ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к области устройств для факельного сжигания органических топлив в топках и печах.
При эксплуатации топок, например, газомазутных котлов или печей, работающих с низким избытком воздуха, воздействие на развитие процесса выгорания топлива и конфигурацию факела, от которых зависит распределение тепловых потоков, воспринимаемых экранами, а также экономичность и экологическая безопасность процесса, можно осуществить с помощью регулируемых горелок. Такими регулируемыми горелками оборудуются, в частности, парогенераторы газомазутных электростанций и отопительных котельных, несущих переменную часть графика нагрузки.
Известна регулируемая горелка, описанная в кн. Ахмедова Р.Б. Основы регулирования топочных процессов. - М.: Энергия, 1977. - 280 с. (см. рис.4-1 на стр.88). Горелка содержит воздушный короб, цилиндрическое устье, поворачивающиеся секции конической диафрагмы, системы рычагов для их поворота, привод с ленточной резьбой и др. элементы. Данная горелка имеет следующие недостатки: наличие большого числа механически перемещаемых элементов - поворачивающихся секций и рычажного привода, обладающий низкой надежностью, и узкий диапазон регулирования без ухудшения характеристик, то есть без возникновения пульсаций, срыва факела, увеличения неполноты сгорания топлива и возрастания выбросов токсичных продуктов.
Прототипом предлагаемой горелки является горелка DRB-XCL, разработанная фирмой "Бабкок-Вилкокс" и описанная в докладе Ляру А.Д. "Разработка горелок для энергетических котлов". Материалы семинара "Сжигание топлив с минимальным воздействием на окружающую среду" - М.: Изд. ВТИ, 1993. - 33 с. (см. рис.16 на стр.31). Горелка содержит наружный и внутренний каналы подачи воздуха с установленными в них поворотными закручивающими лопатками, образующими, соответственно, наружный и внутренний лопаточные завихрители. Внутри внутреннего лопаточного завихрителя установлены газовое сопло и мазутная форсунка, которые совместно с ним составляют узел смешения топлива и воздуха. При смешении потока воздуха, подаваемого через наружный лопаточный завихритель, с продуктами сгорания, поступающими из узла смешения, образуется факел. Управление характеристиками факела осуществляется за счет изменения угла установки лопаток завихрителей при их повороте с помощью механизмов привода, а также изменением соотношения расходов центрального и периферийного потоков воздуха. В данной горелке за счет
сокращения числа механически перемещаемых деталей повышена механическая надежность устройства. Однако остается необходимость в достаточно сложных и ненадежных механизмов одновременного поворота лопаток двух завихрителей, при этом сохраняются все вышеперечисленные функциональные недостатки.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемой горелки, заключается в повышении надежности работы регулирующего устройства, расширении диапазона регулирования за счет возможности регулирования положения факела в топке, возможности перераспределения теплового потока от факела к поверхностям нагрева топки и хвостовым поверхностям нагрева, предотвращения перегрева и термического разрушения экранных труб, снижении выбросов токсичных продуктов сгорания. Это достигается тем, что узел смешения установлен соосно и с зазором внутри наружного лопаточного завихрителя.
Установка узла смешения соосно и с зазором внутри наружного лопаточного завихрителя позволяет менять положение узла смешения относительно наружного лопаточного завихрителя - перемещать вдоль и поворачивать вокруг его оси, что создает возможность изменять условия перемешивания потока воздуха, подаваемого через наружный лопаточный завихритель, с продуктами сгорания, формируемыми узлом смешения и тем самым изменять все характеристики факела, то есть осуществлять регулирование работы горелки.
