Горелочное устройство

Полезная модель относится к устройствам для сжигания газообразного топлива и может быть использована, например в черной и цветной металлургии, машиностроении для отопления нагревательных и термических печей, печей расплава и обжига, котлов, бойлеров, в сушилах.
Известно горелочное устройство (газовый топливный реактор) (US 4708637, F23D 14/00, F23C 3/00; F23C 6/00; F23C 6/04; F23C 7/00, F23L 1/00, 1987 г.), содержащее воздухоподающий корпус, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными наклонными отверстиями, а внутри газовой трубки врезана перпендикулярно оси воздушная трубка меньшего диаметра с соосным отводом и открытым торцом, вокруг газовой трубки соосно размещена насадка, в полости которой выполнена совмещенная камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная установленной на входе в насадке крышкой с отверстиями и сопряженными цилиндрическим участком с наклонными отверстиями и коническим участком с отверстиями насадки, а к насадке на выходе жестко прикреплено цилиндрическое сопло с кольцевыми, рядными отверстиями на части сопла ограниченной задней крышкой воздухоподающего корпуса, коаксиально конической части насадки и соплу установлена обечайка, на цилиндрической части которой имеются отверстия, при этом на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса выполнены отверстия связывающие через пламенную трубку внутреннюю полость цилиндрической части насадки с открытым пламенем факела пилотной горелки с каскадным сжиганием газа при ударном противотоке газовых и воздушных струй. Наличие подачи части продуктов сгорания (рециркулята) в зону каскадного горения способствует стабилизации процесса горения и экономичности устройства.
Однако описанное устройство представляет собой довольно сложную конструкцию, поэтому является недостаточно надежным в эксплуатации, кроме того при наличии большого количества полостных каналов (воздушных и газовых), образованных дополнительными цилиндрическими кожухами значительно затрудняется настройка газодинамических параметров, что кроме того приводит к возникновению непрогнозируемых режимов при переходных процессах работы горелочного устройства.
Недостатком описанного устройства является также отсутствие обратной связи по регулированию объема подаваемого рециркулята в зону каскадного горения, приводящее к нестабильности процесса горения при переходных режимах работы реактора. Ударный противоток газовых и воздушных струй недостаточно эффективен.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является горелочное устройство (газовый топливный реактор) (RU №99596 U1l, F23D 14/02, 2010 г.), содержащее воздухоподающий корпус, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными наклонными отверстиями, внутри которой врезана перпендикулярно оси воздушная трубка меньшего диаметра с соосным отводом и открытым торцом, вокруг газовой трубки соосно размещена насадка, в полости которой выполнена совмещенная камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная установленной на входе в насадку крышкой с отверстиями и сопряженными цилиндрическим участком с наклонными отверстиями и коническим участком с отверстиями насадки, а к насадке на выходе жестко прикреплено цилиндрическое сопло с кольцевыми, рядными отверстиями, на части сопла ограниченной задней крышкой воздухоподающего корпуса, коаксиально конической части насадки и соплу установлена обечайка, на цилиндрической части которой имеются отверстия, при этом на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса выполнены отверстия, связывающие через пламенную трубку внутреннюю полость цилиндрической части насадки с внешней средой - открытым пламенем факела пилотной горелки с каскадным сжиганием газа при ударном противопотоке газовых и воздушных потоков, на конической части насадки в отверстия встроены клапаны с биметаллическим приводом кинематически связанным с конической частью насадки. При этом наклонные отверстия цилиндрической части насадки и газовой трубки выполнены со спиральной накаткой при оппозитном их размещении, оси упомянутых отверстий, размещенных на конической части насадки смещены в сторону меньшего основания конуса на расстояние 0,5-0,7 длины образующей конуса.
Недостатками описанного устройства является большой расход горючих газов, что существенно снижает экономичность горелочного устройства, следствием такого большого расхода горючих газов является наличие выбросов вредных веществ в атмосферу, что снижает экологичность использования такого устройства. Кроме того недостатком является также сложность управления факелом горелочного устройства.
