МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГОРЕЛКА (ВАРИАНТЫ)
MULTIFUNCTIONAL BURNER (VERSIONS)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в топочной технике на котлах тепловых электростанций, сжигающих природный газ, угольную пыль, топливную суспензию.
Известна пылегазовая горелка, содержащая вертикально-щелевые, разделенные простенком и условной вертикальной плоскостью симметрии, пылевоздуховыводящие и воздуховыводящие окна, имеющие внешние и внутренние боковые вертикальные стены, потолочное и подовое перекрытия, а также скомпонованные в вертикальный ряд и установленные в воздуховыводящем окне вдоль его внешней стены газовыпускные сопла (Руководящий технический материал. Горелки прямоточные пылеугольные, пылегазовые и компоновка их с топками. Методы расчета и проектирования. РТМ 108.030.120-78. Издание официальное. Чертеж 14, с.29). Недостаток горелки - невысокая надежность и низкая степень выгорания топлива при установке в ней форсунки для подачи и распыливания топливной суспензии (смеси угольной пыли и воды).
Известна газовая горелка, содержащая керамический термозащитный корпус с вертикально-щелевыми воздуховыводящими окнами и газовыпускными соплами (Д.М.Хзмалян, Я.А.Каган. Теория горения и топочные устройства. М.: Энергия, 1976, с.175, рис.9-16, рис.9-17). Выполнение горелки в термозащитном корпусе повышает ее надежность. Недостаток горелки - низкая степень выгорания топлива при подаче на нее угольной пыли и водоугольной суспензии.
Известна пылегазовая многофункциональная горелка, содержащая термозащитный корпус, вертикально-щелевые, разделенные простенком, пылевоздуховыводящие и воздуховыводящие окна, скомпонованные в вертикальные ряды газовыпускные сопла (патент РФ №2228491; F23D 17/00 от 15.04.2003 г.; БИ №13, 2004 г.). Недостаток горелочного устройства - низкая степень выгорания топлива при установке в ней форсунок и подаче на них водоугольной суспензии.
Известна многофункциональная горелка, содержащая термозащитный корпус, вертикально-щелевые, разделенные простенком, пылевоздуховыводящие и воздуховыводящие окна, скомпонованные в вертикальные ряды и установленные в воздуховыводящем окне основные газовыпускные сопла, имеющие продольные оси, размещенные в условной вертикальной плоскости симметрии вертикально-щелевого воздуховыводящего окна, а также дополнительные газовыпускные сопла (патент РФ №2306484; F23D 17/00 от 13.06.2006 г.; БИ №26, 2007 г.). Недостаток горелочного устройства - низкая степень выгорания топлива при установке в ней форсунок, подаче на них и распыливании водоугольной суспензии.
Известна горелка с воздуховыводящим каналом и топливной моносопловой форсункой для распыливания водоугольной суспензии, имеющей сопло с продольной осью симметрии (авторское свидетельство СССР №1523842, МПК F23D 11/16 от 05.01.88 г.; БИ №43 от 23.11.89 г.). Недостаток горелки - низкая степень выгорания при подаче угольной пыли и природного газа.
Известна горелка с воздуховыводящим и пылевоздуховыводящими каналами и топливной моносопловой форсункой для распыливания водоугольной суспензии, имеющей сопло с продольной осью симметрии (Выбор технологии сжигания сгущенных шламов в энергетических котлах / A.M.Хидиятов, В.В.Осинцев, С.П.Костовецкий и др. // Электрические станции, 1990. №6 - с.12-16). Недостаток горелки - низкая степень выгорания при подаче природного газа.
Известна горелка с воздуховыводящим и пылевоздуховыводящими каналами и топливной моносопловой форсункой для распыливания водоугольной суспензии, имеющей выхлопное сопло с продольной осью симметрии (авторское свидетельство СССР №1366785, МПК F23C 1/10 от 07.04.86 г.; БИ №2 от 15.01.88 г.). Недостаток горелки - низкая степень выгорания при подаче угольной пыли и природного газа.
