Горелочная голова горелочного устройства
BURNER HEAD OF BURNER DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики, а именно к горелкам для сжигания жидкого и газообразного топлива и может быть использовано в горелочных устройствах, применяемых в жаротрубных водогрейных котлах малой мощности.
Уровень техники
Известно горелочное устройство, состоящее из воздухоподводящего корпуса с завихрителем, центральной газовой трубы, наконечника с воздушными отверстиями, внутри которого установлена газораспределительная решетка, выполненная в виде двух полых усеченных конусов, и тангенциального патрубка, жестко установленного в основании корпуса. Площади сечения пространств между наконечником и большими основаниями полых усеченных конусов решетки и площади сечения пространств между наконечником и малыми основаниями полых усеченных конусов решетки равны между собой (патент RU 2391604 C1, дата публикации 10.06.2010).
Известно горелочное устройство, содержащее воздухоподводящий короб, периферийный газовый коллектор с отверстиями, центральный газовый коллектор с газовыми отверстиями. Центральный газовый коллектор выполнен в виде полого тора с радиально расположенными газовыми отверстиями и трубками, подающими газообразное топливо из отверстий периферийного газового коллектора внутрь полого тора. В центральной части газовой горелки установлен эжектор вторичного воздуха, представляющий собой полый двустенный цилиндр с отверстиями, позволяющими подавать вторичный воздух из окружающей среды в зону горения (патент RU 2464495 C1, дата публикации 20.10.2012).
Недостатком данных устройств является отсутствие возможности использовать их для сжигания жидкого топлива (сырая нефть и дизельное топливо). Кроме того, за счет неравномерного по объему образования смеси топлива с воздухом в продуктах горения содержится высокая концентрация оксидов азота, что неблагоприятно сказывается на окружающей среде. Также вышеприведенные устройства не обеспечивают возможности устойчивого воспламенения образовавшейся топливовоздушной смеси в широком диапазоне нагрузок горел очного устройства без срыва и проскока пламени.
Известно горелочное устройство, содержащее подключенный к источнику дутьевого воздуха корпус, по оси которого на выходе установлены с возможностью продольного перемещения конфузорно-диффузорный насадок, выполненный с конусностью конфузорного и диффузорного участков соответственно 1÷0,25 и 0,33÷0,1, стабилизатор горения, выполненный в виде конусной струйно-стабилизаторной решетки с углом раскрытия конуса 60÷90° и с максимальным диаметром, не превышающим диаметр пережима насадка, и выполненная в форме полусферы и жестко скрепленная со стабилизатором горения топливная камера, на сферической стенке которой установлено не менее трех топливных форсунок, размещенных равномерно по окружной координате и под углом к центральной оси корпуса горелочного устройства, при этом конфузорно-диффузорный насадок установлен в корпусе устройства с сужающимся радиальным зазором, образующим пристенный канал величиной не менее 10÷16 мм и 5÷8 мм соответственно на входе и на выходе скоростного потока дутьевого воздуха, рециркуляционный трубопровод, соединяющий топливную камеру с сужающим устройством, выполненным в форме сопла Лаваля и установленным на трубопроводе подачи жидкого топлива перед топливной камерой (патент RU 2345279, дата публикации 27.01.2009).
Недостатком данного горелочного устройства является отсутствие возможности сжигания газообразного топлива, а также необходимость применения в работе не менее трех топливных форсунок. Кроме того, горелочное устройство имеет ограниченную применимость при использовании жидких топлив с высокой вязкостью за счет применения сужающего устройства в форме сопла Лаваля.
Известно горелочное устройство, содержащее обечайку с профилированным входом и выходом, установленную на раме, дежурную горелку, расположенную внутри обечайки, смесительную головку, расположенную на оси обечайки и включающую в себя блок подачи газовых сбросов, блок подачи жидкостных сбросов, представляющие собой два кольцевых коллектора, установленные соосно и соединенные между собой радиальными патрубками, форсунки, связывающие между собой блок подачи газовых сбросов и блок подачи жидкостных сбросов, состоящие из наконечника в виде полого цилиндра, соединенного с блоком подачи газовых сбросов, причем в его выходной части выполнено устройство для закрутки потока, предпочтительно в виде многозаходной спирали, втулку с цилиндрической внутренней поверхностью, соединенную с блоком подачи жидкостных сбросов и охватывающую с зазором наконечник, при этом на торце втулки закреплено сопло, трубопровод подачи газовых сбросов, трубопровод подачи жидкостных сбросов, соединенные со смесительной головкой (патент RU 2590909, дата публикации 10.07.2016).
