ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗА И МАЗУТА
BURNER FOR COMBUSTION OF GAS AND BLACK OIL

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к устройствам для сжигания газообразного и жидкого топлива в топках котлов и в печах. Для этих целей применяют комбинированные газомазутные горелки, в которых можно, в зависимости от практической потребности, раздельно сжигать газ или мазут.
Известна горелка для раздельного сжигания газа и мазута, которая имеет коаксиально расположенные наружный кольцевой канал для подвода вторичного воздуха, центральный кольцевой канал для подвода первичного воздуха, средний кольцевой канал для подвода газа и форсунку для сжигания мазута (Хзмалян Д.М., Каган Я.Н. Теория горения и топочные устройства. - М.: Энергия, 1976, с.204). Форсунка вставляется вручную вовнутрь центрального коаксиального канала только при использовании в качестве топлива мазута. Количество воздуха подаваемого по центральному каналу меньше, чем количество воздуха, подаваемого по наружному каналу. Горелка работает с внутренним смесеобразованием, то есть прогрев части топлива и его зажигание производится с опережением по отношению к основной массе топлива и основному количеству горючей смеси. Смешение газа, подаваемого через отверстия среднего канала, производится только с частью первичного воздуха. Эта смесь сразу же воспламеняется при выходе из устья горелки. Вторичный воздух закручивается в аксиальном регистре и подается на смешение уже с оставшейся частью газа. Принцип внутреннего смесеобразования также применим для мазута, так как при распыливании мазута первичный воздух образует горючую смесь с мельчайшими капельками мазута, которая, как и в случае сжигания газа, сразу же воспламеняется при выходе из устья горелки.
Недостатками известной горелки является следующее.
1. Сажеообразование из-за неполного сгорания топлива и его перерасхода за счет увеличения подачи топлива при увеличении тепловой мощности горелки.
2. Избыточная подача воздуха при уменьшении тепловой мощности горелки за счет уменьшения подачи топлива и, как следствие, перерасход топлива, так как происходит нагрев балластного воздуха за счет теплоты горения топлива.
3. Перерасход топлива при увеличении или уменьшении разрежения в топке за счет изменения тяги дымососа при изменении тепловой нагрузки котла, так как зона горения факела меняет свои геометрические размеры и ухудшается смесеобразование и происходит недогорание топлива или избыточный подвод воздуха.
4. Перерасход топлива в период наладки режима работы горелок, сложность в обслуживании и дополнительные потери времени на обслуживание при переходе работы горелки с газа на мазут и, наоборот, с мазута на газ.
5. Некачественное внутреннее смешивание топлива с воздухом из-за того, что отверстия для подачи газа в кольцевом среднем канале невозможно надежно и равномерно ориентировать по отношению к потокам первичного и вторичного воздуха.
6. При растопке котла или его останове имеется перерасход топлива, связанный с регулированием скорости прогрева или остывания металла поверхностей нагрева и паропроводов, так как изменение геометрических параметров, формы и месторасположения факела по высоте, ширине и глубине топки за счет осевого перемещения кольцевого канала для подвода газа и форсунки в известной горелке не предусмотрено.
Известна горелка для сжигания газа и мазута, которая имеет коаксиально расположенные наружный кольцевой канал с тангенциальным регистром для подвода воздуха, лопатки которого закручивают воздух в два потока: первичный и вторичный, центральный кольцевой канал для подвода газа, имеющий отверстия двух размеров, расположенные под острым углом к потокам первичного и вторичного воздуха, и форсунку для сжигания мазута, расположенную внутри коаксиального канала для подвода газа. Форсунка механически вставляется вовнутрь центрального коаксиального канала только при использовании в качестве топлива мазута (Хзмалян Д.М., Каган Я.Н. Теория горения и топочные устройства. - М.: Энергия, 1976, с.205).
Принцип внутреннего смесеобразования в данной горелке реализован путем применения тангенциального регистра, лопатки которого закручивают воздух в два потока: первичный и вторичный. Угол закручивания устанавливается вручную один раз при первой настройке горелки.
Недостатками известной горелки является следующее.
1. Сажеообразование из-за неполного сгорания топлива и его перерасхода за счет увеличения подачи топлива при увеличении тепловой мощности горелки.
2. Избыточная подача воздуха при уменьшении тепловой мощности горелки за счет уменьшения подачи топлива и, как следствие, перерасход топлива, так как происходит нагрев балластного воздуха за счет теплоты горения топлива.