Известна горелка, содержащая воздуховыводящее и пылевоздуховыводящее окна, а также газовыводящие круглые сопла и моносопловую форсунку для ввода суспензии (патент РФ №2324860; F23C 1/10 от 06.12.2006 г.; БИ №14, 2008 г.). Недостаток горелки - низкая степень выгорания топлива при вводе в форсунку, размещаемую в горелке, и распыливании водоугольной суспензии.
Известна наиболее близкая по конструкции многофункциональная горелка, содержащая термозащитный корпус, установленные в центре корпуса разделенные простенком вертикально-щелевые воздуховыводящие окна с параллельными между собой условными вертикальными плоскостями симметрии, внешними и внутренними боковыми вертикальными стенами, потолочными и подовыми перекрытиями, установленные по периферии корпуса вдоль внешней вертикальной стены воздуховыводящего окна в вертикальном ряду с равномерным шагом основные газовыводящие круглые сопла с продольными осями, размешенными в условной вертикальной плоскости под углом к условной вертикальной плоскости симметрии воздуховыводящего окна, установленные по периферии корпуса вдоль внешней вертикальной стены пылевоздуховыводящего окна в вертикальном ряду с равномерным шагом дополнительные газовыводящие круглые сопла с продольным осями, размещенными в условной вертикальной плоскости под углом к условной вертикальной плоскости симметрии пылевоздуховыводящего окна, а также моносопловые суспензионные форсунки с продольными осями (патент РФ №2309332; F23D 17/00 от 13.06.2006 г.; БИ №30, 2007 г.). Недостаток горелки - низкая степень выгорания топлива при подаче в форсунки и распыливании водоугольной суспензии.
Задача изобретения - повышение степени выгорания топлива при сжигании водоугольной суспензии.
Для решения поставленной задачи предлагаются два варианта конструктивного выполнения многофункциональной горелки.
По первому варианту в многофункциональной горелке, содержащей термозащитный корпус, установленные в центре корпуса разделенные простенком вертикально-щелевые воздуховыводящие окна с параллельными между собой условными вертикальными плоскостями симметрии, внешними и внутренними боковыми вертикальными стенами, потолочными и подовыми перекрытиями, установленные по периферии корпуса вдоль внешней вертикальной стены воздуховыводящего окна в вертикальном ряду с равномерным шагом основные газовыводящие круглые сопла с продольными осями, размешенными в условной вертикальной плоскости под углом к условной вертикальной плоскости симметрии воздуховыводящего окна, установленные по периферии корпуса вдоль внешней вертикальной стены пылевоздуховыводящего окна в вертикальном ряду с равномерным шагом дополнительные газовыводящие круглые сопла с продольным осями, размещенными в условной вертикальной плоскости под углом к условной вертикальной плоскости симметрии пылевоздуховыводящего окна, а также моносопловые суспензионные форсунки с продольными осями, согласно изобретению форсунки установлены по периферии корпуса в общем вертикальном ряду поочередно с дополнительными газовыводящими соплами с общим равномерным шагом, а их продольные оси ориентированы вдоль условной плоскости размещения продольных осей дополнительных газовыпускных сопл.
По второму варианту в многофункциональной горелке, содержащей термозащитный корпус, установленные в центре корпуса разделенные простенком вертикально-щелевые воздуховыводящие окна с параллельными между собой условными вертикальными плоскостями симметрии, внешними и внутренними боковыми вертикальными стенами, потолочными и подовыми перекрытиями, установленные внутри воздуховыводящего окна в вертикальном ряду с равномерным шагом основные газовыводящие круглые сопла с продольными осями, размешенными в условной вертикальной плоскости симметрии воздуховыводящего окна, установленные по периферии корпуса вдоль внешней вертикальной стены пылевоздуховыводящего окна в вертикальном ряду с равномерным шагом дополнительные газовыводящие круглые сопла с продольным осями, размещенными в условной вертикальной плоскости под углом к условной вертикальной плоскости симметрии пылевоздуховыводящего окна, а также моносопловые суспензионные форсунки с продольными осями, согласно изобретению форсунки установлены по периферии корпуса в общем вертикальном ряду поочередно с дополнительными газовыводящими соплами с общим равномерным шагом, а их продольные оси ориентированы вдоль условной плоскости размещения продольных осей дополнительных газовыпускных сопл.
