ГОРЕЛКА ФАКЕЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИОННАЯ

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности к газовым горелочным устройствам и может быть использована в различных отраслях промышленности (преимущественно в газовой, нефтяной и газоперерабатывающей промышленности) для комплектации газоиспользующего оборудования с огневым нагревом технологической продукции.
Известна универсальная инжекторная горелка по а.с. 1815497 (СССР), опубл. 15.05.93, бюлл. №18. Горелка содержит газовое сопло, соосные ему цилиндрический инжектор и стабилизатор горения (горелочный туннель). В цилиндрическом инжекторе производится одноступенчатое смешение газа и воздуха, подаваемого в инжектор через боковые отверстия в стенке инжектора, размещенные в начальном участке инжектора. Внутри стабилизатора горения установлен распределитель газовоздушной смеси, имеющий осевую цилиндрическую вставку меньшего., чем инжектор, диаметра. Распределитель имеет также несколько соосных вставке периферийных отверстий в круглой поперечной перегородке, разобщающей полость стабилизатора горения на распределительную камеру (зону подогрева и смешения) газовоздушной смеси и зону горения. Причем диаметр горелочного туннеля равен диаметру камеры смешения.
Недостатками горелки являются недостаточно широкий диапазон регулирования вследствие одноступенчатого смешения газа и воздуха и непродолжительный срок службы, обусловленный перегревом металла горелки вследствие перетока теплоты по металлу распределителя (посредством теплопроводности) из зоны горения в распределительную камеру. При подаче на нее недостаточно осушенного газа, вместе с газовым конденсатом, вследствие снижения давления в инжекторе и скорости истечения из него газовоздушной смеси, происходит проскок пламени в смеситель и его последующий перегрев.
Известна также конструкция односопловой газовой горелки с двухступенчатой инжекцией газа и воздуха (Ю.В.Иванов Основы расчета и проектирования газовых горелок. - М.: Гостоптехиздат, 1963. - 360 с.). Она содержит два соосных газовому соплу последовательно подключенных смесителя, состоящих из входных конфузорных участков и цилиндрических камер смешения. Причем второй (по ходу газовоздушной смеси) смеситель имеет на выходе диффузорный участок, подключенный к горелочному туннелю.
Достоинством горелки с двухступенчатым смешением газа и воздуха является более широкий диапазон ее регулирования. Недостатком этой горелки является невысокий срок ее службы вследствие непосредственного соединения горелочного туннеля с выходным участком горелки и нередким его перегревом при проскоке пламени в инжектор и стабилизации его в диффузоре, в том числе и при подаче на нее недостаточно осушенного газа, вместе с газовым конденсатом.
Известна также инжекционная горелка (патент РФ №2118753, опубл. 10.09.98). Эта инжекционная горелка имеет газовое сопло, установленное на оси торцевой стенки смесительной камеры. Смесительная камера может перемещаться в осевом направлении с целью регулирования расхода первичного воздуха на горение путем изменения зазора между торцевой стенкой и входным сечением камеры. Выходной участок смесительной камеры оборудован конфузором. Обечайка смесительной камеры зафиксирована внутри стабилизатора горения (горелочного туннеля) и плотно, без зазоров, прилегает к нему. Диаметры этих двух узлов горелки почти равны.
В стенке горелочного туннеля, в зоне размещения выходного конфузора смесительной камеры, выполнены отверстия для вторичного воздуха. На этом же участке горелочного туннеля расположен также термосигнализатор, используемый для контроля наличия пламени.
Газовое сопло горелки кроме основного осевого отверстия имеет дополнительное нижнее радиальное отверстие. Истекающая из радиального отверстия струя газа направлена на электроды запальной свечи, расположенной на торцевой стенке смесительной камеры.
Достоинствами указанной конструкции горелки является достаточно широкий диапазон регулирования ее теплопроизводительности, обусловленный двухступенчатой инжекцией газа и воздуха, а также наличие устройств дистанционного розжига и контроля наличия пламени.
