УСТРОЙСТВО ГОРЕЛОЧНОЕ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ
BURNER DEVICE FOR COMBUSTION OF INDUSTRIAL WASTES

Изобретение относится к устройствам для сжигания газов в теплонапряженных технологических установках и может быть использовано в нефтехимической, энергетической, металлургической промышленности и других отраслях народного хозяйства, и предназначено, преимущественно, для сжигания промышленных стоков на нефтегазоконденсатных месторождениях.
Одной из проблем, возникающих при сжигании промышленных стоков, является обеспечение максимально возможной полноты сгорания компонентов топлива, и получение продуктов сгорания с минимальным содержанием вредных веществ, не превышающих предельно допустимые нормы.
Известна соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, в выходной части которого выполнены радиально расположенные пазы, и соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, отличающаяся тем, что радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3÷2,5s, где s - толщина луча. (Патент РФ №2291977, MTIK: F02K 9/52, F23D 11/12).
Указанная коаксиальная двухкомпонентная форсунка работает следующим образом.
Окислитель из полости окислителя по каналу внутри наконечника подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.
Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную улучшает условия разрушения струи и позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Такое воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.
Горючее из полости горючего по зазору между наконечником и втулкой подается в зону горения, при этом струя горючего принимает форму профилированной кольцевой щели между наконечником и втулкой, т.е. становится эквидистантной струе окислителя.
Основным недостатком данной форсунки является то, что фронт пламени приближается к огневому днищу, что приводит к повышенным тепловым потокам в огневое днище и пристеночную часть огневой стенки камеры сгорания.
Известна соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы (Патент РФ №2161719, MITK: F02K 9/52, F23D 11/12).
Указанная коаксиальная двухкомпонентная форсунка работает следующим образом.
Окислитель из полости окислителя по каналу внутри наконечника подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.
Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную улучшает условия разрушения струи и позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Такое воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.
Горючее из полости горючего по зазору между наконечником и втулкой подается в зону горения, при этом струя горючего принимает форму профилированной кольцевой щели между наконечником и втулкой, т.е. становится эквидистантной струе окислителя.
Основным недостатком данной форсунки является то, что фронт пламени достаточно близко приближается к огневому днищу, что приводит к повышенным тепловым потокам в огневое днище и пристеночную часть огневой стенки камеры сгорания.
Известна газовая горелка, содержащая корпус с установленными на входе коллектором, наклонные сопла которого размещены между лопатками завихрителя, причем сопла коллектора на выходе снабжены газоструйными вихревыми генераторами акустических колебаний (авторское свидетельство СССР №954714, кл. F23D 14/62, 1982).
Вращающийся поток воздуха, образующийся лопатками завихрителя, взаимодействует с пульсирующими вихревыми потоками газа, образованными вихревыми генераторами акустических колебаний, в результате чего происходят высокотурбулентное перемешивание газа и воздуха и интенсификация химических реакций горения, чем обеспечивается полнота сгорания газового топлива.
Недостатком известной газовой горелки является низкая эффективность сжигания газового топлива, особенно в широком диапазоне производительности, что является следствием сосредоточенного взаимодействия газа в виде вихревых потоков только в одном поперечном сечении потока воздуха, что не может обеспечить достижения полного и однородного смешения потоков воздуха и газа, особенно в широком диапазоне производительности.
Известна газовая горелка, содержащая конфузорный смеситель с отверстиями, подключенный на входе к корпусу, а на выходе к цилиндрическому соплу с выходной тороидальной амбразурой, кольцевой коллектор с патрубком подачи газа, причем смеситель подключен к коллектору рядами отверстий (авторское свидетельство СССР №1186895, кл. F23D 14/02, 1985).
Указанная горелка обеспечивает высокую эффективность сжигания топливного газа в горелке за счет получения однородной смеси в результате рассредоточенного взаимодействия струй газа и воздуха в объеме конфузора смесителя.
