ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ВИХРЕВАЯ ГОРЕЛКА
TWO-STEPTED VORTEX BURNER

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может найти применение в любой отрасли промышленности, связанной со сжиганием угольного топлива в вихревых топках, в частности в установках по глубокой переработке угля в другие виды топлива, например синтез-газ. Вихревые горелки заняли достаточно весомое и прочное место в энергетическом оборудовании на тепловых электростанциях.
Однако ввиду сложности комплекса аэродинамических, химических и тепловых процессов, происходящих при сжигании в вихревых горелках угольного топлива, путь их внедрения весьма трудоемок как в процессе проектирования, так и в процессе их производственной эксплуатации.
Известна вихревая горелка для сжигания пылеугольных и пылегазовых смесей, а также газа [патент РФ №131849, F23C 1/10, F23D 1/02, F23D 17/00, 17.12.2012], в которой максимально оптимизировано смешение топливного агента с воздухом, что приводит к более полному сгоранию топлива, а следовательно, повысит экономический и экологический эффект от применения предлагаемой вихревой горелки. Решается поставленная задача за счет того, что указанная вихревая горелка, содержащая корпус с соосно установленными центральной трубой и обечайками, образующими кольцевые каналы подачи топлива, растопочного воздуха, завихрители лопаточные, причем на выходе не менее чем из одного кольцевого канала, расположенного между двумя другими каналами, установлен рассекатель, состоящий из попеременно направленных конусных секторов диффузорного и конфузорного типа, причем конусные сектора диффузорного типа устанавливаются на внутреннюю стенку канала, а конусные сектора конфузорного типа устанавливаются на внешнюю стенку канала и, кроме того, между конусными секторами выполнены разделяющие перегородки, плоскости которых направлены через ось горелки.
В указанном устройстве посредством запального устройства и мазутной форсунки производят розжиг растопочного топлива в топке, такая растопка достаточно долгий процесс и занимает до 4 часов, что экономически и технически неэффективно. Также при совместной подаче мазутного и угольного топлива в топку, происходит интенсификация процессов зашлаковывания. К тому же во всех каналах, за исключением канала с установленным рассекателем, ставятся завихрители, весьма существенно влияющие на процессы возникновения нежелательных пульсаций давлений вызванных прецессирующим вихревым ядром.
Известен способ сжигания угольной пыли в вихревой топке [патент РФ №2418237, F23C 5/24, 10.05.2011], включающий помол, механоактивацию и сжигание, в котором уголь микропомола используют для подсветки вихревых потоков угля обычного помола, вращающихся в противоположных направлениях относительно друг друга. При этом зону, в которую направляют факел сгорания угля микропомола, формируют за счет тангенциального подвода вдуваемого воздуха и изменения направления тангенциальный составляющей скорости вихревого потока на противоположное.
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата, при использовании известного способа, относится то, что такая подсветка экономически выгодна и эффективна для поддержания уже горящего факела угля обычного помола, но практически непригодна для поджига и разогрева основного потока угля обычного помола при запуске вихревой горелки в работу.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству является пылеугольная горелка [патент РФ №2294486, F23D 1/00, 26.07.2005], включающая камеру поджига с тангенциальным вводом пылевоздушной смеси и устройством поджига, смесительную камеру с коаксиальными каналами и тангенциальным вводом вторичного воздуха и угольного топлива и завихритель с турбулизатором потока, выполненным в виде цилиндрической шайбы с диаметром отверстия, меньшим диаметров каналов камеры поджига и смесительной камеры.
В указанном устройстве используют многокамерную схему сжигания угольного топлива. При всех прочих равных условиях такая схема сжигания угольного топлива менее эффективна из-за повышенного сопротивления горячему потоку, а следовательно, и из-за большего зашлаковывания. К тому же при больших расходах топлива совместный ввод вторичного воздуха и топлива через единый канал весьма существенно влияет на процесс сжигания и предварительной подготовки угольного топлива, а следовательно, увеличивает суммарные энергозатраты в процессе эксплуатации. Эффективность вышеуказанной горелки в большей степени подтвердилась только при розжиге топки или ее подсветке, но все попытки использовать ее в качестве основной горелки пока не принесли желаемого результата.
