Модернизированная двухпоточная горелка

Полезная модель относится к топливосжигающим установкам и может быть использована для снижения выбросов оксидов азота (NOx).
Известны устройство для сжигания газообразного топлива (RU 2 076 271 C1, МПК F23D 14/24, опубликован 27.03.1997), двухпоточная горелка, описанная в статье «Результаты комплексных испытаний котла Е-160-3,9-440ГМ ГЭС-1 АО «Мосэнерго» с горизонтальной компоновкой газоходов», Галецкий Н.С., Енякин Ю.П., Шварц А.Л., Штальман С.Г., Гомболевский В.И., Теплоэнергетика № 9 2004, 8-13 стр., содержащая цилиндрический корпус, в котором расположены центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, основной и дополнительный коллекторы газообразного топлива, газораздающие трубки, подключенные к разным коллекторам и установленные по окружности между воздушными каналами.
Известны устройство для сжигания топлива (RU 2 480 673 C1, МПК F23D 14/24, опубликован 27.04.2013,  RU 61 010 U1, МПК F23С 1/08, F23D 17/00, опубликован 10.02.2007), двухпоточная горелка, описанная в статье «Модернизация котлов ТГМП-314Ц, оборудованных циклонными предтопками для снижения вредных выбросов и повышения надежности работы горелочных устройств и поверхностей нагрева» Зройчиков Н.А., Енякин Ю.П.,  Глускер Б.Н., Галас И.В., Цыпкин Ю.М., Чупров В.В., Верещетин В.А., Теплоэнергетика № 12 2002, 17-21 стр., включающая расположенные в цилиндрическом корпусе центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, основной и дополнительный коллекторы топливного газа, по оси горелки установлен центральный канал подачи топливного газа, на окружности между воздушными каналами расположены газораздающие трубки периферийного канала топливного газа.
Одним из эффективных способов снижения выбросов NOx являются использование принудительной рециркуляции дымовых газов, что обеспечивает снижение температуры факела и снижение концентрации реагирующих веществ, определяющих образование NOx. При этом наиболее эффективным является способ подачи дымовых газов в каналы горелки (SU 1 101 622 A1, МПК F23D 17/00, опубликовано 07.07.1984). Этот способ реализован в горелке котла ТГМП-204, состоящей из двух каналов подачи воздуха (центрального и периферийного), снабжённых тангенциальными регистрам, по периферии расположен канал ввода дымовых газов рециркуляции, в центре грелки установлена мазутная форсунка. Газовая часть горелки состоит из кольцевого газового коллектора, газораздающей насадки в виде конуса с отверстиями и газоподводящей трубы. Внутренняя труба газового коллектора является направляющей трубой паромеханической форсунки (Сторожук Я.П. Испытания котла ТГМП-204 блока 800 МВТ после реконструкции ввода дымовых газов рециркуляции в топку / Я.П. Сторожук, Д.Р. Носулько // Теплоэнергетика. – 1984. – № .5 – С. 13-15.). Эта горелка не смогла достичь хорошего результата по снижению выбросов NOx из-за конструктивных недостатков в способе организации процесса сжигания.
Для успешного подавления NOx необходимо чтоб дымовые газы рециркуляции не балластировали в прикорневой области горелки, а достигали активной зоны горения, в которой происходит основное образование NOx. Основным недостатком такого способа организации горения остается необходимость наличия системы принудительной подачи дымовых газов рециркуляции с дымососом рециркуляции.