lх
На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемой горелки, содержащей наружный лопаточный завихритель 1, внутренний лопаточный завихритель 2, форсунку 3. На фиг.2 изображена столбчатая диаграмма, демонстрирующая эффективность регулирования предлагаемой горелки. В качестве критерия эффективности использован линейный коэффициент интенсивности теплового взаимодействия факела со средой в топочном пространстве К, Вт/(м*К), величина которого отображается на диаграммах высотой столбцов. Столбцы на диаграмме соответствуют различным вариантам сочетаний значений углов установки лопаток наружного и внутреннего завихрителей (направления закрутки потоков -противоположные), а так же скоростями течения воздуха в их подводящих каналах. Столбцам а) (вертикальная штриховка) соответствуют - углы: для наружного 45°, для внутреннего 45°; скорости: для наружного 20 м/с, для внутреннего 20 м/с. Столбцам б) (горизонтальная штриховка) соответствуют - углы: для наружного 15°, для внутреннего 45°; скорости: для наружного 20 м/с, для внутреннего 20 м/с. Столбцам в) (косая штриховка) соответствуют - углы: для наружного 15°, для внутреннего 45°; скорости: для наружного 10 м/с, для внутреннего 10 м/с. Группы столбцов (по три) на диаграммах соответствуют значениям осевого перемещения узла смешения относительно наружного лопаточного
завихрителя. Нулевое значение означает совпадение положений торцов наружного лопаточного завихрителя и узла смешения со стороны выхода факела, положительное - узел смешения выдвинут, отрицательное - узел смешения утоплен.
Предлагаемая горелка содержит наружный лопаточный завихритель 1, внутренний лопаточный завихритель 2, форсунку 3. Жестко соединенные внутренний лопаточный завихритель и форсунка образуют узел смешения. Узел смешения установлен соосно и с зазором внутри наружного лопаточного завихрителя.
Устройство работает следующим образом. В подающие каналы наружного 1 и внутреннего 2 лопаточных завихрителей поступает воздух от источников. В форсунку 3 подается топливо. Воздух, вытекающий из внутреннего лопаточного завихрителя, смешивается с топливом, вытекающим из форсунки. Воздух, поступающий из наружного лопаточного завихрителя, смешивается продуктами сгорания и образует факел. Перемещение узла смешения, образованного жестко соединенными внутренним лопаточным завихрителем и форсункой, относительно наружного лопаточного завихрителя приводит к изменению условий перемешивания потока воздуха, подаваемого через наружный лопаточный завихритель, с продуктами сгорания, поступающими из узла смешения и изменению газодинамических факторов потока на выходе из горелки: структуры, крутки и импульса. Эти факторы, в свою очередь, меняют положение факела в топке, его теплообмен при смешении с топочными газами и его теплоотдачу к технологическим поверхностям, размещенным в топке. Узел смешения может выдвигаться из наружного лопаточного завихрителя или утапливаться внутрь, а так же поворачиваться вокруг его оси, что создает возможность реализации разнообразных программ регулирования работы горелки.
Возможность осуществления предлагаемой полезной модели, то есть повышения надежности работы регулирующего устройства, расширения диапазона регулирования за счет контролируемого изменения положения факела в топке, перераспределения теплового потока от факела к поверхностям нагрева топки и хвостовым поверхностям нагрева, предотвращения перегрева и термического разрушения экранных труб, снижения выбросов токсичных продуктов сгорания, основывается на следующем.
Повышение надежности работы регулирующего устройства обеспечивается существенным упрощением органов регулирования - они сведены только к системе перемещения лишь одного элемента горелки -узла смешения.
Расширение диапазона регулирования за счет управления положением факела в топке достигается вследствие увеличения пределов изменения крутки и импульса потока на выходе из горелки.
Возможность перераспределения теплового потока от факела к поверхностям нагрева топки и хвостовым поверхностям нагрева достигается за счет изменения структуры и длины факела, то есть изменения теплонапряженности, а так же вариации положения факела в топочном тракте.
Возможность снижения выбросов токсичных продуктов сгорания достигается за счет возможности затягивания горения и уменьшения объема высокотемпературных зон.