Недостатком данного устройства является необходимость установки дежурной горелки, а также ограниченная применимость на котлах малой мощности и отсутствие возможности устойчивого воспламенения образовавшейся топливовоздушной смеси в широком диапазоне нагрузок горелочного устройства без срыва или проскока пламени.
Известна горелочная голова горелочного устройства, включающая в себя корпус с выходной диффузорно-конфузорной насадкой, в котором установлены цилиндрический газовый коллектор с образованием между корпусом кольцевого канала для прохождения потока воздуха, диск-диффузор, установленный в корпусе с образованием кольцевого зазора между диффузорным участком выходной насадки, регулировочное кольцо, размещенное на внутренней поверхности корпуса с возможностью продольного перемещения
(см. http://www.oilon.com/uploadedFiles/Oilon/Materials/Oilon_3_RU.pdf).
Недостатками данного горелочного устройства является высокий уровень температур в зоне активного горения, что неблагоприятно сказывается на условиях работы стенок жаровой трубы, недостаточно оптимальные условия воспламенения и выгорания топлива в топочном объеме, повышенный уровень эмиссии оксидов азота.
Сущность изобретения
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании горелочной головы, обеспечивающей повышение эксплуатационных характеристик горелочного устройства.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении КПД горелочного устройства за счет устойчивого воспламенения топлива в рабочем диапазоне нагрузок котла от 40 до 100% от номинальной мощности и полного выгорания топлива в объеме жаровой трубы котла с минимальным химическим недожогом и в повышении экологичности горелочного устройства за счет пониженной эмиссии оксидов азота при сжигании топлива.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что горелочная голова горелочного устройства включает в себя корпус, в котором коаксиально установлен цилиндрический газовый коллектор с центральным каналом, центральный диск-диффузор, регулировочное кольцо, установленное на внутренней поверхности корпуса с возможностью перемещения относительного продольной оси горелочной головы, причем корпус снабжен диффузорно-конфузорной выходной насадкой, при этом, цилиндрический газовый коллектор установлен в корпусе с образованием кольцевого канала для подачи периферийного воздушного потока в зону горения, на внешней поверхности цилиндрического газового коллектора по окружности размещены аксиальные лопатки, установленные под углом 30-40° к продольной оси горелочной головы, в выходной части цилиндрического газового коллектора выполнены, распределенные по окружности, группы сопловых отверстий, обеспечивающих струйную подачу газообразного топлива в периферийный воздушный поток, причем за каждой группой сопловых отверстий установлен обтекатель, в центральном диске-диффузоре выполнены центральное отверстие, радиальные щелевые прорези и не менее четырех групп радиально расположенных отверстий, по меньшей мере, по два отверстия в каждой группе, центральный диск-диффузор установлен в корпусе с образованием кольцевого зазора между диффузорным участком выходного насадка, величина которого регулируется за счет продольного перемещения регулировочного кольца.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения радиально расположенные отверстия центрального диска-диффузора имеют одинаковый диаметр.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения аксиальные лопатки выполнены прямыми и непрофилированными.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения аксиальные лопатки установлены без перекрытия друг друга.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения количество аксиальных лопаток составляет не менее двадцати двух, которые установлены на равном угловом расстоянии друг от друга.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения аксиальные лопатки соединены с цилиндрическим газовым коллектором при помощи сварного соединения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения каждый из обтекателей представляет собой элемент, состоящий из двух боковых треугольных стенок, передней четырехугольной стенки, расположенной под углом 65-75° к поверхности цилиндрического газового коллектора, и открытой верхней стенкой.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения обтекатели соединены с цилиндрическим газовым коллектором при помощи сварного соединения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения радиальные щелевые прорези центрального диска-диффузора выполнены расширяющимися от центрального отверстия к периферии и размещены на равном угловом расстоянии друг от друга.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения центральный диск-диффузор выполнен с периферийной частью в виде конической поверхности с углом наклона 40-50° к продольной оси горелочной головы.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения сопловые отверстия разделены на группы по три отверстия, выполненные вдоль продольной оси газового коллектора, чередующиеся между собой через одно отверстие, при этом группы сопловых отверстий размещены по окружности цилиндрического газового коллектора с шагом 45°.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения группы радиально расположенных отверстий центрального диска-диффузора смещены относительно радиальных щелевых прорезей на угол 17-23°.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения центральный диск-диффузор установлен в корпусе таким образом, что группы радиально расположенных отверстий размещены напротив групп из трех сопловых отверстий цилиндрического газового коллектора.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения центральный диск-диффузор содержит восемь радиальных щелевых прорезей.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения центральной части цилиндрического газового коллектора установлена форсунка для распыления жидкого топлива.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана горелочная голова в разрезе (вид сбоку), на фиг. 2 показан фронтальный вид центрального диска-диффузора.
