КОНСТРУКЦИЯ ГОРЕЛКИ
BURNER DESIGN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к горелке для котла работающего на различных типах топлива.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последнее время появился спрос на котлы, работающие на угле или тяжелом мазуте, которые компенсируют несбалансированность в распределении подаваемых к горелке воздуха и топлива с целью уменьшения образования NOx и окиси углерода (СО).
Фиг.3 показывает вид горизонтального разреза конструкции горелки котла. В этой обычной конструкции горелка 10 представляет собой устройство, обеспечивающее нагнетание топлива и воздуха для горения в топочную камеру 1 котла. На фиг.3 ссылочная позиция 2 обозначает поверхность стенки топочной камеры, а ссылочная позиция 3 обозначает охлаждаемую водой стенку, выполненную на поверхности 2 стенки топочной камеры на стороне, обращенной к топочной камере. Показанная горелка 10 расположена в углу котла.
Горелка 10 содержит дутьевую камеру 12, образующую воздуховод 11 для нагнетания воздуха для горения в топочную камеру 1, и топливопровод 20 для закачивания топлива в топочную камеру 1. У конца топливопровода 20 выполнена форсунка 21. По наружной периферии топливной форсунки 21 выполнена воздушная форсунка 22, сообщающаяся с воздуховодом 11. Из топливной форсунки 21 выполняется нагнетание топлива такого, как уголь или мазут, вместе с первичным воздухом. Вторичный воздух (воздух для горения) нагнетается из воздушной форсунки 22.
Вследствие налагаемых ограничений на данное устройство и трубопровод, обусловленных необходимостью снизить габариты и массу котла, воздуховод 11 в дутьевой камере 12 во многих случаях имеет изогнутый участок 13, который обычно значительно изогнут не менее чем на 90° сразу перед соединением с топочной камерой 1. В изогнутом участке 13 в струе воздуха для горения возникают расслоение и неравномерность. Поэтому для предотвращения указанного расслоения и неравномерности используется конструкция, в которой в воздуховоде 11 дутьевой камеры 12 расположена направляющая лопатка 14. Позиция 15 на фиг.3 обозначает клапан, расположенный перед направляющей лопаткой 14 (выше по потоку) для регулирования расхода воздуха для горения.
Обычно в области техники предшествующего уровня, относящейся к горению в котлах, уменьшают несбалансированность в каналах горелки или нагнетающих воздух каналах, или, наоборот, усиливают неравномерность (например, см. патентное цитирование 1).
Патентное цитирование 1. Заявка на нерассмотренный патент Японии, публикация №7-12310.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В горелке с вышеуказанной обычной конструкцией в изогнутом участке 13 воздуховода 11 выполнена направляющая лопатка 14, препятствующая расслоению и неравномерности поступления воздуха для горения. Однако, несмотря на то, что назначение направляющей лопатки 14 заключается в предотвращении расслоения, она не способна полностью устранить неравномерность потока воздуха (несбалансированность расхода воздуха, замеренного у различных точек по ширине топочной камеры) у выпускной части горелки.
Более конкретно, поток воздуха, который проходит через изогнутый участок 13, имеет скорость, повышенную на наружной стороне проходного сечения, обусловленную центробежной силой и подобной ей. Таким образом, воздух для горения, нагнетаемый в топочную камеру 1 из выпускной части горелки, развивает скорость потока, которая отличается в различных точках по ширине (в правом и левом направлениях) топочной камеры, как показано, например, на фиг.4(а). То есть воздух для горения, который проходит по наружной стороне изогнутого участка 13, поступает в топочную камеру 1 с правой стороны, см. фиг.3. Таким образом, скорость потока на верхней (правой) стороне превышает скорость потока на нижней (левой) стороне по ширине топочной камеры, см. фиг.4(а). Это обстоятельство приводит в результате к увеличению объема образующегося СО у нижней (левой) стороны по ширине топочной камеры, где воздуха для горения недостаточно.
В горелке 10 с вышеуказанным изогнутым участком 13 существует тенденция к увеличению образующихся объемов СО и летучих органических соединений (ЛОС) в участке на нижней (левой) стороне по ширине топочной камеры, где объем воздуха для горения является недостаточным, как показано, например, на фиг.4(b), вследствие несбалансированности объема воздуха для горения между правой и левой сторонами. Однако при использовании обычной горелки 10 относительные объемы воздуха для горения на правой и левой сторонах выпускной части горелки не могут быть отрегулированы.
