ВИХРЕВАЯ ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА (ВАРИАНТЫ)
VORTEX PULVERIZED COAL BURNER (VERSIONS)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при организации сжигания угольной пыли в топках котлов, камер сгорания и печах.
Известна пылеугольная горелка с аэродинамическим преобразователем потока аэросмеси (RU №68652 U1, МПК F23D 1/06, 2007 г.), содержащая центральный канал для размещения растопочного устройства, последовательно расположенных вокруг центрального канала соосно с ним кольцевые каналы для подачи аэросмеси и вторичного воздуха с лопаточными завихрителями в каждом канале и установленный в канале для подачи аэросмеси за завихрителем по ходу аэросмеси аэродинамический преобразователь потока. Аэродинамический преобразователь потока выполнен в виде по меньшей мере трех продольных радиальных перегородок, равномерно расположенных по окружности кольцевого канала и образующих систему прямоточных параллельных каналов. Рекомендуемое оптимальное число перегородок составляет 4÷8. Длина каждой перегородки составляет 1,5÷2,5D, где D -  из двух внутренних диаметров кольцевого канала.
x
Недостатком этой пылеугольной горелки с аэродинамическим преобразователем потока аэросмеси является низкое выгорание топлива на первой стадии горения вследствие прямоточного характера движения струй, что применяется для снижения выбросов оксидов азота NO, а также низкая стабильность горения при режимах работы горелки на пониженных нагрузках и для топлив с низкой реакционной способностью.
Наиболее близкой по технической сущности является вихревая пылеугольная горелка (RU №2646164 С1, МПК F23D 1/02, 2017 г.), содержащая центральный канал для размещения растопочного устройства, вокруг которого последовательно расположены кольцевые каналы: растопочного воздуха, по меньшей мере один кольцевой канал подачи аэросмеси и два кольцевых канала вторичного воздуха - внутренний и внешний, а в выходной части канала аэросмеси установлены рассекатели потока, имеющие форму секторных участков утолщения внешней обечайки канала аэросмеси с односторонним косым срезом входной части и расположенные равномерно по окружности канала аэросмеси, в кольцевых каналах вторичного воздуха установлены завихрители воздуха. Рассекатели потока расположены на внешней обечайке потока, причем высота Н кольцевого потока и высота h рассекателей потока имеет соотношение:
x
Недостатком этой вихревой пылеугольной горелки с рассекателями потока аэросмеси является низкое выгорание топлива на первой стадии горения вследствие прямоточного характера движения струй, что применяется для снижения выбросов оксидов азота NO, а также низкая стабильность горения при режимах работы горелки на пониженных нагрузках и для топлив с низкой реакционной способностью.
x
Технической задачей настоящего изобретения (варианты 1-4) является повышение стабильности горения при режимах работы горелки на различных нагрузках и для топлив с низкой реакционной способностью при сохранении экономичного выгорания топлива (низкого уровня механического недожога), а также сохранения низкоэмиссионного сжигания топлива (эмиссии оксидов азота NO).
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
L
r
L
Технический результат достигается тем, что вихревая пылеугольная горелка (варианты 1-4) содержит центральный канал с размещенным в нем растопочным устройством, вокруг центрального канала и соосно с ним расположены кольцевой канал растопочного воздуха, кольцевой канал аэросмеси и кольцевой канал, по меньшей мере один, вторичного воздуха, в которых установлены лопаточные завихрители, по окружности внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси равномерно расположены аэродинамические преобразователи потока. Согласно изобретения (1 вариант), аэродинамические преобразователи потока выполнены в форме плоских зубьев, они установлены перпендикулярно продольной оси горелки на выходе кольцевого канала аэросмеси, причем высота h аэродинамических преобразователей потока и высота Н кольцевого канала аэросмеси имеют определенное соотношение. Согласно изобретения (2 вариант), аэродинамические преобразователи потока выполнены в форме плоских зубьев, они установлены перпендикулярно продольной оси горелки на выходе кольцевого канала аэросмеси, причем высота h аэродинамических преобразователей потока и высота Н кольцевого канала аэросмеси имеют определенное соотношение, перед аэродинамическими преобразователями по окружности внешней обечайки кольцевого канала установлены вдоль продольной оси горелки продольные рассекатели, причем высота hпродольных рассекателей и высота Н кольцевого канала аэросмеси имеет определенное соотношение, причем длина L от начальных участков продольных рассекателей до окончания внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси и диаметр D внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси имеет определенное соотношение, а длина l продольных рассекателей и длина L от начальных участков продольных рассекателей до окончания внешней обечайки кольцевого канала имеет определенное соотношение. Согласно изобретения (3 вариант), аэродинамические преобразователи потока установлены на выходе кольцевого канала аэросмеси и выполнены в форме плоских зубьев перпендикулярно продольной оси горелки, причем высота h продольных рассекателей-преобразователей и высота Н высота кольцевого канала аэросмеси имеют определенное соотношение, причем между аэродинамических преобразователей потока установлены с попеременным чередованием вдоль продольной оси горелки продольные рассекатели-преобразователи, причем высота h продольных рассекателей-преобразователей и высота h аэродинамических преобразователей потока имеет определенное соотношение. Согласно изобретения (4 вариант), на конце внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси и на конце внешней обечайки внутреннего канала вторичного воздуха выполнены диффузоры с углом раскрытия 20-40°, аэродинамические преобразователи потока выполнены в форме плоских зубьев, они установлены на выходе кольцевого канала аэросмеси или на диффузоре с его внутренней стороны перпендикулярно продольной оси горелки, причем высота h аэродинамических преобразователей и высота Н кольцевого канала аэросмеси имеет определенное соотношение.