Технический результат, на получение которого направлена полезная модель, заключается в снижении потребления горючих газов и содержания загрязняющих вредных веществ в атмосфере, что приводит к повышению его экономичности и экологичности.
Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что горелочное устройство, содержащее воздухоподающий корпус с передней и задней крышками, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными наклонными отверстиями, внутри которой врезана перпендикулярно оси воздушная трубка меньшего диаметра с соосным отводом и открытым торцом, вокруг газовой трубки соосно размещена насадка, в полости которой выполнена совмещенная камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная установленной на входе в насадку крышкой с отверстиями и сопряженными цилиндрическим участком с наклонными отверстиями и коническим участком с отверстиями насадки, а к насадке на выходе жестко прикреплено цилиндрическое сопло с кольцевыми рядными отверстиями на части сопла, ограниченной передней крышкой воздухоподающего корпуса, коаксиально конической части насадки и соплу установлена обечайка, на цилиндрической части которой имеются отверстия, при этом на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса выполнены отверстия, в которые установлена пламенная трубка, связывающая внутреннюю полость цилиндрической части насадки с внешней средой - открытым пламенем факела пилотной горелки, согласно полезной модели, внутри воздушной трубки установлена центральная трубка подачи мелкодисперсной воды или перегретого пара в камеру смешения и каскадного сжигания топлива, входной конец которой соединен со штуцером, вмонтированным в заднюю крышку воздухоподающего корпуса, а на выходном конце установлен распылитель,
Кроме того, заявленное устройство может быть снабжено дополнительными трубками подачи мелкодисперсной воды или перегретого пара в камеру смешения и каскадного сжигания топлива, врезанными в заднюю крышку корпуса и в патрубок подачи воздуха, на выходных концах которых установлены распылители.
Кроме того, заявленное горелочное устройство может быть снабжено дополнительными трубками подачи воды, охватывающими цилиндрическую и коническую части насадки, свободные концы которых соединены со змеевиком навитым на сопло для образования перегретого пара и подачи его в камеру смешения и каскадного сжигания топлива.
Снижение потребления горючих газов обеспечивается за счет частичной замены их мелкодисперсной водой или перегретым паром, молекулы которых расщепляются на атомы водорода и кислорода в условиях наличия в горелочном устройстве высокой температуры (более 1400 град. Цельсия) и кинетической энергии сгоревших газов, в дальнейшем водород сжигается. Поскольку при сжигании водорода вредные вещества не образуются, снижаются выбросы вредных веществ и таким образом общая масса вредных веществ от сжигания газа существенно снижается, что приводит к повышению его экономичности и экологичности. При этом путем регулирования количества подаваемой мелкодисперсной воды или перегретого пара можно управлять параметрами факела горелки (температурой, длиной факела и другими параметрами), что также приводит к повышению его экономичности горелочного устройства.
На Фиг. 1 представлен общий вид заявляемого горелочного устройства; на Фиг. 2 - вариант общего вида горелочного устройства, в котором осуществлено получение перегретого пара непосредственно в самом устройстве, а также варианты подачи мелкодисперсной воды или перегретого пара в горелочное устройство.