Недостатками прототипа являются непродолжительный срок его службы, а также потенциальная пожароопасность в случае подачи на горелку недостаточно осушенного топливного газа. Указанные недостатки обусловлены следующими конструктивными особенностями.
Смесительная камера, ее начальный цилиндрический участок, имеет диаметр почти равный диаметру горелочного туннеля. При наличии радиального отверстия в газовом сопле, подающем поток газа на встроенный в камеру электрозапальник, смесительная камера является по сути камерой сгорания, в которой осуществляется сгорание первичной газовоздушной смеси, скорость движения которой внутри цилиндрической обечайки практически равна скорости пламени в горелочном туннеле. Выходящие из смесительной камеры продукты неполного горения затем смешиваются с вторичным воздухом и догорают в горелочном туннеле. Так как стенки обечайки не охлаждаются (потоком вторичного воздуха охлаждается только конфузор), то вследствие ее перегрева снижается срок службы горелки.
Потенциальная пожароопасность горелки (возможность воспламенения снаружи горелки пролившегося газового конденсата) обусловлена наличием нижнего радиального отверстия в газовом сопле. При недостаточно качественной осушке топливного газа и подаче в сопло газоконденсатной смеси, вытекающая из радиального отверстия жидкость поступит на нижнюю образующую цилиндрической обечайки, а затем в зазор для первичного воздуха между обечайкой и торцевой стенкой. Часть конденсата сгорит в смесительной камере, а несгоревшая часть может вытечь наружу из горелки и вызвать осложнения в работе газоиспользующего оборудования, на котором установлена горелка.
Необходимо также отметить, что все рассмотренные конструкции инжекционных горелок не имеют технических решений по организации рециркуляции дымовых газов в горелочном туннеле для обеспечения оптимального температурного режима и необходимого времени пребывания дымовых газов в зоне горения, при которых обеспечиваются отсутствие химнедожога топлива и сокращаются выбросы оксидов азота.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является горелка факельная инжекционная (патент РФ №2215938 по кл. F23D 14/02, опубл. 10.11.2003 г.)
Горелка факельная инжекционная включает газовое сопло, соосный газовому соплу двухступенчатый цилиндрический смеситель, имеющий диаметры ступеней, увеличивающиеся по ходу газовоздушной смеси, соосный соплу стабилизатор горения, электрозапальник и термодатчик, отличающаяся тем, что газовое сопло горелки содержит сменный вкладыш, имеющий центральное отверстие и периферийные каналы, примыкающие к внутренней поверхности газового сопла, диаметр выходной ступени смесителя меньше, чем диаметр горелочного туннеля, смеситель горелки отделен от горелочного туннеля зазором, причем выходное отверстие смесителя размещено в тепловом экране.
Достоинством известной горелки факельной инжекционной является повышение ее срока службы и надежности.
Это достигается тем, что газовое сопло горелки содержит сменный вкладыш, имеющий центральное отверстие и периферийные каналы, примыкающие к внутренней поверхности газового сопла. При поступлении вместе с газом газового конденсата вкладыш позволяет произвести его распыливание и обеспечить на выходе из газового сопла однородную газожидкостную смесь. При этом обеспечивается ее качественное смешение с воздухом и ее полное сгорание, исключается проскок пламени в смеситель вследствие снижения в нем давления.
Недостатками известной горелки факельной инжекционной являются:
- значительные масса и габариты (длина вдоль оси) горелки вследствие значительных массы и габаритов стабилизатора горения (имеющего цилиндрическую форму), размещенного за смесителем по ходу газовоздушного потока и отделенного от него линейным зазором, причем диаметр стабилизатора горения значительно больше диаметра выходной ступени смесителя, а его длина по ходу потока соизмерима с длиной смесителя; кроме того, массу известной горелки увеличивают несущий лист и крепеж теплового экрана, размещенного на выходной части второй ступени смесителя;
- непродолжительный межремонтный срок эксплуатации горелки вследствие эрозионного износа (и необходимости замены) стабилизатора горелки при изготовлении его из доступных распространенных жаростойких материалов (из-за высокой температуры продуктов сгорания, омывающих стабилизатор горения);
- не вполне устойчивый розжиг горелки при преобладании жидкой фазы в топливе, обусловленный верхним расположением электрозапальника и установкой его на первой ступени смесителя горелки (в зоне недостаточной концентрации окислителя и высокой скорости топливовоздушного потока).