Конструкция вихревой пылеугольной горелки представлена на чертежах (варианты 1-4):
на фиг. 1 представлен продольный разрез вихревой пылеугольной горелки (вариант 1)
на фиг. 2 - поперечный разрез горелки по А-А на фиг. 1 (вариант 1);
на фиг. 3 - продольный разрез вихревой пылеугольной горелки (вариант 2);
на фиг. 4 - вид А на фиг. 3 (вариант 2);
на фиг. 5 - поперечный разрез горелки по Б-Б на фиг. 3 (вариант 2);
на фиг. 6 - продольный разрез вихревой пылеугольной горелки (вариант 3);
на фиг. 7 - поперечный разрез горелки по А-А на фиг. 6 (вариант 3);
на фиг. 8 - продольный разрез горелки по Б-Б на фиг. 7 (вариант 3);
на фиг. 9 - продольный разрез горелки вихревой пылеугольной (вариант 4);
на фиг. 10 - поперечный разрез горелки по А-А на фиг. 9 (вариант 4);
на фиг. 11 - поперечный разрез горелки по Б-Б на фиг. 9 (вариант 4).
На фиг. 1, 3, 6 и 9 дополнительно показаны: А - зона с повышенной концентрацией угольных частиц; Б - зона с повышенной интенсивностью турбулентности; В - зона с внешним вторичным воздухом; Г- зона обратных токов горячих топочных газов; Д - зона концентрированных топливных «жгутов» на продольных рассекателях; Е - зона концентрированных топливных «жгутов» на продольных рассекателях-преобразователях; Ж - зона с внутренним вторичным воздухом.
Вихревая пылеугольная горелка (вариант 1) устанавливается на стене топки 1 котла. Она содержит центральный канал 2 для размещения в нем запальника и мазутной горелки (не показаны). Вокруг центрального канала 2 и соосно с ним последовательно расположены каналы: кольцевой канал 3 растопочного воздуха, кольцевой канал 4 аэросмеси, кольцевой канал 5, по меньшей мере один, вторичного воздуха. В этих каналах установлены, соответственно, лопаточные завихрители 6, 7 и 8. Причем лопаточный завихритель 8 в кольцевом канале 5 вторичного воздуха выполнен с регулируемой круткой. Кольцевой канал 3 растопочного воздуха оборудован входным патрубком 9, кольцевой канал 4 аэросмеси оборудован входным патрубком 10, а кольцевой канал 5 вторичного воздуха оборудован входным патрубком 11. На выходе кольцевого канала 4 аэросмеси, равномерно по окружности его внешней обечайки, установлены аэродинамические преобразователи 12 потока аэросмеси, выполненные в форме плоских зубьев. Аэродинамические преобразователи 12 потока аэросмеси установлены перпендикулярно продольной оси горелки, причем высота h аэродинамических преобразователей 12 потока и высота Н кольцевого канала 4 аэросмеси имеют соотношение:
где: h - высота аэродинамических преобразователей 12;
Н - высота кольцевого канала 4 аэросмеси.
Вихревая пылеугольная горелка (вариант 1) работает следующим образом.
Через центральный канал 2 посредством запальника и мазутной горелки (не показаны) производят розжиг топлива в топке 1. Для этого по входному патрубку 9 в кольцевой канал 3 подают растопочный воздух, необходимый для быстрого воспламенения и надежного горения распыленного топлива (например, мазута). Завихритель воздуха 6 в кольцевом канале 3 закручивает потоки растопочного воздуха и распыленного топлива, что позволяет улучшить смешение и, соответственно их воспламенение и выгорание. Растопочный воздух также выполняет роль охлаждения запальника и мазутной горелки (не показаны).
x
x
x
После розжига растопочного топлива через входной патрубок 10 в кольцевой канал 4 подают пылевоздушную смесь (аэросмесь). При помощи завихрителя 7 происходит закручивание потока пылевоздушной смеси и отбрасывание твердых частиц угля посредством центробежных сил к внешней стенке кольцевого канала 4 аэросмеси. Вследствие этого вблизи внешней стенки кольцевого канала 4 после завихрителя потока 7 образуется зона А с повышенной концентрацией угольных частиц. На выходе из кольцевого канала 4 пылевоздушная смесь встречается с аэродинамическими преобразователями 12 потока, установленными перпендикулярно движению потока аэросмеси. Благодаря такому расположению за аэродинамическими преобразователями 12 потока аэросмеси образуется зона Б с повышенной интенсивностью турбулентности, в которую попадают угольные частицы с недостатком воздуха для горения. Повышенная интенсивность турбулентности в зоне Б способствует при воспламенении топлива интенсивному выходу летучих из частиц угля и их смешению с воздухом для лучшего горения. Таким образом, образование зоны Б позволяет увеличить стабильность горения за счет быстрого выхода летучих компонент из частиц угля, а также обеспечить более полное выгорание топлива за счет быстрого и эффективного смешения его с воздухом в зоне с повышенной интенсивностью турбулентности. При этом в зоне Б благодаря низкому избытку воздуха и повышенному содержанию летучих компонентов топлива происходит восстановление образовавшихся оксидов азота NO, что дополнительно способствует обеспечению низкоэмиссионного сжигания топлива и снижению выбросов оксидов азота NO. По мере удаления с фронта воспламенения топлива от горелки происходит постепенное (поэтапное) смешение воздуха из зоны В с вторичным воздухом из кольцевого канала вторичного воздуха 5 в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности, что обеспечивает снижение выбросов оксидов азота NO и полноту выгорания топлива.