На фиг. 1 и фиг. 2 позиции имеют следующие обозначения: 1 - корпус, 2 - цилиндрический газовый коллектор, 2.1 - центральный канал, 3 - кольцевой канал, 4 - регулировочное кольцо, 5 - центральный диск-диффузор, 5.1 - кольцевой зазор, 6 - диффузорно-конфузорная выходная насадка, 6.1 - диффузорный участок выходной насадки, 6.2 - цилиндрический участок выходной насадки, 6.3 - конфузорный участок выходной насадки, 7 - аксиальные лопатки, 8 - сопловые отверстия, 9 - обтекатели, 10 - центральное отверстие, 11 - радиальные щелевые прорези, 12 - радиально расположенные отверстия центрального диска-диффузора, 13 - периферийная поверхность центрального диска-диффузора.
Сведения, подтверждающие реализацию изобретения
Заявляемая горелочная голова предназначена для использования в горелочных устройствах, относящихся к классу дутьевых горелок, без предварительного смешения топлива с воздухом, однопоточных по воздуху, вихревых с осевым завихрителем, с центральной подачей газообразного и жидкого топлива в воздушный поток.
Горелочная голова горелочного устройства (фиг. 1) включает в себя сварной цилиндрический корпус 1, в котором коаксиально установлен цилиндрический газовый коллектор 2 с центральным каналом 2.1 с образованием кольцевого канала 3 для прохождения периферийного потока воздуха, регулировочное кольцо 4, размещенное на внутренней поверхности корпуса 1 с возможностью перемещения относительно продольной оси горелочной головы, центральный диск-диффузор 5. Цилиндрический корпус 1 снабжен выходной насадкой 6, состоящей из диффузорного 6.1, цилиндрического 6.2 и конфузорного 6.3 участков.
На внешней поверхности цилиндрического газового коллектора 2 по окружности размещены не менее двадцати двух аксиальных лопаток 7, установленных под углом 30-40° к продольной оси горелочной головы и обеспечивающих закручивание периферийного воздушного потока, проходящего по кольцевому каналу 3. Аксиальные лопатки 7 выполнены прямыми, непрофилированными и установлены без перекрытия друг друга на равном угловом расстоянии друг от друга. В предпочтительном варианте реализации изобретения аксиальные лопатки 7 соединены с цилиндрическим газовым коллектором 2 при помощи сварного соединения.
Также в выходной части цилиндрического газового коллектора 2 выполнены сопловые отверстия 8 одинакового диаметра, сформированные в группы и расположенные по окружности с шагом 45°. Сопловые отверстия 8 предназначены для струйной подачи газообразного топлива, проходящего по центральному каналу 2.1 цилиндрического газового коллектора 2, в периферийный закрученный поток воздуха. В предпочтительном варианте реализации изобретения сопловые отверстия 8 разделены на группы по три отверстия, расположенные вдоль продольной оси горелочной головы, причем группы из трех отверстий чередуются через одно отверстие.
