СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO INTENSIFY PROCESS OF FUEL BURNING AND BURNER DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области экзотермических процессов, в частности к области сжигания жидкого и газообразного топлива в топках и в камерах сгорания котлов и теплоэнергетических установок.
Известен способ повышения энергетических и экологических показателей горелочных устройств и устройство для его реализации (1). Способ характеризуется низкой эффективностью сжигания топлива и выбросами вредных веществ в атмосферу.
Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ интенсификации процессов сжигания топлива, включающий подачу первичного воздуха, вторичного и закрученного завихрителями, газообразного топлива из коллектора газа через множество радиальных газовых сопел, которое смешивается со встречным потоком вторичного воздуха, и жидкого топлива посредством форсунки в зону горения. При этом осуществляют снижение скорости сформированной газовоздушной смеси посредством того, что радиальные газовые сопла с диаметром от 1,0 до 7,5 мм находятся в устье угла раскрытия факела, а торец форсунки расположен на одном вертикальном уровне с торцом коллектора газа, а также за счет угла раскрытия факела, предотвращающего проскок пламени вовнутрь горелки или отрыв пламени (2).
Недостатком известного способа является низкая эффективность сжигания топлива при работе горелки в диапазоне от розжига до нагрузки 45-55%. Только после повышения производительности горелки от указанных величин до 100% сжигание газа достигает заявленного в способе результата.
Цель изобретения - экономия топлива, снижение вредных выбросов в атмосферу при работе горелки в диапазоне от розжига до 100%-й нагрузки.
Задача решается за счет способа интенсификации процессов сжигания топлива, включающего подачу первичного воздуха и вторичного, закрученного завихрителями первой ступени воздуха и повторно закрученного завихрителями второй ступени газообразного топлива из коллектора газа через множество радиальных газовых сопел, которое смешивается со встречным потоком вторичного воздуха и жидкого топлива посредством форсунки в зону горения.
Согласно изобретению осуществляют снижение скорости воздушного потока и сформированной газовоздушной смеси двумя ступенями пластинчатых завихрителей, а формирование высококачественной газовоздушной смеси посредством того, что часть радиальных газовых сопел находится перед второй ступенью пластинчатых завихрителей, вторая часть газовых сопел между ними и третья часть после пластинчатых завихрителей, а также за счет угла раскрытия факела, предотвращающего проскок пламени вовнутрь горелки или отрыв пламени. Реализация поставленной цели осуществляется посредством горелочного устройства, содержащего корпус с форсункой для подачи жидкого топлива, подачу воздуха, коллектор газа для подачи газообразного топлива с множеством радиальных газовых сопел и две ступени пластинчатых завихрителей. Согласно изобретению завихрители выполнены пластинчатыми и устанавливаются на коллекторе газа в две ступени. Скорость воздушного потока регулируется первой ступенью пластинчатых завихрителей, скорость газовоздушной смеси (ГВС) регулируется пластинчатыми завихрителями второй ступени и за счет угла раскрытия факела.
Формирование высокоэффективной ГВС осуществляется трехступенчатым смешиванием воздушного потока с газовым потоком, при этом часть газового потока, выходящего из множества газовых сопел, расположенных радиально на коллекторе газа до пластинчатых завихрителей второй ступени, смешивается со встречным турбулентным потоком воздуха с последующим резким изменением направления газовоздушного потока, который повторно смешивается с другой частью газового потока, выходящего из множества газовых сопел между пластинчатыми завихрителями и далее газовоздушный поток в третий раз смешивается с газовым потоком после пластинчатых завихрителей с последующим повторным изменением направления потока.
Отличие данного способа от известного состоит в том, что в коллекторе газа выполнено множество газовых сопел в количестве от 50 до 500. Часть газовых сопел располагается до пластинчатых завихрителей, другая часть между пластинчатыми завихрителями и третья часть после пластинчатых завихрителей. При этом соотношение располагаемых сопел до, между и после пластинчатых завихрителей должно быть в пределах от 0 до 35%, от 0 до 35% и от 30 до 100% соответственно. Трехступенчатое перемешивание газа и воздуха с двойным изменением угла движения газового потока обусловлено необходимостью формирования высокоэффективной смеси газ-воздух на всем диапазоне работы горелки от розжига до 100%-й нагрузки, снижением скорости газовоздушной смеси (ГВС), рассеиванием струй раскаленных газов по всему фронту их движения. Снижение скорости ГВС после горелки делает достаточным по времени реализацию реакций (2) и (3) при нагрузке горелки от розжига и до 100%, исключает образование окиси углерода и сажи, являющейся одной из основных причин разрушения футеровки и труб, сгорающей на поверхности при температуре около 2000°С:
и предотвращает проскок пламени во внутрь горелки или отрыв пламени. Двойное изменение направления потока достигается тем, что горелочное устройство имеет два ряда пластинчатых завихрителей. Первый ряд пластинчатых завихрителей расположен до радиальных отверстий для выхода газа и предназначен для снижения скорости воздушного потока. Угол наклона пластин первого ряда от 10 до 90 градусов. Расстояние пластин первого ряда от второго ряда 20-50 мм. Второй ряд пластинчатых завихрителей расположен на расстоянии 30-70 мм от торца горелки. Угол наклона пластин второго ряда от 45 до 90 градусов. Применение двойного ряда пластинчатых завихрителей с регулированием скорости воздушного и газовоздушного потоков позволяет формировать высококачественную газовоздушную смесь, более точно регулировать угол выхода газовоздушной смеси со снижением скорости, вполне достаточной для реализации сжигания газа с более полным и равномерным прогревом труб и всего топочного пространства во всем диапазоне работы горелки. Выполнение условий формирования ГВС позволяет также при сжигании газа выделить инфракрасное излучение с наибольшей температурой ядра факела сразу после розжига со значительной экономией газа по сравнению с прототипом.
