ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
BURNER DEVICE

Изобретение относится к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим для горения перегретый водяной пар
Известно горелочное устройство [Щукин А.А. Промышленные печи и газовое хозяйство заводов. - М.: Энергия, 1973, стр.61, рис.3-24,а], содержащее цилиндрический корпус с двумя коаксиально расположенными полостями и насадкой виде сопла Лаваля. Во внутреннюю полость подается водяной пар под высоким давлением, а в наружную полость подается мазут под низким давлением. Водяной пар, за счет инжекторного эффекта, захватывает мазут, перемешивается с ним в диффузоре и выносится наружу (в топку печи) где сгорает виде факела.
Недостатком такого устройства является то, что при сжигании загрязненных твердыми частицами и водой отходами картерных масел и других промышленных отходов углеводородного топливного сырья может происходить засорение внутренних полостей горелочного устройства, что приведет к выходу из строя такого горелочного устройства.
Известно также горелочное устройство [WO 9301449, 21.01.1993, МПК F23L 7/00; F23L 7/00], содержащее камеру газогенерации в виде трубы, соединенной с выходным каналом центробежного вентилятора, жидкотопливную форсунку, расположенную в камере газогенерации и соединенную с устройством подачи топлива трубопроводом, а также встроенный парогенератор перегретого водяного пара, установленный на входе смесительной трубы, соединенной с входным каналом центробежного вентилятора. Перегретый водяной пар здесь производится с помощью электрической энергии и смешивается с всасывающимся воздухом так, чтобы пар не сконденсировался. Смесь воздуха и перегретого водяного пара нагнетается центробежным вентилятором в трубу, где топливной форсункой распыляется жидкое топливо.
Недостатком этого устройства является то, что при сжигании загрязненного твердыми частицами и водой отходами картерных масел и других промышленных отходов углеводородного топливного сырья может происходить засорение топливной форсунки, что приведет к выходу из строя всего горелочного устройства.
Наиболее близкими техническим решением является горелочное устройство [RU 2219435, 11.02.2002, МПК 7 F23C 11/00, F23L 7/00], содержащее цилиндрический корпус в виде стакана, паровую форсунку для подачи перегретого водяного пара, вмонтированную в дно корпуса, воздухоподводящие отверстия, выполненные на цилиндрической стенке корпуса, топливопровод для подачи жидкого топлива, паропровод, соединенный с паровой форсункой и камеру газогенерации. Камерой газогенерации здесь служит внутренняя полость корпуса, где встречаются продукты неполного сгорания жидкого углеводородного топливного сырья и перегретый водяной пар. Происходит паровая газификация этих продуктов, и генерируется синтез-газ, смесь газов углеводородного ряда, окись углерода и водород.
Полученный синтез-газ вместе с парами жидкого топлива и частицы сажи вылетают из камеры газогенерации и сгорают в кислороде атмосферного воздуха в виде факела.
Подача топлива здесь производится не через форсунку, а течет прямо из трубки, поэтому засорения топливоподачи здесь не происходит. Однако в таком устройстве могут сгорать только легкие погоны нефтепеработки, включая дизельное топливо. При сжигании низких погонов нефтепереработки, таких как мазут, отработанное моторное, картерное масла и т.д., происходит закоксовка внутренней поверхности дна камеры горения, потому что топливо горит на поверхности («на сковородке»). Высокая температура и отсутствие окислителя на поверхности дна камеры горения приводят к отложению и нарастанию кокса.
В основу изобретения положена задача распыления жидкого топливного сырья и последующего его сжигания не на поверхности, а в газовом потоке.
Поставленная задача решается тем, что горелочное устройство, включающее цилиндрический корпус в виде стакана, паровую форсунку для подачи перегретого водяного пара, вмонтированную в дно корпуса, воздухоподводящие отверстия, выполненные на цилиндрической стенке корпуса, топливопровод, содержит дополнительные паровые форсунки, закрепленные на держателе форсунок, имеющем форму кольцевой камеры, который установлен внутри корпуса с возможностью подачи перегретого пара в камеру газогенерации, а также камеру распыла жидкого топлива, образованную внутренними поверхностями корпуса и держателя форсунок, а топливопровод вмонтирован в стенку камеры распыла с возможностью подачи топлива сверху, на струю пара, из паровой форсунки, установленной в дне корпуса.
Топливное сырье течет по трубке, а не через форсунку, поэтому засорения топливоподачи не происходит. Из паровой форсунки, установленной в камере распыла (форсунка распыла), истекает высокоскоростная струя перегретого водяного пара. Вокруг паровой струи образуется зона пониженного давления. Топливное сырье из трубки попадает в эту зону, которая засасывает его, а паровая струя увлекает за собой, одновременно перемешиваясь с ним, не касаясь стенок горелочного устройства. Кроме того, в объеме камеры распыла создается разрежение, в результате эжекционного эффекта, полученного благодаря истечению паро-топливной струи через внутреннее отверстие держателя дополнительных форсунок. А в камере газогенерации идет процесс горения продуктов распыла и давление здесь выше, чем в камере распыла. Поэтому огонь (раскаленные продукты горения) из камеры газогенерации движется в зазор между паро-топливным потоком (идущим навстречу) и внутренней цилиндрической поверхностью отверстия держателя форсунок и достигает форсунки распыла, а достигнув ее, засасывается паро-топливным потоком и движется в обратную сторону. Форма огненного потока цилиндрическая, с характерными для факелов всполохами.