В соответствии с предшествующим уровнем техники процесс горения в котле может быть улучшен посредством уменьшения несбалансированности среди множества каналов горелки и каналов нагнетания воздуха или усилением неравномерности. Однако до сих пор не была предложена технология уменьшения несбалансированности расхода в самой горелке. То есть, в предшествующем уровне техники не было предложения, обеспечивающего устранение неравномерности воздуха или несбалансированности, возникающей в одной горелке 10. Таким образом, для удовлетворения жестких норм в отношении СО и ЛОС в будущем появится спрос на более высокоточное регулирование потока воздуха для горения внутри одной горелки.
В свете вышеизложенного предлагается данное изобретение, целью которого является создание конструкции горелки, способной к высокоточному регулированию потока воздуха для горения внутри одной горелки. Другой целью данного изобретения является обеспечение средства, препятствующего шлакообразованию в топочной камере с высокотемпературным сгоранием посредством эффективного использования способа, противоположного функции управления вышеуказанной горелкой, выполненной с возможностью точной регулировки собственного расхода воздуха для горения.
Данное изобретение относится к конструкции горелки котла, в которой воздуховод в дутьевой камере, обеспечивающий нагнетание воздуха для горения в топочную камеру, имеет непосредственно перед топочной камерой изогнутый участок и одну или несколько направляющих лопаток, расположенных в изогнутом участке воздуховода, в которой выполнены элементы, регулирующие неравномерность потока, за счет создания разных сопротивлений в каждом из воздуховодов, разделенных направляющими лопатками.
Таким образом горелка снабжена элементами регулирования неравномерности потока, обеспечивающими разное сопротивления потоку в каждом из воздуховодов, разделенных направляющими лопатками. В процессе соответствующего регулирования сопротивления потоку воздуховодов несбалансированность в скорости воздушного потока (расхода воздуха) у выпуска горелки может быть устранена или уменьшена.
В вышеуказанном изобретении предпочтительно элементы регулирования неравномерности представляют собой клапаны, установленные во всех воздуховодах за исключением одного, расположенные ниже по потоку относительно клапана, регулирующего расход воздуха для горения. В процессе регулирования степени открытия регулирующего неравномерность клапана сопротивления потоку в воздуховоде может быть изменено, следовательно, сопротивления потоку в проходных сечениях может быть соответствующим образом отрегулировано. Таким образом, во время регулирования степени открытия регулирующего неравномерность клапана может быть устранена или уменьшена несбалансированность скорости воздушного потока (расхода воздуха) у выпускной части горелки.
В вышеуказанном изобретении предпочтительно, чтобы в каждом из воздуховодов имелся датчик, определяющий параметры потока (расход или скорость потока) воздуха для горения около топливопровода в дутьевой камере, при этом сопротивления потоку регулируют в зависимости от определенного датчиком значения. В соответствии с этим устройством регулирование сопротивления потоку в воздуховодах выполняют в зависимости от параметров фактического потока, определенных в каждом воздуховоде, при этом скорости воздушного потока (расхода воздуха) могут быть надлежаще оптимизированы.
В вышеуказанном изобретении предпочтительно при использовании топлива с высоким шлакообразованием или агрессивного топлива регулирование сопротивления потоку выполняют так, чтобы уменьшить сопротивление потоку у поверхности стенки топочной камеры. В соответствии с такой конструкцией может быть увеличен расход воздуха около поверхности стенки, расположенной ближе к топочной камере. В этом случае агрессивное топливо является топливом с большим содержанием серы. При увеличении расхода воздуха около поверхности стенки, расположенной ближе к топочной камере, повышается концентрация кислорода, соответственно, активная среда возвращается к состоянию окислительной среды с возможностью уменьшения концентрации сероводорода, вызывающего коррозию.
В соответствии с вышеописанным изобретением, поскольку в каждом из воздуховодов имеется элемент, регулирующий сопротивление потоку, например регулирующий неравномерность клапан, обеспечивающий изменение сопротивления потоку, то несбалансированность в скорости воздушного потока (расхода воздуха) горелки в области ее выпускной части может быть устранена или уменьшена. Таким образом, возможно выполнение конструкции горелки, способной к высокоточному регулированию расхода воздуха для горения.
