Модернизированная прямоточно-вихревая горелка

Полезная модель относится к топливосжигающим установкам и может быть использована для снижения выбросов оксидов азота (NOx).
Известны прямоточно-вихревые горелки, описанные в статье «Результаты испытаний горелок с малотоксичными выбросами зао "Экотоп" и фирмы "Todd Combustion" (США) на котлах ТГ-104 и ТГМЕ-206 при сжигании попутного и природного газа», Коваленко А.Л., Козлов В.Г., Уткин А.П., Пермяков В.Н., Теплоэнергетика, 2003, № 4, с. 41-44, которые при обеспечении качество сжигания топлива не обеспечивают низкие выбросы NOx, соответствующие современным требованиям.
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 чтоб 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 2689654C2 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 близким к полезной модели является группа изобретений в которых используют принцип внутритопочной рециркуляции за счет впрыска топливного газа не в воздушный поток, а 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. В этих изобретениях запатентованы технические решения, при которых топливный газ и/или воздух разбавляются дымовыми газами перед тем, как они смешиваются и вступают в реакцию. Основным условием надежного сжигания топливного газа 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.
Наиболее 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 прямоточно-вихревая горелка (RU 2027101, ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВАЯ ГОРЕЛКА, МПК F23C 11/00, F23D 14/00, опубликовано: 20.01.1995).
Основной целью патентуемой полезной модели является снижение выбросов NOx при сжигании топливного газа за счет малозатратной модернизации горелок без изменения элементов топки топливосжигающей установки. Решение задачи достигается тем, что газораздающие трубки горелки удлиняют и выводят сопла в топку по периметру амбразуры, а по оси горелки размещают центральный газовый канал. На газовых соплах могут быть установлены смесители для организации контролируемого качества эжекции. За счет организации внутритопочной рециркуляции дымовых газов путём эжекции дымовых газов непосредственно из топки струями топливного газа, вытекающими из сопел, газообразное топливо разбавляется дымовыми газами перед воспламенением, происходит снижение концентрации реагирующих веществ и температуры факела, что приводит к снижению образования NOx.
На фиг. 1 изображен вид из топки на горелку (модернизируемая горелка показана условно).
На фиг. 2 изображен продольный разрез горелки с удлиняющими газовыми трубками, которые заведены в топку и расположены по периметру амбразуры (для примера показаны только две удлиняющие газовые трубки, по одному варианту удлиняющие газовые трубки выводят сопло в топку за пределы воздушного потока, подаваемого из горелки, по другому варианту удлиняющие газовые трубки выводит сопла на край амбразуры).
Горелка состоит из воздушный канал 1, в котором расположены аксиальный завихритель 2, газораздающие трубки 3, расположенные вокруг завихрителя 2 симметрично продольной оси канала, центральный канал топливного газа 4. К газораздающим трубкам 3, присоединены удлиняющие газовые трубки 5, которые выводят сопла 6 в топку за пределы воздушного потока 7 или удлиняющие газовые трубки 8 которые выводят сопла 6 на край амбразуры. Диаметр 9, на котором устанавливаются сопла, определяются аэродинамическими характеристиками воздушного потока, давлением газообразного топлива и размером амбразуры.
В результате внедрения полезной модели струи газообразного топлива 10 эжектирует дымовые газы 11, разбавляются ими, новое подготовленное топливо 12 достигает воздушный поток 7 из горелки и процесс горения происходит с меньшими концентрациями реагирующих веществ и температурой, что обеспечивает снижение образования NOx. На сопло газообразного топлива, может быть установлен смеситель 13, который обеспечивает смешение эжектируемых дымовых газов и газообразного топлива и формирование струи разбавленного топлива. При варианте, когда удлиняющие газовые трубки 8 выводят сопла 6 на край амбразуры в топку, газовые сопла 6 располагаются таким образом, что часть струи газообразного топлива 10 находится в воздухе, часть струи газообразного топлива находится в дымовых газах. Вытекающие из сопел 6 струи газообразного топлива 10 эжектирует дымовые газы 11, частично разбавляются дымовыми газами, и процесс горения происходит с меньшими концентрациями реагирующих веществ и температурой, что обеспечивает снижение образования NOx.
Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом.
Розжиг горелки происходит на центральном канале топливного газа, в периферийный канал топливный газ не подается. После набора мощности топливосжигающей установки выше 20% и разогреве топки до достаточных температур для стабильного воспламенения, подают топливный газ в периферийный канал, далее набор мощности горелки происходит за счет увеличения расхода топливного газа через периферийный канал с постоянным или постепенно уменьшаемым расхода топливного газа через центральный канал. При максимальной мощности горелки расход топливного газа через центральный канал может составлять 10% или менее, для обеспечения стабилизации воспламенения. На промежуточных нагрузках соотношение расхода топливного газа между периферийным и центральным каналом зависит от конструкционных особенностей конкретной топки и определяется в период проведения режимно-наладочных испытаний.
Использование предлагаемого устройства 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 рециркуляции.