ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО И ЖИДКОГО ТОПЛИВА
BURNER DEVICE FOR BURNING OF GASEOUS AND LIQUID FUEL

Изобретение относится к теплоэнергетике и теплотехнике и может быть использовано в котлах и печах различного назначения, теплоэнергетических установках, в нефтепереработке, в технологических процессах с применением огневых воздействий в различных отраслях промышленности и энергетики.
Известно горелочное устройство / пат. РФ №2122154, кл. F23 17/00, 1998/, содержащее корпус с форсункой для подачи жидкого топлива, подачу воздуха в коллектор газа для подачи газообразного топлива с множеством радиальных газовых сопел и завихритель.
Недостатком указанного устройства является низкая эффективность сжигания топлива, а также большое количество выбросов вредных веществ в атмосферу.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является горелочное устройство для сжигания газообразного и жидкого топлива /пат. РФ №2287110, МПК F23D 17/10, 2006 г./, включающее корпус с патрубком, образующим воздушную камеру, пластинчатый завихритель вторичного воздуха, газораспределительный коллектор с патрубком и радиальными отверстиями для подачи газа в закрученный воздушный поток, центральную трубу для прохождения первичного воздуха, в которую при необходимости устанавливают с кольцевым зазором трубопровод с форсункой для подачи жидкого топлива.
Недостатком данного устройства является ограниченное применение, так как только закрученный факел с большим углом раскрытия обеспечивает удовлетворительную рециркуляцию продуктов сгорания. В основном, это характерно для котельных установок и промышленных печей. При малых углах раскрытия факела циркуляция продуктов сгорания снижается и факел теряет стабильность горения, а при прямоточном факеле, когда угол раскрытия факела близок к нулю, горелочное устройство теряет работоспособность.
Задачей настоящего изобретения является существенное повышение эффективности сжигания газообразного и жидкого топлива путем активизации горения топлива с обеспечением экологической безопасности.
Поставленная задача решается за счет того, что горелочное устройство для сжигания газообразного и жидкого топлива, содержащее корпус с патрубком, образующий воздушную камеру, пластинчатый завихритель, соосно расположенный на головной части газораспределительного коллектора с патрубком и радиальными отверстиями для подачи газа в закрученный воздушный поток, выходящий из завихрителя, центральный воздуховод для прохождения первичного воздуха, трубопровод с форсункой для подачи жидкого топлива, причем пластинчатый завихритель выполнен в виде чередующихся между собой конфузоров и диффузоров, формирующих сужающие и расширяющие потоки воздуха, при этом пластины завихрителя закреплены попарно непосредственно на газораспределительном коллекторе или на съемной с коллектора втулке под углом не более 90° друг к другу, длина пластины при прямоточном факеле горения одинакова, а при закрученном факеле горения - каждую вторую пластину выполняют до половины длины завихрителя.
На фиг. 1 схематично изображено горелочное устройство /общий вид/. На фиг. 2 и 3 представлены в четвертном разрезе головной части горелочного устройства наладки для получения различных форм факела горения, на фиг. 4, 5 и 6 - показаны развертки конфузорно-диффузорного завихрителя, обеспечивающего соответственно прямоточный /длинный/ и развернутые /короткие/ факелы горения.
Горелочное устройство для сжигания газообразного и жидкого топлива содержит следующие конструктивные элементы:
1 - корпус, снабженный патрубком подвода вторичного воздуха;
2 - пластинчатый конфузорно-диффузорный завихритель;
3 - газораспределительный коллектор с патрубком для подвода газа;
4 - радиальные отверстия для подачи газа в поток вторичного воздуха;
5 и 6 - торцевые отверстия для подачи газа в поток первичного и вторичного воздуха;
7 - центральная труба, в которую с кольцевым зазором 8 установлен газопровод 9 с сопловым наконечником 10 или трубопровод 11 с форсункой 12, соответственно для подачи газа или жидкого топлива;
13 - съемная втулка;
14 - пластины;
15 - укороченные пластины;
16 - осевое отверстие соплового наконечника 10 /первое исполнение соплового наконечника/;
17 - отверстия соплового наконечника 10 /второе исполнение соплового наконечника/;
18 - конфузорный насадок;
19 - диффузорный насадок.
Горелочное устройство работает следующим образом.
Газ подают с небольшой подачей через газораспределительный коллектор 3 в выходной насадок 18 или 19, где его поджигают от факела запальника, далее через воздушную камеру, образованную корпусом 1, также с небольшой подачей в зону горения подают вторичный воздух и при достижении вялого, но устойчивого факела горения, последовательно увеличивая подачу газа и воздуха, выводят работу горелочного устройства на рабочий режим, при котором вторичный воздух, через воздушную камеру корпуса 1, подают в пластинчатый конфузорно-диффузорный завихритель 2, который делит его на конфузорные /сужающие/ и диффузорные /расширяющие/ равные по числу разноскоростные потоки, соответствующие общему количеству пластин 14 при прямоточном и 14, 15 при закрученном факеле горения.
