ГОРЕЛКА ГАЗОВАЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ ВОЗДУХА

Предполагаемая полезная модель относится к области энергетики, в частности к горелочным устройствам, работающим на природном газе с принудительной подачей воздуха, предназначенным преимущественно для использования в топках различных котлоагрегатов.
Известно, что блочные горелки с принудительной подачей воздуха, работающие на природном газе в автоматическом режиме в диапазоне нагрузок 30…100%, характеризуются частичным предварительным смешением и коэффициентами избытка воздуха при различной нагрузке в диапазоне 1,05…1,15 (ГОСТ Р 51383-2012, EN 676+А2:2008). При этом для организации частичного предварительного смешения и стабилизации пламени используют закрутку потока для формирования тороидальной рециркуляционной зоны (Гупта А., Закрученные потоки: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987 - 588 с.). Формирование указанной зоны возможно за счет использования лопаточного аппарата (наклонные осевые или аэродинамические профилированные радиальные лопатки) или плохообтекаемого тела. Для горелок с принудительной подачей воздуха наиболее энергоэффеткивным вариантом является плохообтекаемое тело, для которого характерно развитое вихреобразование при меньшем сопротивлении воздушного тракта (М. Ван-Дайк, Альбом течений жидкости и газа: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986 - 184 с.). Однако в целях создания ядра потока и снижения уровня выбросов оксида углерода и окислов азота поток воздуха разделяют как минимум на два: центральный поток первичного воздуха, перифирийный поток вторичного воздуха, который обеспечивает продолжение процесса смесеобразования в топочном пространстве (Винтовкин А.А. и др., Горелочные устройства промышленных печей и топок - М.: Интермет Инжиниринг, 1999 - 560 с.).
В связи с этим смеситель-стабилизатор пламени представляет собой поверхность полутела с протоком, при обтекании которого размер тороидальной рециркуляционной зоны значительно сокращается и разрушается за счет центрального потока первичного воздуха. Это приводит к некачественному смесеобразованию и росту выбросов с уходящими газами.
Регулировка процесса смесеобразования в рассматриваемых горелках осуществляется следующими способами: изменением скоростей потоков сред, лопаточным аппаратом с изменяемым углом наклона лопаток, осевым перемещением стабилизатора (плохообтекаемого тела) или пламенной головы-амбразуры относительно него. Указанные способы приводят к изменению сопротивления воздушного тракта (преимущественно к его увеличению), переходу характеристики встроенного вентилятора в другую рабочую точку и, соответственно, к изменению текущей мощности горелки, а также к снижению энергоэффективности установки в целом.
Таким образом, наиболее эффективным способом улучшения и регулирования процесса смесеобразования является создание развитой тороидальной рециркуляционной зоны, потоки первичного и вторичного воздуха в которой практически не взаимодействуют, а возможность регулирования качества смешения без изменения мощности осуществляется с помощью указанного взаимодействия.
Известна газовая горелка, содержащая зоздухоподводящий корпус, с торцевой стороны которого установлен газоподающий узел с каналом для осевой подачи газа в камеру смешения, закрепленную на концевой части газоподающего узла, размещенной вдоль продольной оси внутри воздухоподводящего корпуса, причем камера смешения снабжена продольными входными воздушными каналами, а также воздушными каналами, выполненными в стенке камеры смешения рядами в окружном направлении, отличающаяся тем, что внутренняя полость камеры смешения выполнена в виде последовательно размещенных полостей, первая из которых выполнена в форме конфузора, сопряженного с цилиндрическими камерами, диаметр которых превышает диаметр выходного отверстия конфузора, между камерами и на выходе последней цилиндрической камеры размещены кольцевые диафрагмы, а смежные в продольном направлении воздушные каналы выполнены с окружным смещением, (патент РФ на изобретение № RU 2670632 С9, F23D 14/62, 2017).
Недостатком известного устройства является отсутствие формирующего основное ядро факела центрального потока первичного воздуха, а также значительное аэродинамическое сопротивление потоку воздуха входных каналов камеры смешения.