Горелочное устройство содержит воздухоподающий корпус 1 с передней 2 и задней 3 крышками, установленную по оси корпуса 1 и заглушенную с выходного торца шайбой 11 газовую трубку 4 с выпускными наклонными отверстиями 17, входной конец которой соединен со штуцером 13, к которому подсоединен патрубок подачи газа 26, а внутри газовой трубки 4 врезана перпендикулярно оси воздушная трубка 5 меньшего диаметра с соосным отводом и открытым торцом, вокруг газовой трубки 4 соосно размещена насадка 34 с цилиндрической 6 и конической 12 частями, в полости которой выполнена совмещенная камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная установленной на входе в насадку 34 крышкой 14 с отверстиями 15 и сопряженными цилиндрической частью 6 с наклонными отверстиями 16 с конической частью 12 с отверстиями 18 насадки 34, при этом наклонные отверстия 16 цилиндрической части 6 насадки 34 и наклонные отверстия 17 газовой трубки 4 выполнены с пересечением их осей с осью радиальных отверстий 15 крышки 14 для обеспечения стехиометрического сгорания топлива, дополнительной подачи воздуха для дожигания продуктов горения и создания импульса для выноса продуктов сгорания из устройства. Для подогрева воздуха и рециркуляции части сгоревших газов на конической части насадки 12 выполнены отверстия 18 с защитными козырьками 19 и к конической части насадке 12 на выходе жестко прикреплено цилиндрическое сопло 7 с кольцевыми рядными отверстиями 9 на части сопла 7, ограниченного передней крышкой 2 воздухоподающего корпуса 1, соосно конической части 12 насадки 34 и соплу 7 установлена обечайка 8, на цилиндрической части которой имеются отверстия 10. При этом на цилиндрической 6 части насадки 34 и стенке воздухоподающего корпуса 1 выполнены наклонные отверстия 16, 17, связывающие через установленную в соосных отверстиях 20 и 21 на цилиндрической части 6 насадки 34 и стенке воздухоподающего корпуса 1 пламенную трубку 22 внутреннюю полость цилиндрической части 6 насадки 34 с внешней средой - открытым пламенем факела пилотной горелки (на чертеже не показана). Внутри воздушной трубки 5 установлена центральная трубка 27 подачи мелкодисперсной воды или перегретого пара в камеру
смешения и каскадного сжигания топлива, входной конец которой соединен со штуцером 13 вмонтированным в заднюю крышку 3 воздухоподающего корпуса 1, передняя крышка 2 которого установлена с зазором относительно сопла 7 для обеспечения компенсации возможного температурного расширения и удлинения сопла, кроме того газовая трубка 4 шпоночно соединена с упомянутой крышкой 14, при этом на газовой трубке 4 закреплена шпонка 24, входящая в шпоночный паз, выполненный в центральном отверстии крышки 14 для предотвращения смещения точек пересечения осей отверстий 17 газовой трубки 4, отверстий 16 цилиндрической части 6 насадки 34, отверстий 15 крышки 14.
Кроме того, горелочное устройство (Фиг. 2) может быть снабжено дополнительными трубками 29 для подачи мелкодисперсной воды или перегретого пара в камеру смешения и каскадного сжигания топлива и дополнительными трубками 30 для подачи воды врезанными в заднюю крышку 3 корпуса 1 и дополнительными трубками 31 для подачи образовавшегося перегретого пара, причем дополнительные трубки 30 и 31 эквидистантно охватывают цилиндрическую 6 и коническую 12 части насадки 34, соединяясь между собой через змеевик 32 навитый на сопло 7, при оптимальных вариантах выполнения горелочного устройства, в патрубок 23 подачи воздуха воздухоподающего корпуса 1 может быть также вмонтирована трубка 28 для подачи мелкодисперсной воды или перегретого пара. На выходных концах центральной трубки 27, дополнительных трубок 28 и 29 для подачи мелкодисперсной воды или перегретого пара установлены распылители 33. Для крепления горелочного устройства при установке на рабочее место предусмотрены крепежные опоры 25, их количество определяется конкретными условиями эксплуатации.
Горелочное устройство работает следующим образом.
