РАДИАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА
RADIANT BURNER

Изобретение относится к устройствам для получения тепла и инфракрасного излучения и может быть использовано в различных бытовых устройствах и технологических процессах для нагрева и сушки, а также для риформинга углеводородных газов.
В настоящее время в связи с потребностью в новых газохимических технологиях и ужесточением экологических требований к процессам сжигания возникает интерес к использованию поверхностного горения для решения соответствующих технологических задач, в том числе связанных с химической конверсией природного газа. Проблема заключается в необходимости создания горелочных устройств, в которых возможно сжигание или парциальное окисление смесей как очень бедного, так и очень богатого составов. Если экологически чистые горелки, в которых осуществляется эффективное горение смеси стехиометрического состава, востребованы, в первую очередь, для бытовых нужд, то горелочные устройства для сжигания смесей ультрабедного состава могут найти применение, например, в камерах сгорания газотурбинных установок. В свою очередь, горелочные устройства на смесях очень богатого состава представляют интерес в качестве риформеров для конверсии природного газа. Большой интерес представляет также возможность сжигания низкокалорийного топлива, например, биогаза.
Известна радиационная рекуперативная горелка /RU 2378574, F23D 14/12 2008/, которая состоит из корпуса, внутри которого находится горелочный туннель, противоточного рекуператора, имеющего, как минимум, один туннель для продуктов сгорания и, как минимум, один туннель для окислителя, узла ввода топлива в туннели горелки, соединенного с внешним трубопроводом для подвода топлива, узла ввода окислителя в туннели горелки, соединенного с внешним трубопроводом для подвода окислителя и узла вывода продуктов сгорания, соединенного с внешним трубопроводом для отвода продуктов сгорания, запала. При этом часть корпуса горелки, в которой находится горелочный туннель, выполнена из огнестойких и тугоплавких материалов. Туннели рекуператора для окислителя имеют поверхность теплового контакта с туннелями для продуктов сгорания, по разные стороны от которой направление движения газа в туннелях противоположно. Выход туннеля для окислителя соединен с горелочным туннелем, вход туннеля для продуктов сгорания соединен с горелочным туннелем. Узел ввода топлива герметично соединен с горелочным туннелем. Узел ввода окислителя герметично соединен с входом туннеля рекуператора для окислителя. Узел вывода продуктов сгорания герметично соединен с выходом туннеля рекуператора для продуктов сгорания. Горелочный туннель выполнен внутри корпуса герметичным и изолированным от внешней среды. В рекуператоре дополнительно выполнены один или несколько туннелей для топлива, имеющих поверхность теплового контакта с туннелями рекуператора для продуктов сгорания, по разные стороны от которой направление движения газа в туннелях противоположно. При этом рекуператор размещен внутри корпуса горелки, стены туннелей рекуператора в той его части, которая примыкает к горелочному туннелю, изготовлены из огнестойких и тугоплавких материалов, узел ввода топлива герметично соединен с горелочным туннелем через туннели рекуператора для топлива, а часть внешней поверхности корпуса вблизи горелочного туннеля является радиационной поверхностью горелки.
К недостаткам известного устройства можно отнести его конструктивную сложность, обусловленную тем, что горелка предназначена для получения электроэнергии, а также необходимость использования дорогих тугоплавких материалов, обусловленного высокими температурами внутри горелки.
Наиболее близкой к заявляемой является радиационная горелка /RU 2427758, F23D 14/12, 2011/, содержащая корпус с кольцевой крышкой, перфорированную излучающую насадку, выполненную в виде полости, образованной двумя излучающими поверхностями, размещенными в корпусе, и систему подвода топливовоздушной смеси. Боковая часть корпуса горелки выполнена в виде двух тонкостенных коаксиальных цилиндров, кольцевой зазор между которыми герметичен и вакуумирован, а кольцевая крышка соединена с корпусом через термоизолирующую прокладку. Данное техническое решение выбрано за прототип.
К недостаткам прототипа можно отнести повышенные радиационные потери, связанные с горением в факельном режиме.
x
Авторы решали задачу по созданию радиационной горелки, лишенной указанных недостатков. Технический результат заключается в возможности использования как очень богатых, так и очень бедных топливных смесей, а также низкокалорийного топлива, например, биогаза. Предлагаемая горелка может использоваться как конверсии углеводородов в области повышенного содержания топлива, так и для сжигания бедных смесей в избытке окислителя. В этом режиме за счет снижения температуры фронта пламени удается многократно снизить уровень вредных выбросов, прежде всего NO.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается радиационная горелка, содержащая корпус с кольцевой крышкой, полую излучающую насадку, выполненную из проницаемого для газа материала, размещенную в корпусе, и систему подвода топливовоздушной смеси, включающую полость для раздачи топлива. Отличительной особенностью предлагаемой горелки является то, что излучающая насадка выполнена в виде объемной проницаемой для газа матрицы, а трубопровод подвода топливовоздушной смеси частично размещен внутри полости матрицы и соединен с полостью для раздачи топлива.
Полость матрицы может иметь в поперечном сечении форму многоугольника, круга или эллипса.
Матрица может быть выполнена из перфорированной керамики, металлической сетки, прессованной металлической проволоки, металлоткани или пенометалла.
Высота полости матрицы может превышать максимальный размер ее поперечного сечения.
Дополнительно предлагается трубопровод подвода топливовоздушной смеси оснастить теплообменником, расположенным внутри полости матрицы. При этом, в частном случае, теплообменник может быть выполнен в форме спирального трубопровода, размещенного коаксиально внутренней поверхности полости матрицы.
Также дополнительно предлагается трубопровод подвода топливовоздушной смеси оснастить теплообменником, расположенным над полостью матрицы, которая закрыта сверху проницаемой для газа крышкой.
Выполнение излучающей насадки в виде объемной проницаемой для газа матрицы с одновременным размещением трубопровода подвода топливовоздушной смеси хотя бы частично внутри полости матрицы и соединением последнего с полостью для раздачи топливовоздушной смеси  позволяет сжигать смеси как очень бедного, так и очень богатого составов. Таким образом достигается технический результат.
На фиг.1 представлен продольный разрез радиационной горелки, на фиг.2 и 3 представлены продольный и поперечный разрезы радиационной горелки, оснащенной теплообменником, размещенным внутри полости матрицы, на фиг.4 показан продольный разрез горелки, оснащенной теплообменником, размещенным над полостью матрицы, где 1 - корпус, 2 - кольцевая крышка, 3 - полость для раздачи топлива, 4 - излучающая насадка, выполненная в виде объемной проницаемой для газа матрицы, 5 - трубопровод подвода топливовоздушной смеси, 6 - теплообменник, 7 - крышка матрицы.
Устройство работает следующим образом. По трубопроводу 5 организуют подачу топливовоздушной смеси в полость для раздачи топлива 3, откуда смесь проходит сквозь объемную проницаемую матрицу 4, нагреваясь при этом, и окисляется вблизи внутренней поверхности матрицы. Продукты горения, а также радиационное тепло нагревают смесь, проходящую по трубопроводу 5 или теплообменнику 6 и, тем самым, повышают эффективность радиационной горелки. В случае размещения теплообменника 6 над объемной матрицей 4 (фиг.4), крышка матрицы 7 играет роль вторичного радиационного излучателя.