Горелочное устройство и способ организации факела горения топлива
BURNER DEVICE AND METHOD OF FUEL COMBUSTION FLAME ARRANGEMENT

Группа изобретений относится к области теплотехники, а именно к способам и устройствам для сжигания отработанных нефтепродуктов, в том числе отработанных масел, некондиционных нефтепродуктов, а также дизельного топлива и сырой нефти любых сортов, мазута, печного топлива, растительных масел и жиров любого происхождения, нефтешламов и нефтяных отходов.
Известна установка для сжигания жидкого топлива (патент RU 85215 U1, МПК F23K 5/08, опубл. 27.07.2009), содержащая топливный бак, топливопроводы, поплавковую камеру с регулятором уровня топлива, камеру подготовки топлива к сгоранию с заливной горловиной, горелку, вентилятор с воздуховодом для подачи первичного воздуха в камеру подготовки топлива к сгоранию через трубопровод и вторичного воздуха в горелку, при этом внутри трубопровода подачи первичного воздуха установлена заслонка, соединенная с механизмом регулировки подачи воздуха, а внутри воздуховода в зоне подачи вторичного воздуха также установлена заслонка, соединенная с механизмом регулировки подачи воздуха в горелку.
Недостатками указанной установки для сжигания жидкого топлива являются: ограниченная возможность приема топлива с повышенной вязкостью, проскок большого потока воздуха в зону воспламенения топлива и нарушение тяги, множество перфорации в горелке накапливающих нагар и недожог сажи затрудняющих горение, слабая организация факела горения топлива, в совокупности влекущие к сокращению длины факела, к перегреву горелки и потери теплоты до выхода факела, к образованию повышенной концентрации оксидов азота.
Наиболее близкое техническое решение - горелочное устройство испарительного типа раскрыто на сайте Termoportal.ru (https://www.termoportal.ru/threads/prostaja-gorelka-na-otrabotannom-masle-svoimi-rukami/1184/) и видеоканале автора https://www.youtube.com/watch?v=IPjSstZvCn4 (https://www.youtube.com/user/remix591/videos).
Горелочное устройство содержит топливную емкость с крышкой, дожигатель и втулку для присоединения воздуховода. Крышка горелочного устройства имеет одно или несколько отверстий для всасывания первичного воздуха в зону воспламенения топливной емкости. Вторичный воздух подается в дожигатель через втулку от внешнего воздушного компрессора. Дожигатель выполнен в виде патрубка с перфорированной поверхностью. Топливо в топливную емкость подается самотеком от автопоилки.
Недостатками указанного горелочного устройства являются: ограниченная возможность приема топлива с повышенной вязкостью, проскок большого потока воздуха в зону воспламенения топлива и нарушение тяги, множество перфорации в дожигательном патрубке выплескивающих пламя и теряющих напор факела, накапливание нагара в глухих зонах топливной емкости и недожог сажи, слабая организация факела горения топлива, в совокупности влекущие к сокращению длины факела, к перегреву горелочного устройства и потери теплоты до выхода факела, к потере температуры факела и неполноте сгорания топлива.
Особенностью способов организации горения в указанных устройствах является компрессия вторичного воздуха в поток воспламененных паров топлива, что влечет к нарушению тяги, к перегреву корпуса горе л очных устройств от преждевременного окисления топлива и к перенасыщению продуктов сгорания оксидами азота, полученного вместе с поступившим на горение воздухом.
Существенным отличием от указанных технических решений в заявленной группе изобретений является кардинальное изменение кинетики горения посредством введения форсунки с конусообразным соплом с тангенциально-сдвинутыми боковыми рассечками, подающей вторичный воздух, нагретый в собственном канале форсунки от воздействия первичного пламени над топливной емкостью. Первичный воздух не давит в топливо или в пары топлива, а наоборот всасывается под действием сил тяги от устройства дожигателя из испарительно-воспламенительной зоны над топливом, где происходит испарение и воспламенение паров топлива при недостатке кислорода, откуда воспламененная смесь затягивается под действием эжекции в закрученный поток вторичного воздуха, выходящий из рассеченного сопла нагретой форсунки, формирующий вектор тяги непосредственно в дожигателе и сам факел по направлению дутья форсунки.
