Горелка

Полезная модель относится к топливосжигающим установкам и может быть использована для снижения выбросов оксидов азота (NOx).
Известно горелочное устройство с пилотной горелкой (RU 2518759 C, МПК F23D 17/00, МПК F23С 1/08, МПК F23Q 9/00, опубликован 10.06.2014), которое, при обеспечении качества сжигания топлива и надежности контроля горения, не обеспечивает низкие выбросы NOx. Горелка, содержащая корпус основной горелки, в котором установлены устройство для подачи газообразного топлива, устройство для подачи жидкого топлива, пилотная горелка, имеются центральный и периферийный каналы для подачи воздуха, устройство для подачи газообразного топлива выполнено в виде газораздающих трубок, расположенных в периферийном канале для подачи воздуха параллельно оси корпуса основной горелки.
Недостатком горелки является низкая экологическая эффективность сжигания топлива из-за конструктивных недостатков горелки в способе организации процесса сжигания, при котором всё газообразное топливо подается в воздушную среду.
Одним из эффективных способов снижения выбросов NOx являются использование принудительной рециркуляции дымовых газов, что обеспечивает снижение температуры факела и снижение концентрации реагирующих веществ, определяющих образование NOx. При этом наиболее эффективным является способ подачи дымовых газов в каналы горелки (SU 1 101 622 A1, МПК F23D 17/00, опубликовано 07.07.1984). Этот способ реализован в горелке котла ТГМП-204, состоящей из двух каналов подачи воздуха (центрального и периферийного), снабжённых тангенциальными регистрам, по периферии расположен канал ввода дымовых газов рециркуляции, в центре грелки установлена мазутная форсунка. Газовая часть горелки состоит из кольцевого газового коллектора, газораздающей насадки в виде конуса с отверстиями и газоподводящей трубы. Внутренняя труба газового коллектора является направляющей трубой паромеханической форсунки (Сторожук Я.П. Испытания котла ТГМП-204 блока 800 МВТ после реконструкции ввода дымовых газов рециркуляции в топку / Я.П. Сторожук, Д.Р. Носулько // Теплоэнергетика. – 1984. – № .5 – С. 13-15). Эта горелка не смогла достичь хорошего результата по снижению выбросов NOx из-за конструктивных недостатков в способе организации процесса сжигания.
Для успешного подавления NOx необходимо, чтобы дымовые газы рециркуляции не балластировали в прикорневой области горелки, а достигали активной зоны горения, в которой происходит основное образование NOx. Основным недостатком такого способа организации горения остается необходимость наличия системы принудительной подачи дымовых газов рециркуляции с дымососом рециркуляции.
Близким к полезной модели является способ снижения выбросов NOx, описанный в изобретениях: RU 2689654 C2 опубликовано 2019-05-28,  SU 1588987A1 опубликовано 1990-08-03, SU 1695040A1 опубликовано 1991-11-30 , KR 101254928B1 опубликовано 2013-04-19, EP 0893651A1 опубликовано 1999-01-27, US 2012/0186265A1 опубликовано 2012-07-26, WO 01|07833A1 опубликовано 2001-02-01, US 2005/0239005A1 опубликовано 2005-10-27, US 4380429 опубликовано 1998-12-07, EP 2479491A1 опубликовано 2012-07-25, KR 20120070201A опубликовано 2012-06-29, KR 20120074868A опубликовано 2012-07-06, KR 20120082647A опубликовано 2012-07-24, KR 20130061167A опубликовано 2013-06-10, US 5350293 опубликовано 1994-09-27. В некоторых случаях эти изобретения разрабатывались с целью стабилизации режима горения за счет подсоса раскаленных продуктов горения из топки. В этих изобретениях рециркуляция дымовых газов организовывается самими горелками без дополнительных систем подачи дымовых газов, включающих систему дымоходов и дымосос рециркуляции. Дымовые газы эжектируются в зону горения, что обеспечивает сжигание разбавленного топлива и снижение образование NOx. Недостатком способа, используемого в этих изобретениях, является: сложность и дороговизна конструкции горелок, незначительное количество подсасываемых дымовых газов из топки. Дымовые газы эжектируются топливом или воздушным потоком в устье горелки внутри основного воздушного потока, горение происходит в среде воздуха, что в общей сложности снижает эффективность подавления NOx. Рассмотренные изобретения невозможно применить для действующих, установленных в топливосжигающей установке горелок.