Задачей настоящего изобретения является создание двухступенчатой горелки с оптимизированной конструкцией, позволяющей обеспечить более эффективное и безопасное сжигание угольного топлива.
Технический результат - двухступенчатая вихревая горелка с улучшенными технико-экономическими показателям. Использование такой вихревой горелки позволит достичь более эффективного и безопасного сжигания угольного топлива и, как следствие, снижения общих затрат при внедрении данного типа вихревых горелок на тепловых электростанциях.
Двухступенчатая вихревая горелка, согласно изобретению, содержит последовательно и соосно установленные три осесимметричные камеры: камеру первой ступени, представляющую собой камеру с тангенциальными патрубками подачи окислителя, расположенными противоположно и зеркально относительно друг друга, и центральной подачей пропана через газовое запальное устройство, камеру второй ступени, представляющую собой камеру с тангенциальными патрубками подачи пылеугольного топлива, расположенными противоположно и зеркально относительно друг друга, и камеру сгорания, при этом камеры первой и второй ступеней соединены при помощи установленного соосно с камерами профилированного сопла, диаметр которого определяют в зависимости от соотношения мощностей первой и второй ступеней вихревой горелки с учетом параметр крутки, тангенциальные патрубки подачи пылеугольного топлива в камеру 2-й ступени расположены зеркально патрубкам подачи окислителя в камеру 1-й ступени.
e
0
e
0
В заявленном устройстве поджигание газа осуществляют с помощью запального устройства, работающего, как защитное, на случай потухания факела в первой ступени. В условиях горения в первой ступени за счет заполнения центральной рециркуляционной зоны горячими продуктами горения, выполняющими функцию поджога свежей топливно-воздушной смеси, существенно подавляется сильная неустойчивость течения в форме прецессирующего вихревого ядра. Определяющими параметрами такого течения являются конструктивный параметр крутки, S, и число Рейнольдса, Re=DU/ν, где D - диаметр выходного сопла камеры, U - среднерасходная скорость на срезе сопла, ν - кинематическая вязкость.
В первой ступени реализуется устойчивое горение, в том числе в случае обедненных режимов, которые представляют интерес с точки зрения достижения низких выбросов оксидов азота. Первая ступень вихревой горелки служит для воспламенения угольного топлива, которое подают во вторую ступень.
Закрутка потока во второй ступени противоположна закрутке потока в первой ступени. Противокрутка способствует более быстрому смешению горелочной струи первой ступени с потоком пылеугольной смеси, которую подают во вторую ступень, и более эффективному поджигу пылеугольной смеси. Преимуществами данной горелки является более равномерное заполнение объема рабочей камеры в сочетании с выраженной умеренной закруткой потока и устойчивость течения, что позволяет обеспечить более эффективное и безопасное сжигание угольного топлива.
Сущность технического решения поясняется рисунками.
Продольное сечение устройства - фиг. 1;
Поперечное сечение устройства - фиг. 2;
где 1 - газовое запальное устройство; 2 - основная камера первой ступени вихревой горелки; 3, 8 - патрубки подачи окислителя; 4, 7 - патрубки подачи пылеугольного топлива; 5 - основная камера второй ступени вихревой горелки; 6 - смотровые окна; 9 - профилированное сопло; 10 - цилиндрический корпус; 11 - камера сгорания.
Заявляемое устройство состоит из двух ступеней:
Первой ступенью является вихревая газовая горелка, представляющая собой осесимметричную камеру 2 с двумя входными тангенциальными патрубками 3 и 8 подвода окислителя и центральной подачей пропана через газовое запальное устройство 1 с соплом 5, на выходе из которого реализуется закрученное течение.
Второй ступенью является вихревая пылеугольная горелка, представляющая собой осесимметричную камеру 5 с двумя входными тангенциальными патрубками 4 и 7 подвода угольной пылевоздушной смеси, с камерой сгорания 11, смотровыми окнами 6 и цилиндрическим корпусом 10. Закрутка потока во второй ступени противоположна закрутке потока в первой ступени.
