоны горения топлива из центрального канала топливного газа с высокими локальными температурами среды снижает надежность конструкции и продолжительность работы горелки. Также эффективность эжекции дымовых газов топливными струями из выпускных сопел может быть низкой в силу глубокого выноса смесителей в область топки, в то время как подача воздуха и смешение его с дымовыми газами топочной камеры происходит значительно раньше. Это может привести к повышению концентрации окислителя в смеси газов в области подачи топлива через выпускные сопла периферийного канала топливного газа, что негативно скажется на эффективности снижения скорости образования NOx.

Технической задачей настоящего изобретения является снижение образования NOx при сжигании высококалорийного газообразного топлива с обеспечением надежности конструкции и стабильности горения при режимах работы горелки на различных нагрузках.

Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.

Технический результат достигается тем, что низкоэмиссионная газовая горелка с внешней подачей топлива содержит центральный канал подачи топлива по оси горелки, вокруг которого и соосно с ним расположен воздушный канал с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем, а также топливные трубки периферийного газового коллектора, установленные в воздушном канале на одинаковом расстоянии от оси горелки. Согласно изобретению, воздушный канал разделен на внутренний кольцевой воздушный канал с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем и внешний кольцевой воздушный канал. При этом на выходе из горелки внешний кольцевой воздушный канал разделен вставкой на два кольцевых канала, в ближайшем к оси горелки из которых установлен лопаточный завихритель с регулируемой круткой, причем высота h кольцевого канала с установленным лопаточным завихрителем и высота H внешнего кольцевого воздушного канала имеют определенное соотношение. Выход из прямоточного кольцевого канала горелки частично перекрыт стенкой, через которую проходят топливные трубки от периферийного газового коллектора, заканчивающиеся соплами раздачи топлива на уровне выхода из кольцевых каналов горелки, причем площадь перекрытия s прямоточного кольцевого канала стенкой и площадь поперечного сечения S прямоточного кольцевого канала имеют определенное соотношение. Горелка может быть заглублена в топку, причем расстояние L, на которое выход из воздушных кольцевых каналов отстоит от стенки топки, и диаметр D внешней стенки внешнего кольцевого канала имеют определенное соотношение.

Конструкция низкоэмиссионной газовой горелки с внешней подачей топлива представлена на чертежах:

на фиг. 1 - продольный разрез низкоэмиссионной газовой горелки;

на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

На фиг. 1 дополнительно показаны: А - зона интенсивного горения топлива, подаваемого через центральный канал подачи топлива, с высокими локальными температурами газов (стабилизатор факела горелки); Б - зона с высокой концентрацией окислителя и низкими температурами газов; В - зона дожигания топлива, подаваемого через топливные трубки периферийного газового коллектора, с умеренными температурами газов; Г - зона внутренней рециркуляции горячих продуктов реакций с низкой концентрацией окислителя.

Низкоэмиссионная газовая горелка с внешней подачей топлива устанавливается на стене топки 1 котла. Она содержит центральный канал 2 подачи топлива с установленным на выходе газораздающим насадком 3. Вокруг центрального канала 2 и соосно с ним последовательно расположены каналы: внутренний кольцевой канал 4 воздуха с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем 5 и внешний кольцевой канал 6 воздуха. Внутренний кольцевой канал 4 воздуха оборудован входным патрубком 7, а внешний кольцевой канал 6 воздуха оборудован входным патрубком 8. Через внешний кольцевой канал 6 воздуха сонаправлено оси горелки проходят топливные трубки 9 периферийного газового коллектора, на выходе из которых установлены сопла раздачи топлива 10. Рекомендуемое оптимальное число топливных трубок 9 периферийного газового коллектора составляет 8-12. Во внешнем кольцевом канале 6 воздуха на выходе из горелки установлена вставка 11 (обечайка), разделяющая его на два кольцевых канала. Область между вставкой 11 и внешней стенкой внутреннего кольцевого канала 4 воздуха образует на выходе из горелки кольцевой канал 12, в котором установлен лопаточный завихритель 13 с регулируемой круткой, причем высота h кольцевого канала 12 соотносится с высотой H внешнего кольцевого канала 6 воздуха следующим образом:

где h - высота кольцевого канала 12;

Н - высота внешнего кольцевого канала 6 воздуха.

Область между вставкой 11 и внешней стенкой внешнего кольцевого канала 6 воздуха образует прямоточный кольцевой канал 14, выход из которого частично перекрыт стенкой 15 с углублениями в области топливных трубок 9 периферийного газового коллектора, причем площадь перекрытия s соотносится с площадью поперечного сечения S кольцевого канала 14 следующим образом:

где s - площадь, перекрытая стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14;

S - площадь поперечного сечения кольцевого канала 14.

Горелка может быть заглублена в топку, причем расстояние L, на которое выход из кольцевых каналов горелки отстоит от стенки топки 1 котла соотносится с диаметром D внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха следующим образом:

где L - расстояние, на которое выход из воздушных кольцевых каналов горелки отстоит от стенки топки 1 котла;

D - диаметр внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха.