Установкой форсунок по периферии корпуса достигается интенсификация прогрева капель суспензии и испарения из них влаги; размещением форсунок в общем вертикальном ряду поочередно с дополнительными газовыводящими соплами с общим равномерным шагом обеспечивается равномерный подмес высокореакционного топлива к каплям суспензии, его последующее первоочередное воспламенение с повышением температурного уровня среды вокруг капель и дальнейший ускоренный прогрев и вспышку угольных частиц в каплях; ориентированием продольных осей форсунок вдоль условной плоскости размещения продольных осей дополнительных газовыпускных сопл обеспечивается равномерность подвода выделяемой теплоты высокореакционного газа к каплям, ускоренное и более полное выгорание угольных частиц, что в результате и решает поставленную задачу повышения степени выгорания топливной суспензии.
При нарушении одного из условий: выноса форсунок из периферийной зоны корпуса горелки, установки форсунок вне общего вертикального ряда с дополнительными газовыми соплами, либо смещении углов продольных осей форсунок и дополнительных газовых сопл друг относительно друга степень выгорания уменьшается.
На чертежах даются пояснения повариантного изменения конструкции многофункциональной горелки согласно изобретению.
На фиг.1 представлена схема многофункциональной горелки по варианту 1, разрез в плане; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 представлена схема многофункциональной горелки по варианту 2, разрез в плане; на фиг.4 - вид Б на фиг.3; на фиг.5 - схема моносопловой суспензионной форсунки; на фиг.6 - схема топки с размещением горелок; на фиг.7 - разрез В-В на фиг.6.
с
1
1
2
1
1
2
Многофункциональная горелка по варианту 1 на фиг.1, 2 содержит термозащитный корпус 1, вертикально-щелевые воздуховыводящее окно 2 и пылевоздуховыводящее окно 3, разделенные простенком 4 в центре корпуса 1, с параллельными между собой условными вертикальными плоскостями симметрии β, γ соответственно, внешними стенами 5, 6 и внутренними стенами 7, 8 соответственно, потолочными перекрытиями 9, 10 и подовыми перекрытиями 11, 12 соответственно, установленные по периферии корпуса 1 вдоль внешней вертикальной стены 5 воздуховыводящего окна 2 в вертикальном ряду с равномерным шагом  основные газовыводящие круглые сопла 13 с продольными осями n, размещенными в условной вертикальной плоскости π под углом α к условной вертикальной плоскости симметрии β воздуховыводящего окна 2, установленные по периферии корпуса 1 вдоль внешней вертикальной стены 6 воздуховыводящего окна 3 в вертикальном ряду с равномерным шагом b дополнительные газовыводящие круглые сопла 14 с продольными осями m, размещенными в условной вертикальной плоскости φ под углом α к условной вертикальной плоскости симметрии γ пылевоздуховыводящего окна 3, а также моносопловые суспензионные форсунки 15 с продольными осями k. Особенностью конструкции является установка форсунок 15 по периферии корпуса 1 в общем вертикальном ряду поочередно с дополнительными газовыводящими соплами 14 с общим равномерным шагом b (при этом установочный шаг только форсунок b=2b, только дополнительных газовыпускных сопл b=2b, из чего b=b). Кроме того, продольные оси k форсунок 15 ориентированы вдоль условной плоскости φ размещения продольных осей m дополнительных газовыпускных сопл 14. Схема моносопловой суспензионной форсунки 15 с продольной осью симметрии k представлена на фиг.5. Форсунка имеет осесимметричный корпус 16 и встроенный, также осесимметричный, патрубок 17 подачи суспензии, образующие кольцевой канал 18 сжатого воздуха на распыливание; к кольцевому каналу 18 подключен подводящий патрубок 19. Патрубок 17 и кольцевой канал 18 подключены к осесимметричному диспергатору 20 конфузорного типа, внутри которого поток суспензии разбивается на отдельные фрагменты - капли, выбрасываемые, в частности, в топку для прогрева, испарения и сжигания. Со стороны подачи сжатого воздуха вблизи патрубка 19 установлена заглушка 21, направляющая поток сжатого воздуха в кольцевой канал 18 и диспергатор 20.
