Горелка вихревая противоточная
COUNTERFLOW VORTEX BURNER

Изобретение относится к устройствам для сжигания газообразного или жидкого топлива и может быть использовано для обезвреживания газообразных отходов.
Из уровня техники известна вихревая горелка, описанная в патенте на изобретение RU 2310794 C1, опубл. 20.11.2007. Известная горелка содержит вихревую камеру, сопло, свечу зажигания, форсунку, обечайку, полусферическую крышку, резьбовой штуцер сжатого воздуха, завихритель, внутренняя оболочка корпуса вихревой камеры состоит из двух участков: цилиндрического и конического. Обечайка имеет один конический участок. Также она имеет диффузор, сопряженный с полусферической крышкой, а сопло выполнено профилированным, внешняя поверхность которого выполнена в виде шнекового закручивающего устройства. Данная вихревая горелка предназначена для розжига камер сгорания ГТУ и стабилизации пламени в них.
Указанная вихревая горелка является наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению и была использована в качестве прототипа.
Недостатком горелки является ее сложность изготовления, наличие большого гидравлического сопротивления внутри вихревой камеры, препятствующее движению сжатого воздуха, вызванное его прохождением через щелевые отверстия внутри обечайки. Также эта горелка неэффективна при ее использовании для обезвреживания газообразных отходов, поскольку часть подаваемого воздуха уходит между соплом и охлаждающей рубашкой, не подвергаясь термическому воздействию.
Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение конструкции горелки вихревой противоточной, расширения области применения и повышение эффективности и рентабельности обезвреживания газообразных отходов при ее работе.
Горелка вихревая противоточная для обезвреживания газообразных отходов содержит камеру сгорания, имеющую цилиндрическую или конусообразную форму внутреннего корпуса, сопло, расположенное на передней стенке камеры сгорания, устройство подачи топлива, через которое подается топливо в камеру сгорания, запальное устройство и завихритель, расположенный на боковой поверхности камеры сгорания у ее передней стенке, при этом на передней стенке камеры сгорания имеются перекрыши.
Предложенная конструкция горелки имеет простую конструкцию, что обеспечивает высокую надежность в эксплуатации из-за отсутствия дополнительных элементов для ее функционирования, наличие меньшего гидравлического сопротивления, позволяющее применять менее мощные вентиляторы для подачи газов в завихритель, а также повышение эффективности обезвреживания газообразных отходов благодаря отсутствию утечки газов из завихрителя в сопло за счет применения перекрыши.
x
К газообразным отходам относятся газы, выделяющиеся в процессе хозяйственной деятельности человека, имеющие неприятный запах, большую концентрацию вредных веществ, канцерогенов и т.д, например СО и NO. На основе высокотемпературной переработки / сжигания всех компонентов газообразных отходов происходит значительное их обезвреживание. При этом продукты переработки становятся соответствующими экологическим нормам - предельно допустимым концентрациям вредных веществ в атмосфере, исчезает характерный запах дыма и прочие запахи.
В одном из вариантов изобретения, горелка вихревая противоточная может быть оснащена дополнительным завихрителем, расположенным на задней стенке камеры сгорания.
На фиг. 1 показана схема заявленной вихревой противоточной горелки с направлением движения газов внутри камеры сгорания.
На фиг. 2 изображен вариант конструкции горелки с установкой дополнительного завихрителя.
Далее будет более подробно описано заявленное изобретение с примером его выполнения.
Вихревая противоточная горелка (фиг. 1) содержит камеру сгорания 1, сопло 2, завихритель 3, устройство подачи топлива и запальное устройство (на фигурах не показаны).
Камера сгорания 1 имеет цилиндрическую или конусообразную форму внутреннего корпуса, содержащего переднюю и заднюю стенки. В случае с конусообразным корпусом, задней стенкой является стенка, расположенная в основании конуса. На фиг. 1 показана горелка с конусообразным корпусом камеры сгорания.
На боковой поверхности корпуса камеры сгорания вблизи его передней стенки располагается завихритель 3, представляющее собой цилиндрическое кольцо, соосное камере сгорания. Он обеспечивает поступление смеси газов, содержащей газообразные отходы и окислитель (кислород), внутрь камеры сгорания. Благодаря своей конструкции завихритель создает внутри камеры сгорания вращательно-поступательное движение газов от передней стенке к задней. В качестве завихрителя могут быть использованы завихритель улиточного типа или завихритель лопаточного типа.
На передней стенке камеры сгорания установлено сопло 2, через которое выходят продукты сгорания.
Также на передней стенке с внутренней стороны камеры сгорания имеются перекрыши 4, представляющее собой кольцо, соосное камере сгорания, образуя выступающую часть внутри камеры сгорания. Перекрыши препятствуют прямой утечке газов из завихрителя в сопло, минуя термообработку, что обеспечивает эффективность их обработки. В одном из вариантов выполнения, перекрыши могут быть образованы корпусом сопла путем его углубления внутрь камеры сгорания. Оптимальной длиной перекрыши (размер выступающей части) является величина, соответствующая внутреннему радиусу сопла.
Устройство подачи топлива обеспечивает поступление топлива внутрь камеры сгорания.