Низкоэмиссионная газовая горелка с внешней подачей топлива работает следующим образом.

Через газораздающую насадку 3 центрального канала 2 подачи топлива подают высококалорийное топливо и производят розжиг горелки посредством запальника (не показан), установленного во внутреннем кольцевом канале 4 воздуха. Для этого по входному патрубку 7 в кольцевой канал 4 подают воздух, необходимый для воспламенения и горения топлива. Лопаточный завихритель 5 на выходе из кольцевого канала 4 закручивает поток воздуха, что позволяет улучшить смешение топлива с воздухом и создать стабилизирующую зону А за счет образования приосевой зоны обратных токов горячих топочных газов, тем самым повысив стабильность воспламенения топлива в данной области. За счет высокого избытка воздуха стабилизирующая зона А характеризуется интенсивным горением топлива с высокими локальными температурами газов и фактически является устойчивым стабилизатором пламени для всей горелки.

После разогрева топки через топливные трубки 9 периферийного коллектора начинают постепенно подавать топливо одновременно с подачей воздуха через входной патрубок 8 в кольцевой канал 6. При достижении номинальной нагрузки расход топлива через топливные трубки 9 периферийного коллектора составляет не менее 75% от общего расхода топлива на горелку. Установленная во внешнем кольцевом канале 6 воздуха вставка 11 разделяет воздушный поток на две части. Одна часть проходит через кольцевой канал 12 с регулируемым лопаточным завихрителем 13 и образует зону Б, которая характеризуется высокой концентрацией окислителя и низкими температурами. Регулирование крутки лопаточного завихрителя 13 позволяет изменять размеры зоны Б, тем самым снижая или повышая интенсивность перемешивания основной массы окислителя с топливом от периферийного газового коллектора. Направление закручивания потоков во внутреннем кольцевом канале 4 воздуха и кольцевом канале 12 совпадает. Вторая часть воздушного потока проходит через кольцевой канал 14 без закручивания и способствует разделению потока топлива периферийного газового коллектора от основного объема окислителя на начальном участке, в то время как частичное перекрытие канала стенкой 15 позволяет исключить интенсивное перемешивание данной части воздушного потока с топливными струями из топливных трубок 9 периферийного газового коллектора. Таким образом, образование зоны Б с высоким избытком воздуха и низкими температурами позволяет уменьшить протяженность зоны А, что благоприятно сказывается на снижении интенсивности образования «термических» NOx в данной области, а уменьшение интенсивности перемешивания основной массы окислителя с топливом периферийного коллектора на начальном этапе не приводит к образованию высокотемпературных зон и, как следствие, областей с высокой генерацией «термических» NOx. Более того, начало горения поданного через трубки 9 топлива происходит при низком содержании окислителя в смеси газов и температурах выше начала воспламенения топлива (беспламенное горение), что позволяет обеспечить низкоэмиссионное сжигание топлива и, как следствие, достаточно низкую концентрацию NOx на выходе.

По мере удаления от горелки происходит постепенное (поэтапное) перемешивание окислителя из зоны Б с недогоревшим топливом, поступающим в топку через сопла раздачи топлива 10. В результате дожигания образуется обширная зона В с умеренными температурами газов, состоящая как из неизрасходованного окислителя, так и из продуктов реакций в результате горения топлива на начальном участке (беспламенное горение на периферии и горение в зоне А), поэтому в данной области скорость образования NOx является незначительной.

Прямоточно-вихревой характер распространения горелочных струй и заглубление горелки в топку способствуют образованию во внешней пригорелочной области зоны пониженного давления (зона Г) и затягиванию в данную область продуктов реакций преимущественно из зоны В. Высокая скорость топливных струй на выходе из сопел раздачи топлива 10 вызывает эжекцию дымовых газов из зоны Г, в результате чего происходит смешение топлива с горячими дымовыми газами, снижение концентрации окислителя и повышение температур смеси топлива с дымовыми газами выше температуры самовоспламенения. Это создает благоприятные условия для беспламенного горения со сниженными скоростями образования NOx в данной области.

Благодаря тому, что подача топлива из трубок 9 происходит в область с низким содержанием окислителя и высокой температурой газов, способствующими появлению радикалов CH и CH₂, в зоне Г также проходят реакции восстановления NOx, которые образовались в зоне В после дожигания топлива. Данное обстоятельство позволяет дополнительно снизить концентрацию NOx на выходе.

Оптимальным соотношением высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха является 0,4-0,6, а оптимальным соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 является 0,7-0,9. Такие соотношения обеспечивают оптимальное деление потока воздуха между кольцевым каналом 12 и кольцевым каналом 14, а также замедляют на начальном этапе смешение окислителя с топливом, подаваемым через топливные трубки 9. При соотношении высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха менее 0,4 одновременно с соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 более 0,9, а также при соотношении высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха более 0,6 одновременно с соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 менее 0,7 формируется неоптимальный скоростной режим потоков воздуха на выходе из каналов, который приводит к высокой дальнобойности или срыву факела горелки. При соотношении высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха менее 0,4 одновременно с соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 менее 0,7, а также при соотношении высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха более 0,6 одновременно с соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 более 0,9 не обеспечивается оптимальное деление потока воздуха между кольцевым каналом 12 и кольцевым каналом 14, что приводит к нарушению низкоэмиссионного режима горения топлива и повышению концентраций NOx на выходе.