Известна горелка газовая, содержащая амбразуру, корпус, внешний кольцевой канал для подачи воздуха с инжекторами, патрубки для газа с соплами, размещенными по окружности между инжекторами на одинаковом расстоянии от них, газовой коллектор с соплами, центрально расположенный цилиндрический канал для подачи воздуха, согласно полезной модели, она снабжена завихрителем в виде лопастей, расположенным у входа центрального канала для подачи воздуха, при этом лопасти расположены под углом к горизонтальной плоскости (патент РФ на полезную модель № RU 93938, U1, 2010).
В известной конструкции осуществляется улучшение качества и полноты сгорания и уменьшение сопротивления.
Недостатком известного устройства является невозможность регулировки качества смешения без изменения угла наклона лопаток, что приводит к изменению сопротивления воздушного тракта горелки и характеристики источника воздуха.
Известно горелочное устройство, содержащее газовую трубу, размещенную в воздушной трубе, и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит выполненный в форме полого полутора обтекатель, прикрепленный к воздушной трубе с помощью диффузора, а стабилизатор выполнен в форме чаши с краями, заведенными в полость полугора, и прикреплен к выходному концу газовой трубы (патент РФ на изобретение № RU 2044221, С1, 1995).
В известном горелочном устройстве осуществляется расширение возможного диапазона надежной работы, что выражается в достижении надежной стабилизации пламени при повышенных нагрузках и в более широком диапазоне соотношения воздух/топливо, а также в возможности работы горелочного устройства в инертной среде.
Недостатком известного устройства является отсутствие центрального формообразующего потока первичного воздуха, повышенное аэродинамическое сопротивление полости подачи газа и невозможность регулировки качества смесеобразования без изменения расходов сред.
Известно устройство для регулирования низкоэмиссионной камеры сгорания газовой турбины, содержащее корпус с каналами подачи первичного и вторичного воздуха в жаровую трубу камеры сгорания и с каналом смешения основного топлива с первичным воздухом, в котором установлен осевой завихритель, агрегаты синхронного регулирования расходов первичного и вторичного воздуха, размещенные в соответствующих каналах корпуса и взаимосвязанные между собой так, что при увеличении или уменьшении расхода первичного воздуха происходит соответственно уменьшение или увеличение расхода вторичного воздуха, отличающееся тем, что начальная часть жаровой трубы выполнена в виде входного диффузора, агрегат регулирования расхода первичного воздуха выполнен в виде стабилизатора пламени, установленного по оси камеры сгорания с возможностью осевого перемещения во впускном диффузоре жаровой трубы, и связан с регулятором расхода основного топлива для поддержания коэффициента избытка воздуха в канале подачи первичного воздуха и канале смешения постоянным или близким к этому в пределах от 1,7 до 2,5, лопатки осевого завихрителя установлены концентрично под углом к его оси, большим или равным 30 установлено сопло с критическим сечением (патент РФ на изобретение № RU 2325588, С2, 2006).
В известном устройстве осуществляется снижение возможности возникновения автоколебаний давления в камере сгорания и снижение вредных выбросов; расширение функциональных возможностей путем использования в качестве горючего помимо жидких углеводородов также и горючих газов.
Недостатком известного устройства является отсутствие центрального формообразующего потока первичного воздуха, коэффициент избытка воздуха в канале смешения поддерживается в пределах 1,7…2,5, что соответствует способу снижения выбросов оксида углерода и окислов азота за счет повышенного расхода воздуха, и, соответственно, повышенным удельным энергозатратам.
Известен способ работы блочной газовой горелки и блочная газовая горелка содержащая корпус, соединенный с вентилятором, соосно размещенный в корпусе газораздающий узел, сообщенный с газовым трактом, регулятор расхода воздуха и узел пропорционирования расходов газа и воздуха, отличающаяся тем, что в стенке корпуса перед газораздающим узлом выполнено отверстие регулируемого проходного сечения для сообщения воздушного тракта с атмосферой (патент РФ на изобретение № RU 2103603, С1, 1998).