3
При выходе из завихрителя 2 эти потоки смешивают с газом /первый поток/, поступающим из газораспределительного коллектора 3 через его радиальные отверстия 4 и получают горючие смеси с разной концентрацией. В процессе горения диффузорная богатая смесь с α<1, протекающая с меньшей скоростью, образует промежуточные продукты горения с активными химическими элементами O, ОН, CH и др. - центрами горения, инициирующими цепные реакции, которые конфузорная бедная смесь с α>1, протекающая с большей скоростью, инжектирует и тем самым образует активную горючую смесь с α до 1,1, обеспечивающую устойчивый высокотемпературный (до 1600°C) как прямоточный (при одинаковой длине пластин 14) или развернутый (при разной длине пластин 14 и 15) факел горения, не зависящий от угла раскрытия, т.к. рециркуляция промежуточных продуктов горения в рассматриваемом изобретении дублируется разницей скоростей смешанных горючих потоков.
Факел при таком способе сжигания топлива получают мало светящимся (прозрачным), укороченным, длиной до 1 м. Для достижения мобильности конструкции горелочного устройства и изменения длины факела конфузорно-диффузорный завихритель 2 выполнен съемным в виде втулки 13 с закрепленными на ней пластинами 14 (для прямоточного факела) или 14 и 15 (для закрученного факела) и с выполненным на ее торце конусным (для закрученного факела) и цилиндрическим (для прямоточного факела) отбойником газовых струй, выходящих из радиального отверстия 4. Величина конуса определяет угол вхождения газовых струй в потоки вторичного воздуха, отчего меняется продолжительность смешивания газа с воздухом и, следовательно, длина факела горения.
Угол этого конуса выбирают в пределах 120°, предельное его значение 120° соответствует углу вхождения газа в потоки воздуха под углом 30°. Дальнейшее увеличение этого угла до 180°, соответствующее углу вхождения газа в потоке воздуха 90°, существенного изменения длины факела не даст.
Цилиндрический отбойник направляет струи газа параллельно оси горелочного устройства, при этом продолжительность смешивания газа с воздухом и длина пути смешивания увеличиваются, увеличивая при этом длину факела горения.
Кроме того, изменение длины и угла раскрытия факела без потери стабильности горения осуществляют изменением угла наклона (φ) конфузорно-диффузионных потоков к оси горелочного устройства. Его выбирают в пределах до 60°, при дальнейшем увеличении угла происходит резкое снижение скоростей потоков, отчего падает их рециркуляционная связь и соответственно активность процесса горения.
Для получения удлиненного факела горения (до 2 м), используемого как правило в энергетических и технологических установках, дополнительно в зону горения подают газ (второй поток) через торцевые отверстия 5 или 6 газораспределительного коллектора 3, выполненные к потоку соответственно первичного или вторичного воздуха под углом менее 30° относительно оси горелочного устройства. Этот предел угла выбран оптимальным, т.к. увеличение этого угла приводит к резкому уменьшению величины удлинения факела, а при 90° удлинение факела не будет.
Объем газа подаваемый через торцевые отверстия 5 и 6 (второй поток) выдерживают в пределах 35% к объему газа, подаваемого через радиальные отверстия 4 (первый поток), образуя горючую смесь с коэффициентом избытка воздуха α>1, а конфузорно-диффузорную горючую смесь выдерживают с α<1 с обеспечением в общем факеле горения α до 1,15.
В результате смешивания этих горючих смесей процесс горения за счет промежуточных активных продуктов горения конфузорно-диффузорной горючей смеси и вновь образующихся активных центров, инициирующих цепные реакции горения более активизируется, обеспечивая увеличение скорости прохождения химических реакций горения, снижения тепловых потерь и увеличение жаропроизводительности.
С целью дальнейшего увеличения длины факела горения свыше 2 м, применяемого в металлургической, химической и других промышленностях, по газопроводу 9 через осевое отверстие 16 или наклонные отверстия 17 соплового наконечника 10 подают в зону горения газ, (третий поток) в объеме 15% к сумме первого и второго газовых потоков, который смешивают с первичным воздухом, поступающим по кольцевому зазору 8, образуя горючую смесь с α>1, при этом сжигание первого и второго газовых потоков осуществляют с α<1, выдерживая в общем факеле горения коэффициент избытка воздуха в пределах α=1÷1,15. Это позволяет получать также промежуточные продукты горения с активными центрами горения в виде атомов водорода, кислорода, гидроксильных радикалов и других элементов - центрами инициации, возникновение и прохождение цепных реакций горения, тем самым, активизируя процесс горения в едином факеле.
Отклонение от указанных соотношений газа в потоках приводит к нарушению режима ступенчатого сжигания топлива, что повлечет за собой снижение активизации горения и увеличение содержания окислов азота в продуктах сгорания.
При сжигании жидкого топлива взамен газообразного, его под давлением подают по трубопроводу 11 в форсунку 12, которая производит в зоне горения его распыление. Распыленные частицы топлива с воздушными конфузорно-диффузорными потоками образуют активную горючую смесь, которая при сжигании, так же как и газовоздушная горючая смесь, резко повышает эффективность горения.
Таким образом, горелочное устройство обеспечивает существенное повышение эффективности сжигания топлива за счет получения промежуточной активной горючей среды и последовательной ее рециркуляции в общий факел горения топлива в три этапа (ступени), что позволило резко активизировать процесс сжигания топлива с уменьшением тепловых потерь с увеличением жаропроизводительности, и обеспечение экологической безопасности.