ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА И СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА И ВОЗДУХА

Полезные модели относятся к горелочным устройствам для сжигания природного газа и жидкого топлива, в том числе и мазута, и могут использоваться в различных топливосжигающих установках.
Из описания к патенту Российской Федерации №2265772, МПК7 F 23 D 14/24, публ. 2005 г., известна горелка, которая содержит первый трубчатый канал, имеющий, по меньшей мере, одну концевую часть, имеющую выпускное отверстие, с прямолинейной осью, второй трубчатый канал, являющийся внешним и коаксиальным по отношению к указанному первому каналу, с которым он ограничивает свободное пространство по существу кольцеобразного сечения, содержащий на одном конце соответствующее выпускное отверстие, окружающее выпускное отверстие указанного первого канала, средство для подачи в первый канал и в указанное свободное пространство независимых текучих сред, включающих в себя топливо и текучую среду, поддерживающую горение. Недостаток этой головки - сравнительно невысокая эксплуатационная надежностью и недостаточно низкая токсичность продуктов сгорания из-за высокого содержания окисла азота.
Патентом Российской Федерации №2012839, МПК5 F 23 D 17/00, публ. 1994 г., защищена газомазутная горелка, содержащая центральный завихритель с консольными лопатками, центральный конический газораздающий насадок с отверстиями, размещенными между лопатками центрального завихрителя, форсунку жидкого топлива, установленную по оси горелки, наружный кольцевой газораздающий коллектор с газораздающими отверстиями, в которой с целью повышения экономичности и снижения токсичности продуктов сгорания, между центральным завихрителем и наружным кольцевым газораздающим коллектором установлен наружный конический лопаточный завихритель, входные кромки лопаток которого образуют угол с осями отверстий наружного газораздающего коллектора, составляющий от 0 до 90°. Недостаток этой горелки - узкий предел регулировки температуры факела с целью снижения токсичности продуктов сгорания.
В патенте Японии N1 - 28851, МПК7 F 23 D 17/00, публ. 1989 г., описана конструкция горелки для сжигания жидкого и газообразного топлива. Эта горелка содержит установленную по оси жидкотопливную форсунку, концентрично охватывающую ее внутреннюю газоподающую трубу с выходными отверстиями, воздухоподающую обечайку, концентрично охватывающую внутреннюю газоподающую трубу и снабженную средством стабилизации факела, и внешнее концентрично размещенное средство подачи газа и воздуха. Стабилизация пламени в горелке осуществляется за счет закручивания потока первичного воздуха в воздухоподающей обечайке, охватывающей внутреннюю газоподающую трубу, и примыкающих к ней перегородок между каналами первичного и вторичного воздуха, за которой, как за всяким плохообтекаемым телом в потоке воздуха, создается зона
рециркуляции и которая вследствие этого является средством стабилизации факела. Такое устройство позволяет создать в горелке занимающую значительную часть сечения зону рециркуляции газов, обеспечивающую необходимую устойчивость горения, однако это связано со значительным загромождением проходного сечения горелки по воздуху и поэтому горелка имеет большое аэродинамическое сопротивление.
Горелка для сжигания жидкого и газообразного топлива, охраняемая патентом Российской Федерации №2039320, МПК6 F 23 D 17/00, публ. 1995 г., содержит корпус, установленную по оси форсунку, концентрично охватывающую ее внутреннюю газоподающую трубу с выходными отверстиями, воздухоподающую обечайку, концентрично охватывающую внутреннюю газоподающую трубу и снабженную средством стабилизации факела, выполненным в виде кольцевой конической перфорированной перегородки, соединяющей торцы обечайки и трубы, причем угол раскрытия конической перегородки по меньшей мере равен углу распыла факела форсунки, и внешнее концентрично размещенное средство подачи газа и воздуха. Внешний канал образован обечайкой и корпусом и через отверстия сообщен с газовым коллектором. В наружной обечайке передней части канала установлен кольцевой уголковый стабилизатор, образующий с обечайкой полость. Перегородка имеет отверстия, а обечайка окна для выхода поступающего внутрь обечайки воздуха. Это позволяет снизить аэродинамическое сопротивление. Горелка, защищенная патентом РФ №2039320 принята в качестве прототипа. Недостаток прототипа - неудовлетворительное качество получаемой смеси воздуха и топлива при раздаче газа у сопловых отверстий обоих газораздающих устройств (центрального и периферийного), что ограничивает возможность снижения токсичности продуктов сгорания и коксообразования на стенках средства стабилизации факела.