В известном способе и горелке осуществляется расширение диапазона устойчивости горения при регулировании тепловой мощности горелки, а также повышение качества регулирования (глубина и плавность).
Недостатком известного устройства является снижение энергоэффективности горелки в целом за счет организации перепуска излишек воздуха в атмосферу, а также снижение надежности установки при использовании пропорционального регулятора.
Техническая задача, решаемая предполагаемой полезной моделью - организация оптимального смесеобразования без повышения удельных энергетических затрат при сжигании природного газа в топках котлоагрегатов.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого технического решения - сохранение оптимального размера тороидальной рециркуляционной зоны и его регулировка при смесеобразовании без изменения аэродинамического сопротивления трактов горелки и расходов воздуха и газа.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном горелочном устройстве, содержащим корпус, соединенный с вентилятором, соосно размещенный в корпусе газо-раздающий узел, сообщенный с газовым трактом, регулятор расхода воздуха, в соответствии с новым предложением после газораздающего узла по потоку установлен стабилизатор пламени, выполненный в виде поверхности полусферы с центральным протоком, телескопический патрубок, установленный в центральной проточной части стабилизатора с возможностью изменения с помощью кинематического узла его длины по потоку воздуха относительно стабилизатора в диапазоне 0,2…0,6 максимального диаметра стабилизатора, газоподающие трубки, установленные по периферийной кромке стабилизатора, а также пламенная голова и регулятор расхода газа.
Возможны дополнительные варианты конструкции горелки, в которой целесообразно, чтобы:
газораздающий узел имел не менее 4 выходных газоподающих трубки, расположенных равномерно на периферийной кромке стабилизатора, а выходные отверстия трубок выходили за поверхность стабилизатора по потоку воздуха;
стабилизатор представлял собой поверхность усеченного конуса с углом раскрытия 100…120°;
наружная кромка стабилизатора имела кольцевое поперечное сечение;
патрубок центральной проточной части стабилизатора имел отношение внутреннего диаметра патрубка к максимальному диаметру стабилизатора в диапазоне 0,15…0,3;
патрубок центральной проточной части стабилизатора имел закругленные входные и выходные кромки.
Указанные преимущества, а также особенности предлагаемой полезной модели поясняются вариантами ее осуществления со ссылками на чертежи: на фиг. 1 изображена конструктивная схема горелки; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2 (вариант 1); на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2 (вариант 2); на фиг. 5 - поз. 8 на фиг. 1 (вариант 1), на фиг. 6 - поз. 8 на фиг. 1 (вариант 2); на фиг. 7 - поз. 8 на фиг. 1 (вариант 3).
Газовая горелка содержит корпус 1, вентилятор 2, пламенную голову 3, регулятор расхода воздуха 4, регулятор расхода газа 5, газораздающий узел 6, газоподающие трубки 7, стабилизатор пламени 8, телескопический патрубок стабилизатора 9, кинематический узел изменения длины телескопического патрубка стабилизатора 10.