При использовании конструкции горелки, обеспечивающей высокоточное регулирование расхода воздуха для горения, дополнительно может быть предотвращено шлакообразование в топочной камере с высокотемпературным сгоранием, даже при использовании топлива с высоким шлакообразованием, за счет увеличения расхода воздуха у поверхности стенки топочной камеры с помощью эффективного регулирования расхода воздуха в каждой горелке реверсивным способом. Кроме того, при использовании агрессивного топлива увеличивают расход воздуха у стенки, расположенной ближе к топочной камере, для уменьшения концентрации сероводорода, который является причиной коррозии, эффективно предотвращая тем самым коррозию поверхности стенки топочной камеры.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой горизонтальный разрез варианта выполнения конструкции горелки в соответствии с данным изобретением;
фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий действие и результат действия конструкции горелки в соответствии с данным изобретением. При этом (а) является графиком распределения скоростей потока воздуха для горения около выпускной части в зависимости от положения по ширине топочной камеры, а (b) является графиком распределения СО около выпускной части в зависимости от положения по ширине топочной камеры;
фиг.3 представляет собой горизонтальный разрез горелки обычной конструкции;
фиг.4 представляет собой график, иллюстрирующий действие и результат действия конструкции горелки, показанной на фиг.З. При этом (а) является графиком распределения скоростей потока воздуха для горения около выпускной части в зависимости от положения по ширине топочной камеры, а (b) является графиком распределения СО около выпускной части в зависимости от положения по ширине топочной камеры.
Номера позиций
1
топочная камера
2
поверхность стенки топочной камеры
10А
горелка
11, 11А, 11В
воздуховоды
12
дутьевая камера
13
изогнутый участок
14
направляющая лопатка
15
клапан
16
регулирующий неравномерность клапан
17А, 17В
датчики
18
блок управления
НАИБОЛЕЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее приведено описание варианта выполнения конструкции горелки в соответствии с данным изобретением со ссылкой на чертежи.
В конструкции горелки котла, показанной на фиг.1, горелка 10А, установленная на котле, работающем на угле или мазуте, является устройством, нагнетающим топливо и воздух для горения в топочную камеру 1 для их сжигания. Показанная горелка 10А расположена, например, в углу котла. На данном чертеже позицией 2 обозначена поверхность стенки топочной камеры, а позицией 3 обозначена охлаждаемая водой стенка, выполненная на стороне поверхности 2 стенки топочной камеры, обращенной к топочной камере.
Горелка 10А содержит дутьевую камеру 12, образующую воздуховод 11, обеспечивающий нагнетание воздуха для горения в топочную камеру 1, и топливопровод 12, обеспечивающий закачивание топлива в топочную камеру 1. На конце топливопровода 20 выполнена топливная форсунка 21. По наружной периферии топливной форсунки 21 выполнена воздушная форсунка 22, которая сообщается с воздуховодом 11 в дутьевой камере 12. Из топливной форсунки 21 выполняется нагнетание топлива такого, как уголь или мазут вместе с первичным воздухом. Вторичный воздух (воздух для горения) нагнетается из воздушной форсунки 22.
Воздуховод 11, образованный в дутьевой камере 12, имеет форму с участком 13, сильноизогнутым под углом не менее 90° непосредственно перед соединением с топочной камерой 1. Для предотвращения возникающих в изогнутом участке 13 расслоения и неравномерности в потоке воздуха для горения в воздуховоде 11 дутьевой камеры 12 расположена направляющая лопатка 14. В показанном варианте выполнения изогнутый участок 13 в воздуховоде 11 разделен направляющей лопаткой 14 на два воздуховода, т.е. внутренний и наружный (левый и правый) воздуховоды 11А и 11В.
Ссылочной позицией 15 на данном чертеже обозначен клапан, обеспечивающий регулирование расхода воздуха для горения. Клапан 15 расположен перед направляющей лопаткой 14 (выше по потоку) для регулирования расхода всего воздуха, подаваемого в воздуховод 11.