Технический результат от использования полезной модели - снижение токсичности продуктов сгорания, повышение стабильности факела горелки.
Указанный технический результат достигается тем, что горелка для сжигания жидкого и газообразного топлива, содержащая корпус, установленную по оси трубу жидкотопливной форсунки, коаксиальную газоподающую трубу, внутренняя труба которой образует с трубой жидкотопливной форсунки внутренний канал подачи воздуха, воздухоподающую обечайку, концентрично охватывающую коаксиальную газоподающую трубу и образующую с ее наружной трубой срединный канал подачи воздуха, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит защитный кожух, концентрично охватывающий воздухоподающую обечайку, газораздающее устройство с газораспределительными трубками, расположенными равномерно в пространстве между защитным кожухом и воздухоподающей обечайкой и имеющими сопла, направленные под углом к центральной оси, при этом коаксиальная газоподающая труба на выходе имеет конический насадок с отверстиями для выхода газообразного топлива в направлении сопел газораспределительных трубок, а защитный кожух и корпус образуют периферийный канал подачи воздуха. Газораздающее
устройство содержит два газораздающих коллектора, при этом газораспределительные трубки от обеих газораздающих коллекторов расположены в пространстве между защитным кожухом и воздухоподающей обечайкой в чередующемся порядке. Внутренний и срединный каналы подачи воздуха на выходе в зазорах между трубой жидкотопливной форсунки и коаксиальной трубой и между коаксиальной трубой и воздухоподающей обечайкой содержат установленные под углом к центральной оси воздухозакручивающие пластины, выходной участок внутреннего воздухоподающего канала расположен за выходным отверстием жидкотопливной форсунки, а выходные отверстия внутреннего газоподающего канала коаксиальной газоподающей трубы и выходные отверстия сопел газораспределительных трубок размещены за выходным отверстием срединного воздухоподающего канала.
Система подачи топлива и воздуха для заявляемой горелки содержит канал подачи жидкого топлива включающий входной трубопровод, подключенный через топливный насос и запорно-регулировочный клапан к коллектору жидкотопливной форсунки, паропровод, подключенный через запорно-регулировочный клапан к коллектору жидкотопливной форсунки, входной газопровод, соединенный через разветвитель с каналом подачи газообразного топлива, подключенным через запорно-регулировочный клапан к входу коаксиальной газоподающей трубы, с каналом подачи газообразного топлива, подключенным через запорно-регулировочный клапан к первому газораздающему коллектору, и с каналом подачи газообразного топлива, подключенным через запорно-регулировочный клапан ко второму газораздающему коллектору, подвод горячего воздуха и подключенный к нему делитель воздушного потока на три выхода, при этом выход с большей площадью выходного отверстия через регулировочный элемент соединен с периферийным каналом подачи воздуха, выход со средней площадью выходного отверстия соединен со срединным каналом подачи воздуха, а выход с наименьшей площадью выходного отверстия соединен с внутренним каналом подачи воздуха, а отношения площадей выходных отверстий делителя воздушного потока лежат в пределах - большей площади к средней площади (2,5...3,5):1,0 и средней площади к наименьшей площади (2,0...3,0):1,0.
Заявленные горелка для сжигания газообразного и жидкого топлива и система подачи топлива и воздуха для этой горелки соответствуют критериям патентоспособности полезной модели «новизна» и «промышленная применимость», так как реализуются известными в технике средствами и описываются новой совокупностью признаков.