Предотвращение перегрева и термического разрушения экранных труб достигается за счет выравнивания распределения теплового потока от факела к тепловоспринимающим поверхностям.
lх
Принципы регулирования, реализованные в предлагаемой горелке, проверены экспериментально на модели горелки, содержавшей наружный лопаточный завихритель, внутренний лопаточный завихритель и жестко соединенную с ним форсунку, образующие узел смешения. Узел смешения был установлен соосно и с зазором внутри наружного лопаточного завихрителя и мог перемещаться относительно него. Результаты этих экспериментов представлены на фиг.2 в виде столбчатой диаграммы, демонстрирующей эффективность регулирования предлагаемой горелки. В качестве критерия эффективности использован линейный коэффициент интенсивности теплового взаимодействия факела со средой в топочном пространстве К, Вт/(м*К), величина которого отображается на диаграмме высотой столбцов. Физический смысл этого параметра раскрыт в кн. Справочник по теплообменникам: В 2 т. T.1 / Пер с англ., Под ред. Б.С.Петухова, В.К.Шикова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с. (см. стр.9-10). Столбцы на диаграмме соответствуют вариантам сочетаний параметров горелки, различающихся значениями углов установки лопаток наружного и внутреннего завихрителей (направления закрутки потоков - противоположные) и значениями скоростей течения воздуха в подводящих каналах. Столбцам а) (вертикальная штриховка) -соответствуют углы: для наружного 45°, для внутреннего 45°; скорости: для наружного 20 м/с, для внутреннего 20 м/с. Столбцам б) (горизонтальная штриховка) соответствуют - углы: для наружного 15°, для внутреннего 45°; скорости: для наружного 20 м/с, для внутреннего 20 м/с. Столбцам в) (косая штриховка) соответствуют - углы: для наружного 15°, для внутреннего 45°; скорости: для наружного 10 м/с, для внутреннего 10 м/с. Группы столбцов (по три) на диаграммах соответствуют значениям осевого перемещения узла смешения относительно наружного лопаточного завихрителя. Нулевое значение означает совпадение положений торцов наружного лопаточного завихрителя и узла смешения со стороны выхода факела, положительное - узел смешения выдвинут, отрицательное - узел смешения утоплен. Каждое из этих возможных
положений узла смешения соответствует некоторому режиму регулирования работы горелки, когда изменяются условия перемешивания потока воздуха, подаваемого через наружный лопаточный завихритель, с продуктами сгорания, поступающими из узла смешения и изменяются параметры потока на выходе из горелки: структуры, крутки и импульса. Эти параметры, в свою очередь, меняют положение факела в топке, его теплообмен при смешении с топочными газами и его теплоотдачу к технологическим поверхностям, размещенным в топке. Из диаграммы видно, что в зависимости от конструктивных особенностей и характера работы горелки за счет осевого перемещения узла смешения относительно наружного лопаточного завихрителя можно изменять коэффициент интенсивности теплового взаимодействия факела со средой в топочном пространстве в широких пределах - до 60% (повороты узла смешения относительно оси наружного лопаточного завихрителя дают аналогичные эффекты). Приведенные данные позволяют выбирать режим регулирования горелки в зависимости от технологических задач.
Пример 1. Для снижения выбросов токсичных продуктов сгорания факел должен быть удлинен - при этом снижается интенсивность его теплового взаимодействия с окружающей средой - этому соответствуют следующие положения узла смешения горелки: для варианта а) -положение -20, то есть максимально утопленное; для варианта б) - так же положение -20; для варианта в) - положение +100, то есть максимально выдвинутое.
Пример 2. Для снятия повышенного теплонапряжения поверхностей нагрева котельного агрегата, отдаленных от горелки, факел должен быть укорочен - при этом интенсивность теплового взаимодействия факела с окружающей средой будет повышена, следовательно, необходимо выбрать следующие положения узла смешения горелки: для варианта а) - положение +50, то есть значительно выдвинутое; для варианта б) - так же положение +50; для варианта в) - положение -20, то есть максимально утопленное.
Рассмотренные примеры отражают решение разнородных задач регулирования горелок, следовательно, с помощью предлагаемой горелки можно находить оптимальные режимы для удовлетворения противоречивых требований эксплуатации топочного оборудования.
Изложенное доказывает возможность достижения технического результата при использовании предлагаемой горелки.