Более близкой к полезной модели является группа изобретений, в которых используют принцип внутритопочной рециркуляции за счет впрыска газообразного топлива не в воздушный поток, а за пределами воздушного потока, снаружи устья горелки: US 5542840A опубликовано 1996-08-06, US 6773256B2 опубликовано 2004-08-10, RU 2426030C2 опубликовано 2011-08-10, US 5275552A опубликовано 1994-01-04, US 20080096146A1 опубликовано 2008-04-24, US 6007325A опубликовано 1999-12-28, US 7670135В1 опубликовано 2010-03-02, US 9593847В1 опубликовано 2017-03-14, US 9593848А1 опубликовано 2015-12-10, US 20150285491A1 опубликовано 2015-10-08, US 6875008 В1 опубликовано 2005-04-05, KR 101213883B1 опубликовано 2012-12-18, WO2014162074A1 опубликовано 2014-10-09, US6773256 опубликовано  2004-08-10, WO2008104158A3  2008-09-04. В этих изобретениях запатентованы технические решения, при которых газообразное топливо и/или воздух разбавляются дымовыми газами перед тем, как они смешиваются и вступают в реакцию. Основным условием надежного сжигания газообразного топлива при применении этой технологии является поддержание температуры в топке топливосжигающей установки выше температуры воспламенения топлива и использование устойчивого стабилизатора пламени, при этом воспламенение и стабилизация горения обеспечивается специальными амбразурами или общей температурой топки. Недостатками этих изобретений является сложность конструкции, необходимость применения специальной амбразуры из жаропрочного бетона и невозможность их применения для действующих, установленных в топливосжигающей установке горелок.
Так же близким к предлагаемой полезной модели является группа изобретений, в которых вся головка горелки (газораздающее устройство с воздушным каналом) выступает в топку: KR 101569455B1 опубликовано 2015-11-16, EP 1980788A1 опубликовано 2008-10-15, US 6071115А опубликовано 2000-06-06, KR 1020170138042 опубликовано 2017-12-14, KR 101822997B1 опубликовано 2018-02-01, JP 6595089B2 опубликовано 2019-10-23, KR 102115576B1 опубликовано 2020-05-27, KR 102143032B1 опубликовано 2020-08-11. В этой группе изобретений эжекция дымовых газов организована газовыми соплами с цилиндрическими насадками, расположенными в топке по наружному периметру воздушного канала горелки. Недостатками этих изобретений является сложность конструкции, необходимость применения специальных жаропрочных сплавов части горелки, выступающей в топку, и невозможность их применения для снижения выбросов NOx на действующих, установленных в топливосжигающей установке горелок.
Прототипом для полезной модели является горелочное устройство с пилотной горелкой (RU 2518759 C, МПК F23D 17/00, МПК F23С 1/08, МПК F23Q 9/00, опубликован 10.06.2014), которое, при обеспечении качество сжигания топлива и надежности контроля горения, не обеспечивает низкие выбросы NOx.
Техническим результатом полезной модели является снижение выбросов NOx при сжигании газообразного топлива за счет малозатратного дополнения горелок без изменения элементов топки топливосжигающей установки.
Технический результат достигается за счет горелки, содержащей корпус основной горелки, в котором установлены устройство для подачи газообразного топлива, устройство для подачи жидкого топлива, пилотная горелка, имеются центральный и периферийный каналы для подачи воздуха, устройство для подачи газообразного топлива выполнено в виде газораздающих трубок, расположенных в периферийном канале для подачи воздуха параллельно оси корпуса основной горелки. Газораздающие трубки на выходе снабжены удлиняющими газовыми трубками с выпускными соплами, которые заведены в топку, при этом часть сопел расположена на краю амбразуры, а часть сопел расположена за пределами воздушного потока, подаваемого из горелки. Сопла снабжены смесителями для смешения газообразного топлива и эжектируемых дымовых газов.