Работа многофункциональной горелки по варианту 1 осуществляется путем подачи воздуха в воздуховыводящее окно 2, пылевоздушного потока в пылевоздуховыводящее окно 3, природного газа в основные и дополнительные сопла 13, 14 соответственно, суспензии - в форсунки 15. Согласно схем на фиг.6, 7 перечисленные реагентные потоки вводят в рабочий объем 22 топки 23 через горелки 24, выполненные по варианту 1 и установленные на стенах 25 топки 23. В объеме 22 топки 23 происходит их прогрев, воспламенение и горение - окисление топливных компонентов кислородом воздуха с выделением теплоты. Выделенная теплота передается поверхностям нагрева 26, размещаемым в топке 23 и конвективных газоходах (на фиг.6, 7 не показаны). Различают как основные режимы раздельного и комбинированного сжигания газа и сухой угольной пыли, вводимых через основные сопла 13 и окно 3, так и дополнительные режимы утилизации топливной водоугольной суспензии, вводимой через форсунки 15 одновременно с природным газом, вводимым через дополнительные сопла 14. Воздух на горение в необходимом количестве поступает постоянно через окно 2. При реализации дополнительных режимов достигается максимальная степень выгорания угольных частиц суспензии, фиксируемая в продуктах сгорания, покидающих топку 23 через окно 27.
Установкой форсунок 15 по периферии корпуса 1 достигается интенсификация прогрева капель суспензии и испарения из них влаги; размещением форсунок 15 в общем вертикальном ряду поочередно с дополнительными газовыводящими соплами с общим равномерным шагом с обеспечивается равномерный подмес высокореакционного топлива к каплям суспензии, его последующее первоочередное воспламенение с повышением температурного уровня среды вокруг капель и дальнейший ускоренный прогрев и вспышку угольных частиц в каплях; ориентированием продольных осей k вдоль условной плоскости φ размещения продольных осей m дополнительных газовыпускных сопл 14 обеспечивается равномерность подвода выделяемой теплоты высокореакционного газа и каплям, ускоренное и более полное выгорание угольных частиц, что в результате и решает поставленную задачу повышения степени выгорания топливной водоугольной суспензии.
1
При нарушении одного из условий: выноса форсунок 15 из периферийной зоны корпуса 1 горелки, установки форсунок 15 вне общего вертикального ряда с дополнительными газовыми соплами 14, либо смещении углов α продольных осей k форсунок 15 и углов α продольных осей m дополнительных газовых сопл 14 друг относительно друга, степень выгорания уменьшается.
с
1
1
2
1
1
2
Многофункциональная горелка по варианту 2 на фиг.3, 4 содержит те же элементы конструкции 1-22, что и многофункциональная горелка по варианту 1. Особенностью данного устройства является размещение основных газовыпускных сопл 13 в воздуховыводящем окне 2. В центральной части термозащитного корпуса 1 размещены вертикально-щелевые воздуховыводящее окно 2 пылевоздуховыводящее окно 3, разделенные перегородкой 4. Окна 2, 3 имеют параллельные между собой условные вертикальные плоскости симметрии β, γ соответственно, внешние стены 5, 6 и внутренние стены 7, 8 соответственно, потолочные перекрытия 9, 10 и подовые перекрытия 11, 12 соответственно, установленные в воздуховыводящем окне 2 основные газовыводящие сопла 13 с продольными осями n. Сопла 13 скомпонованы в вертикальный ряд с равномерным шагом , а продольные оси n размещены в условной вертикальной плоскости симметрии β воздуховыводящего окна 2. По периферии корпуса 1 вдоль внешней вертикальной стены 6 пылевоздуховыводящего окна 3 в вертикальном ряду с равномерным шагом b установлены дополнительные газовыводящие круглые сопла 14 с продольными осями m, размещенными в условной вертикальной плоскости φ под углом α к условной вертикальной плоскости симметрии γ пылевоздуховыводящего окна 3. В корпусе 1 установлены также моносопловые суспензионные форсунки 15 с продольными осями k. Сохраняется главная особенность конструкции - установка форсунок 15 по периферии корпуса 1 в общем вертикальном ряду поочередно с дополнительными газовыводящими соплами 14 с общим равномерным шагом b (при установочном шаге только форсунок b=2b, только дополнительных газовыпускных сопл b=2b, из чего b=b). При этом продольные оси k форсунок 15 ориентированы вдоль условной плоскости φ размещения продольных осей m дополнительных газовыпускных сопл 14. В конструкции многофункциональной горелки по варианту 2 применяется также моносопловая суспензионная форсунка 15 с продольной осью симметрии k, представленная на фиг.5 и имеющая те же обозначения 16-21.