x
0
0
3
Газовая горелка работает следующим образом. Воздух поступает в корпус 1 горелки с помощью вентилятора 2 через входное устройство (не показано) и регулятор расхода 4, и подается в пламенную голову 3. В газоподающие трубки 7 от источника (не показан) через регулятор расхода 5 и газораздующий узел 6 подается природный газ. Корпус газораздающего узла 6 предварительно делит поток воздуха на первичный (Воздух 1) и вторичный (Воздух 2) - периферийный потоки (фиг. 1). Газоподающие трубки 7 установлены по периферийной кромке стабилизатора пламени 8 (фиг. 2) таким образом, что выходные кромки трубок расположены в зоне разрежения А (фиг. 3). С помощью системы поджига, например, подведенными к одной из газоподающих трубок 7 электродами (не показаны), происходит воспламенение газовоздушной смеси. При этом положения регуляторов 4 и 5 обеспечивают такой расход воздуха и газа, который необходим для успешного безопасного розжига горелки. После воспламенения газовоздушной смеси, расход воздуха и газа задается регуляторами 4 и 5 в минимальном, максимальном или промежуточном режиме работы горелочного устройства. Длина L телескопического патрубка стабилизатора пламени 9 минимальная и соответствует минимальной длине центральной рециркуляционной зоны А (фиг. 3). При этом за счет потока первичного воздуха (Воздух 1 в зоне В) формируется паразитный вихрь Б, который минимизирует размер центральной рециркуляционной зоны А (фиг. 3). Производится контроль выбросов угарного газа СО и окислов азота NO в составе дымовых газов в контрольной точке дымохода на выходе из котлоагрегата. При значительных показаниях (согласно ГОСТ Р 51383-2012 - более 80…120 мг/м) необходимо выполнить увеличение тороидальной зоны рециркуляции А за счет увеличения длины L патрубка стабилизатора 9 в направлении потока воздуха с помощью кинематического узла 10 и ручного или иного привода системы тяг (фиг. 4). При этом зона В отводится от стабилизатора 8 на такое расстояние, при котором зона Б паразитного вихря не влияет на центральную рециркуляционную зону А. Целесообразно, чтобы длина зоны рециркуляции на каждом режиме работы находилась в диапазоне 1…2 D, где D - внутренний диаметр пламенной головы 3. Оптимальная настройка длины L патрубка 9 осуществляется в процессе наладки и зависит от схемы рециркуляции газов в топочном пространстве (прямоточной и с обратным периферийным ходом) с минимальными значениями выбросов оксида углерода и окислов азота.
ι
ι
ι
4
5
2
Авторами с помощью численного эксперимента определено соотношение изменения относительной длины центральной рециркуляционной зоны (L - как отношение длины зоны к максимальному диаметру стабилизатора 8) в зависимости от относительной длины телескопического патрубка стабилизатора 9 (- отношение длины патрубка к максимальному диаметру стабилизатора 8) в диапазоне чисел Re после вентилятора (7 10…4,2 10): L=6,35-2,48+1,25. При этом увеличение центральной рециркуляционной зоны в 1,5 раза приводит к увеличению аэродинамического сопротивления на 5%, т.к. максимальная скорость первичного воздуха в центральном протоке стабилизатора 8 практически не изменяется, а влияние длины патрубка стабилизатора 9 не существенно. Т.е. процесс регулирования качества смесеобразования не влияет на аэродинамическую характеристику вентилятора, следовательно, горелочное устройство сохраняет режим заданной тепловой мощности, энергопотребление вентилятора не увеличивается.
Расположение газоподающих трубок 7 по периферийной кромке стабилизатора пламени 8 в зоне разрежения приводит к снижению аэродинамического сопротивления газораздающего узла 6 в целом.
Установка в газораздающем узле 6 не менее 4 выходных газоподающих трубок, равномерно расположенных на периферийной кромке стабилизатора 8 (фиг. 2) обеспечивает равномерное распределение потока природного газа в участке смешения за стабилизатором 8.
Выполнение стабилизатора пламени 8 в виде поверхности усеченного конуса с углом раскрытия α=100…120° приводит к формированию качественно и количественно подобной центральной рециркуляционной зоны, что и в случае с полусферической поверхностью, при этом повышается технологичность изготовления и снижется стоимость стабилизатора 8 (фиг. 5).
Выполнение наружной кромки стабилизатора 8 в виде кольцевого поперечного сечения интенсифицирует процесс срыва потока вторичного воздуха с кромки и вихреобразование в теневой зоне стабилизатора 8, что повышает качество смесеобразования (фиг. 6, фиг. 7 по варианту 2).
Обеспечение отношения внутреннего диаметра телескопического патрубка 9 к максимальному диаметру стабилизатора 8 в диапазоне 0,15…0,3 обеспечивает оптимальное для работы горелки соотношение первичного и вторичного воздуха в диапазоне 0,1…0,2 к 0,9…0,8 соответственно.
Выполнение телескопического патрубка 9 с закругленными входной и выходной кромками снижает аэродинамическое сопротивление патрубка 9 в целом при любой длине L.
В качестве привода кинематического узла 10 допускается использование поворотных и линейных типов, применяемых в промышленности.