Для обеспечения большей глубины проникновения струй газообразного топлива в закрученный воздушный поток на поверхности цилиндрического газового коллектора 2 за каждой группой сопловых отверстий 8 установлены обтекатели (пилоны) 9. Каждый обтекатель 9 представляет собой металлический элемент, выполненный из двух боковых треугольных стенок, передней четырехугольной стенки, расположенной под углом 65-75° к поверхности цилиндрического газового коллектора 2, и открытой верхней стенкой. Обтекатели 9 соединены с цилиндрическим газовым коллектором 2 при помощи сварного соединения.
Регулировка режима горения при сжигании разных видов топлив производится за счет изменения сечения кольцевого зазора 5.1 для прохода воздушного потока, образованного между диффузорным участком 6.1 диффузорно-конфузорной выходной насадки 6 и центральным диском-диффузором 5. Изменение сечения кольцевого зазора 5.1 обеспечивается путем изменения положения регулировочного кольца 4 относительно продольной оси горелочной головы. Регулировочное кольцо 4 представляет собой цилиндрическую обечайку, установленную на внутренней обечайке корпуса 1. Изменение положения регулировочного кольца 4 может осуществляться как вручную во время остановки работы горелочного устройства, так и в автоматическом режиме посредством сервопривода (на чертежах не показано).
Диффузорно-конфузорная выходная насадка 6 и центральный диск-диффузор 5 обеспечивают создание аэродинамического течения топливовоздушной смеси в зоне активного горения, необходимого для стабилизации процессов устойчивого воспламенения и горения топливовоздушной смеси. В центральном диске-диффузоре 5, представленном на фиг. 2, выполнено центральное отверстие 10, восемь радиальных щелевых прорезей 11, расширяющихся от центрального отверстия 10 к периферии и размещенных на равном угловом расстоянии друг от друга, и четыре группы радиально расположенных отверстий 12, предпочтительно одинакового диаметра, по меньшей мере, по два отверстия в каждой группе. В предпочтительном варианте реализации изобретения центральный диск-диффузор 5 установлен таким образом, что группы радиально расположенных отверстий 12 располагают напротив группы из трех сопловых отверстий 8 газового коллектора 2 в продольной плоскости горелочной головы, т.е. отверстия 12 и сопловые отверстия 8 расположены на одном угловом расстоянии от продольной оси горелочной головы. Также в предпочтительном варианте реализации изобретения группы радиально расположенных отверстий 12 смещены относительно радиальных щелевых прорезей 11 на угол α равный 17-23°. Центральный диск-диффузор 5 может быть выполнен с периферийной частью 13 в виде конической поверхности с углом наклона 40-50° к продольной оси горелочной головы.
Подача воздуха в зону горения осуществляется вентилятором (на чертежах не показан), который расположен в одном корпусе с горелкой (на чертежах не показана). Регулировка расхода воздуха и топлива осуществляется воздушной заслонкой на вентиляторе (на чертежах не показаны) в соответствии с требуемой мощностью. Подача жидкого топлива осуществляется через механическую форсунку (на чертежах не показана), которая устанавливается в центральной части горелочной головы вдоль продольной оси горелочного устройства.
Кроме того, в центральной части горелочной головы установлен запальник и датчики контроля пламени (на чертежах не показаны). Часть воздуха, подаваемого в горелку, подается в центральный канал 2.1 с целью его охлаждения. Все элементы горелочной головы могут быть изготовлены из листов и обечаек.