Таким образом, совокупное использование указанных признаков позволяет обеспечить достижение цели - высокоэффективное и безопасное сжигание топлива, его экономию, снижение вредных выбросов в атмосферу, увеличение производительности котлов и снижение затрат на их содержание.
Наличие отмеченных выше отличительных признаков по сравнению с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Поиск дополнительных технических решений, определяемый указанными отличительными признаками, не выявил известности их совокупного использования в других областях техники для достижения цели, на основании чего можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «существенные отличия».
Результаты практического осуществления способа в реальных производственных условиях.
Реализация данного способа сжигания топлива может быть осуществлена с помощью горелочного устройства, относящегося к горелкам с принудительной подачей воздуха без предварительного смешения по классификации ГОСТ 21204-83 «Горелки газовые промышленные». На схеме представлена газомазутная горелка до усовершенствования (фиг.1) и газомазутная горелка после усовершенствования (фиг.2). Горелочное устройство (фиг.2) содержит корпус 1, пластинчатые завихрители воздуха первой ступени 2, пластинчатые завихрители газовоздушной смеси второй ступени 3, расположенные на коллекторе газа 4, с множеством сопел для выхода газа, расположенных радиально 5, кольцевой канал первичного воздуха с форсункой 6 для сжигания жидкого топлива.
Торец коллектора 4 примыкает к основанию амбразуры 7. Торец форсунки 6 устанавливается на одной вертикали с торцом газового коллектора 4. Горелочное устройство работает следующим образом: ламинарный поток воздуха из корпуса 1 подается в пластинчатые завихрители воздуха первой ступени 2, на выходе из которых сформированный турбулентный поток воздуха со сниженной скоростью смешивается с частью газового потока, выходящего из сопел 5, расположенных перед пластинчатыми завихрителями второй ступени 3 с повторным резким изменением направления газовоздушного потока, который смешивается со второй частью газового потока, выходящего из газовых сопел, расположенных между пластинчатыми завихрителями, и далее газовоздушный поток в третий раз смешивается с газовым потоком, выходящим из газовых сопел, расположенных после пластинчатых завихрителей с последующим повторным изменением направления газовоздушного потока. Окончательно сформированный турбулентный, с высокой степенью смешивания газ-воздух, высокоэффективный газовоздушный поток поступает в амбразуру с расширяющимся конусом, теряя при этом скорость, приобретая необходимые условия для высокоэффективного сжигания газа, близкие к стехиометрическим.
4
2
Сформированная газовоздушная смесь поджигается запальным устройством. Устанавливается требуемый по производительности режим работы горелки. В начальной стадии разогрева, после розжига, цвет факела приобретает чистый прозрачный цвет и сжигание газа переходит в безфакельное с выделением коротковолнового инфракрасного излучения в ядре факела, поверхности футеровки и труб отражают малиновый цвет, что свидетельствует о высокой эффективности сжигания газа с высоким тепловыделением. По мере разогрева камеры сгорания и концентрации тепла, на всех параметрах работы горелки сжигание газа остается таким же высокоэффективным С высоким тепловыделением, с полной реализацией реакций (2) и (3). Температура ядра факела достигает 1800-1850°С и обусловлена наличием в молекуле метана (СН) молекулы углерода (С), в три раза превышающего по массе молекулу водорода (Н). При этом 10-20% тепла передается тепловоспринимающим поверхностям посредством конвективного теплообмена, остальные 80-90% тепла передаются за счет коротковолнового инфракрасного излучения (лучевой энергии) от ядра факела равномерно по всем направлениям камеры сгорания, достигающего самые труднодоступные участки.
Равномерность прогрева труб и футеровки с исключением локального перегрева способствует экономии топлива от 10% и более, увеличивает производительность котлов на 10-15%, снижает затраты на их содержание и увеличивает срок службы котлов. Этому способствует безсажевое сжигание газа, так как сажа, сгорая на поверхности труб и футеровки при температуре около 3000°С, провоцирует их локальный перегрев и преждевременный износ.
Анализ состава отходящих газов за котлом показал отсутствие в них угарного газа (СО) и снижение оксидов азота на 10-15%. Предлагаемый способ интенсификации сжигания топлива и горелочное устройство для его реализации позволяют эффективно сжигать топливо с коэффициентом избытка воздуха, равного 1,01-1,02; снизить удельный расход газа на выработку одной тонны пара, снизить вредные выбросы в атмосферу и увеличить срок службы котлов и их производительность.
Источники информации
1. Патент №2122154, 6 F23D 17/00. Способ повышения энергетических и экологических показателей горелочных устройств и устройство для его реализации. Ридер К.Ф., Хохлов Л.К.
Бюл. №32 20.11.1998.
2. Патент №2287110, F23D 17/00. Способ интенсификации процесса сжигания газа и горелочное устройство для его реализации. Чумак В.Т. Бюл. №31, 10.11.2006.