Работа многофункциональной горелки по варианту 2 осуществляется путем подачи воздуха в воздуховыводящее окно 2, пылевоздушного потока в пылевоздуховыводящее окно 3, природного газа в основные и дополнительные сопла 13, 14 соответственно, суспензии - в форсунки 15. Согласно схем на фиг.6, 8 перечисленные реагентные потоки вводят в рабочий объем 22 топки 23 через горелки 28, выполненные по варианту 2 и установленные на стене 25 топки 23. В объеме 22 топки 23 происходит прогрев, воспламенение и горение. Выделяемая в процессе горения теплота передается поверхностям нагрева 26, размещаемым на стенах 25 в топке 23 и конвективных газоходах (на фиг.6, 8 не показаны).
Различают как основные режимы раздельного и комбинированного сжигания газа и сухой угольной пыли, вводимых через основные сопла 13 и окно 3, так и дополнительные режимы утилизации топливной водоугольной суспензии, вводимой через форсунки 15 одновременно с природным газом, вводимым через дополнительные сопла 14. Воздух на горение в необходимом количестве поступает постоянно через окно 2. При реализации дополнительных режимов достигается максимальная степень выгорания угольных частиц суспензии, фиксируемая в продуктах сгорания, покидающих топку 23 через окно 27.
Установкой форсунок 15 по периферии корпуса 1 достигается интенсификация прогрева капель суспензии и испарения из них влаги; размещением форсунок 15 в общем вертикальном ряду поочередно с дополнительными газовыводящими соплами с общим равномерным шагом с обеспечивается равномерный подмес высокореакционного топлива к каплям суспензии, его последующее первоочередное воспламенение с повышением температурного уровня среды вокруг капель и дальнейший ускоренный прогрев и вспышку угольных частиц в каплях; ориентированием продольных осей k вдоль условной плоскости φ размещения продольных осей m дополнительных газовыпускных сопл 14 обеспечивается равномерность подвода выделяемой теплоты высокореакционного газа к каплям, ускоренное и более полное выгорание угольных частиц, что в результате и решает поставленную задачу повышения степени выгорания топливной водоугольной суспензии.
1
При нарушении одного из условий: выноса форсунок 15 из периферийной зоны корпуса 1 горелки, установки форсунок 15 вне общего вертикального ряда с дополнительными газовыми соплами 14, либо смещении угла α продольных осей k форсунок 15 относительно продольных осей m дополнительных газовых сопл 14 степень выгорания уменьшается.
Практическое использование многофункциональной горелки связано с топочными камерами котельных агрегатов тепловых электростанций, сжигающих в качестве основного топлива природный газ и угольную пыль, а также утилизируемую топливную водоугольную суспензию, получаемую в процессе сбора и сгущения с различных источников. При оснащении многофункциональных горелок, например, по варианту 2 (фиг.3, 4) котлов БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2 суспензионными форсунками 15 (фиг.5) достигается высвобождение из топливного баланса ТЭС части дорогостоящего природного газа. При этом экономическая эффективность применения предлагаемых многофункциональных горелок напрямую связана с количеством подаваемой на котлы суспензии и соответствующего сокращения расхода природного газа.