Недостатком известной вихревой газовой горелки является понижение эффективности сжигания газового топлива в горелке при изменении производительности, особенно в широком диапазоне производительности.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому эффекту является вихревая газовая горелка, содержащая конфузорный смеситель с отверстиями, подключенный на входе к корпусу, а на выходе к цилиндрическому соплу с выходной тороидальной амбразурой, кольцевой коллектор с патрубком подачи газа, смеситель подключен к коллектору рядами отверстий, при этом оси отверстий смесителя направлены под острым углом к радиальным плоскостям, отверстия в стенках конфузорного смесителя выполнены в виде конических камер закручивания с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнековыми каналами, причем конические камеры направлены меньшими основаниями внутрь конфузорного смесителя, горелка снабжена расположенным в корпусе центральным цилиндрическим соплом с перфорациями в стенках, и заглушенным со стороны выхода и соединенным с патрубком подачи газа, горелка также снабжена патрубком подачи воздуха, подсоединенным тангенциально к корпусу на входе и под острым углом к его оси с направлением в сторону выхода для придания вращения воздушному потоку, корпус имеет форму усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием к выходу, перфорации центрального сопла выполнены в виде отверстий с осями, направленными под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим сопла в сторону выхода и в направлении вращения воздушного потока в корпусе, в отверстиях сопла выполнены винтовые каналы (патент РФ №2115064, МПК: F23D 14/02, F23D 14/62 - прототип).
Указанная горелка работает следующим образом.
Топливный газ подается по патрубку в центральное сопло, проходит через отверстия с винтовыми каналами в корпус, в котором происходит вращательное перемещение воздуха, в результате происходит смешение газа с воздухом при касательных взаимодействиях вихрей газа, выходящих из сопла через отверстия с винтовыми каналами.
Топливный газ также подается по патрубку в полость кольцевого коллектора, проходит через конические камеры закручивания в стенках конфузорного смесителя с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнековыми каналами, в результате внутрь конфузорного смесителя рассредоточенно вводятся в тангенциальных направлениях закрученные газовые вихри, которые взаимодействуют с воздухом, поступающим из корпуса, образуя в конфузорном смесителе закрученный газовоздушный поток, в котором происходит одновременно интенсивное мелкомасштабное смешение газа в виде вихрей с воздухом. Вращающийся газовоздушный поток из конфузорного смесителя поступает в цилиндрическое сопло с выходной тороидальной амбразурой и на сгорание в топку.
Конические камеры закручивания газового потока с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнеками направлены осями под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим конфузорного смесителя в сторону цилиндрического сопла, что обеспечивает, прежде всего, тангенциальный ввод газа в смесителе и образование закрученного потока газовоздушной смеси в смесителе в направлении к цилиндрическому соплу. На выходе из конических камер газовые вихри взаимодействуют во вращающемся газовоздушном потоке с воздухом, в результате чего происходит интенсивное мелкомасштабное смешение газа с воздухом, обеспечивающее получение однородной газовоздушной смеси.
Основными недостатками указанной горелки является значительная сложность смесеобразования при недостаточно высокой эффективности сжигания газового топлива в горелке.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности сжигания газового топлива в горелке за счет интенсивного мелкомасштабного смешения газа с воздухом с помощью газоструйных вихревых генераторов в двух сечениях потока воздуха.