Задачей, на решение которой направлено горелочное устройство, является разработка конструкции устройства для сжигания сложных видов топлива различной вязкости, позволяющего снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу посредством исключения компрессии первичного воздуха и организации высокотемпературного факела.
Задачей, на решение которой направлен способ организации факела горения топлива в горелочном устройстве, является обеспечение двухступенчатой системы горения путем поджога исходного топлива с недостатком первичного воздуха и последовательного дожигания смеси испарившихся газов и воспламененных паров топлива с избытком вторичного воздуха, формирующей организованный факел горения топлива, с эффектом эжекции.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в обеспечении факела высокотемпературного горения для различных видов топлива разной вязкости и снижении выбросов загрязняющих веществ при их сжигании.
Указанная техническая задача, на решение которой направлено горелочное устройство решается, а технический результат достигается тем, что горелочное устройство, включает топливную емкость с крышкой, дожигатель и втулку, при этом, концевая часть дожигателя с закрепленной втулкой установлена на крышке топливной емкости, причем соосно через втулку в устье дожигателя установлена форсунка для подачи вторичного воздуха, конусообразное сопло которой содержит тангенциально-сдвинутые боковые рассечки, а крышка выполнена в виде усеченной пирамиды и расположена над топливной емкостью с щелевыми зазорами для поступления первичного воздуха.
Указанная техническая задача, на решение которой направлен способ организации факела горения топлива в горелочном устройстве, решается, а технический результат достигается тем, что способ организации факела горения топлива в горелочном устройстве заключается в том, что топливо подают в топливную емкость, вторичный воздух подают в форсунку и поджигают топливо в топливной емкости, при этом подачу первичного воздуха регулируют посредством изменения сечения щелевых зазоров путем изменения положения топливной емкости относительно крышки для организации естественной тяги первичного воздуха, причем давление подачи вторичного воздуха в форсунку регулируют после выбора положения топливной емкости для достижения максимально возможной температуры факела горения топлива.
Заявленная группа изобретений поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - общий вид горелочного устройства;
фиг. 2 - разрез горелочного устройства;
фиг. 3 - общий вид форсунки с конусообразным соплом;
фиг. 4 - фронтальный вид сопла форсунки с тангенциально-сдвинутыми боковыми рассечками;
фиг. 5 - график изменения концентрации оксидов азота на стабильном факеле; фиг. 6 - график изменения концентрации угарного газа на стабильном факеле; фиг. 7 - график изменения концентрации метанов на стабильном факеле; фиг. 8 - график изменения концентрации оксидов серы на стабильном факеле. Позициями на чертежах фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 обозначены:
1 - топливная емкость;
2 - крышка;
3 - дожигатель;
4 - втулка;
5 - форсунка;
6 - рукоятка;
7 - сопло форсунки;
8 - тангенциально-сдвинутые боковые рассечки сопла.
Горелочное устройство (фиг. 1) содержит топливную емкость 1 с установленной сверху крышкой 2 в виде усеченной пирамиды, дожигатель 3, концевой частью закрепленный на крышке 2, втулку 4, расположенную в верхней части крышки 2 соосно дожигателю 3, и форсунку 5 с конусообразным соплом 7 с тангенциально-сдвинутыми боковыми рассечками 8 (фиг. 3) для подачи вторичного воздуха, установленную через втулку 4 в устье дожигателя 3.
Крышка 2 установлена на топливной емкости 1 с образованием щелевых зазоров. Топливная емкость 1 выполнена с возможностью изменения положения относительно крышки 2.
Топливная емкость 1 содержит рукоятки 6. Дожигатель 3 выполнен в виде отрезка цельной трубы.
Форсунка 5 с соплом 7 установлена внутри втулки 4, откуда проходит сквозь полость под крышкой 2 в устье дожигателя 3, и фиксируется таким образом, чтобы выходящий из тангенциально-сдвинутых боковых рассечек 8 сопла 7 форсунки 5 вторичный воздух не проникал в испарительно-воспламенительную зону над поверхностью кипящего топлива, которая формируется под крышкой 2.
Способ организации факела горения топлива в горелочном устройстве осуществляется следующим образом.