Устройство работает следующим образом.
Сначала производят подачу окислителя через тангенциальные патрубки 3 и 8 в камеру 2 первой ступени вихревой горелки. После подают пропан в центральную часть первой ступени через газовое запальное устройство 1, которое производит поджигание пропана. Факел выходит из профилированного сопла 9 во вторую ступень вихревого горелочного устройства. Первая ступень вихревой горелки начинает работать.
В камере первой ступени реализуется закрученный реагирующий поток, выходящий через сопло во вторую ступень. Для создания стабильного реагирующего потока во второй ступени диаметр сопла вычисляют как функцию мощностей первой и второй ступеней и параметра крутки,
,
где w1, w2 - мощности первой и второй ступеней, S - параметр крутки.
Производят подачу пылеугольной смеси в камеру второй ступени вихревого горелочного устройства 5 через тангенциальные патрубки 4 и 7, закручивающие поток противоположно закрутке потока первой ступени. Производится поджигание пылеугольной смеси факелом, выходящим из профилирующего сопла 9. Вихревое горелочное устройство начинает работать.
Для обоснования достижимости технического результата были выполнены экспериментальные исследования.
На фиг. 3 показан вид обедненного пламени реагирующего потока с коэффициентом избытка воздуха φ=0.5.
По фотографии, фиг. 3, видно, что нижняя часть факела, выходящая из сопла, имеет четкую границу конической формы. Как было установлено из анализа средних распределений аксиальной компоненты скорости при изотермических условиях, область рециркуляции проникает глубоко внутрь сопла, что и обеспечивает надежную стабилизацию факела.
Верхняя часть факела представляет собой M-образный фронт с размытыми границами из-за турбулентного смешения с окружающем воздухом.
Таким образом, в первой ступени вихревой горелки реализуется устойчивое горение, в том числе в случае обедненных режимов, которые представляют интерес с точки зрения достижения низких выбросов оксидов азота.
Для получения информации о пульсациях давления были использованы сигналы от двух акустических датчиков, размещенных в диаметрально противоположных направлениях на срезе сопла горелочного устройства.
Результаты исследований.
e
0
На фиг. 4 и 5 показаны профили, соответственно, средней и пульсационной составляющих скорости для изотермического и реагирующего потока: 1, 2 - аксиальная, 3, 4 - тангенциальная; светлые символы - изотермический поток, темные - реагирующий поток; x/D - отношение точки замера на выходе из сопла к полному выходному диаметру сопла тангенциальной вихревой камеры; U - средняя аксиальная скорость [м/с]; W/U - средняя тангенциальная скорость [м/с].
На фиг. 6 и 7 приведены энергетические спектры пульсаций, соответственно, давления и кросскорреляционные функции акустических сигналов датчиков, где 1 - изотермические условия, 2 - реагирующий поток, 3 - максимумы, соответствующие прецессионному вихревому ядру (ПВЯ); вертикальные оси даны в относительных единицах.
1
2
Из спектров разностного сигнала пульсаций давления (фиг. 6) видно, что в изотермических условиях и реагирующем потоке присутствуют выделенные частоты (138 и 177 Гц соответственно), которые связаны с ПВЯ. Этот вывод подтверждают также кросскорреляционные функции акустических сигналов датчиков, размещенных в диаметрально противоположных направлениях (фиг. 7). Видно, что первый максимум корреляционной функции в изотермическом случае приходится на  периода пульсаций Т, который может быть определен на основе спектра разностного сигнала (фиг. 6), т.е. сигналы изменяются в противофазе, что характерно для неосесимметричной винтовой моды возмущений. Максимум корреляционной функции в реагирующем потоке приходится на нулевой сдвиг фаз, что отражает вклад осесимметричных пульсаций, возможным источником которых является верхняя часть пламени (фиг. 3). Эти пульсации, регистрируемые датчиками в одной фазе, удаляются из разностного сигнала и поэтому не видны в спектре на фиг. 6. Прецессия центра вихря, которая была определена на основе распределения пульсаций тангенциальной скорости, в условиях реагирующего потока дает второй пик в корреляционной функции, сдвинутый примерно на половину периода прецессии Т, который также можно определить на основе спектра. Таким образом, можно сказать, что условия реагирующего потока оказывают существенное влияние на параметры ПВЯ, уменьшая амплитуду (отклонение вихря от центра горелки) и увеличивая частоту прецессии. При этом акустические датчики регистрируют снижение уровня пульсаций давления, генерируемых ПВЯ, почти на порядок, на основании чего можно сделать вывод, что условия реагирующего потока приводят к подавлению ПВЯ.