3. Перерасход топлива при увеличении или уменьшении разрежения в топке за счет изменения тяги дымососа при изменении тепловой нагрузки котла, так как зона горения факела меняет свои геометрические размеры и ухудшается смесеобразование и происходит недогорание топлива или избыточный подвод воздуха.
4. Перерасход топлива в период наладки режима, сложность в обслуживании и дополнительные потери времени на обслуживание при переходе работы горелки с газа на мазут и, наоборот, с мазута на газ.
5. Некачественное внутреннее смешивание топлива с воздухом из-за того, что отверстия для подачи газа в кольцевом среднем канале невозможно надежно и равномерно ориентировать по отношению к потокам первичного и вторичного воздуха.
6. При растопке котла или его останове имеется перерасход топлива, связанный с регулированием скорости прогрева или остывания металла поверхностей нагрева и паропроводов, так как изменение геометрических параметров, формы и месторасположения факела по высоте, ширине и глубине топки за счет осевого перемещения центрального канала для подвода газа и форсунки в известной горелке не предусмотрено.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является горелка для раздельного сжигания газа и мазута, которая имеет три коаксиально расположенных кольцевых канала: наружный - для подвода вторичного воздуха, центральный - для подвода первичного воздуха, средний кольцевой канал для подвода газа через газоподающие трубы, выполненные двух разных диаметров и различной длины для улучшения внутреннего смешивания газа с первичным воздухом, закрепленные неподвижно в среднем кольцевом канале и не имеющие раздельного регулирования подачи газа по трубам различного диаметра, и форсунку для сжигания мазута. Форсунка вставляется вручную вовнутрь центрального воздушного канала и закрепляется неподвижно только при использовании мазута (презентационный проспект ОАО ТКЗ «Красный котельщик». - Таганрог, 2007. - 20 с. - прототип).
Количество воздуха, подаваемого по центральному каналу, меньше, чем количество воздуха, подаваемого по наружному каналу.
Недостатками известной горелки является следующее.
1. Сажеообразование из-за неполного сгорания топлива и его перерасхода за счет увеличения подачи топлива при увеличении тепловой мощности горелки.
2. Избыточная подача воздуха при уменьшении тепловой мощности горелки за счет уменьшения подачи топлива и, как следствие, перерасход топлива, так как происходит нагрев балластного воздуха за счет теплоты горения топлива.
3. Перерасход топлива при увеличении или уменьшении разрежения в топке за счет изменения тяги дымососа при изменении тепловой нагрузки котла, так как зона горения факела меняет свои геометрические размеры и ухудшается смесеобразование и происходит недогорание топлива или избыточный подвод воздуха.
4. Перерасход топлива в период наладки при переходе работы горелки с газа на мазут, связанный с необходимостью установки форсунки в центральный канал и наладкой режима ее работы.
5. При растопке котла или его останове имеется перерасход топлива, связанный с регулированием скорости прогрева или остывания металла поверхностей нагрева и паропроводов, так как изменение геометрических параметров, формы и месторасположения факела по высоте, ширине и глубине топки за счет осевого перемещения газоподающих труб и форсунки в известной горелке не предусмотрено.
Задачей заявляемого изобретения является интенсификация горения топлива для снижения химического недожога во всем диапазоне изменения тепловых нагрузок котельного агрегата.
Технический результат достигается тем, что в горелке для сжигания газа и мазута, включающей три коаксиально расположенных кольцевых канала: наружный канал для подвода вторичного воздуха, центральный канал для подвода первичного воздуха, средний кольцевой канал, в котором установлены газоподающие трубы разных диаметров, и форсунку для сжигания мазута, расположенную в центральном канале, на входе каждого коаксиального канала установлены тангенциальные регистры для закрутки воздуха, при этом первого потока первичного воздуха - в центральный канал, второго потока первичного воздуха - в средний канал, а газоподающие трубы выполнены с отогнутыми выходными отверстиями, поворотными вокруг оси и с возможностью осевого перемещения, форсунка для сжигания мазута выполнена с возможностью осевого перемещения, причем тангенциальные регистры, газоподающие трубы и форсунка соединены с электродвигателями с сервоприводами, управляемыми по компьютерной программе.
Компьютерная программа по электрической цепи связана с первичными датчиками и с интерфейсами контроля текущих режимных параметров работы котла, а также с дополнительными первичными датчиками падающих тепловых потоков от факела.
Компьютерная программа через электродвигатели с сервоприводами осуществляет следующие операции управления.
