ПРОТИВОТОЧНОЕ ВИХРЕВОЕ ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЁРДОГО ПЫЛЕВИДНОГО ТОПЛИВА
COUNTERFLOW VORTEX BURNER DEVICE FOR COMBUSTION OF SOLID DUST-LIKE FUEL

Изобретение предназначено для сжигания твердого пылевидного топлива в различных технологических процессах энергетики, ЖКХ, металлургии, паровые котлы, цементные печи, сушильные установки и т.д.
Известна горелка сжигания пылеугольного топлива, состоящая из камеры сжигания с тангенциальным подводом вторичного воздуха и пылевидного угольного топлива с устройством закрутки потока и турбулизатором, выполненным в форме цилиндрической прокладки с проточной частью проходного сечения в виде отверстия, диаметр которого меньше диаметра каналов камер поджига и смешения (патент RU №2294486, F23D 1/00, 27.02.2007 г).
Недостаток изобретения - низкая полнота сгорания и существенные гидравлические потери в рабочем тракте устройства.
Известна пылеугольная горелка, содержащая канал для транспортирования пыли, а также канал для транспортирующего материала, который снабжен эжектором. Дополнительно в горелке установлен эжектор, в виде двух сочлененных втулок, встроенных друг в друга с зазором, обеспечивающим подачу воздуха. Кроме того, в трубе выполнено отверстие для подачи угольной пыли. На выходе транспортируемой смеси угольной пыли с газом выполнено сопло, в котором размещено закручивающее поток устройство, в виде конуса с закрепленными на нем витками спирали (патент RU №2270400, F23D, 20.02.2006 г).
Приведенное устройство характеризуется низким качеством смешения компонентов горюче-топливной пыли с окислителем-воздухом, что приводит к неудовлетворительному (низкому) уровню полноты сжигания, низкому диапазону эжекции пыли и недостаточной эффективности охлаждения корпуса горелки.
Известна идентичная по организации рабочего процесса и конструктивного исполнения вихревое горелочное устройство сжигания твердого пылевидного топлива, содержащее патрубок подвода первичного воздуха, камеру сгорания, патрубок подвода вторичного воздуха, отверстия подвода вторичного воздуха, перегородку, дополнительно установлена форсунка подачи топливной пыли, электрический нагреватель, камеру смешения пылевидного топлива с воздухом и конфузорно-диффузорный переход. Отверстия подвода вторичного воздуха размещены на входе в цилиндрический участок камеры сгорания, а электрический нагреватель имеет цилиндрическую форму и устанавливается осесимметрично внутри форсунки подачи топливной пыли. Головной участок камеры сгорания с форсункой подачи топливной пыли и участком смешения представляют собой вихревой эжектор прямоточного типа (патент 2565737, F23D 11/02, 20.10.2015 г).
Недостатки конструкции: высокие гидравлические потери в форсунке подачи топливной пыли и камере сгорания, неравномерность концентрации смешиваемых компонентов, невысокая полнота сгорания, узкий диапазон срыва пламени по коэффициенту избытка воздуха.
Наиболее близким по организации рабочего процесса смешения и сжигания топливо-воздушной смеси, конструктивному исполнению является вихревое противоточное горелочное устройство сжигания твердого пылевидного топлива, содержащее камеру сгорания из конфузорно-диффузорной проточной части. К диффузорному участку, к которому ассиметрично встроена перегородка с поджатым торцевым фланцем. Через резьбовое соединение к торцевому фланцу присоединен выходной диффузор, прижимающий к перегородке закручивающее поток устройство. С наружной стороны тангенциально установлен патрубок подвода топливо-воздушной смеси. Для воспламенения смеси на диффузорном участке камеры сгорания располагается воспламенитель. Выходной диффузор установлен радиально и примыкает к закручивающему устройству (патент 2647356, F23D 1/02, 08.2017 г).
Недостатки конструкции приведенной вихревой горелки: высокие гидравлические потери при подаче первичного и вторичного воздуха за счет излишней двойной закрутки потоков перед их подачей в проточные части через закручивающие устройства, отсутствие охлаждения проточной части, соединяющей камеру сгорания с выходным соплом продуктов сгорания из горелочного устройства.
Технический результат - снижение гидравлических потерь, уменьшение расхода топлива за счет повышения степени неадибатности проточной части предложенной системой охлаждения, улучшение смесеобразования повышением степени закрутки потока с ростом окружной скорости на входе и выполнением проточной части соплового ввода в виде лемнискаты Бернулли, повышение полноты сгорания топлива за счет более качественного смешения топлива в зоне горения с достижением в ней соотношения компонентов близких к стехиометрии.
Технический результат достигается тем, что в противоточном вихревом горелочном устройстве сжигания твердого пылевидного топлива, содержащем камеру сгорания, конфузорно-диффузорную вихревую камеру, закручивающее поток устройство соплового ввода, выполненного в виде тангенциального подвода, спираль Архимеда или спроектированный по лемнискате Бернулли, патрубок подвода топливно-воздушной смеси, форсунку подачи топливной пыли, воспламенитель, при этом дополнительно выполнена проточная полость течения охлаждающего конфузорно-диффузорную вихревую камеру воздуха и подача первичного воздуха осуществляется непосредственно в эту полость со стороны торцевой граничной поверхности камеры сгорания, обеспечивая ее эффективное охлаждение с возвратом части теряемой за счет неадиабатности энергии в форме тепла к покидающим устройство продуктам сгорания; во фланцевом соединении камеры сгорания выполнены отверстия, обеспечивающие подачу первичного воздуха на охлаждение вихревой камеры и подачу на вход в закручивающее поток устройство соплового ввода.