Полезные модели поясняются чертежами. На фиг.1 изображена конструкция заявленной горелки для сжигания газообразного топлива в разрезе, на фиг.2 - вид по стрелке А, на фиг.3 - схематично изображена система подачи топлива и воздуха для заявляемой горелки.
На фиг.1...3 цифрами и буквами обозначены:
1 - корпус,
2 - труба жидкотопливной форсунки,
3 - коаксиальная газоподающая труба,
4 - внутренний канал подачи воздуха,
5 - воздухоподающая обечайка,
6 - срединный канал подачи воздуха,
7 - защитный кожух,
8 - газораздающее устройство,
9 - газораспределительные трубки,
10 - сопла газораспределительных трубок,
11 - конический насадок коаксиальной газоподающей трубы
12 - отверстия в коническом насадке коаксиальной газоподающей трубы,
13 - периферийный канал подачи воздуха,
14 - газораздающие коллекторы,
15 - воздухозакручивающие пластины,
16 - входной трубопровод канала подачи жидкого топлива,
17 - топливный насос
18 - запорно-регулировочный клапан канала подачи жидкого топлива,
19 - коллектор жидкотопливной форсунки,
20 - паропровод,
21 - запорно-регулировочный клапан паропровода,
22 - входной газопровод канала подачи газообразного топлива,
23 - разветвитель газопровода,
24-1, 24-2, 24-3 - запорно-регулировочные клапаны канала подвода газообразного топлива,
25 - подвод горячего воздуха,
26 - делитель воздушного потока,
27 - выход с большей площадью выходного отверстия,
28 - выход со средней площадью выходного отверстия,
29 - выход с наименьшей площадью выходного отверстия,
30-1, 30-2, 30-3 - регулировочные элементы.
ЖТ - жидкое топливо;
ГТ - газообразное топливо;
В - горячий воздух.
Заявленная горелка для сжигания газообразного и жидкого топлива (фиг.1, фиг.2) содержит корпус 1, установленную по оси трубу 2 с жидкотопливной форсункой, коаксиальную газоподающую трубу 3, внутренняя труба которой образует с трубой 2 внутренний канал 4 подачи воздуха, воздухоподающую обечайку 5, концентрично охватывающую коаксиальную газоподающую трубу 3 и образующую с ее наружной трубой срединный канал
6 подачи воздуха, газораздающее устройство 8 с газораспределительными трубками 9, расположенными равномерно в периферийном канале 13 подачи воздуха, образованном воздухоподающей обечайкой 5 и корпусом 1, и имеющие сопла 10, направленные под углом к центральной оси. Коаксиальная газоподающая труба 3 на выходе имеет конический насадок 11 с отверстиями для выхода газообразного топлива в направлении сопел 10. Газораздающее устройство 8 может содержать два газораздающих коллектора 14, при этом газораспределительные трубки 9 от обеих газораздающих коллекторов 14 располагаются в периферийном канале 13 подачи воздуха в чередующемся порядке. Внутренний 4 и срединный 6 каналы подачи воздуха на выходе в зазорах между трубой 2 и коаксиальной газоподающей трубой 3 и между коаксиальной газоподающей трубой 3 и воздухоподающей обечайкой 5 содержат установленные под углом к центральной оси воздухо-закручивающие пластины 15. Выходной участок внутреннего канала 4 подачи воздуха расположен за жидкотопливной форсункой трубы 2, а выходные отверстия конического насадка 11 коаксиальной газоподающей трубы 3 и выходные отверстия газораспределительных трубок 9 размещены за выходным отверстием срединного канала 6 подачи воздуха.
