ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗА
BURNER FOR GAS BURNING

Изобретение относится к технологии сжигания газообразного топлива в топках котлов и печах.
Известна горелка для сжигания газообразного топлива, содержащая корпус, отражатель, инжектор и регулятор подачи воздуха (Н.Р. Ентус, В.В. Шарихин. Газовые горелки трубчатых печей. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1984, с.156). В этой горелке топливный газ поступает в инжектор, на выходе из которого за счет высокой скорости газа к газовой струе подсасывается воздух, далее вся газовоздушная смесь за счет отражателя поворачивается под углом 90° к оси горелки и к смеси подсасывается вторичный воздух, поступающий через отверстия в корпусе горелки.
Известна горелка для сжигания газообразного топлива, содержащая корпус, отражатель с завихрителем, инжектор и регулятор подачи воздуха (Н.Р. Ентус, В.В. Шарихин. Газовые горелки трубчатых печей. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1984, с.160). В этой горелке топливный газ поступает в инжектор, в который также к газовой струе подсасывается воздух, происходит смешение в цилиндрическом канале и далее вся газовоздушная смесь поступает на завихритель, совмещенный с отражателем, за счет которого смесь поворачивается на угол 90° к оси горелки, и в этот момент к смеси подсасывается вторичный воздух, поступающий через отверстия в корпусе горелки.
Недостатками известных горелок являются:
1. Прогорание отражателя из-за прямого контакта с факелом при длительной работе в процессе эксплуатации в результате чего горелка преждевременно выходит из строя.
2. Закоксовывание зазора между отражателем и корпусом при эксплуатации в результате плохого перемешивания газа и воздуха, плохой очистки газа, а также при переменных режимах работы горелки при пуске и останове.
3. Недостаточная полнота сгорания топлива в факеле из-за плохого перемешивания газа с воздухом, так как смешение струй воздуха и газа идет в одной плоскости.
4. Необходимость демонтажа горелки для регулирования зазора между отражателем и корпусом с целью изменения диаметра факела.
5. Малая площадь поверхности обогрева печного пространства из-за незначительного диаметра раскрытия факела, так как теряется скорость газовоздушной смеси при столкновении ее с отражателем.
6. Малые пределы регулирования тепловой мощности горелки, так как на всех режимах требуется повышенное давление газа из-за большого аэродинамического сопротивления сопла, которое подсасывает воздух.
Известна горелка для сжигания газообразного топлива, содержащая цилиндрический корпус, отражатель, стабилизатор, тангенциальный завихритель газа и регулятор зазора между отражателем и корпусом (Н.Р. Ентус, В.В. Шарихин. Газовые горелки трубчатых печей. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1984, с.175).
В горелке газ проходит через тангенциальный завихритель, после которого, на выходе к нему, подсасывается первичный воздух. Далее газовоздушная смесь подается на отражатель, который изменяет на 90° к оси горелки направление движения газовоздушной смеси. Угол разворота фиксируется стабилизатором, после которого в топливную смесь поступает вторичный воздух. Зазор между отражателем и корпусом регулируется с помощью винта, перемещающего отражатель по оси горелки.
Недостатками известной горелки являются:
1. Прогорание отражателя из-за прямого контакта с факелом при длительной работе в процессе эксплуатации в результате чего горелка преждевременно выходит из строя.
2. 3акоксовывание зазора между отражателем и корпусом при эксплуатации в результате провисания отражателя на штоке из-за нагрева и, как следствие, неравномерного зазора, плохой очистки газа, а также при переменных режимах работы горелки при пуске и останове.
3. Недостаточная полнота сгорания топлива в факеле на низких расходах газа из-за плохого перемешивания газа с воздухом.
4. При пуске горелки в работу необходимо ручное регулирование зазора между отражателем и корпусом для определения условий экономичного сжигания газа, так как горелка при малых расходах обладает возможностью саморегулирования, то есть зазор между корпусом горелки и отражателем может быть слишком большим или слишком малым по отношению к количеству горючей смеси. В первом случае факел не развертывается по поверхности стабилизатора и горит коптящим желтым пламенем, во втором случае - возможен отрыв факела от стабилизатора. Все это ведет к перерасходу газа.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является горелка для сжигания газа, содержащая цилиндрический корпус, стабилизатор, завихритель газа, при этом цилиндрический корпус снабжен регулируемым шибером для подачи воздуха, а с другой стороны корпуса по оси установлен стабилизатор с трубой подачи газа, на наружной цилиндрической поверхности которого жестко закреплены лопатки завихрителя вторичного воздуха, во внутренней полости соосно размещен и жестко закреплен, у торца подачи воздуха и газа, инжектор, на наружной поверхности которого закреплены лопатки завихрителя газа, а с внутренней стороны - пластинчатый завихритель первичного воздуха с двумя потоками крутки, причем лопатки завихрителей газа и вторичного воздуха и пластинчатый завихритель первичного воздуха имеют одинаковое направление крутки, а завихрители газа и вторичного воздуха имеют еще и равное количество жестко закрепленных аксиально расположенных лопаток (патент РФ №2396488, МПК F23D 14/24, 10.08.2010).