1. Поворот воздухозакручивающих лопаток тангенциальных регистров на заданный угол в соответствии с теплопроизводительностью котла, разрежением в топке и с производительностью дымососа и дутьевого вентилятора.
2. Осевое перемещение и поворот вокруг оси газоподающих труб в соответствии с тепловой нагрузкой котла и текущим значением температуры перегрева пара.
3. Осевое перемещение распыливающей форсунки в зависимости от значений падающих тепловых потоков от факела.
На фиг.1 изображена предлагаемая горелка для сжигания газа и мазута в разрезе, на фиг.2 - график зависимости КПД от паропроизводительности котла (на примере конкретного осуществления изобретения).
Горелка содержит три коаксиально расположенных кольцевых канала: наружный канал 1 для подвода вторичного воздуха, центральный канал 2 для подвода первого потока первичного воздуха, средний канал 3 для подвода второго потока первичного воздуха, имеющие тангенциальные регистры 4, 5, 6, соединенные с помощью электродвигателей с сервоприводами 7, 8, 9. В среднем канале 3 установлены газоподающие трубы 10 разных диаметров и с отогнутыми концами, а в центральном кольцевом канале 2 по оси горелки расположена форсунка 11 для сжигания мазута. Каждая газоподающая труба 10 соединена с электродвигателем 12 с сервоприводом для осевого перемещения и поворота вокруг своей оси на заданный угол по команде компьютерной программы. Форсунка 11 также имеет возможность перемещения по оси горелки с помощью электродвигателей 13 с сервоприводами по команде компьютерной программы.
Заявляемая горелка для сжигания газа и мазута работает следующим образом.
Воздух поступает от дутьевого вентилятора через общий воздухоподводящий короб горелки (не показаны) в тангенциальные регистры 4, 5, 6, в которых с помощью лопаток происходит его закручивание. Закрученные с различной степенью крутки потоки воздуха по каналам 1, 2, 3 подаются на перемешивание с топливом, при этом давление газообразного топлива в горелку на порядок выше давления подаваемого воздуха.
Первичный воздух подсасывается к струе газа из-за ее большой скорости на выходе из газоподающих труб 10. Газообразное топливо, поступающее через газоподающие трубы 10, смешивается с первым и вторым потоками первичного воздуха каналов 2 и 3.
При первом пуске горелки воспламенение осуществляют от постороннего запальника с помощью искры или открытого пламени. При дальнейшей работе воспламенение происходит за счет высокой температуры самого фронта пламени, поскольку диаметры газоподающих труб 10 различны, смесеобразование и горение у тонких газовых струй происходит интенсивнее. Кроме того, к увеличению скорости турбулентного распространения пламени и росту поверхности фронта пламени приводят отогнутые концы газоподающих труб 10 и различная степень крутки. За счет выделяющейся теплоты при сгорании смеси первичного воздуха и части газа нагревается основная масса вторичного воздуха, поступающего в горелку по наружному каналу 1, и происходит дальнейшее горение основной массы газа.
При использовании форсунки 11 мазут дробится на мелкие капли за счет высокого давления и подвод первичного воздуха по каналам 2 и 3 способствует быстрому воспламенению капель мазута и образованию начального фронта пламени с выделением теплоты для прогрева остальной массы горючей смеси.
В соответствии с тепловой нагрузкой котла и с учетом производительности дымососа, дутьевого вентилятора, калорийности топлива, разрежения в топке, месторасположения и геометрии факела по высоте, ширине и глубине топки и величины падающего от факела теплового потока по компьютерной программе с помощью электродвигателей 7, 8, 9 с сервоприводами происходит поворот воздухозакручивающих лопаток тангенциальных регистров 4, 5, 6 на заданные углы для первого и второго потоков каналов 2, 3 первичного воздуха и вторичного воздуха для канала 1, а также продольное перемещение газоподающих труб 10 с помощью электродвигателей 12 с сервоприводами и форсунки 11 с помощью электродвигателя 13 с сервоприводом в оптимальное положение, при котором достигается максимальная степень турбулентности распространения пламени. Повышение степени турбулентности пламени позволяет получать протекание реакции горения в кинетической области, в которой происходит молекулярное перемешивание топлива с воздухом и интенсивность реакции горения велика.
Примеры конкретного исполнения заявляемого изобретения.
На шестигорелочном паровом котле ТГМ-84Б с номинальной паропроизводительностью 420 т/ч сжигался мазут марки М-100 и природный газ уренгойского месторождения.