Система подачи топлива и воздуха (фиг.3) для заявляемой горелки содержит канал подачи жидкого топлива включающий входной трубопровод 16, подключенный через топливный насос 17 и запорно-регулировочный клапан 18 и коллектор 19 к жидкотопливной форсунке трубы 2, паропровод 20, подключенный через запорно-регулировочный клапан 21 и коллектор 19 к жидкотопливной форсунке к трубы 2, входной газопровод 22, соединенный через разветвитель 23 с каналом подачи газообразного топлива, подключенным через запорно-регулировочный клапан 24-1 ко входу ГТ1 коаксиальной газоподающей трубе 3, с каналом подачи газообразного топлива, подключенным через запорно-регулировочный клапан 24-2 ко входу ГТ2 газораздающего коллектора 14 и с каналом подачи газообразного топлива, подключенным через запорно-регулировочный клапан 24-3 ко входу ГТ3 газораздающего коллектора 14, подвод горячего воздуха 25, и подключенный к нему делитель 26 воздушного потока на три выхода 27, 28, 29 с отношением площадей выходных отверстий 12:7:3, при этом выход 27 с наибольшей площадью выходного отверстия через регулировочный элемент 30-1 соединен с периферийным каналом 13 подачи воздуха, выход 28 со средней площадью выходного отверстия через регулировочный элемент 30-2 соединен со срединным каналом 6 подачи воздуха, а выход 29 с наименьшей площадью выходного отверстия через регулировочный элемент 30-3 соединен с внутренним каналом 4 подачи воздуха.
Заявленная горелка совместно с заявленной системой подачи топлива и воздуха работает следующим образом.
Растопка (розжиг горелки) на природном газе:
Подается горячий воздух от делителя 26 (фиг.3) через вводы В1, В2, В3 (фиг.1) в
периферийный 13, срединный 6 и внутренний 4 каналы подачи воздуха. Объем его составляет ~30% от номинального и регулируется заслонками (регулировочными элементами) 30-1, 30-2, 30-3 на выходах 27, 28, 29 делителя 26 канала подачи горячего воздуха системы подачи топлива и воздуха. Включается запальное устройство (на чертежах не показано). В коаксиальную газоподающую трубу 3 через ввод ГТ1 подается природный газ в пределах 8-10% от номинального расхода газа. Регулировка осуществляется запорно-регулировочным клапаном 24-1. Зажигается природный газ и при устойчивом его горении отключается запальное устройство. Давление природного газа на вводе ГТ1 поднимается до номинального, что составляет ~30% от номинального расхода газа на все каналы подачи газообразного топлива горелки. Скорость подъема давления (расхода) газа зависит от режимов работы котла.
Растопка (розжиг горелки) на жидком топливе:
Подается горячий воздух от делителя 26 через вводы В1, В2, В3 в периферийный 13, срединный 6 и внутренний 4 каналы подачи воздуха. Объем его составляет ~30% от номинального и регулируется заслонками (регулирующими элементами) 30-1...30-3 на выходах 27, 28, 29 делителя 26 канала подачи горячего воздуха системы подачи топлива и воздуха. Включается запальное устройство (на чертежах не показано). Включается топливный насос 17 и через запорно-регулировочный клапан 18 и коллектор 19 в жидкотопливную форсунку трубы 2 подается жидкое топливо в пределах 8...10% от номинального расхода. При необходимости, для снижения вязкости жидкого топлива через паропровд 20, запорно-регулировочный клапан 21 и коллектор 19 в жидкотопливную форсунку трубы 2 дополнительно подается высокотемпературный пар. Поджигается жидкое топливо и при устойчивом его горении запальное устройство отключается. Расход жидкого топлива увеличивается до ~30% от номинального. Скорость подъема расхода жидкого топлива зависит от режимов работы котла.
Работа горелки в диапазоне 30÷100% от номинальной нагрузки (этот диапазон нагрузок считается нормальным в работе горелки).
При сжигании природного газа.