Работа устройства осуществляется следующим образом
Воздух в зону горения горелочной головы (фиг. 1) подается вентилятором, расположенным в одном корпусе с горелкой (на чертежах не показано), несколькими потоками: по кольцевому каналу 3, периферийным воздушным потоком, который закручивается посредством двадцати двух аксиальных лопаток 7, установленными под углом 30-40° к продольной оси горелочной головы, прямоточным потоком по центральному каналу 2.1 цилиндрического газового коллектора 2 и через радиальные щелевые прорези 11 центрального диска-диффузора 5 (фиг. 2), что обеспечивает процесс ступенчатого сжигания топлива. В результате закручивания периферийного воздушного потока внутри него образуется обширная зона разрежения, в которую попадают высокотемпературные продукты сгорания из средней части жаровой трубы котла (на чертежах не показана), что обеспечивает устойчивое воспламенение на внутренней границе закрученного потока топливовоздушной смеси. Уменьшение угла установки аксиальных лопаток на угол менее 30° приводит к исчезновению центральной зоны обратных токов, которая является основным источником воспламенения топливовоздушной смеси. При увеличении угла установки аксиальных лопаток до 40° наблюдается высокая симметричность процессов воспламенения и выгорания топливовоздушной смеси. Центральная эллиптическая зона обратного тока перемещается ближе к кромке горелки и несколько увеличивается в размерах. Периферийные зоны рециркуляции в районе диффузорной части жаровой трубы котла (на чертежах не показано) становятся интенсивнее, в результате чего интенсивность воспламенения на наружной границе фронта пламени также увеличивается, что приводит к росту температур факела в этой зоне. Увеличение угла установки аксиальных лопаток 7 свыше 40° не обеспечивает вышеприведенные процессы воспламенения и выгорания топливовоздушной смеси.
Для стабилизации процессов воспламенения и выгорания топливовоздушной смеси в горелке обеспечивается регулировка режима сжигания топлива путем изменения величины выступа Δ регулировочного кольца 4 (фиг. 1) от левой кромки диффузорного-конфузорной выходной насадки 6, с помощью которого изменяется проходное сечение кольцевого зазора 5.1 и соответственно скорость воздушного потока. Конкретная величина выступа Δ регулировочного кольца 4 от левой кромки диффузорно-конфузорной выходной насадки 6 выбирается в зависимости от вида сжигаемого топлива, исходя из необходимости обеспечения оптимальных условий воспламенения. Таким образом, поток воздуха в горелке можно регулировать во всем диапазоне мощности для достижения оптимальных параметров горения.
Величина выступа Δ регулировочного кольца 4 от левой кромки диффузорно-конфузорной выходной насадки 6 определена, исходя из условий обеспечения оптимального перемешивания и воспламенения, и для природного газа она составляет 19 мм.
Регулировочное кольцо 4 для обеспечения устойчивого воспламенения сырой нефти устанавливается на 4 мм дальше по потоку воздуха (правее) по сравнению с режимами сжигания природного газа с целью обеспечения больших скоростей закрученного потока воздуха на выходе из горелки.
В цилиндрический газовый коллектор 2 (фиг. 1) подают природный газ, который поступает в закрученный периферийный воздушный поток в зоне горения в виде чередующихся (одной или трех) газовых струй через группы сопловых отверстий 8, расположенных равномерно через 45° на поверхности выходной части цилиндрического газового коллектора 2. Для обеспечения большей глубины проникновения газовых струй в закрученный воздушный поток на поверхности цилиндрического газового коллектора 2 за каждой группой отверстий 8 размещены обтекатели 9. Таким образом, обеспечивается эффективное смешение газового и воздушного потоков на коротком участке с образованием готовой к воспламенению топливовоздушной смеси, подаваемый в объем жаровой трубы котла (на чертежах не показано). В данном случае при равномерной раздаче периферийного потока воздуха в кольцевом канале 3 воспламенение и начальное горение одиночных газовых струй происходит в окислительной среде при повышенных локальных избытках воздуха, а группы из трех газовых струй - в восстановительной среде соответственно при пониженных локальных избытках воздуха. При этом и в том, и другом случае происходит подавление эмиссии оксидов азота. Далее по факелу происходит слияние продуктов сгорания из этих зон и дожигание топливовоздушной смеси в общей окислительной зоне котла.
Таким образом, наличие аксиальных лопаток 7, установленных под углом 30-40° к продольной оси горелочной головы без перекрытия друг друга, обеспечивает стабильное воспламенение топливовоздушной смеси, хорошие условия выгорания топлива, умеренные гидравлические сопротивления, при этом организация ступенчато-стадийного сжигания топлива за счет создания дополнительных воздушных потоков в различные зоны горения топлива через радиально расположенные отверстия 12 центрального диска-диффузора 5, расположенными за тремя газовыми струями, уменьшает максимальные температуры газов в зоне активного горения, что в совокупности обеспечивает повышение КПД горелочного устройства и повышение экологичности за счет снижения эмиссии оксидов азота во всем рабочем диапазоне нагрузок.