Таким образом, в этом устройстве работает эффект вакуумного засасывания в паровую струю текущего сверху топливного сырья, а также эффект огневого предохранения паро-топливного потока от разбрызгивания. Капельки топливного сырья, стремящиеся отделиться от потока (в результате вскипания капель воды, находящихся в топливном сырье), попадают в огненный поток, где испаряются (становятся легче) и засасываются в паровую струю.
Распыленное в паровом потоке топливное сырье движется далее и, не касаясь стенок горелочного устройства, попадает в камеру газогенерации, где за счет струй перегретого пара из дополнительных форсунок происходит процесс паровой газификации продуктов горения, и горящий газовый поток выносится наружу и сгорает в кислороде атмосферного воздуха в виде факела.
Предлагаемое изобретение, за счет наличия цилиндрического корпуса в виде стакана, конструкции держателя форсунок с дополнительными форсунками, разделяющего внутренний объем корпуса на две камеры: распыла и газогенерации, наличия форсунки распыла, установленной в камере распыла с возможностью подачи перегретого водяного пара через внутреннее отверстие держателя дополнительных форсунок, простой подачи жидкого топливного сырья на струю пара, а также за счет физических эффектов, происходящих в камере распыла, и за счет процессов паровой газификации в камере газогенерации, позволяет создать горелочное устройство, в котором можно сжигать сильно загрязненное твердыми частицами и водой жидкое топливное сырье.
Сущность технического решения поясняется чертежом устройства общего вида, фиг.1.
Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, с дном 2, в котором установлена паровая распылительная форсунка 3. Внутри корпуса 2 установлен держатель 4 форсунок с закрепленными на нем дополнительными форсунками 5. Держатель форсунок имеет форму кольцевой камеры 6 и разделяет внутренний объем корпуса на две полости: камеру распыла 7 и камеру газогенерации 8. В камере газогенерации 8 выполнены воздухоподводящие отверстия 9, а в камере распыла 7 установлен топливопровод 10. Паропровод 11 (показан условно) подходит к кольцевой камере 6 с одной стороны, а паропровод 12 выходит с другой стороны и соединяет кольцевую камеру 6 с паровой форсункой 3. На корпусе 1, поверх держателя 4 форсунок, установлен электрический нагреватель 13. Над газогенераторной камерой 8 установлен воздухозаборный кожух 14. Поверх металлической конструкции устройства установлен утеплитель 15. На внутренней поверхности держателя 4 форсунок в камере распыла установлен утеплитель 16.
Устройство работает следующим образом.
2
Включают электрический нагреватель 13 в сеть, прогревают всю металлическую конструкцию устройства, а в большей степени держатель 4 форсунок. Через паропровод 11 подают насыщенный водяной пар, который попадает в прогретый держатель 4 форсунок. Во внутренней полости 6, пар перегревается и поступает сразу во все форсунки. Давление водяного пара должно быть в пределах 6-12 кг/см. После этого через топливопровод 10 подают топливное сырье, которое попадает на паровую струю, истекающую из форсунки 3 и, перемешиваясь с паром, движется через отверстие 17 в камеру газогенерации 8, где поджигается любым способом и горит сажным пламенем. Перегретый водяной пар, истекающий из дополнительных форсунок 5, производит газификацию продуктов горения с образованием синтез-газа. Полученный синтез-газ вместе с парами топлива и частицами сажи вылетает из сопла 18 и сгорает в кислороде атмосферного воздуха виде факела.
Автором изготовлен и испытан экспериментальный образец горелочного устройства, работающий на отработанном моторном масле:
- Габаритные размеры устройства - ⌀120×250 мм.
- Подача пара от отдельного источника, работающего за счет электроэнергии.
- Разбрызгивания отработанного масла при распылении не наблюдалось.
- Закоксовки внутренних поверхностей устройства не наблюдалось.
- Горелочное устройство работало устойчиво в течение 1 часа.
- Замеренная температура в камере газогенерации - 1050°C.
- Замеренная температура факела - 1250°C.
- Расход отработанного масла - 2,0 л/ч.
- Расход пара - 2,0 л/ч.
- Расчетная мощность - 20,0 кВт.
2
2
Известно, что углерод, содержащийся в раскаленных частицах сажи при температуре 1000-1200°C отнимает атомарный кислород у воды, превращаясь при этом из твердого тела в газообразное, окись углерода по формуле: HO+С=CO+H.
Таким образом, область горения отработанного масла, вырабатывающего большое количество частиц сажи, насыщается кислородом, отнятым у воды, которые превращаются в окись углерода CO. Кроме того, освобождается молекулярный водород, масса которого составляет 6% от массы разложившейся воды. Теплота сгорания водорода в три раза превышает теплоту сгорания исходного топлива, а наличие в зоне горения паров воды ускоряет горение окиси углерода.
Все вышеперечисленные факторы позволяют сжигать сильно загрязненное отработанное масло с очень хорошим качеством, что подтверждено экспериментом.