В качестве устройства подачи топлива могут использоваться различные устройства, обеспечивающие поступление топлива внутрь камеры сгорания. Примером такого устройства являются разнообразные форсунки для жидкого или газообразного топлива.
Для поджигания образованной топливной смеси горелка содержит запальное устройство. В качестве запального устройства могут применяться свеча или пьезоэлемент. Поджег смеси выполняется вблизи задней стенки камеры сгорания. Обычно поджег требуется только вначале запуска работы горелки, в дальнейшем она функционирует за счет самовоспламенения.
В качестве топлива, используемого в топливном устройстве, может применяться газообразное (например, метан или пропан) или жидкое (например, дизельное или керосин) высококалорийное топливо.
В одном из вариантов применения, горелка вихревая противоточная работает следующим образом.
Газообразные отходы, подлежащие термической обработке, подаются в завихритель 3, который обеспечивает необходимую закрутку потока газов внутри камеры сгорания 1, образуя периферийный вихрь. Использование перекрыши 4 внутри камеры препятствует утечке газообразных отходов напрямую в сопло 2 горелки.
Закрученный поток газов, движущийся вдоль внутренней поверхности корпуса камеры, достигает задней стенки камеры сгорания 1 и перемешивается с топливом, подаваемым устройством подачи топлива из задней стенке камеры сгорания, образуя горючую смесь. Эта смесь воспламеняется (при начале работы процедура осуществляется с помощью запального устройства) в зоне стабилизации пламени у задней стенки и, образуя вихревой приосевой поток (центральный вихрь), движется от задней стенке камеры сгорания и выходит через сопло 2.
2
2
x
В центральном вихре/зоне горения происходит нагрев и термический распад газообразных отходов в безопасные для здоровья элементы. В зависимости от скорости вращательного и поступательного движения периферийного и центрального вихрей, которое зависит от мощности подачи воздуха и газов в завихритель, меняется время пребывания газообразных отходов в зоне горения и дополнительно от соотношения расходов топлива и воздуха их температура, тем самым изменяется качество процесса термической деструкции для многих типов газообразных отходов. Процесс утилизации газообразных отходов завершается образованием продуктов сгорания, содержащих двуокись углерода СО и водяные пары НО, а также низкие и контролируемые концентрации вредных выбросов СО и NO. Продукты сгорания с высокой температурой выбрасываются из камеры 1 через сопло 2.
На фиг. 1 стрелками показана схема движения газов внутри камеры сгорания, согласно вышеприведенному примеру работы горелки.
Стоит отметить, что вращающийся периферийный вихрь также предотвращает проникновение горячих продуктов сгорания к внутреннему корпусу камеры сгорания, обеспечивая его конвективное охлаждение.
Предложенная конструкция вихревой противоточной горелки является простой и эффективной для утилизации газообразных отходов путем их термообработки.
Для устойчивого горения (окисления) топлива, газообразные отходы, поступающие в завихритель, содержат окислитель (воздух) и при этом не должны превышать 20-30% по массе от массового расхода воздуха на горение. Предельно допустимые концентрации дыма или отходов в воздушно-дымовой смеси могут регулироваться до подачи их в завихритель.
За счет применения вихревого противоточного эффекта в вихревой противоточной горелке достигается хорошее перемешивание газообразных отходов (вредных газов) и окислителя (кислорода) с топливом из топливного устройства в камере горелке, образуя надежную и устойчивую зону горения, обеспечивающую на основе высокотемпературной переработки значительное обезвреживание газообразных отходов, приводя их к соответствующим экологическим нормам и устраняя неприятный запах.
Заявленная горелка может быть использована в устройстве для обезвреживания газообразных отходов, раскрытом в заявке на изобретение RU 2020108527, приоритет 27.02.2020, и включенным в состав этой заявки путем отсылки.
В одном из вариантов выполнения заявленной горелки, устройство подачи топлива располагается на передней стенке и подает топливо через переднюю стенку в периферийный вихрь, выходящий их завихрителя. В этом случае происходит более эффективное перемешивание топлива с газообразными отходами и окислителем, образуя топливно-воздушную смесь.
На фиг. 2 показан один из вариантов изобретения, в котором на задней стенке камеры сгорания 1 устанавливается дополнительный завихритель 5, соосно с камерой сгорания. В этом случае в один из завихрителей подаются газообразные отходы, а в другой - «чистый» воздух (окислитель), обеспечивающий необходимое соотношения воздух-топливо для эффективного горения смеси. При этом топливо может подаваться и непосредственно в дополнительный завихритель для его лучшего перемешивания с газами - для этого устройство подачи топлива устанавливается в дополнительный завихритель.
Предлагаемая вихревая противоточная горелка может быть использована также для сжигания газообразных низкокалорийных горючих отходов, которые подаются в завихрители и после смешивания с топливом подвергаются воспламенению. Газообразные низкокалорийные горючие отходы могут быть получены в результате пиролиза углеродосодержащих продуктов. В этом случае повышается рентабельность процесса сжигания или обезвреживания газообразных отходов.
Для охлаждения сопла горелки и выходящих продуктов горения, возможна установка воздушного смесителя после передней стенки камеры сгорания, в который будет подаваться окружающий воздух.
Материалом для изготовления завихрителей могут являться обычные стали, а камера сгорания и выходное сопло выполняются из жаропрочных сталей или сплавов.