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является снижение массы и габаритов горелки, увеличение срока ее межремонтной эксплуатации.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является снижение затрат на изготовление и эксплуатацию горелки, увеличение срока ее службы и надежности эксплуатации (исключения отказов).
Указанный технический результат достигается тем, что горелка факельная инжекционная, которая содержит газовое сопло (1), подключенное к газоподводящему патрубку (2), соосный газовому соплу двухступенчатый цилиндрический смеситель (3), имеющий диаметры ступеней, увеличивающиеся по ходу газовоздушной смеси, соосный соплу стабилизатор горения (4), тепловой экран (5), электрозапальник (6), газовое сопло включает сменный вкладыш (7), имеющий центральное отверстие и периферийные каналы, примыкающие к внутренней поверхности газового сопла, причем горелка имеет торцевой щиток (8), снабженный заслонкой (9), торцевой щиток установлен на входе в горелочную амбразуру (10), имеющую воздухоподводящий канал (11), согласно полезной модели, входная часть стабилизатора горения (4) размещена, с кольцевым зазором, внутри выходной части второй ступени смесителя (3), а выходная часть стабилизатора горения имеет форму, суживающуюся по ходу движения газовоздушной смеси, причем выходные участки первой ступени смесителя (3) и стабилизатора горения (4) снабжены пазами (12) отвода газовоздушной смеси, электрозапальник (6) размещен в нижней части горелки, у выходного среза второй ступени смесителя (3), а тепловой экран (5) размещен на внутренней поверхности торцевого щитка (8) и заслонки (9).
Снижение массы и габаритов горелки, по сравнению с прототипом, достигается тем, что:
- стабилизатор горения (4) предлагаемой формы (суживающейся по ходу движения газовоздушной смеси) имеет меньший диаметр входной части, чем диаметр выходной части второй ступени смесителя (3), что позволяет его разместить, с кольцевым зазором, внутри выходной части второй ступени смесителя (3), тем самым сократив длину, наружный диаметр и массу горелки;
- на выходном участке первой ступени смесителя (3) выполнены пазы (12) отвода газовоздушной смеси, что обеспечивает сокращение длины смесителя за счет интенсификации подготовки топливовоздушной смеси к горению при многоструйном смешении топливовоздушной смеси и воздуха;
- выходная часть стабилизатора горения (4) имеет форму, суживающуюся по ходу движения газовоздушной смеси, а выходные участки стабилизатора горения снабжены пазами (12) отвода газовоздушной смеси, что обеспечивает интенсификацию завершающей стадии подготовки к горению топливовоздушной смеси, а также организацию необходимой кратности рециркуляции продуктов сгорания к корню факела, обеспечивающую устойчивое горение (при котором исключается химнедожог топлива и обеспечивается снижение концентрации оксидов азота) при значительно меньших, по сравнению с прототипом, габаритах стабилизатора горения (4);
- тепловой экран (5) размещен на внутренней поверхности торцевого щитка (8) и заслонки (9), тем самым, по сравнению с прототипом, снижая массу горелки за счет отказа от металлоконструкций несущего листа и крепежа теплового экрана, который на прототипе размещался на выходной части второй ступени смесителя.
Повышение межремонтного срока эксплуатации горелки обеспечивается исключением эрозионного износа (и, следовательно, необходимой регулярной замены) стабилизатора горелки (4) за счет размещения его входной части внутри выходной части второй ступени смесителя (3), в потоке охлаждающей его топливовоздушной смеси, что позволяет снизить среднюю температуру материала стабилизатора горения (4) и повысить срок его службы.