Решение указанной задачи достигается тем, что предложенная газовая горелка, согласно изобретению, содержит, как минимум, обечайку с профилированным входом и выходом, установленную на раме, запальную и дежурную горелки, расположенные в выходной части упомянутой обечайки, форсунку для распыливания жидкого компонента, преимущественно, промышленных стоков, расположенную внутри обечайки, причем выходная часть осевого канала форсунки выполнена профилированной, при этом внутри обечайки, напротив выходной части форсунки, предпочтительно, соосно или практически соосно с ней, установлено полое тороидальное кольцо для подачи топливного газа, на внутренней поверхности которого выполнены сквозные каналы, соединяющие полость внутри упомянутого кольца с окружающей средой, при этом в выходной части обечайки установлены основные горелки для подачи топливного газа, преимущественно, с общим коллектором, выполненные в виде полых цилиндрических обечаек, внутренняя полость которых связана с коллектором подачи топливного газа, при этом в их входной части выполнены каналы для подачи воздуха, а в выходной части установлен рассекатель, преимущественно, в виде звездообразной профилированной фигуры, при этом продольные оси указанных горелок наклонены внутрь обечайки.
В варианте исполнения, выходная часть осевого канала форсунки выполнена звездообразной с радиальными щелевыми каналами, причем внутри выходной части указанного осевого канала установлен с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки. Такое исполнение выходной части позволяет изменить выходную часть струи с одновременным уменьшением ее характерного размера и уменьшением длины нераспавшейся части струи, что позволит, в конечном итоге, уменьшить зону смесеобразования и улучшить массово-габаритные характеристики горелки.
В варианте исполнения, выходная часть осевого канала форсунки выполнена звездообразной с радиальными щелевыми каналами, причем внутри выходной части указанного осевого канала установлен с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки, при этом число лучей равно четырем.
В варианте исполнения, выходная часть осевого канала форсунки выполнена звездообразной с радиальными щелевыми каналами, причем внутри выходной части указанного осевого канала установлен с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки, при этом число лучей равно трем.
В варианте исполнения, выходная часть осевого канала форсунки выполнена в виде полого кольца, причем внутри выходной части указанного осевого канала установлен с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки.
Такое исполнение выходной части позволяет изменить выходную часть струи с одновременным уменьшением ее характерного размера и уменьшением длины нераспавшейся части струи, что позволит, в конечном итоге, уменьшить зону смесеобразования и улучшить массово-габаритные характеристики горелки.
В варианте исполнения, оси каналов для подачи топливного газа из полого тороидального кольца расположены тангенциально. Такое расположение осей каналов позволяет обеспечить дополнительную закрутку потока топливного газа, подаваемого из каналов, что, в конечном итоге, приведет к улучшению перемешивания составных частей газожидкостного потока, компонентов топлива и улучшению смесеобразования
В варианте исполнения, оси основных горелок для подачи топливного газа расположены тангенциально. Такое расположение осей основных горелок для подачи топливного газа позволяет обеспечить дополнительную закрутку потока газа, подаваемого из горелок, что, в конечном итоге, приведет к улучшению перемешивания компонентов топлива и улучшению смесеобразования
В варианте исполнения, оси каналов для подачи топливного газа из полого тороидального кольца направлены в сторону, противоположную направлению каналов основных горелок для подачи топливного газа. Такое расположение осей каналов для подачи топливного газа и осей горелок для подачи топливного позволяет обеспечить встречную закрутку потока топливного газа, подаваемого из полого тороидального кольца, и струй топливного газа, подаваемых из горелок, что, в конечном итоге, приведет к улучшению перемешивания составных частей газожидкостного потока, компонентов топлива и улучшению смесеобразования.
Предлагаемая газовая горелка за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи -повышение эффективности сжигания промышленных отходов в составе газового топлива в горелке за счет интенсивного мелкомасштабного смешения газа с воздухом.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез горелки горелочного устройства, на фиг.2 - выносной элемент А - продольный разрез полого тороидального кольца, на фиг.3 - вид сверху на горелку горелочного устройства, на фиг.4 - продольный разрез канала подачи промышленных стоков, на фиг.5 - вид спереди на выходной канал подачи промышленных стоков, на фиг.6 - продольный разрез канала подачи промышленных стоков в варианте исполнения, на фиг.7 - вид спереди на выходной канал подачи промышленных стоков в варианте исполнения, на фиг.8 - общий вид горелочного устройства в аксонометрии.