Горелки имели механические форсунки марки ФУЗ-5000. Способ ввода газа - центральная раздача. Вторичный воздух подавался через воздухозакручивающие лопатки тангенциального регистра с регулируемым углом крутки, первичный воздух - центральный канал. При работе на газе в ходе испытаний были получены следующие результаты.
На фиг.2 представлена зависимость КПД от паропроизводительности котла при различных крутках воздуха в горелках при работе на газе. Обозначение, например, 10 лев означает, что лопатки тангенциального регистра повернуты влево на 10° против часовой стрелки.
Запись положения лопаток при испытаниях по горелкам с №1 по №6 представлена как 10 лев/ 5 лев/ 45 прав/ 5 прав/ 45 прав /45 лев.
- значения измененной (регулируемой) при испытаниях крутки воздуха: 10 лев/ 5 лев/ 45 прав/ 5 прав/ 45 прав /45 лев. Коэффициенты избытка воздуха при нагрузках 300, 355, 380, 420 (т/ч) соответственно 1,095, 1,045, 1,042, 1,047. Температура уходящих газов соответственно 113, 117, 128, 130 (°С).
- значения при постоянной крутке воздуха (по режимной карте): 45 прав/ 45 прав / 30 лев / 45 лев /45 прав/ 45 лев. Коэффициенты избытка воздуха при нагрузках 300, 320, 380, 410 (т/ч) соответственно 1,06, 1,06, 1,055, 1,05. Температура уходящих газов соответственно 120, 123, 131, 133 (°С).
Из фиг.2 видно, что использование измененной крутки воздуха в горелках с №1 по №6 10 лев/ 5 лев/ 45 прав/ 5 прав/ 45 прав /45 лев по сравнению с круткой по режимной карте 45 прав/ 45 прав / 30 лев / 45 лев /45 прав/ 45 лев приводит к увеличению КПД котла при работе на уренгойском газе. Влияние перемещения форсунки по оси горелки на интенсификацию реакции горения при работе котла на мазуте приведено в таблице.
Таблица
Измеряемый параметр факела
Расстояние от распыливающей форсуночной насадки до среза выходного сопла горелки, мм
160
260
360
Падающий от факела тепловой поток на левый боковой экран на уровне горелки, кВт/м<sup>2</sup>
102,8
302,5
431,1
Температура факела, °С
1186
1344
1477
Продольные перемещения форсунки относительно среза горелки при испытаниях проводились кратковременно при паровой нагрузке котла 313 т/час. Падающие от факела тепловые потоки измерялись радиометром на основе прибора ТЕРА-50 через боковой лючок в стенке котла. Температура факела измерялась инфракрасным пирометром.
Из таблицы видно, что продольное перемещение форсунки относительно каналов подвода первичного и вторичного воздуха, при прочих равных условиях, вызывает изменение параметров, характеризующих интенсивность реакции горения мазута, при этом наибольшая температура факела и падающий от факела тепловой поток наблюдаются при расстоянии от распыливающей форсуночной насадки до среза выходного сопла горелки, равном 360 мм, и интенсивность реакции горения повышается за счет турбулентного распространения пламени и роста поверхности фронта пламени. Расход мазута через форсунку при испытаниях составлял 4,5 т/час, коэффициент избытка воздуха в режимном сечении был равен 1,12.
Преимущества заявляемой горелки
1. Отсутствует сажеобразование и происходит полное сгорание топлива при увеличении тепловой мощности горелки за счет увеличения подачи топлива, так как осуществляется регулируемое изменение параметров фронта пламени в соответствии с количеством подаваемого топлива.
2. Предотвращается нагрев избыточного балластного воздуха при уменьшении тепловой мощности горелки за счет снижения подачи топлива, так как также происходит регулируемое изменение параметров и формы фронта пламени в соответствии с меньшим количеством подаваемого топлива.
3. Предотвращается перерасход топлива, так как регулирование температуры факела в топке при использовании заявляемой горелки производится путем изменения геометрических параметров, формы и месторасположения факела по высоте, ширине и глубине топки с помощью компьютерной программы.
4. При растопке котла или его останове снижается перерасход топлива, связанный с регулированием скорости прогрева или остывания металла поверхностей нагрева и паропроводов, так как в заявляемой горелке изменение геометрических параметров, формы и месторасположения факела по высоте, ширине и глубине топки осуществляется с помощью компьютерной программы.