Повышение надежности горелки за счет исключения отказов при ее розжиге, в условиях преобладания жидкой фазы в топливе, обеспечено в предлагаемой горелке размещением электрозапальника (6) в нижней части горелки, у выходного среза второй ступени смесителя (3), (в зоне гарантированного поступления жидких компонентов топлива к запальнику за счет гравитации, а также в зоне необходимой и достаточной концентрации окислителя и невысокой скорости топливовоздушного потока, исключающей отрыв пламени),
Горелка факельная инжекционная иллюстрируется чертежом, на котором представлен общий вид (продольный разрез) предлагаемой горелки, при размещении горелки в горелочной амбразуре или жаровой трубе огнетехнического агрегата.
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - газовое сопло; 2 - газоподводящий патрубок; 3 - двухступенчатый цилиндрический смеситель; 4 - стабилизатор горения; 5 - тепловой экран; 6 - электрозапальник; 7 - сменный вкладыш; 8 - торцевой щиток; 9 - заслонка; 10 - горелочная амбразура; 11 - воздухоподводящий канал; 12 - пазы отвода газовоздушной смеси; 13 - опора смесителя; 14 - кожух запальника.
Горелка факельная инжекционная работает следующим образом.
При работе горелки топливный газ (содержащий жидкую фазу - газовый конденсат) поступает на газовое сопло 1 от газоподводящего патрубка 2. Газовое сопло 1 оборудовано сменным вкладышем 7. Газовый конденсат, движущийся по нижней образующей газоподводящего патрубка 2, периферийными каналами вкладыша 7 распределяется по периметру внутренней поверхности газового сопла 1 и эффективно распыливается струей газа, выходящей из центрального отверстия. Газоконденсатный аэрозоль, выходящий из газового сопла 1, оборудованного вкладышем 7, поступает в смеситель 3 и инжектирует в нем (в две ступени) воздух, необходимый для горения.
Соосный газовому соплу 1 двухступенчатый цилиндрический смеситель 3 за счет осесимметричности обеспечивает более полное преобразование энергии давления и кинетической энергии струи топлива в энергию газовоздушного потока, а за счет двухстадийного смешения топлива и воздуха обеспечивается интенсификация смешения и получение оптимального состава газовоздушной смеси при меньшей длине смесителя. При обеспечении соосности смесителя 3 и газового сопла 1 исключается также возникновение резонансных акустических эффектов, которые могут привести к сокращению срока службы горелки и огнетехнической установки, в которой она размещена. Тем самым обеспечивается снижение массы и габаритов горелки и повышение надежности ее эксплуатации.
Основной поток выходящей из первой ступени смесителя газовоздушной смеси поступает по оси горелки внутрь второй ступени смесителя 3, а часть потока выходит через пазы 12 отвода газовоздушной смеси на выходном участке первой ступени смесителя. При этом обеспечивается интенсификация подготовки топливовоздушной смеси к горению за счет многоструйного смешения первичной топливовоздушной смеси и вторичного воздуха, что позволило (по сравнению с прототипом) уменьшить длину смесителя 3 и соответственно, массу горелки.
Диаметры ступеней двухступенчатого смесителя 3, увеличивающиеся по ходу газовоздушной смеси, позволяют обеспечить ввод (эжектирование) вторичного воздуха в зазор между коаксиально расположенными первой и второй ступенями смесителя соосно и спутно основной осесимметричной струе газовоздушной смеси, что уменьшает потери на трение и повышает эффективность смесителя. Это обеспечивает снижение массы и габаритов смесителя и горелки.
Основная часть потока вторичной газовоздушной смеси, выходящей из второй ступени смесителя, поступает по оси горелки внутрь стабилизатора горения 4. Соосность стабилизатора горения 4 газовому соплу 1 обеспечивает более эффективное использование энергии потока газовоздушной смеси, выходящей из второй ступени смесителя 3, для организации смешения ее с третичным воздухом а также для организации рециркуляции потока дымовых газов к корню факела. Причем соосность стабилизатора горения 4 и газового сопла 1 также предотвращает возникновение резонансных акустических эффектов, которые могут привести к сокращению срока службы горелки. Таким образом обеспечивается снижение массы и габаритов горелки, а также повышение надежности ее эксплуатации.