Оптимальным соотношением высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 является 0,3÷0,6. Такое соотношение обеспечивает необходимую степень турбулизации потока, при этом сохраняются необходимые для лучшего воспламенения топлива скорости потока пылевоздушной смеси на выходе из кольцевого канала аэросмеси 4. При соотношении высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 менее 0,3 интенсивность турбулентности зоны Б и характерные размеры данной области становятся недостаточными для интенсивного выхода летучих компонент топлива и их стабильного воспламенения. При соотношении высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 более 0,6 проходное сечение канала 4 аэросмеси уменьшается, и, соответственно, чрезмерно увеличиваются скорости пылевоздушной смеси, что приводит к снижению времени пребывания топлива в пригорелочной области, где находятся максимальные локальные температуры, и, как следствие, уменьшению выгорания и стабильности горения топлива.
В горелке площадь проходного сечения канала аэросмеси 4, перекрываемая аэродинамическими преобразователями 12 потока составляет 20-60% от всей площади проходного сечения кольцевого канала аэросмеси 4, что обусловлено принятой высотой аэродинамических преобразователей 12 потока.
x
Одновременно с пылевоздушной смесью в топку 1 подают вторичный воздух. Этот вторичный воздух подается в горелку по входному патрубку 11 в кольцевой канал 5, где он закручивается завихрителем 8 с регулируемой круткой. На выходе из кольцевого канала 5 вторичного воздуха основная доля воздуха за счет большого параметра крутки завихрителя 8 воздуха направляется на периферию факела горелки, отделяясь от основного потока пыли, а оставшаяся малая часть воздуха затягивается в зону Б интенсивной турбулентности, обеспечивая стабильное воспламенение летучих компонент топлива в этой области. Тем самым достигается дополнительное снижение оксидов азота NO и стабилизация факела горелки. Степень разделения вторичного воздуха от основного потока пыли на начальном этапе, а также скорость последующего их смешения зависят от крутки вторичного воздуха, которая выставляется завихрителем 8 воздуха при пусконаладочных работах.
x
Направление закручивания потоков в кольцевых каналах растопочного воздуха 3, вторичного воздуха 5 и аэросмеси 4 совпадает. Благодаря закручиванию потоков в приосевой области в корне горелки образуется зона Г обратных токов горячих топочных газов. Высокая температура топочных газов в зоне Г, направленных навстречу поступающей пылевоздушной смеси из кольцевого канала 4 аэросмеси, позволяет интенсифицировать выход летучих компонент топлива в данной области, в которой избыток воздуха ниже 1. Интенсивный выход летучих компонентов топлива в зоне Г и подача воздуха из растопочного канала 3 позволяют создать дополнительную зону стабилизации факела с сохранением экономичного выгорания топлива (низкого механического недожога). При этом горение в этой зоне происходит при пониженном избытке воздуха, что способствует низкому уровню образования оксидов азота NO.
Рекомендуемое оптимальное число аэродинамических преобразователей 12 составляет 8÷14. При этом площадь проходного сечения кольцевого канала 4 аэросмеси, перекрываемая аэродинамическими преобразователями 12 потока аэросмеси, составляет 20-60% от всей площади проходного сечения кольцевого канала 4 аэросмеси.
Вихревая пылеугольная горелка (вариант 2) устанавливается на стене топки 1 котла. Она содержит центральный канал 2 для размещения в нем запальника и мазутной горелки (не показаны). Вокруг центрального канала 2 и соосно с ним последовательно расположены каналы: кольцевой канал 3 растопочного воздуха, кольцевой канал 4 аэросмеси и кольцевой канал 5. по меньшей мере один, вторичного воздуха. В этих каналах установлены, соответственно, лопаточные завихрители 6, 7 и 8. Причем лопаточный завихритель 8 в кольцевом канале 5 вторичного воздуха выполнен с регулируемой круткой. Кольцевой канал 3 растопочного воздуха оборудован входным патрубком 9, кольцевой канал 4 аэросмеси оборудован входным патрубком 10, а кольцевой канал 5 вторичного воздуха оборудован входным патрубком 11. В выходной части кольцевого канала 4 аэросмеси, равномерно по его окружности установлены перпендикулярно продольной оси горелки аэродинамические преобразователи 12 потока аэросмеси, выполненные в форме плоских зубьев. Эти аэродинамические преобразователи 12 потока аэросмеси расположены на внешней стороне кольцевого канала 4 аэросмеси, причем высота h аэродинамических преобразователей 12 и высота Н кольцевого канала 4 аэросмеси имеют соотношение:
где: h - высота аэродинамических преобразователей 12;
Н - высота кольцевого канала 4 аэросмеси.
L
Перед аэродинамическими преобразователями 12 по окружности внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси установлены вдоль продольной оси горелки продольные рассекатели 13. Высота h продольных рассекателей 13 и высота Н кольцевого канала аэросмеси 4 имеет соотношение:
L
где: h - высота продольных рассекателей 13;
Н - высота кольцевого канала 4 аэросмеси;
причем длина L от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси и диаметр D внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси имеет соотношение:
где: L - длина от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси;
D - диаметр внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси;
R
а длина l продольных рассекателей 13 и длина L от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 имеет соотношение:
R
где: l - длина продольных рассекателей 13;
L - длина от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси.
На конце внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси выполнен диффузор 14 с углом раскрытия 20-40°. Оптимальное число аэродинамических преобразователей 12 и, соответственно, продольных рассекателей 13 потока, установленных в кольцевом канале 4 аэросмеси составляет 8÷14.
Вихревая пылеугольная горелка (вариант 2) работает следующим образом.