Оптимальным соотношением расстояния L, на которое горелка может быть заглублена в топку и диаметра D внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха является 0,1-0,3. Такое соотношение увеличивает интенсивность затягивания во внешнюю пригорелочную область продуктов реакций из зоны В при условии обеспечения надежности работы горелки. При соотношении расстояния L, на которое горелка заглублена в топку, и диаметра D внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха менее 0,1 влияние заглубления горелки в топку на интенсивность затягивания во внешнюю пригорелочную область продуктов реакций из зоны В становится незначительным. При соотношении расстояния L, на которое горелка заглублена в топку, и диаметра D внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха более 0,3 возникает риск существенного нагрева выходных элементов горелки, что снижает надежность работы горелки.

Возможность снижения концентрации NOx при использовании предлагаемой горелки обеспечивается применением современной и перспективной технологии «беспламенного» горения, более известной в данной области техники как Moderate or Intense Low oxygen Dilution combustion (MILD combustion). Данное сжигание характеризуется невидимым или слабозаметным пламенем и равномерным распределением температуры (подавление локальных пиков). Для организации такого горения необходимо нагреть топливо до температуры выше температуры самовоспламенения и сильно разбавить реагенты дымовыми газами перед тем, как они смешаются и вступят в реакцию, а также использовать очень устойчивый стабилизатор пламени. В результате обеспечивается полное и эффективное сгорание в сочетании со значительным сокращением выбросов NOx, что подтверждено экспериментальными данными при имитировании режима «беспламенного» горения топлива на горелке Adelaide Jet in Hot Coflow (Adelaide JHC).

Использование предлагаемой низкоэмиссионной газовой горелки с внешней подачей топлива позволяет обеспечить низкий уровень концентрации NOx на выходе и стабильное горение топлива при надежной работе горелки на различных нагрузках.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при организации сжигания высококалорийного газового топлива в топках котлов, камер сгорания и печах. В газовой горелке воздушный канал разделен на внутренний кольцевой воздушный канал с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем и внешний кольцевой воздушный канал. При этом на выходе из горелки внешний кольцевой воздушный канал разделен обечайкой на два кольцевых канала, в ближайшем к оси горелки из которых установлен лопаточный завихритель с регулируемой круткой. Выход из прямоточного кольцевого канала горелки частично перекрыт стенкой, через которую проходят топливные трубки от периферийного газового коллектора, заканчивающиеся соплами раздачи топлива. Горелка может быть заглублена в топку. Изобретение позволяет обеспечить низкий уровень образования NOx при сжигании высококалорийного газового топлива и стабильное горение при надежной работе горелки на различных нагрузках. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Низкоэмиссионная газовая горелка с внешней подачей топлива, содержащая центральный канал подачи топлива по оси горелки, вокруг которого и соосно с ним расположен воздушный канал с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем, а также установленные в воздушном канале на одинаковом расстоянии от оси горелки топливные трубки периферийного газового коллектора, отличающаяся тем, что воздушный канал разделен на внутренний кольцевой воздушный канал с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем и внешний кольцевой воздушный канал, а внешний кольцевой воздушный канал на выходе из горелки разделен вставкой на два кольцевых канала, в ближайшем к оси горелки из которых установлен лопаточный завихритель с регулируемой круткой, причем высота h кольцевого канала с установленным лопаточным завихрителем и высота H внешнего кольцевого воздушного канала имеют соотношение:

h/H=0,4-0,6,

где h – высота кольцевого канала с лопаточным завихрителем;

Н – высота внешнего кольцевого канала воздуха;

выход из прямоточного кольцевого канала горелки частично перекрыт стенкой, через которую проходят топливные трубки периферийного газового коллектора, заканчивающиеся соплами раздачи топлива на уровне выхода из кольцевых каналов горелки, причем площадь перекрытия s прямоточного кольцевого канала стенкой и площадь поперечного сечения S прямоточного кольцевого канала имеют соотношение:

s/S=0,7-0,9,

где s – площадь, перекрытая стенкой на выходе прямоточного кольцевого канала;

S – площадь поперечного сечения прямоточного кольцевого канала.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что заглублена в топку, причем расстояние L, на которое выход из воздушных кольцевых каналов отстоит от стенки топки, и диаметр D внешней стенки внешнего кольцевого канала имеют соотношение:

L/D=0,1-0,3,

где L – расстояние, на которое выход из воздушных кольцевых каналов отстоит от стенки топки;

D – диаметр внешней стенки внешнего кольцевого канала воздуха.