Близким к полезной модели является способ снижения выбросов NOx, описанный в изобретениях: RU 2689654 C2 опубликовано 2019-05-28,  SU 1588987 A1 опубликовано 1990-08-03, SU 1695040 A1 опубликовано 1991-11-30 , KR 101254928B1 опубликовано 2013-04-19, EP 0893651 A1 опубликовано 1999-01-27, US 2012/0186265A1 опубликовано 2012-07-26, WO 01|07833 A1 опубликовано 2001-02-01, US 2005/0239005A1 опубликовано 2005-10-27, US 4380429 опубликовано 1998-12-07, EP 2479491 A1 опубликовано 2012-07-25, KR 20120070201 A опубликовано 2012-06-29, KR 20120074868 A опубликовано 2012-07-06, KR 20120082647 A опубликовано 2012-07-24, KR 20130061167 A опубликовано 2013-06-10, US 5350293 опубликовано 1994-09-27. В некоторых случаях эти изобретения разрабатывались с целью стабилизации режима горения за счет подсоса раскаленных продуктов горения из топки. В этих изобретениях рециркуляция дымовых газов организовывается самими горелками без дополнительных систем подачи дымовых газов, включающих систему дымоходов и дымосос рециркуляции. Дымовые газы эжектируются в зону горения, что обеспечивает сжигание разбавленного топлива и снижение образование NOx. Недостатком способа, используемого в этих изобретениях, является: сложность и дороговизна конструкции горелок, незначительное количество подсасываемых дымовых газов из топки. Дымовые газы эжектируются топливом или воздушным потоком в устье горелки внутри основного воздушного потока, горение происходит в среде воздуха, что в общей сложности снижает эффективность подавления NOx. Рассмотренные изобретения невозможно применить для действующих, установленных в топлвиосжигающей установке горелок.
Более близким к полезной модели является группа изобретений, в которых используют принцип внутритопочной рециркуляции за счет впрыска газообразного топлива не в воздушный поток, а за пределами воздушного потока, снаружи устья горелки: US 5542840 A опубликовано 1996-08-06, US 6773256 B2 опубликовано 2004-08-10, RU 2426030 C2 опубликовано 2011-08-10, US 5275552 A опубликовано 1994-01-04, US 20080096146 A1 опубликовано 2008-04-24, US 6007325A опубликовано 1999-12-28, US 7670135 В1 опубликовано 2010-03-02, US 9593847В1 опубликовано 2017-03-14, US 9593848 А1 опубликовано 2015-12-10, US 20150285491A1 опубликовано 2015-10-08, US 6875008 В1 опубликовано 2005-04-05, KR 101213883 B1 опубликовано 2012-12-18, WO 2014162074 A1 опубликовано 2014-10-09, US6773256 опубликовано  2004-08-10, WO 2008104158 A3  2008-09-04. В этих изобретениях запатентованы технические решения, при которых газообразное топливо и/или воздух разбавляются дымовыми газами перед тем, как они смешиваются и вступают в реакцию. Основным условием надежного сжигания газообразного топлива при применении этой технологии является поддержание температуры в топке топливосжигающей установки выше температуры воспламенения топлива и использование устойчивого стабилизатора пламени, при этом воспламенение и стабилизация горения обеспечивается специальными амбразурами или общей температурой топки. Недостатками этих изобретений является сложность конструкции, необходимость применения специальной амбразуры из жаропрочного бетона и невозможность их применения для действующих, установленных в топливосжигающей установке горелок.
Так же близким к предлагаемой полезной модели является группа изобретений, в которых вся головка горелки (газораздающее устройство с воздушным каналом) выступает в топку: KR 101569455B1 опубликовано 2015-11-16, EP 1980788A1 опубликовано 2008-10-15, US 6071115А опубликовано 2000-06-06, KR 1020170138042 опубликовано 2017-12-14, KR 101822997B1 опубликовано 2018-02-01, JP 6595089B2 опубликовано 2019-10-23, KR 102115576B1 опубликовано 2020-05-27, KR 102143032B1 опубликовано 2020-08-11. В этой группе изобретений эжекция дымовых газов организована газовыми соплами с цилиндрическими насадками, расположенными в топке по наружному периметру воздушного канала горелки. Недостатками этих изобретений является сложность конструкции, необходимость применения специальных жаропрочных сплавов части горелки, выступающей в топку и невозможность их применения для снижения выбросов NOx на действующих, установленных в топливосжигающей установке горелок.