Через центральный канал 2 посредством запальника и мазутной горелки (не показаны) производят розжиг топлива в топке 1. Для этого по входному патрубку 9 в кольцевой канал 3 подают растопочный воздух, необходимый для быстрого воспламенения и надежного горения распыленного топлива (например, мазута). Завихритель воздуха 6 в кольцевом канале 3 закручивает потоки растопочного воздуха и распыленного топлива, что позволяет улучшить смешение и, соответственно их воспламенение и выгорание. Растопочный воздух также выполняет роль охлаждения запальника и мазутной горелки (не показаны).
x
x
После розжига растопочного топлива через входной патрубок 10 в кольцевой канал 4 подают пылевоздушную смесь (аэросмесь). При помощи завихрителя 7 происходит закручивание потока пылевоздушной смеси и отбрасывание твердых частиц угля посредством центробежных сил к внешней стенке кольцевого канала 4 аэросмеси. Вследствие этого вблизи внешней стенки кольцевого канала 4 аэросмеси после завихрителя потока 7 образуется зона А с повышенной концентрацией угольных частиц. На выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси пылевоздушная смесь встречается с аэродинамическими преобразователями 12, установленными перпендикулярно продольной оси горелки. Благодаря такому расположению за аэродинамическими преобразователями 12 потока аэросмеси образуется зона Б с повышенной интенсивностью турбулентности. За счет установки продольных рассекателей 13 под действием тангенциальной составляющей скорости пылевоздушного потока происходит дополнительное концентрирование твердых частиц топлива, находящихся в зоне А с повышенной концентрацией угольных частиц на продольных рассекателях 13, образуя зону Д концентрированных топливных «жгутов». Это приводит к тому, что в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности попадают концентрированные топливные «жгуты», в которых концентрация угольных частиц превышает соответствующую концентрацию в зоне А. Повышенная интенсивность в зоне Б способствует выходу летучих из частиц угля. Количество выделившихся летучих компонент из частиц угля в зоне Б увеличивается за счет концентрации угольных частиц, что приводит к дополнительному уменьшению избытка воздуха в данной области. Благодаря этому происходит более интенсивное восстановление образовавшихся выбросов оксидов азота NO, что в свою очередь способствует снижению общего уровня выбросов оксидов азота NO. При этом стабильность воспламенения угольного топлива обеспечивается за счет быстрого выхода летучих компонент их частиц угля и эффективного их смешения с воздухом в зоне Б с повышенной интенсивностью турбулентности.
По мере удаления от горелки происходит постепенное (поэтапное) подмешивание воздуха из зоны В с потоком из кольцевого канала 5 вторичного воздуха в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности, что обеспечивает горизонтальную стадийность горения и полноту выгорания топлива.
Оптимальным соотношением высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н кольцевого канала аэросмеси 4 является 0,3÷0,6. Такое соотношение обеспечивает необходимую степень турбулизации потока, при этом сохраняются необходимые для лучшего воспламенения топлива скорости потока пылевоздушной смеси на выходе из кольцевого канала аэросмеси 4. При соотношении высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 менее 0,3 интенсивность турбулентности зоны Б и характерные размеры данной области становятся недостаточными для интенсивного выхода летучих компонент топлива и их стабильного воспламенения. При соотношении высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 более 0,6 проходное сечение канала 4 аэросмеси уменьшается, и, соответственно, чрезмерно увеличиваются скорости пылевоздушной смеси, что приводит к снижению времени пребывания топлива в пригорелочной области, где находятся максимальные локальные температуры, и, как следствие, уменьшению выгорания и стабильности горения топлива.
L
L
L
Оптимальным соотношением высоты h продольных рассекателей 13 и высота Н кольцевого канала аэросмеси 4 является 0,7÷1,3. Такое соотношение обеспечивает необходимое концентрирование топливных «жгутов» перед выходом в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности. При соотношении высоты h продольных рассекателей 13 и высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока аэросмеси менее 0,7 площади улавливания угольных частиц продольного рассекателя 13 недостаточно для необходимого концентрирования топливных «жгутов». При соотношении высоты h продольных рассекателей 13 и высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока аэросмеси более 1,3 значительно увеличивается перекрытие кольцевого канала 4 аэросмеси в продольном сечении и, как следствие, существенно уменьшается тангенциальная составляющая скорости потока аэросмеси, что может приводить к расформированию топливного « жгута» на выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси.
Оптимальным соотношением длины L от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси и диаметра D внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси 4 является 0,6÷0,8. Такое соотношение обеспечивает необходимое концентрирование топливных «жгутов» перед входом в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности. При соотношении длина L от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси и диаметра D внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси 4 менее 0,6 момент начала улавливания угольных частиц продольным рассекателем 13 становится несвоевременным для необходимого концентрирования топливных «жгутов». При соотношении длины L от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси и диаметра D внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси 4 более 0,8 момент начала улавливания угольных частиц продольным рассекателем 13 становится преждевременным для сохранения необходимого концентрирования топливных «жгутов» перед выходом из кольцевого канала 4 аэросмеси в связи с возможным их расформированием.
L
L
L
Оптимальным соотношением длины l продольных рассекателей 13 и расстояния L от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 является 0,3÷1,0. Такое соотношение обеспечивает необходимое концентрирование топливных «жгутов» перед входом в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентностью. При соотношением длины l продольных рассекателей 13 и длины L от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 менее 0,3 площади поверхности улавливания угольных частиц продольного рассекателя 13 недостаточно для необходимого концентрирование топливных «жгутов». При соотношением длины l продольных рассекателей 13 и расстояния L от начальных участков продольных рассекателей 13 до окончания внешней обечайки кольцевого канала 4 более 1,0 расстояние, на котором происходит снижение тангенциальной составляющей скорости потока аэросмеси за счет препятствия, не позволяет сохранить вращательное движение потока аэросмеси близи аэродинамических преобразователей 12, что может приводить к расформированию топливного «жгута» на выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси, а также препятствует проникновению топливного «жгута» в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности.