Недостатки известной горелки:
1. Ручное регулирование подачи воздуха в зону горения не позволяет добиться оптимизации процесса сжигания газообразного топлива и приводит к перерасходу газообразного топлива при производстве тепловой энергии.
2. Постоянный угол крутки с помощью периферийного завихрителя вторичного воздуха не обеспечивает предотвращения отрыва факела от стабилизатора на некоторых режимах работы горелки.
Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи повышения качества сжигания топлива на всех режимах работы горелки.
Технический результат достигается тем, что в горелку для сжигания газа, содержащую цилиндрический корпус, стабилизатор, завихритель газа, при этом цилиндрический корпус снабжен регулируемым шибером для подачи воздуха, а с другой стороны корпуса по оси установлен стабилизатор с трубой подачи газа, на наружной цилиндрической поверхности которого жестко закреплены лопатки завихрителя вторичного воздуха, во внутренней полости соосно размещен и жестко закреплен, у торца подачи воздуха и газа, инжектор, на наружной поверхности которого закреплены лопатки завихрителя газа, а с внутренней стороны - пластинчатый завихритель первичного воздуха с двумя потоками крутки, причем лопатки завихрителей газа и вторичного воздуха и пластинчатый завихритель первичного воздуха имеют одинаковое направление крутки, а завихрители газа и вторичного воздуха имеют еще и равное количество жестко закрепленных аксиально расположенных лопаток, согласно заявляемому изобретению введены датчик излучения пламени, электродвигатель управления поворотом лопаток периферийного завихрителя вторичного воздуха, электродвигатель управления перемещением заслонки воздушного шибера, причем указанные электродвигатели выполнены с сервоприводом и механической передачей, при этом датчик излучения связан электрической связью с электродвигателем поворотом лопаток периферийного завихрителя вторичного воздуха и электродвигателем управления перемещением заслонки воздушного шибера.
Заявляемая горелка представлена на чертеже.
На чертеже обозначены следующие элементы и узлы: 1 - цилиндрический корпус; 2 - стабилизатор, 3 - инжектор, 4 - лопатки завихрителя газа, 5 - пластинчатый аксиальный завихритель первичного воздуха; 6 - лопатки периферийного завихрителя вторичного воздуха; 7 - труба подачи газа; 8 - крышка воздушного шибера; 9 -заслонка воздушного шибера, 10 - гильза, 11 - датчик излучения пламени, 12 - электрическая связь, 13 - электродвигатель управления поворотом лопаток периферийного завихрителя вторичного воздуха, 14 - фронт пламени, 15 - электродвигатель управления перемещением заслонки воздушного шибера, 16 - обмуровка.
Горелка для сжигания газа содержит цилиндрический корпус 1, с одной стороны которого установлена съемная крышка 8 воздушного шибера с пружинными винтовыми регуляторами величины открытия заслонки 9 воздушного шибера, с другой стороны - по оси смонтирован стабилизатор 2, имеющий форму полого цилиндра, с одного конца которого закреплен диск. На наружной поверхности цилиндра стабилизатора 2 равномерно по окружности жестко закреплены аксиально расположенные лопатки 6 периферийного завихрителя вторичного воздуха и труба 7 подачи топливного газа. Внутри стабилизатора у торца, со стороны трубы 7 подачи газа, закреплен инжектор 3, имеющий равномерно расположенные по окружности лопатки 9, являющиеся завихрителем топливного газа, которые предназначены для закручивания топливного газа в высокоскоростной жгут. Внутри инжектора 3 закреплен пластинчатый аксиальный завихритель 5 с двумя потоками крутки, для закручивания первичного воздуха. Лопатки 4 и 6, соответственно, завихрителей газа и вторичного воздуха, а также пластинчатый аксиальный завихритель 5 первичного воздуха имеют одинаковое направление крутки, а завихрители газа и вторичного воздуха имеют еще и равное количество жестко закрепленных аксиально расположенных лопаток, соответственно 4 и 6
Отличием предлагаемой горелки для сжигания газа является то, что в нее введены датчик 11 излучения пламени, электродвигатель 13 управления поворотом лопаток периферийного завихрителя вторичного воздуха, электродвигатель 15 управления перемещением заслонки воздушного шибера, причем указанные электродвигатели выполнены с сервоприводом и механической передачей.
Датчик 11 излучения связан электрической связью 12 с электродвигателем 13 управления поворотом лопаток периферийного завихрителя вторичного воздуха и электродвигателем 15 управления перемещением заслонки воздушного шибера.
Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.
Цилиндрический корпус 1 служит для размещения всех деталей горелки и крепления горелки в обмуровке 16 топки. Стабилизатор 2 служит для формирования первичной конфигурации фронта пламени 14. Инжектор 3 служит для формирования направления движения струй газа и воздуха перед их смешиванием. Лопатки 4 завихрителя служат для создания закрученных струй топливного газа перед смешиванием с воздухом. Лопатки 4 завихрителя расположены спирально по цилиндрической поверхности инжектора 3. Число заходов спиралей от 3 до 6 в зависимости от тепловой мощности горелки. Пластинчатый аксиальный завихритель 5 первичного воздуха служит для создания закрученных струй первичного воздуха перед смешиванием с топливным газом. Лопатки 6 периферийного завихрителя вторичного воздуха служат для создания закрученных струй вторичного воздуха перед их смешиванием с первично закрученным потоком топливного газа и воздуха. Труба 7 подачи топливного газа служит для подвода топливного газа в кольцевую камеру (на чертеже кольцевая камера не обозначена). Крышка 8 воздушного шибера служит для организации подвода воздуха через центральное отверстие для горения топливного газа. Крышка 8 воздушного шибера служит также для крепления электродвигателей 13, 15 с сервоприводом и механической передачей для поворота лопаток 6 и регулирования расхода воздуха на горение при помощи закрытия или открытия заслонки 9 воздушного шибера. Гильза 10 служит для обеспечения возможности визирования датчика 11 излучения на фронт пламени 14. Датчик 11 излучения пламени служит для количественной оценки плотности теплового излучения от фронта пламени 14 и выработки электрического сигнала, передаваемого по электрической связи 12 на электродвигатели 13, 15 с сервоприводом и механической передачей, которые осуществляют поворот лопаток 6 и перемещение заслонки 9 воздушного шибера в соответствии с требуемым количеством воздуха, подаваемого на горение топливного газа.
Заявляемая горелка для сжигания газа работает следующим образом.
По требуемой тепловой нагрузке топки задатчиком с регулирующим вентилем (на чертеже задатчик не показан) устанавливается расход топливного газа, поступающего по трубе 7 к лопаткам 4 завихрителя топливного газа. Задатчик расхода топливного газа связан электрической связью с электродвигателями 13 и 15 (на чертеже эта электрическая связь не показана). По сигналу от задатчика расхода топливного газа с помощью электродвигателей 15 и 13 устанавливается первоначальная величина открытия, соответственно шибера 9 и угол поворота лопаток 6.
После прохождения через лопатки 4 окружная скорость газовых струй увеличивается и происходит подсасывание первичного воздуха через аксиальный завихритель 5. Образуется горючая смесь топливного газа с воздухом. При первом пуске горелки в работу смесь на выходе из стабилизатора 2 в автоматическом режиме воспламеняется электроискровым способом с помощью запально-защитного устройства (на чертеже запально-защитное устройство не показано). Запально-защитное устройство является типовым и устанавливается на всех типах горелок.
Тепловое излучение от фронта пламени 14 попадает по внутренней полости гильзы 10 на датчик 11 теплового излучения, который преобразует излучение в электрический сигнал и сравнивает величину сигнала с требуемой величиной по оптимальному режиму. В результате вырабатывается сигнал подрегулировки расхода воздуха с помощью электродвигателя 15, перемещающего заслонку 9 шибера, в соответствии с тепловой нагрузкой горелки. Перемещение заслонки 9 в автоматическом режиме обеспечивает оптимальную величину излучательной способности факела для нагрева обмуровки 15 при экономичном расходе топливного газа.
Одновременно датчиком 11 вырабатывается электрический сигнал на электродвигатель 13, который поворачивает лопатки 6 для получения необходимого угла закрутки вторичного воздуха. Углом закрутки регулируются величина диаметра и толщина фронта пламени 14, обеспечивающие оптимальный диаметр фронта пламени и его толщину при отсутствии отрыва пламени от стабилизатора 2. Такое регулирование обеспечивает безопасность эксплуатации горелки по показателю отрыва факела от горелки.
Фронт пламени 14 за счет инфракрасного излучения нагревает внутритопочную поверхность обмуровки 15, которая за счет высокой излучательной способности обеспечивает радиационную передачу тепловой энергии к трубчатым тепловоспринимающим поверхностям, внутри которых циркулирует рабочее тело в виде пароводяной смеси или, например, в пиролизных печах - нагреваемый пиролизный газ.
В случае прекращения подачи топливного газа срабатывает запально-защитное устройство (на чертеже не показано), которое полностью перекрывает подачу топливного газа по трубе 7. Повторный пуск может быть осуществлен только после вентиляции топки и достижения необходимого разрежения в топке по показаниям запально-защитного устройства.