Горелка 10А в этом варианте выполнения снабжена клапаном 16, который является элементом, регулирующим сопротивление потоку, обеспечивая изменение сопротивления потоку двух проходных сечений воздуховодов 11А и 11В, полученных разделением направляющей лопаткой 14.
Регулирующий неравномерность клапан 16 расположен ниже по потоку относительно клапана 15, регулирующего расход воздуха для горения. Возможно расположение двух регулирующих неравномерность клапанов 16 в обоих воздуховодах 11А и 11В, полученных разделением направляющей лопаткой 14, при этом степень открытия двух клапанов может регулироваться. Однако поскольку необходимо изменять только сопротивления потоку проходных сечений двух воздуховодов 11А и 11В, то изменение степени открытия только одного клапана, выполненного в одном из воздуховодов, обеспечивает достаточное регулирование. Таким образом, в показанной горелке 10А из двух воздуховодов 11А и 11В, полученных разделением направляющей лопаткой 14, воздуховод 11В, который расположен на наружной периферической (с большим диаметром) стороне воздуховода у изогнутого участка 13, имеющего близкую к U-образной форму, выполнен с регулирующим неравномерность клапаном 16, расположенным около входа изогнутого участка 13.
В соответствии с этой конструкцией обеспечивается регулирование степени открытия клапана 16, расположенного у выпускной части воздуховода 11В изогнутого участка 13, что делает возможным, как показано на фиг.2(а), устранить или уменьшить несбалансированность расхода воздуха в воздуховодах 11А и 11В по мере прохождения воздуха через изогнутый участок 13. То есть, между воздуховодами, разделенными направляющей лопаткой 14, скорость потока и соответственно расход воздуха в левом воздуховоде 11В, который находится на наружной стороне в изогнутом участке, увеличивается по сравнению с правым воздуховодом 11А. Соответственно, для увеличения сопротивления потоку уменьшают степень открытия регулирующего неравномерность клапана 16. В результате такого решения сопротивления потоку в воздуховодах 11А и 11В будут различными, при этом увеличивается скорость потока и расход воздуха для горения, регулируемый клапаном 15, в воздуховоде 11А, имеющем сравнительно низкое сопротивления потоку.
Расстояние до поверхности стенки на правой стороне по ширине топочной камеры, показанной на фиг.1 и 2, меньше.
Если сопротивления потоку проходных сечений в воздуховодах 11А и 11В отличаются, как изложено выше, то в воздуховоде 11В, где в обычной конструкции скорость потока и расход увеличиваются, сопротивление потоку увеличивается, а скорость потока и расход уменьшается, тогда как в воздуховоде 11А, где в обычной конструкции скорость потока и расход уменьшается, сопротивление потоку уменьшается, а скорость потока и расход увеличиваются. При соответствующем регулировании скорости потока и расхода воздуха для горения через воздуховоды 11А и 11В воздух для сгорания проводят в почти одинаковом объеме через два воздуховода, устраняя тем самым несбалансированность. Соответственно, как показано на фиг.2(b), объем образующегося СО может быть уменьшен почти по всей области.
То есть, обеспечивается регулирование степени открытия клапана 16 для изменения сопротивления потоку в воздуховоде 11В. Таким образом во время регулирования степени открытия клапана 16 сопротивление потоку воздуховода 11В изменяется, создавая возможность для обеспечения заданного сопротивления потоку в воздуховодах 11А и 11В, и соответственно устраняются или уменьшаются несбалансированности в скорости воздушного потока (расхода воздуха) на правой и левой сторонах выпуска горелки, а также уменьшается объем образования СО.
Вышеуказанный регулирующий неравномерность клапан 16 был выполнен в воздуховоде 11В. Однако регулирующий неравномерность клапан 16 может быть выполнен в воздуховоде 11А. В этом случае регулирование степени открытия клапана 16 выполняется в направлении уменьшения сопротивления потоку воздуховода 11А, в котором скорость потока и расход воздуха для горения стремятся к уменьшению, при этом соответственно изменяется сопротивление потоку и устраняется или уменьшается несбалансированность скорости потока воздуха (расхода воздуха) между правой и левой сторонами выпускной части горелки.