x
Одновременно с пылевоздушной смесью в топку 1 подают вторичный воздух. Этот вторичный воздух подается в горелку по входному патрубку 11 в кольцевой канал 5 вторичного воздуха, где он закручивается завихрителем 8 с регулируемой круткой. На выходе из кольцевого канала 5 вторичного воздуха за счет большого параметра крутки завихрителя 8 и диффузора 14 (при наличии) направляется на периферию факела, отделяясь от основного потока пыли, а оставшаяся малая часть воздуха затягивается в зону Б интенсивной турбулентности, обеспечивая стабильное воспламенение летучих компонент топлива в этой области. Тем самым достигается горизонтальная стадийность горения топлива с дополнительным снижением оксидов азота NO и стабилизация факела горелки. Степень разделения вторичного воздуха от основного потока пыли на начальном этапе, а также скорость последующего их смешения зависят от крутки вторичного воздуха, которая выставляется завихрителем 8 при пусконаладочных работах.
x
Направление закручивания потоков в кольцевом канале 3 растопочного воздуха, кольцевом канале 5 вторичного воздуха и кольцевом канале 4 аэросмеси совпадает. Благодаря закручиванию оттоков в приосевой области в корне горелки образуется зона Г обратных токов горячих топочных газов. Высокая температура топочных газов в зоне Г, направленных навстречу поступающей пылевоздушной смеси из кольцевого канала 4 аэросмеси, позволяет интенсифицировать выход летучих компонент топлива в этой области с избытком воздуха 1. Интенсивный выход летучих компонент топлива в зоне Г и подача воздуха из кольцевого канала 3 растопочного воздуха позволяет создать дополнительную зону стабилизации факела с сохранением экономичного выгорания топлива (низкого механического недожога). При этом горение в этой зоне происходит при пониженном избытке воздуха, что способствует низкому уровню образования оксидов азота NO.
На выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси на его внешней обечайке возможна установка диффузора 14 с углом раскрытия 20÷40°. Оптимальное число аэродинамических преобразователей 12 и, следовательно, продольных рассекателей 13 потока, установленных на выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси, составляет 8÷14.
Вихревая пылеугольная горелка (вариант 3) устанавливается на стене топки 1 котла. Она содержит центральный канал 2 для размещения в нем запальника и мазутной горелки (не показаны). Вокруг центрального канала 2 и соосно с ним последовательно расположены каналы: кольцевой канал 3 растопочного воздуха, кольцевой канал 4 аэросмеси и кольцевой канал 5, по меньшей мере один, вторичного воздуха. В этих каналах установлены, соответственно, лопаточные завихрители 6, 7 и 8. Причем лопаточный завихритель 8 в кольцевом канале 5 вторичного воздуха выполнен с регулируемой круткой. Кольцевой канал 3 растопочного воздуха оборудован входным патрубком 9, кольцевой канал 4 аэросмеси оборудован входным патрубком 10, а кольцевой канал 5 вторичного воздуха оборудован входным патрубком 11. На выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси равномерно по его окружности его внешней обечайки установлены аэродинамические преобразователи потока 12, выполненные в форме плоских зубьев и расположенные перпендикулярно продольной оси горелки. Высота h аэродинамических преобразователей 12 потока и высота Н кольцевого канала 4 имеет соотношение:
где: h - высота аэродинамических преобразователей 12 потока;
Н - высота кольцевого канала 4 аэросмеси.
R
Между аэродинамических преобразователей 12 потока установлены с попеременным чередованием вдоль продольной оси горелки продольные рассекатели-преобразователи 15 потока, причем высота h продольных рассекателей-преобразователей 15 и высота h аэродинамических преобразователей 12 потока имеет соотношение:
R
где: h - высота продольных рассекателей-преобразователей 15;
h - высота аэродинамических преобразователей 12 потока.
R
Длина l продольных рассекателей-преобразователей 15 и диаметр D внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси имеет соотношение:
R
где: l - длина продольного рассекателя-преобразователя 15;
D - диаметр внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси.
Вихревая пылеугольная горелка (вариант 3) работает следующим образом.
Через центральный канал 2 посредством запальника и мазутной горелки (не показаны) производят розжиг топлива в топке 1. Для этого по входному патрубку 9 в кольцевой канал 3 подают растопочный воздух, необходимый для быстрого воспламенения и надежного горения распыленного топлива (например, мазута). Завихритель воздуха 6 в кольцевом канале 3 закручивает потоки растопочного воздуха и распыленного топлива, что позволяет улучшить смешение и, соответственно их воспламенение и выгорание. Растопочный воздух также выполняет роль охлаждения запальника и мазутной горелки (не показаны).