Топливо подается через отверстие (на фиг. не показано) в топливную емкость 1 любым способом налива или навала (например - самотеком, шнеком, толкателем, дозирующим насосом или иным способом).
Поджиг топлива в топливной емкости 1 осуществляется любым доступным способом (например - с помощью горящего фитиля, запального устройства, газовой горелки-зажигалки или иным способом).
Первичный воздух забирается сквозь щелевые зазоры между топливной емкостью 1 и крышкой 2 за счет всасывающего эффекта, возникающего при естественной тяге после поджига топлива в топливной емкости 1.
Вторичный воздух подается в форсунку 5 от внешнего напорного устройства (на фиг. не показан), например - от воздушного компрессора, турбовентилятора или иного напорного устройства воздушного или паро-воздушного дутья, который выходя из сопла 7 форсунки 5 через тангенциально-сдвинутые боковые рассечки 8 закручивается и затягивает в себя под действием эжекции испаряющиеся газы и воспламененные пары топлива из испарительно-воспламенительной зоны, образуя факел горения смеси испарившихся газов и воспламененных паров топлива с воздухом, устремленный в направлении тяги и дутья форсунки. Причем, сопло 7 форсунки 5 должно быть установлено таким образом, чтобы исключить компрессию и проскок вторичного воздуха из тангенциально-сдвинутых боковых рассечек 8 сопла 7 в топливную емкость 1.
Затем регулируют подачу первичного воздуха посредством изменения сечения щелевых зазоров путем изменения положения топливной емкости 1 относительно крышки 2 для организации естественной тяги первичного воздуха.
Давление подачи вторичного воздуха в форсунку 5 регулируют после выбора положения топливной емкости 1 для достижения максимально возможной температуры факела горения топлива.
Форсунка 5 установлена в устье дожигателя таким образом, чтобы не допустить компрессию и проскок воздуха из тангенциально-сдвинутых рассечек 8 сопла 7 в зону воспламенения газов над топливной емкостью 1, одновременно обеспечивая эжекцию смеси и закручивание испарившихся газов и воспламененных паров топлива с воздухом по направлению тяги и формирование высокотемпературного факела горения топлива.
Конструкция крышки 2 в виде усеченной пирамиды с закрепленным дожигателем 3 обеспечивают тягу и целенаправленный забор испарившихся газов и воспламененных паров топлива на эжекцию смеси в закрученный поток вторичного воздуха.
Способ организации факела горения топлива заключается в том, что тангенциально-сдвинутые боковые рассечки 8 конусообразного сопла 7 форсунки 5 обеспечивают веерообразный распыл вторичного воздуха, посредством которого производится смешивание с испарившимися газами и воспламененными парами топлива, эжектируемыми из испарительно-воспламенительной зоны под крышкой 2 и подлежащими дополнительному окислению в дожигателе 3 под воздействием избытка кислорода при высоких температурах образования ядра факела.
В момент закручивания потока нагретого вторичного воздуха из тангенциально-сдвинутых рассечек 8 сопла 7 форсунки 5 с испарившимися газами и воспламененными парами топлива происходит веерообразный сдвиг смешанных потоков с кратковременной задержкой, что способствует образованию высокотемпературного ядра факела, в котором разрушаются вероятные загрязнители, например - диоксины, и происходит дожиг топлива под воздействием избытка окислителя, кислорода. Процесс образования высокотемпературного ядра факела сопровождается ярко белым цветом или ослепительным свечением.
Ограничения приема топлива с повышенной вязкостью, присущие аналогу и прототипу, как наиболее близкому горелочному устройству, отсутствуют, потому что топливо может подаваться в топливную емкость 1 любым доступным способом в жидком, вязком состоянии, с комками или кусками.
В изобретении исключена компрессия потока первичного воздуха в испарительно-воспламенительную зону под крышкой 2, потому что процесс воспламенения с первичным воздухом происходит без его избытка в разреженной среде, а воздух поступает посредством всасывания под эффектом тяги. После чего, испаряющиеся при кипении топлива газы и воспламененные пары топлива затягиваются в эжектирующий поток нагретого вторичного воздуха в дожигателе 3, который имеет вектор дутья по направлению тяги и тем самым увеличивая эффективность тяги в испарительно-воспламенительной зоне и способствуя формированию насыщенного высокотемпературного факела с ярко белым свечением, свидетельствующим о низком содержании оксидов азота.