Газораздающие трубки горелки удлиняют и выводят сопла в топку. В результате такого дополнения, в случае, когда сопла расположены на краю амбразуры, часть струи газообразного топлива находится в воздухе, часть струи находится в дымовых газах. При расположении сопел в топке за пределами воздушного потока, подаваемого из горелки, струи газообразного топлива полностью находится в дымовых газах. На газовых соплах могут быть установлены смесители для организации контролируемого качества эжекции. Струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляется дымовыми газами перед воспламенением. За счет организации внутритопочной рециркуляции дымовых газов, путём эжекции дымовых газов непосредственно из топки струями газообразного топлива, происходит снижения температуры факела и концентрации реагирующих веществ, что приводит к снижению образования NOx.
На фиг. 1 изображена горелка 1, у которой часть удлиняющих газовых трубок 2 выводят сопла 3 в топку за пределы воздушного потока, подаваемого из горелки, часть удлиняющих газовых трубок 6 выводят сопла в топку на край амбразуры. Диаметр 7, на котором устанавливаются сопла, определяется аэродинамическими характеристиками воздушного потока, давлением газообразного топлива и размером амбразуры.
На фиг. 2 изображен продольный разрез горелки с удлиняющими газовыми трубками, для примера показаны только две удлиняющие газовые трубки, по одному варианту удлиняющие газовые трубки 2 выводят сопло 3 в топку за пределы воздушного потока, подаваемого из горелки и располагают по периметру амбразуры, по другому варианту удлиняющие газовые трубки 6 выводит сопла на край амбразуры.
Горелка состоит из воздушного короба 8, внешней воздушной обечайки 9 и внутренней воздушной обечайки 10, которые формируют центральный и периферийный каналы для подачи воздуха, центральной трубы 11 для установки форсунки, которая формирует устройство для подачи жидкого топлива, пилотной горелки 12, устройство для подачи газообразного топлива выполнено в виде газораздающих трубок 13, расположенных в периферийном канале для подачи  воздуха параллельно оси корпуса основной горелки, аксиальный завихритель 14, тангенциальный завихритель 15. К газораздающим трубкам 13 присоединены удлиняющие газовые трубки 2 или 6, на конце удлиняющих газовых трубок установлены сопла 3, сопла 3 заведены в топку, удлиняющие газовые трубки 2 выводят сопла за пределы воздушного потока, подаваемого из горелки 16, удлиняющие газовые трубки 6 выводят сопла на край амбразуры.
Процесс горения в модернизированной  горелка происходит следующим образом: при варианте, когда удлиняющие газовые трубки 2 выводят сопла 3 в топку за пределы воздушного потока, подаваемого из горелки 16, таким образом, что сопла 3 полностью находятся в дымовых газах, вытекающие из сопел 3 струи газообразного топлива 17 эжектирует дымовые газы 18, разбавляются ими, новое подготовленное топливо 19 достигает воздушный поток, подаваемого из горелки 16 и процесс горения происходит с меньшими температурами и концентрациями реагирующих веществ, что обеспечивает снижение образования NOx. На сопло газообразного топлива, может быть установлен смеситель 5, который обеспечивает смешение эжектируемых дымовых газов и газообразного топлива и формирование струи разбавленного топлива. При варианте, когда удлиняющие газовые трубки 6 выводят сопла 3 на край амбразуры в топку, газовые сопла 3 располагаются таким образом, что часть струи газообразного топлива 17 находится в воздухе, часть струи газообразного топлива находится в дымовых газах. Вытекающие из сопел 3 струи газообразного топлива 18 эжектируют дымовые газы 19, частично разбавляются дымовыми газами, и процесс горения происходит с меньшими температурами и концентрациями реагирующих веществ, что обеспечивает снижение образования NOx.
Розжиг горелки происходит на пилотной горелке, в основной канал газообразное топливо подается после набора мощности топливосжигающей установки и разогрева топки до достаточных температур для стабильного воспламенения.
Использование модернизированной горелки для снижения выбросов NOx обеспечивает, снижение содержания NOx в дымовых газах на 40-70% без снижения технико-экономических характеристик работы топливосжигающей установки и строительства внешней системы подачи дымовых газов.