Важным результатом является тот факт, что в условиях горения за счет заполнения центральной рециркуляционной зоны горячими продуктами горения, выполняющими функцию поджога свежей топливно-воздушной смеси, существенно подавляется сильная неустойчивость течения в форме ПВЯ.
Из измеренных энергетических спектров сигналов акустических датчиков следует, что подавление ПВЯ в условиях горения приводит к существенному снижению уровня пульсаций давления.
Были проведены эксперименты по оценке эффективности работы горелки в разных режимах, с созакруткой и с противокруткой потоков первой и второй ступеней.
На фиг. 8 показана схема расположения измерительных сечений 1-3.
axial
tang
На фиг. 9, 10, 11, 12 приведены профили скоростей для различных режимов работы вихревой горелки с измерительными сечениями 1-3. Где r/R - отношение положения точки замера к полному радиусу камеры, U/U - средняя осевая скорость, U/U - средняя тангенциальная скорость.
На фиг. 9, 10 показаны осевая и тангенциальная компоненты скорости, соответственно, для режима с созакруткой потоков.
На фиг. 11, 12 показаны осевая и тангенциальная компоненты, соответственно, для режима с противокруткой потоков.
Можно видеть сильно неоднородное распределение осевой скорости для режима с созакруткой потоков и равномерное распределение в осевой скорости для противокрутки.
Таким образом, в отличие от режима с созакруткой, режим с противокруткой показал эффективное смешение закрученных потоков первой и второй ступеней. Результирующий поток характеризовался равномерным распределением осевой скорости вдоль поперечного сечения в сочетании с достаточной выраженным общим вращательным движением потока в рабочем участке. Отличием является также отсутствие формирования крупномасштабных нестационарных структур и, соответственно, интенсивных пульсаций течения. Исходя из результатов проведенных изотермических опытов можно заключить, что вариант с противокруткой является более предпочтительным для использования в двухступенчатой горелке в плане возможности более быстрого смешения горелочной струи первой ступени с потоком пылеугольной смеси, которая должна подаваться во вторую ступень, более эффективным поджигом последней.
На фиг. 13 представлены графики изменения температуры воспламенения пылеугольной смеси в разных точках по длине горелочного устройства (нумерация от завихрителя к выходу, где линии 1-8 - это показания датчиков температуры в камере сгорания, расположенных на расстоянии 10 см друг от друга) в процессе двухступенчатого горения.
График демонстрируют следующие стадии проведения опытов:
I - Включение первой ступени воздух - 4,49 л/с, газ (пропан) - 5 л/мин, вторая ступень подачи угольного топлива отключена. Стабильное воспламенение газового факела, длина факела 30 мм, рост температуры в реакционной камере до 700°C.
II - Открытие второй ступени без угольного топлива, расход воздуха 5,17 л/с.
III - Включение подачи угольного топлива через вторую ступень горелочного устройства с начальным расходом 4 кг/ч и дальнейшим увеличением до 14 кг/ч. В процессе подачи пылевзвеси наблюдается рост температуры с 550°C до 1100°C. Эффективное воспламенение и устойчивое горение пылеугольного факела.
VI - Выключение второй и первой ступени горелочного устройства.
Огневые исследования показали, что в двухступенчатой горелке с противокруткой потоков первой и второй ступеней происходит эффективное воспламенение пылеугольной смеси и ее устойчивое горение. Полнота выгорания угольного топлива составляет 98,9%.