x
x
После розжига растопочного топлива через входной патрубок 10 в кольцевой канал 4 подают пылевоздушную смесь (аэросмесь). При помощи завихрителя 7 происходит закручивание потока пылевоздушной смеси и отбрасывание твердых частиц угля посредством центробежных сил к внешней стенке кольцевого канала 4 аэросмеси. Вследствие этого вблизи внешней стенки кольцевого канала 4 после завихрителя потока 7 образуется зона А с повышенной концентрацией угольных частиц. На выходе кольцевого канала 4 аэросмеси пылевоздушная смесь встречается с аэродинамическими преобразователями 12 потокам аэросмеси, установленными перпендикулярно движению потока аэросмеси. Благодаря такому расположению за аэродинамическими преобразователями 12 потока аэросмеси образуется зона Б с повышенной интенсивностью турбулентности. За счет замены части аэродинамических преобразователей 12 потока аэросмеси на продольные рассекатели-преобразователи 15 под воздействием тангенциальной составляющей скорости пылевоздушного потока происходит дополнительное концентрирование твердых частиц топлива, находящихся в зоне А с повышенной концентрацией угольных частиц, на продольных рассекателях-преобразователях 15, образуя зону Е концентрированных топливных «жгутов». При этом у продольных рассекателей-преобразователей 15 в силу особенностей их конструкции, расположения и наличия вращательного движения в кольцевом канале 4 аэросмеси появляется возможность создать зону Б повышенной интенсивности турбулентности на ранней стадии, перед выходом из кольцевого канала 4 аэросмеси. Это приводит к тому, что угольные частицы попадают в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности быстрее, инициируя ранее процесса выхода летучих компонент их частиц угля, а так же их воспламенение. Вместе с тем в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности попадают концентрированные топливные «жгуты» (зона Е), в которых концентрация угольных частиц превышает соответствую концентрацию в зоне А. Повышенная интенсивность турбулентности в зоне Б способствует интенсивному выходу летучих из частиц угля в зоне Б увеличивается за счет увеличения концентрации угольных частиц в топливных «жгутах», что приводит к дополнительному уменьшению избытка воздуха в данной области. Благодаря этому происходит более интенсивное восстановление образовавшихся выбросов оксидов азота NO, что, в свою очередь, способствует снижению общего уровня выбросов оксидов азота NO. При этом стабильность воспламенения угольного топлива обеспечивается за счет быстрого выхода летучих компонент из частиц угля и эффективного их смешения с воздухов в зоне Б.
По мере удаления от горелки происходит постепенное (поэтапное) подмешивание воздуха из зоны В с потоком из внешнего кольцевого канала 5 вторичного воздуха в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности, что обеспечивает горизонтальную стадийность горения и полноту выгорания топлива.
Оптимальным соотношением высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 является 0,3÷0,6. Такое соотношение обеспечивает необходимую степень турбулизации потока, при этом сохраняются необходимые для лучшего воспламенения топлива скорости потока пылевоздушной смеси на выходе из кольцевого канала аэросмеси 4. При соотношении высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 менее 0,3 интенсивность турбулентности зоны Б и характерные размеры данной области становятся недостаточными для интенсивного выхода летучих компонент топлива и их стабильного воспламенения. При соотношении высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 более 0,6 проходное сечение канала 4 аэросмеси значительно уменьшается, и, соответственно, чрезмерно увеличиваются скорости пылевоздушной смеси, что приводит к снижению времени пребывания топлива в пригорелочной области, где находятся максимальные локальные температуры, и, как следствие, уменьшению выгорания и стабильности горения топлива.
R
R
R
Оптимальным соотношением высоты h продольных рассекателей-преобразователей 13 потока и высоты h аэродинамических преобразователей 12 является 0,7÷1,3. Такое соотношение обеспечивает концентрирование топливных «жгутов» перед входом в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности, а также необходимую степень турбулизации потока продольными рассекателями-преобразователями 15. При соотношении высоты h продольных рассекателей-преобразователей 15 и высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока аэросмеси менее 0,7 площадь поверхности улавливания угольных частиц продольного рассекателя-преобразователя 15 и интенсивность турбулентности зоны Б становится недостаточными для необходимого концентрирования топливный «жгутов» и интенсивного выхода летучих компонент из частиц угля и их стабильного воспламенения. При соотношении высоты h продольных рассекателей-преобразователей 15 и высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока аэросмеси более 1,3 значительно увеличивается перекрытие кольцевого канала 4 аэросмеси в продольном сечении и, как следствие, существенно уменьшается тангенциальная составляющая скорости потока аэросмеси, что может приводить к расформированию топливного «жгута» на выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси.
R
R
R
Оптимальным соотношением длины L продольных рассекателей-преобразователей 15 и диаметра D внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси 4 является 0,1÷0,5. Такое соотношение обеспечивает необходимое концентрирование топливных «жгутов» перед входом в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности и достаточную степень турбулизации потока. При соотношении длины L продольных рассекателей-преобразователей 15 и диаметра D внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси 4 менее 0,1 площади поверхности улавливания угольных частиц продольного рассекателя-преобразователя 13 недостаточно для необходимого концентрирования топливных «жгутов». При соотношении длины L продольных рассекателей-преобразователей 15 и диаметра D внешней обечайки кольцевого канала аэросмеси 4 более 0,4 момент начала улавливания угольных частиц продольным рассекателем-преобразователем 15 становится преждевременным для сохранения необходимого концентрирования топливных «жгутов» перед выходом из кольцевого канала 4 аэросмеси в связи с возможным их расформированием.
x
Одновременно с пылевоздушной смесью в топку 1 подают вторичный воздух. Этот вторичный воздух подается в горелку по входному патрубку 11 в кольцевой канал 5 вторичного воздуха, где он закручивается завихрителем 8 с регулируемой круткой. На выходе из кольцевого канала 5 вторичного воздуха основная доля воздуха за счет большого параметра крутки завихрителя 8 и диффузора 14 (при наличии) направляется на периферию факела горелки, отделяясь от основного потока пыли, а оставшаяся малая часть воздуха затягивается в зону Б интенсивной турбулентности, обеспечивая стабильное воспламенение летучих компонент топлива в этой области. Тем самым достигается горизонтальная стадийность горения топлива с дополнительным снижением оксидов азота NO и стабилизация факела горелки, степень разделения вторичного воздуха от основного потока пыли на начальном этапе, а также скорость последующего их смешения зависят от крутки вторичного воздуха, которая выставляется завихрителем 8 воздуха при пусконаладочных работах.
x
Направление закручивания потоков в кольцевом канале 3 растопочного воздуха, кольцевом канале 5 вторичного воздуха и кольцевом канале 4 аэросмеси совпадает. Благодаря закручиванию потоков в приосевой области в корне горелки образуется зона Г обратных токов горячих топочных газ. Высокая температура топочных газов в зоне Г, направленных навстречу поступающей пылевоздушной смеси из кольцевого канала 4 аэросмеси, позволяет интенсифицировать выход летучих компонент топлива в этой области с избытком воздуха ниже 1. Интенсивный выход летучих компонент топлива в зоне Г и подача воздуха из кольцевого канала 3 растопочного воздуха позволяет создать дополнительную зону стабилизации факела с сохранением экономичного выгорания топлива (низкого механического недожога). При этом горение в этой зоне происходит при пониженном избытке воздуха, что способствует низкому уровню образования оксидов азота NO.