В вышеуказанном варианте выполнения предлагалась конструкция, в которой воздуховод 11 был разделен направляющей лопаткой 14 на два воздуховода. При разделении воздуховода 11 на три или более воздуховодов, в каждом из них, за исключением самого внутреннего воздуховода, могут быть выполнены регулирующие неравномерность клапаны 16, степень открытия которых можно регулировать независимо друг от друга, при этом в каждом из отдельных воздуховодов можно регулировать сопротивление потоку.
Дополнительно, в вышеупомянутой горелке 10А предпочтительно в каждом воздуховоде 11А и 11В установлены датчики 17А и 17В, определяющие параметры потока воздуха для горения около топливопровода 20, расположенного в дутьевой камере 12. Эти датчики 17А и 17В предназначены для определения расходов или скоростей потока воздуха для горения.
Определяемые датчиками 17А и 17В значения, такие как расходы воздуха, вводят в блок 18 управления, который регулирует степень открытия регулирующего неравномерность клапана 16. В показанном варианте выполнения блок 18 управления обеспечивает управление приводным двигателем 16а клапана 16 и приводным двигателем 15а клапана 15, однако, данное изобретение не ограничивается только этим.
В соответствии с вышеуказанной конструкцией определение параметров фактического потока воздуха для горения выполняется исходя из значений, определяемых датчиками 17А и 17В. Затем регулирование сопротивления потоку выполняют регулированием степени открытия клапана 16, чтобы определяемые значения были согласованы в требуемом диапазоне. То есть, параметры фактических потоков в воздуховодах 11А и 11В определяются раздельно для более правильной оптимизации скорости потока воздуха или расхода воздуха.
Вышеуказанные сопротивления потоку таковы, что когда в горелке 10А используют топливо с высоким шлакообразованием, например слабобитуминозный уголь, то сопротивление потоку уменьшают у поверхности 2 стенки топочной камеры для увеличения расхода воздуха и соответственно подавления или предотвращения шлакообразования. Кроме того, при использовании агрессивного топлива с большим содержанием серы сопротивление потоку уменьшают у поверхности 2 стенки топочной камеры для увеличения расхода воздуха и соответственно подавления или предотвращения коррозии. То есть, в котле с обеспечением горения по вихревому типу, в котором топливо и воздух для горения образуют вихревой поток и сгорают по мере их нагнетания в топочную камеру из горелок 10А, расположенных в нескольких местах вдоль стенки топочной камеры, образующей прямоугольное сечение, воздух для горения, нагнетаемый из горелок 10А, проходит с наклоном относительно поверхности 2 стенки топочной камеры с неравномерным распределением, причем большая его часть распределяется к стороне поверхности 2 стенки топочной камеры. Увеличение расхода воздуха обусловливает увеличение объема кислорода. Соответственно, при этом активная среда возвращается к состоянию окислительной среды с уменьшением концентрации сероводорода, вызывающего коррозию.
Как изложено выше, регулирующий неравномерность клапан 16, устраняющий вышеуказанную несбалансированность, задействуют обратным образом для увеличения потока воздуха для горения посредством поверхности 2 стенки топочной камеры с целью эффективного предотвращения шлакообразования.
В соответствии с конструкцией предлагаемой горелки регулирующий неравномерность клапан 16 представляет собой элемент, регулирующей неравномерность потоков, обеспечивая изменение сопротивления потоку воздуховодов 11. Соответственно, может быть устранена или уменьшена несбалансированность скорости воздушного потока (расхода воздуха) у выпускной части каждой горелки 10А, при этом возможно весьма точное регулирование расхода воздуха для горения.
Далее, при эффективном использовании одной из горелок 10А для регулирования расхода воздуха обратным способом данная конструкция горелки может обеспечивать весьма точное регулирование расхода воздуха для горения для увеличения расхода воздуха у поверхности 2 стенки топочной камеры, позволяя предотвращать шлакообразование в топочной камере с высокотемпературным сгоранием, а также предотвращать образование коррозии при использовании агрессивного топлива.
Данное изобретение не ограничивается вышеуказанным вариантом выполнения и может быть дополнительно соответственно видоизменено в той степени, в которой данное видоизменение не отклоняется от сущности данного изобретения, например расположение горелки в углу или на поверхности стенки для уменьшения несбалансированности между правой и левой стенками, или предотвращение коррозии при регулировании обратным способом.