Через патрубок 26 штуцера 13 газ подается в газовую трубку 4 и далее через наклонные отверстия 17 поступает в камеру смешения и каскадного сжигания. Для запуска процесса горения используется пилотная (пусковая или запальная) горелка (на чертеже не показана) с пламенной трубкой 22, которые входят в совмещенную камеру смешения и каскадного сжигания топлива. Через патрубок 23 подается воздух, который поступает в камеру, образованную воздухоподающим корпусом 1 и обечайкой 8 через отверстия 10 в цилиндрической части обечайки 8, где подогревается газами идущими через отверстия 18 и защитные козырьки 19. В дальнейшем потоки воздуха подразделяются. Воздух через наклонные отверстия 16 насадки 34 поступает в камеру смешения и каскадного сжигания топлива, где сталкивается в строго фиксированных точках с поступающим газом из газовой трубки 4 по наклонным отверстиям 17 газовой трубки 4. Размеры наклонных отверстий 16 и 17 определяются конструктивно с учетом давления воздуха и газа, обеспечивая потоки воздуха и газа близкие к стехиометрическому состоянию. Через отверстия 15 крышки 14 расположенные по окружности, оси которых ориентированы на точки пересечения потоков воздуха и газа, часть воздуха, который является избыточным, попадает в камеру смешения и каскадного сжигания топлива. Функция потоков излишнего воздуха заключается в охлаждении пламени и проталкивании продуктов горения и несгоревшего газа вперед, освобождая этим первую зону горения. Результирующий поток будет содержать несгоревший газ, продукты горения и большой избыток воздуха. Потоки воздуха, поступающие через второй ряд входных наклонных отверстий 16 насадки 34 и потоки газа, поступающие из второго ряда наклонных отверстий 17 газовой трубки 4, встречаются в точках их пересечения с результирующим потоком первой зоны горения и на этом участке, составляющем вторую зону горения, они сгорают. Вначале во второй зоне горения сгорает недогоревший газ продуктов горения первой зоны горения, так как он предварительно нагрет в результирующем потоке. Результирующий поток первой зоны горения оказывает охлаждающее действие на вторую зону горения и способствует перемещению всех продуктов вперед. Результирующий поток второй зоны горения будет иметь большую скорость, так как состоит из суммы двух потоков: первой и второй зоны горения. Таких зон горения можно сформировать множество за счет последующих совмещения наклонных отверстий 16 насадки 34 и наклонных отверстий 17 газовой трубки 4. Общий поток всех зон горения ударяется в коническую часть 12 насадки 34 и отклоняется к соплу 7. Одновременно подается воздух через воздушную трубку 5 и происходит окончательное догорание несгоревших частиц топлива и продуктов горения. Часть продуктов горения проходит из камеры смешения и каскадного сжигания топлива через отверстия 18 в коническую часть 12 насадки 34, нагревая поступающий туда воздух, и затем идет вместе с воздухом на повторное сжигание. Часть воздуха через кольцевые рядные отверстия 9 поступает в сопло 7, создает охлаждающий слой и способствует сгоранию остатков топлива и продуктов горения. В камеру смешения и каскадного сжигания подаются мелкодисперсная вода или перегретый пар посредством дополнительных трубок 28 и 29 вмонтированных в патрубок подачи воздуха 23 и в заднюю крышку 3 воздухоподающего корпуса 1, соответственно, а также через центральную трубку 27, установленную соосно центральной оси устройства. Перегретый пар можно получить также, используя тепло горелочного устройства, подавая воду через дополнительную трубку 30 в змеевик 32. Образовавшийся перегретый пар проходит через трубку 31 в камеру смешения и каскадного сжигания. Мелкодисперсная вода образовывается путем прохождения ее под большим давлением через распылители 33 установленные на выходе центральной трубки 27, дополнительных трубок 28 и 29. В качестве распылителей 33 могут использоваться пластинки с отверстиями. Горелочное устройство, представленное на Фиг. 2, позволяет реализовывать различные варианты работы устройства путем использования для подачи мелкодисперсной воды или перегретого пара не только через центральную трубку 27, но и, по крайней мере, через одну из перечисленных выше дополнительных трубок 28 и 29, а также трубку 30 для подачи воды.
Использование предлагаемого горелочного устройства обеспечивает снижение потребления газа и максимальное уменьшение выброса загрязняющих веществ за счет ввода в горелочное устройство мелкодисперсной воды или перегретого пара с расщеплением молекул воды на водород и кислород и сжигания образовавшегося водорода.