Оптимальное число аэродинамических преобразователей 12 и продольных рассекателей-преобразователей 15 потока, установленных в кольцевом канале 4 аэросмеси, составляет 8÷14. На конце внешней обечайки 14 кольцевого канала 4 аэросмеси возможна установка диффузора 14 с углом раскрытия 20-40°.
Вихревая пылеугольная горелка (вариант 4) устанавливается на стене топки 1 котла. Она содержит центральный канал 2 для размещения в нем запальника и мазутной горелки (не показаны). Вокруг центрального канала 2 и соосно с ним последовательно расположены каналы: кольцевой канал 3 растопочного воздуха, кольцевой канал 4 аэросмеси и два кольцевых канала внешнего вторичного воздуха - внутренний 16 и внешний 5. В этих каналах установлены, соответственно, лопаточные завихрители 6, 7, 17 и 18. Во внешнем кольцевом канале 5 вторичного воздуха после лопаточного завихрителя 18 дополнительно установлен лопаточный завихритель 8 с регулируемой круткой. Кольцевой канал 3 растопочного воздуха оборудован входным патрубком 9, кольцевой канал 4 аэросмеси оборудован входным патрубком 10, а кольцевые каналы 5 и 16 вторичного воздуха оборудованы входным патрубком 11. На конце внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси и на конце внешней обечайки внутреннего канала 16 вторичного воздуха выполнены диффузоры, соответственно, 14 и 19 с углом раскрытия 20-40°.
На выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси равномерно по окружности его внешней обечайки установлены перпендикулярно продольной оси горелки аэродинамические преобразователи 12 потока аэросмеси, выполненные в форме плоских зубьев. Высота h этих аэродинамических преобразователей 12 потока и высота Н кольцевого канала 4 аэросмеси имеет соотношение:
где: h - высота аэродинамических преобразователей 12 потока;
Н - высота кольцевого канала 4 аэросмеси.
D
D
На конце диффузора 14 с его внутренней стороны равномерно по окружности установлены аэродинамические диффузорные преобразователи 20 потока аэросмеси, выполненные в форме плоских зубьев, направленных перпендикулярно продольной оси горелки. Причем высота h аэродинамических диффузорных преобразователей 20 потока и высота H диффузора 14 имеет соотношение:
D
где: h - высота аэродинамических диффузорных преобразователей 20 потока;
D
H - высота диффузора 14 на внешней обечайке кольцевого канала 4 аэросмеси.
Вихревая пылеугольная горелка (вариант 4) работает следующим образом.
Через центральный канал 2 посредством запальника и мазутной горелки (не показаны) производят розжиг топлива в топке 1. Для этого по входному патрубку 9 в кольцевой канал 3 подают растопочный воздух, необходимый для быстрого воспламенения и надежного горения распыленного топлива (например, мазута). Завихритель воздуха 6 в кольцевом канале 3 закручивает потоки растопочного воздуха и распыленного топлива, что позволяет улучшить смешение и, соответственно их воспламенение и выгорание. Растопочный воздух также выполняет роль охлаждения запальника и мазутной горелки (не показаны).
x
x
После розжига растопочного топлива через входной патрубок 13 в кольцевой канал 4 подают пылевоздушную смесь (аэросмесь). При помощи завихрителя 7 происходит закручивание потока пылевоздушной смеси и отбрасывание твердых частиц угля посредством центробежных сил к внешней стенке кольцевого канала 4 аэросмеси. Вследствие этого вблизи внешней стенки кольцевого канала 4 аэросмеси после завихрителя потока 7 образуется зона А с повышенной концентрацией угольных частиц. На выходе из кольцевого канала 4 аэросмеси либо на выходе из диффузора 14 пылеугольная смесь встречается с аэродинамическими преобразователями 12 аэросмеси либо с аэродинамическими преобразователями 20 потока аэросмеси, установленными перпендикулярно движению потока аэросмеси. Благодаря такому расположению за аэродинамическими преобразователями 12 потока аэросмеси либо аэродинамическими преобразователями 20 потока аэросмеси образуется зона Б с повышенной интенсивностью турбулентности, в которую попадают угольные частицы с недостатком воздуха для горения. Повышенная интенсивность турбулентности в зоне Б способствует интенсивному выходу летучих из частиц угля и их смещению с воздухом для дальнейшего воспламенения и горения. При этом в зоне Б благодаря низкому избытку и повышенному содержанию летучих компонент топлива происходит восстановление образовавшихся оксидов азота NO, что дополнительно способствует снижению выбросов азота NO и обеспечению низкоэмиссионного сжигания топлива.
По мере удаления от горелки происходит постепенное (поэтапное) подмешивание воздуха из зоны В с потоком из внешнего кольцевого канала 5 вторичного воздуха в зону Б с повышенной интенсивностью турбулентности, что обеспечивает горизонтальную стадийность горения и полному выгорания топлива.