Прототипом для полезной модели является двухпоточное по газу горелочное устройство, описанное в статье «Результаты комплексных испытаний котла Е-160-3,9-440ГМ ГЭС-1 АО «Мосэнерго» с горизонтальной компоновкой газоходов», Галецкий Н.С., Енякин Ю.П., Шварц А.Л., Штальман С.Г., Гомболевский В.И., Теплоэнергетика № 9, 2004, стр. 8-13.
Основной целью патентуемой полезной модели является снижение выбросов NOx при сжигании газообразного топлива за счет малозатратного дополнения горелок без изменения элементов топки топливосжигающей установки. Решение задачи достигается тем, что, газораздающие трубки горелки удлиняют и выводят сопла на край амбразуры в топку. На газовых соплах могут быть установлены смесители для организации контролируемого качества эжекции. Струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляют дымовыми газами перед воспламенением. За счет организации внутритопочной рециркуляции дымовых газов, путём эжекции дымовых газов непосредственно из топки струями газообразного топлива, происходит снижения температуры факела и концентрации реагирующих веществ, что приводит к снижению образования NOx.
На фиг. 1 изображен вид из топки на горелку 1 (модернизируемая горелка показана условно).
На фиг. 2 изображен продольный разрез горелки с удлиняющими газовыми трубками 6 и 2, для примера показаны только две удлиняющие газовые трубки, удлиняющие газовые трубки 2 выводят сопло 3 в топку за пределы воздушного потока и располагают по периметру амбразуры, удлиняющие газовые трубки 6 выводит сопла на край амбразуры.
Горелка состоит из цилиндрического корпуса 8, в котором расположены центральный 9 и периферийный 10 воздушные каналы с завихрителями 11 и 12, центральной трубы 13 для установки форсунки 14, по окружности между воздушными каналами установлены газораздающие трубки 15, подключенные к основному 16 и дополнительному 17 коллектору газообразного топлива. К газораздающим трубкам 15, присоединены удлиняющие газовые трубки 2, которые выводят сопла 3 в топку за пределы воздушного потока 18 или удлиняющие газовые трубки 6 которые выводят сопла 3 на край амбразуры. Диаметры 4 и 7, на которых устанавливаются сопла 3, определяются аэродинамическими характеристиками воздушного потока, давлением газообразного топлива и размером амбразуры.
В результате внедрения полезной модели струи газообразного топлива 19 эжектирует дымовые газы 20, разбавляются ими, новое подготовленное топливо 21 достигает воздушный поток 22 и процесс горения происходит с меньшими температурами и концентрациями реагирующих веществ, что обеспечивает снижение образования NOx. На сопло газообразного топлива, может быть установлен смеситель 5, который обеспечивает смешение эжектируемых дымовых газов и газообразного топлива и формирование струи разбавленного топлива. При варианте, когда удлиняющие газовые трубки 6 выводят сопла 3 на край амбразуры в топку, газовые сопла 3 располагаются таким образом, что часть струи газообразного топлива 19 находится в воздухе, часть струи газообразного топлива находится в дымовых газах. Вытекающие из сопел 3 струи газообразного топлива 19 эжектируют дымовые газы 20, частично разбавляются дымовыми газами, и процесс горения происходит с меньшими температурами и концентрациями реагирующих веществ, что обеспечивает снижение образования NOx.
Розжиг горелки происходит на канале, к которому не присоединены удлиняющие газовые трубки, в канал с удлиняющими газовыми трубками газообразное топливо подается после набора мощности топливосжигающей установки и разогрева топки до достаточных температур для стабильного воспламенения.
Использование модернизированной двухпоточной горелки обеспечивает снижение содержания NOx в дымовых газах на 40-70% без снижения технико-экономических характеристик работы топливосжигающей установки и строительства внешней системы подачи дымовых газов.