В горелочном устройстве исключено наличие перфорированных поверхностей, а дожигатель 3 выполнен цельной трубой, что снижает возможность образования нагара и коксования отложений, способствует организации направленного вектора факела в сторону тяги и увеличивает длину факела, а следовательно и время пребывания частиц в зоне горения с высокими температурами. При этом высокая температура ядра факела снижает образование сажи и недожога тяжелых углеводородов, увеличивает степень окисления топлива и предотвращает образование вероятных диоксинов.
Процесс горения в горелочном устройстве происходит в две ступени, на первой из которых испарившиеся при кипении топлива газы и воспламененные пары топлива с недостатком воздуха под действием тяги устремляются в зону дожигания второй ступени, что снижает потери тепловой энергии на первой ступени в испарительно-воспламенительной зоне над топливной емкостью 1 под крышкой 2.
Задержка факела в дожигателе 3 происходит при закручивании горящего потока, откуда он стремится вырваться под действием сил тяги и вектора дутья, образуя передовой факел горелочного устройства и тем самым, сокращая тепловые потери через стенки дожигателя 3. При этом, самые высокие температуры имеет ядро факела - свыше 2000°С, а сам факел имеет ярко белый цвет и желтовато-белые оттенки на кромках факела, и чем сильнее проявляется ярко белый цвет факела, тем выше его температура на кромках - около 1400°С и свыше.
Результаты испытаний горелочного устройства и способа организации факела горения топлива:
Огневые испытания проводились на стенде, имитирующем топку теплогенератора, с настоящим горелочным устройством. Замеры выбросов отходящих газов производились поверенными газоанализаторами.
Для сжигания в горелочном устройстве применялись образцы отработанных нефтепродуктов и нефтяных отходов: отработанные масла (моторное, гидравлическое, трансмиссионное, турбинное), моторное свежее для сравнения и некондиционное дизельные топлива, нефть осадочная с фильтров котельной, нефтесодержащие отходы участка очистных сооружений, нефтяная пленка от сепарации льяльных вод и смеси отработанных масел с нефтяными отходами производства.
Вязкость фракций по образцам топлива составила от 1 до 400 сСт при 50°С, наиболее вязкие нефтяные фракции (битумы) разжижались наименее вязкими нефтепродуктами.
Для максимально полного сжигания сложного топлива его комки и куски, при наличии таковых, должны быть предварительно размельчены и перемешаны в объеме менее вязкой массы топлива, что ускоряет расщепление углеводородов и вываривание в массе кипящего топлива с последующим образованием топливных газов воспламененной смеси.
Горелочное устройство в ходе огневых испытаний выводилось на высокотемпературный режим горения с ярко белым цветом факела и желтовато-белыми оттенками кромок факела.
Средние значения выбросов контрольной группы по всем видам сожженных отработанных нефтепродуктов, включая нефтяные отходы, полученные на всех режимах горелочного устройства:
3
- содержание угарного газа - 96,0 мг/м;
3
- содержание оксидов азота - 43,1 мг/м.
3
Рабочий диапазон горелочного устройства на всех отработанных нефтепродуктах выявлен при содержании оксидов азота от 12 до 74 мг/м, и при этом снижение содержания угарного газа при регулировании подачи первичного и вторичного воздуха возможно от некоторых максимальных значений до 0 (нуля), что позволяет выполнять настройки низко-эмиссионного горения.
На горелочном устройстве выявлено: чем выше температура факела, тем сильнее проявляется яркий белый цвет, что может сопровождаться ростом коэффициента избытка воздуха. Технология горения, реализованная в изобретении, имеет широкие возможности регулирования коэффициента избытка воздуха в диапазоне от 1,4 до 9,99.
Диапазоны содержания загрязняющих веществ (в ppm и %) от выбросов в сопоставлении с средними температурами отходящих дымовых газов на рабочих режимах горелочного устройства приведены в таблице 1 для сравнения с горением дизельного топлива.
Следующие данные испытаний горелочного устройства приведены при достижении максимально яркого белого факела. Результаты сравнения приведены ниже на графиках (фиг. 5-8) по пяти характерным точкам последовательных по времени замеров.