Оптимальным соотношением высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 является 0,3÷0,6. Такое соотношение обеспечивает необходимую степень турбулизации потока, при этом сохраняются необходимые для лучшего воспламенения топлива скорости потока пылевоздушной смеси на выходе из кольцевого канала аэросмеси 4. При соотношении высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 менее 0,3 интенсивность турбулентности зоны Б и характерные размеры данной области становятся недостаточными для интенсивного выхода летучих компонент топлива и их стабильного воспламенения. При соотношении высоты h аэродинамических преобразователей 12 потока и высоты Н канала аэросмеси 4 более 0,6 проходное сечение канала 4 аэросмеси значительно уменьшается, и, соответственно, чрезмерно увеличиваются скорости пылевоздушной смеси, что приводит к снижению времени пребывания топлива в пригорелочной области, где находятся максимальные локальные температуры, и, как следствие, уменьшению выгорания и стабильности горения топлива.
D
D
D
D
D
D
Оптимальным соотношением высоты h аэродинамических диффузорных преобразователей 20 потока и высоты H диффузора 14 на внешней обечайке кольцевого канала аэросмеси 4 является 0,3-0,6. Такое соотношение обеспечивает необходимую степень турбулизации потока, при этом сохраняются необходимые для лучшего воспламенения топлива скорости потока пылевоздушной смеси на выходе из диффузора 14. При соотношении высоты h аэродинамических диффузорных преобразователей 20 потока и высоты H диффузора 14 на внешней обечайке канала аэросмеси 4 менее 0,3 интенсивность турбулентности зоны Б и характерные размеры данной области становятся недостаточными для интенсивного выхода летучих компонентов топлива и их стабильного воспламенения. При соотношении высоты h аэродинамических диффузорных преобразователей 20 потока и высоты H диффузора 14 на внешней обечайке канала аэросмеси 4 более 0,6 проходное сечение на выходе из диффузора 14 значительно уменьшается, и, соответственно, чрезмерно увеличиваются скорости пылевоздушной смеси, что приводит к снижению времени пребывания топлива в пригорелочной области, где находятся максимальные локальные температуры, и, как следствие, уменьшению выгорания и стабильности горения топлива.
x
x
x
Одновременно с пылевоздушной смесью в топку 1 подают вторичный воздух. Этот вторичный воздух подается в горелку по входному патрубку 11 во внутренний канал 16 и во внешний канал 5, где он закручивается, соответственно, завихрителем 17 и завихрителями 8 и 18. Направление закручивания потоков в кольцевом канале 3 растопочного воздуха, внутреннем кольцевом канале 16 и во внешнем кольцевом канале 5 вторичного воздуха и кольцевом канале 4 аэросмеси совпадает. Благодаря закручиванию потоков в приосевой области в корне горелки образуется зона Г обратных токов горячих топочных газов. Высокая температура топочных газов в зоне Г, направленных навстречу поступающей пылевоздушной смеси из кольцевого канала 4 аэросмеси, позволяет интенсифицировать выход летучих компонент топлива в этой области с избытком воздуха ниже 1. Интенсивный выход летучих компонент в зоне Г и подача воздуха из кольцевого канала 3 растопочного воздуха позволяют создать дополнительную зону стабилизации факела с сохранением экономичного выгорания топлива (низкого механического недожога). При этом горение в этой зоне Г происходит при пониженном избытке воздуха, что способствует низкому уровню образования оксидов азота NO. За счет установки диффузоров 14 и 19 происходит увеличение отклонения потоков внутреннего и внешнего вторичного воздуха от пылеугольной смеси и, как следствие расширение стабилизационной зоны горения Г. Это способствует снижению интенсивности смешения основного потока вторичного воздуха с пылевоздушной смесью, обеспечивая более глубокую горизонтальную стадийность горения с уменьшением интенсивности образования оксидов азота NO, а также увеличению стабильности горения за счет образования более развитой зоны Г обратных токов горячих топочных газов. Кроме того, установка внутреннего кольцевого канала 16 вторичного воздуха позволяет создать зону Д, которая стабилизирует горение топлива за счет более низкой крутки и осевой скорости в канале относительно внешнего канала 5 вторичного воздуха, а также способствует снижению интенсивности образования оксидов азота NO за счет разделения пылевоздушной смеси от основного потока вторичного воздуха из внешнего кольцевого канала 5.
x
На выходе из внешнего кольцевого канала 5 вторичного воздуха основная доля воздуха за счет большого параметра крутки завихрителя 8 и диффузора 19 направляется на периферию факела горелки, отделяясь от основного потока пыли, а оставшаяся малая часть воздуха затягивается в зону Б интенсивной турбулентности, обеспечивая стабильное воспламенение летучих компонент топлива в этой области. Тем самым достигается горизонтальная стадийность горения топлива с дополнительным снижением оксидов азота NO и стабилизация факела горелки. Степень разделения вторичного воздуха от основного потока пыли на начальном этапе, а также скорость последующего их смешения зависят от крутки вторичного воздуха из внешнего кольцевого канала 5, которая выставляется завихрителем 8 с регулируемой круткой воздуха при пусконаладочных работах.
Оптимальное число аэродинамических преобразователей 12 потока установленных на выходе кольцевого канала 4 аэросмеси, либо аэродинамических диффузорных преобразователей 20 потока установленных на диффузоре 14 с его внутренней стороны, составляет 8-14.
x
Использование предлагаемой вихревой пылеугольной горелки (варианты 1, 2, 3 и 4) позволяет повысить стабильность горения при режимах работы горелки на различных нагрузках и для топлив с низкой реакционной способностью при сохранении экономичного выгорания топлива с низким механическим недожогом, а также для обеспечения низкоэмиссионного сжигания топлива с низким образованием оксидов азота NO.