После вывода на 30% расход от номинального дальнейшее повышение производительности горелки (более 30% от номинальной) обеспечивается подключением (подачей природного газа) открытием запорно-регулирующего клапана 24-2 и подачей газа в газораздающее устройство 8. Если газораздающее устройство 8 содержит два газораздающих коллектора 14, то подключается один из них. Давление природного газа перед горелкой падает. Но из-за того, что подключается дополнительно газораздающий коллектор 14, расход газа на горелку остается на уровне 30% от номинального. Далее одновременно поднимается расход воздуха на горелку и расход природного газа путем повышения их давлений. Скорость повышения расходов природного газа и воздуха определяется режимами работы котла в диапазоне нагрузок 30÷100%.
При нагрузке ~65% от номинальной и наличии второго газораздающего коллектора 14 дальнейшее повышение мощности осуществляется подключением второго газораздающего коллектора 14 путем открытия запорно-регулировочного клапана 24-3. Далее работа горелки выполняется также как и при подключении первого газораспределителя.
При сжигании жидкого топлива.
Повышение производительности свыше 30% от номинальной обеспечивается повышением расхода жидкого топлива путем повышения его давления, а также увеличением расхода воздуха, подаваемого в горелку. Скорость повышения расхода жидкого топлива и воздуха определяется режимами работы котла в диапазоне нагрузок 30÷100%.
Заявленная горелка для сжигания газообразного и жидкого топлива позволяет организовать ступенчатое горение природного газа на начальном участке факела горелки.
Это обеспечивается тем, что:
А. Имеется три воздухоподающих канала с различными аэродинамическими характеристиками:
- расход воздуха, идущего через внутренний канал 4 подачи воздуха, ~10÷15%,
- расход воздуха, идущего через срединный канал 6, ~30÷35%,
- расход воздуха, идущего через периферийный канал 13, ~55÷60%.
Указанное распределение расходов воздуха по каналам определяется аэродинамическими характеристиками каждого из каналов.
На выходе из горелки образуется аэродинамический конус, размеры которого определяются: скоростями воздуха в каналах, параметрами крутки каналов и горелки в целом, скоростями истечения газа, ориентацией выходных отверстий и трубчатых наконечников газа и т.д. Поэтому при работе горелки по оси к устью ее подсасываются топочные газы (результат горения топлива), которые из-за своей высокой температуры поджигают новую порцию топлива и тем самым обеспечивают постоянное горение.
В. Имеется два (три) газоподающих канала:
- коаксиальная газоподающая труба 3, через которую при номинальном давлении природного газа пропускается ~30% номинального расхода на горелку,
- газораздающее устройство 8, способное пропустить ~70% номинального расхода на горелку при номинальном давлении газа перед горелкой,
- если газораздающее устройство 8 содержит два газораздающих коллектора 14, то каждый из них способен пропустить по ~35% номинального расхода газа на горелку при номинальном давлении газа перед горелкой.
Сочетание вышеуказанных особенностей конструкции горелки позволяют подавать в центральную часть конуса факела большее количество топлива и меньшее количество воздуха, а также подмешивать топочные газы, за счет чего создается обедненная кислородом зона. Далее, по мере развития факела, подмешивается остальной воздух и происходит окончательное горение газа. Таким образом искусственно замедляется процесс
горения во времени и пространстве. В результате процесс горения идет при более низкой температуре факела, которая является основным фактором образования так называемых высокотемпературных окислов азота без снижения экономичности сжигания природного газа, то есть химического недожога.
Кроме этого наличие трех газоподающих каналов позволяет сжигать газообразное топливо переменной калорийности, которая приводит к большим колебаниям сжигаемых объемов, подаваемых в горелку газов. То есть, при максимальной калорийности газа и, соответственно, малом его объеме работает только канал коаксиальной газоподающей трубы 3. По мере снижения калорийности и повышения объема сжигаемого газа подключается один из газораздающих коллекторов 14 газораздающего устройства 8. Если продолжает падать калорийность топлива, то подключается второй газораздающий коллектор 14 газораздающего устройства 8.
Такая же схема горения происходит и при сжигании жидкого топлива, которое подается по оси горелки, то есть подается по оси конуса факела. В результате происходит тот же процесс горения и с тем же результатом.