3
Сравнение характеристик выбросов горелочного устройства на предмет соответствия единиц измерения (мг/м и ppm) приведено на графиках для концентраций загрязняющих веществ по результатам огневых испытаний на стабильном ярко белом факеле с желтовато-белым оттенком кромок, где:
3
3
3
- содержание оксидов азота на дизельном топливе составляет от 45 до 56 мг/м, на трансмиссионном масле - от 16 до 46 мг/м. Показания оксидов азота на других отработанных нефтепродуктах ниже 45 мг/м, что приведено на фиг. 5;
3
3
- содержание угарного газа на дизельном топливе составляет от 52 до 62 мг/м. Показания по угарному газу на других отработанных нефтепродуктах от 0 до 52 мг/м, что приведено на фиг. 6;
- содержание метана самое высокое 0,2% выявлено на моторном масле, а на других отработанных нефтепродуктах составило от 0 до 0,1%, что приведено на фиг. 7;
3
3
- содержание оксидов серы максимальное показали дизельное топливо и трансмиссионное масло - более 100 мг/м; другие отработанные нефтепродукты - менее 100 мг/м, что приведено на фиг. 8.
Относительно высокий показатель оксидов азота при сжигании дизтоплива (причем, условия сжигания равные для всех образцов топлива) объясняется наличием большой доли содержания топливного азота, чего нет в других образцах отработанных нефтепродуктов и нефтяных отходов.
В целом испытания горелочного устройства показали возможность достижения низких значений контрольной группы выбросов СО и NOx по всем циклам сжигания: всего было выполнено более 20 циклов сжигания на разных отработанных нефтепродуктах и их смесях, для которых проведено около 150 измерений газоанализаторами.
Исследования показали, что в зоне воспламенения паров топлива под крышкой температура достигает 350-700°С, а на кромках факела после форсунки может достигать 1400°С и выше, что на фоне контрольной группы выбросов обеспечивает экологическую безопасность сжигания, глубокое окисление топлива и низкие концентрации вредных выбросов.
После сжигания образцов топлива на дне топливной емкости 1 остаются мелкие остатки несгоревшего шлака в виде хрупких песочных крупинок, которые не подвергаются отжигу и испарению.
Разработанное горелочное устройство не предъявляет прецизионных требований к содержанию механических примесей в топливе, так как отсутствуют капиллярные каналы и мелкодисперсные сопла для подачи топлива и смешивания его с воздухом.
В ходе огневых испытаний с организацией факела сжиганию подвергались смеси нефтяных отходов с содержанием воды в гомогенном состоянии до 63,7% и механических примесей более 0,5%. К несгораемым (трудно-горючим) образцам топлива можно отнести нефтяную пленку от сепарации льяльных вод, содержащую в гомогенном состоянии смесь воды и нефтепродуктов, после отжига которой влага выпаривается, а гудрон остается в топливной емкости.
Без формирования стабильного факела сжигание проходило у тяжелых битумных фракций, содержащих механические примеси более 5%, после затухания которых в топливной емкости остается гудрон.
Дальность факела, замеряемая от сопла форсунки, на некондиционном дизельном топливе с вязкостью 1,4 сСт при давлении воздуха на форсунке около 2 атм. достигает 1,4 м в открытом пространстве и более 1,4 м внутри топки на стенде под действием тяги дымовой трубы. Дальность факела снижается при увеличении вязкости топлива.
Способ организации факела горения в разработанном горелочном устройстве позволяет получить стабильный факел при сжигании отработанных нефтепродуктов, отдельных фракций нефти и смесей с нефтяными отходами вязкостью от 1 до 110 сСт при 50°С в качестве топлива.
Нефтяные фракции вязкостью более 110 сСт при 50°С дают нестабильный или короткий факел и подлежат разжижению. Фракции вязкостью около 200 сСт и выше, в том числе и битумы, на данном горелочном устройстве могут выступать только в качестве компонента топлива.
В разработанном горелочном устройстве не допускается сжигать детонационные и легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки менее +23°С в закрытом тигле, но они могут присутствовать в составе топливных смесей и разжижителей в очень малых долях.