А меньшая часть потока вторичной газовоздушной смеси, выходящей из второй ступени смесителя 3, подается через кольцевой зазор между выходной частью второй ступени смесителя 3 и входной частью стабилизатора горения 4, образуя после розжига горелки устойчивый кольцевой фронт воспламенения основного факела. Причем нижняя часть этого потока омывает электрозапальник 6, размещенный в нижней части горелки, у выходного среза второй ступени смесителя 3, в кожухе электрозапальника 14.
Предложенное размещение электрозапальника 6, по сравнению с прототипом (с верхним размещением запальника на первой ступени смесителя), обеспечивает безотказный (в том числе и при наличии жидкой фазы в топливе) розжиг горелки, который производится предварительно (до подачи топлива на горелку) включенным электрозапальником 6. Под действием силы гравитации капли жидкой фазы (газового конденсата) перемещаются вниз и подаются к электрозапальнику 6, обеспечивая мгновенный, без паузы, розжиг горелки. При этом исключается розжиг горелки с нештатным акустическим эффектом, «хлопком», и тем самым конструктивно обеспечивается повышение надежности работы горелки.
При работе горелки вторичная газовоздушная смесь выходит из стабилизатора горения 4 двумя потоками. Основной поток - соосно горелке, через суживающуюся выходную часть стабилизатора горения 4, часть потока - через пазы 12 отвода газовоздушной смеси в стабилизаторе. При этом обеспечивается интенсификация смешения вторичной газовоздушной смеси с третичным воздухом, завершение подготовки газовоздушной смеси к горению, воспламенение основного потока смеси от кольцевого фронта воспламенения и полное выгорание смеси.
Кинетическая энергия основного потока вторичной газовоздушной смеси, выходящей из стабилизатора горения 4, обеспечивает также (за счет предлагаемой, суживающейся формы выходной части стабилизатора горения 4) необходимую рециркуляцию потока высокотемпературных продуктов сгорания к корню факела.
Вследствие этого увеличивается время пребывания и степень выгорания продуктов сгорания топлива, обеспечивается оптимизация их температурного уровня, при котором исключается появление химнедожога топлива и обеспечивается снижение концентрации оксидов азота.
Тем самым, за счет эжекции продуктов сгорания, обеспечивается устойчивое горение (при котором исключается химнедожог топлива и обеспечивается снижение концентрации оксидов азота) при значительно меньших, по сравнению с прототипом, габаритах стабилизатора горения 4.
Размещение входной части стабилизатора горелки 4 внутри выходной части второй ступени смесителя (3), в потоке охлаждающей его топливовоздушной смеси, позволяет снизить среднюю температуру материала стабилизатора горения 4 и повысить срок его службы. Это обеспечивает повышение межремонтного срока эксплуатации горелки вследствие исключения термоэрозионного износа стабилизатора 4.
Снижение массы горелки обеспечивается также тем, что торцевой щиток 8, установленный на входе в горелочную амбразуру 10, используется для компактного размещения газоподводящего патрубка 2, электрозапальника 6 и заслонки 9 (необходимой для визуального контроля наличия пламени, а также для розжига горелки вручную). Причем масса торцевого щитка снижена благодаря его размещению на входном участке горелочной амбразуры, воспринимающем силовые воздействия от оборудования, скомпонованного на торцевом щитке.
Кроме того, размещение теплового экрана 5 на внутренней поверхности торцевого щитка 8 и заслонки 9, по сравнению с прототипом, позволяет снизить массу и габариты предлагаемой горелки, так как отпадает необходимость в отдельной поддерживающей металлоконструкции для закрепления на ней тепловой изоляции теплового экрана.
Таким образом, предложенная горелка факельная инжекционная обеспечивает снижение массы и габаритов горелки, увеличение срока ее межремонтной эксплуатации за счет перечисленных выше конструктивных решений, улучшающих перемешивание топлива и воздуха, предотвращающих перегрев стабилизатора горения, исключающих отказы при розжиге горелки.
Экономический эффект от ее применения обусловлен снижением затрат на изготовление и эксплуатацию горелки, увеличением срока ее службы и надежности эксплуатации (исключения отказов).