Предложенное горелочное устройство содержит обечайку 1 с профилированным входом 2 и выходом 3, установленную на раме 4. Запальная 5 и дежурная 6 горелки расположены в выходной части упомянутой обечайки 1. Форсунка 7 для распыливания жидкого компонента, преимущественно, промышленных стоков, расположена внутри обечайки 1.
Выходная часть 8 осевого канала форсунки 7 выполнена профилированной. Внутри выходной части 8 указанного осевого канала установлен с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник 9, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки.
Внутри обечайки 1, напротив выходной части 8 форсунки 7, предпочтительно, соосно или практически соосно с ней, установлено полое тороидальное кольцо 10 для подачи топливного газа. На внутренней поверхности кольца 10 выполнены сквозные каналы 11, соединяющие полость внутри упомянутого кольца с окружающей средой. В выходной части обечайки установлены основные горелки 12 для подачи топливного газа, преимущественно, с общим коллектором 13, выполненные в виде полых цилиндрических обечаек. Во входной части основных горелок 12 выполнены каналы 14 для подачи воздуха, а в выходной части установлен рассекатель 15 для стабилизации процесса горения.
Предложенное горелочное устройство работает следующим образом.
Топливный газ подается в трубопроводы газовой горелки горелочного устройства в виде двух потоков - один поток на основные горелки 12, другой - в полость полого тороидального кольца 10. Топливный газ внутрь каждой основной горелки 12 подается из общего коллектора 13, а воздух - через каналы 14. Для стабилизации процесса горения, в выходной части каждой основной горелки 12 установлен рассекатель 15. Поток газа, истекающий из основных горелок, воспламеняется при помощи дежурной 6 и запальной 5 горелок.
Промышленные стоки подаются во входную часть форсунки 7 и далее движутся к выходной части 8 осевого канала. Проходя профилированный выходной канал 8, струя промышленных стоков профилируется и приобретает форму выходной части наконечника, в данном случае, форму звезды с четырьмя лучами. Такое профилирование позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи, увеличить периметр контакта компонентов топлива, в данном случае - жидких промышленных стоков и воздуха между собой, и, в конечном итоге, уменьшить длину нераспавшейся части жидкости.
Для регулирования степени профилирования, используется профилированный наконечник 9, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки, установленный с возможностью осевого перемещения внутри форсунки 7. При выдвижении вперед, по потоку, происходит увеличение толщины лучей профилированной струи промышленных стоков в виде звезды с четырьмя лучами, при движении назад, против потока, происходит утонение. Оптимальная толщина лучей струи подбирается в зависимости от режима работы горелки.
В варианте исполнения, выходная часть осевого канала форсунки выполнена в виде полого кольца, причем внутри выходной части указанного осевого канала установлен с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник 9, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки.
При выдвижении вперед, по потоку, происходит увеличение ширины полого кольца выходного сечения струи промышленных стоков, при движении назад, против потока, происходит утонение. Оптимальная ширина полого кольца подбирается в зависимости от режима работы горелки.
Из полости полого тороидального кольца 9, через сквозные каналы 10, выполненные в его стенках, подается топливный газ в виде дискретных струй, по числу каналов 10. Газ подается со скоростью звука. В этом случае расширение продуктов смесеобразования происходит по струям топливного газа, как по твердому телу, причем указанные струи в этом случае играют роль пространственной решетки, в виде нескольких лучей с общим центром, расположенным в месте пересечения струй, что также способствует улучшению условий смесеобразования.
Подготовленная таким образом смесь, состоящая из частиц промышленных стоков, воздуха и топливного газа, подается к выходу 3 из обечайки 1, где воспламеняется при помощи основных горелок 12, имеющих общий коллектор подачи топливного газа 13 и сгорает.
Использование предложенного технического решения позволит упростить систему смесеобразования при подготовке промышленных стоков к сжиганию и повысить эффективность сжигания промышленных стоков.