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами:
фиг 1. Продольный разрез противоточного вихревого горелочного устройства для сжигания пылевидной фракции твердого топлива.
фиг 2. Сечение А-А на фиг. 1 - сопловое устройство подачи первичного воздуха выполненное по лемнискате Бернулли с безотрывным вводом в проточную часть вихревой камеры.
фиг 3. Сечение Б-Б на фиг. 1 - патрубок подвода топливо-воздушной смеси.
Противоточное вихревое горелочное устройство для сжигания твердого пылевидного топлива содержит камеру сгорания 1, конфузорно-диффузорную вихревую камеру 2, закручивающее поток устройство соплового ввода 3 подачи первичного воздуха в конфузорно-диффузорную вихревую камеру 2, патрубок отвода продуктов сгорания 4 с расширяющейся проточной частью, соединительный корпус 5, с выполненными отверстиями подачи сжатого воздуха 6, крышка корпуса 7, кожух камеры сгорания 8, защитный кожух 9, проточную часть 10 полости охлаждения горячих элементов горелки. Закручивающее поток устройство соплового ввода 3 с патрубком отвода продуктов сгорания 4 плотно прижимается к перегородке 11 с соблюдением симметричности установки и как следствие, совпадением их осей. Во фланцах камеры сгорания 1 выполнены отверстия 12. Совокупное сочетание кожуха 8, отверстий 6 и 12 полости сбора 13 сжатого воздуха соединительного корпуса 5, камеры сгорания 1 формируется проточная часть элемента охлаждения горелки в целом. С противоположной патрубку отвода продуктов сгорания 4, камеры сгорания 1, симметрично проточной части установлена камера предварительной подготовки топливо-воздушной смеси 14 с форсункой подачи топливной пыли 15, закручивающей подводимую топливо-воздушную смесь через камеру подготовки топливо-воздушной смеси 14, которая снабжена крышкой 16, имеющей резьбу, при помощи которой сопловой ввод камеры подвода топлива с крышкой 16 садится на патрубок 4 камеры сгорания 1 и вся проточная часть после затяжки становится герметичной за счет компенсационных уплотнительных элементов. Для подачи сжатого воздуха в противоточное вихревое горелочное устройство для сжигания твердого пылевидного топлива к кожуху 8 приварен патрубок 17. Сочленение проточной части камеры предварительной подготовки топливо-воздушной смеси 14 с камерой сгорания 1 осуществляется через патрубок 18. Подача топливо-воздушной смеси происходит через приваренный к камере подготовки топливо-воздушной смеси 14 патрубок 19. Воспламенение топливной смеси происходит воспламенителем 20, устанавливаемый в приваренную к камере сгорания 1 патрубок 21.
Противоточное горелочное устройство для сжигания твердого пылевидного топлива работает следующим образом:
Смесь пылевидного топлива с воздухом подается через патрубок подачи камеры предварительной подготовки топливо-воздушной смеси 14 предварительно подготовленного в виде завихренного потока с небольшой интенсивности крутки и сравнительно небольшим избыточным давлением к сопловому вводу устройства подачи топливо-воздушной смеси через камеру предварительной подготовки топливо-воздушной смеси 14 и, протекая через форсунку подачи топливной пыли 15, поступает в виде закрученного потока топливо-воздушной смеси через форсуночное устройство подачи горючего в камеру сгорания 1 и патрубок подвода 18, где под действием центробежных сил и действующего в проточной части градиента давления формируется зона с близким к стехиометрическому соотношению компонентов область. По сигналу в эту область от воспламенителя поступает импульс в виде искры и смесь воспламеняется.
Соотношение расходов воздуха через закручивающее поток устройство соплового ввода 3 и форсунку подачи топливной пыли 15 подбираются таким образом, чтобы в камере сгорания сформировалась смесь близкая к стехиометрической 0,7≤α≤1,4, а в камере с первичной предварительной подготовки топливо-воздушной смеси 14-0,1≤α≤0,2, что позволяет обеспечить требуемое соотношение для организации необходимого качества транспортируемого устройства подачи смеси в камеру сгорания. Подаваемый первичный воздух через закручивающее поток устройство соплового ввода 3 формирует в проточной части интенсивно закрученное противоточное течение, где в периферийном потоке формируются вихревые структуры, перемещающиеся в камеру сгорания 1 и активно участвующие в процессе подготовки смеси с организацией зоны, близкой к стехиометрическому соотношению компонентов, в которую от воспламенителя 20 подается искра и происходит возгорание топливо-воздушной смеси.
Горящая смесь перемещается из камеры сгорания в противоположном периферийному течению направлении формируя вихревое прецессирующее приосевое закрученное течение с мелкомасштабной вихревой структурой, осевая скорость которой, направлена к выпускному диффузору. Догоревшая в потоке топливо-воздушная смесь в виде уходящих продуктов сгорания покидает противоточное вихревое горелочное устройство для сжигания твердого пылевидного топлива.