СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
FUEL COMBUSTION METHOD, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к горелочным устройствам для сжигания топлив и может быть использовано в химической, нефтехимической, теплоэнергетической и других отраслях промышленности, а так же может применяться в отопительных установках, используемых для обогрева.
Известен способ сжигания жидких топлив в тепловых аппаратах в пульсирующем режиме, являющийся аналогом, [Авторское свидетельство РФ, №2100698, кл. F23C 11/04, 1997], согласно которому осуществляется: подача топлива на дно цилиндрической камеры сгорания, имеющей перфорированные боковые стенки и расположенной так, что ось ее вертикальна, газификация топлива за счет тепла факела, смешение с воздухом, который подается по частям: часть воздуха - в виде симметричных относительно оси факела радиально направленных струй, равномерно расположенных вокруг оси факела в нескольких параллельных горизонтальных плоскостях над поверхностью топлива; другая часть воздуха подается несимметричными относительно оси факела струями, которые расположены на локальных участках между плоскостями расположения симметричных струй; следующая часть воздуха - плоскими струями в конце зоны смешения газифицированного топлива с воздухом.
По изобретению [авторскому свидетельству РФ, №2100698, кл. F23C 11/04, 1997] также известно устройство для сжигания жидкого топлива, выбранное в качестве аналога, которое содержит цилиндрическую камеру с боковой перфорацией, выполненной в виде нескольких горизонтальных поясов из равномерно расположенных по окружности отверстий, и топливоподающий узел, установленный в нижней части камеры сгорания, причем камера размещается в цилиндрическом кожухе с образованием между боковыми стенками камеры и кожуха кольцевой полости для прохода воздуха.
В указанном аналоге (способе и устройстве для его осуществления) воздух подается в камеру сгорания радиально - направленными струями, что приводит к эффективному смешению горючего с воздухом, но не решает проблему охлаждения стенок. Пульсирующее горение сопровождается интенсивной теплоотдачей от продуктов сгорания стенкам камеры горения. Воздушный поток, движущийся снаружи по кольцевой полости, не обеспечивает достаточного охлаждения нагретых стенок. Вышеуказанные факторы снижают надежность устройства.
Наиболее близким аналогом способа, выбранным в качестве прототипа, является способ сжигания топлива и устройство для его осуществления по патенту на изобретение (RU №2301942 С2, F23D 5/04 от 27.06.2007 г, Бюл. №18).
По данному изобретению топливо газифицируется, смешивается с воздухом, подаваемом в камеру сгорания в виде симметричных относительно оси факела радиально-направленных струй, равномерно расположенных вокруг оси факела в нескольких параллельных горизонтальных плоскостях над поверхностью топлива, другая часть воздуха подается тангенциально в виде струй, равномерно расположенных вокруг оси факела в нескольких параллельных горизонтальных плоскостях над поверхностью топлива, причем плоскости радиально - направленных струй чередуются с горизонтальными плоскостями струй, направленных по касательной к стенкам камеры.
По указанному изобретению (RU №2301942 С2, F23D 5/04 от 27.06.2007 г, Бюл. №18) также известно устройство, содержащее цилиндрическую камеру с боковой перфорацией, выполненной в виде нескольких горизонтальных поясов равномерно расположенных по окружности отверстий, направляющих воздушные струи радиально и по касательной к стенкам камеры, патрубок для подачи воздуха, топливоподающий узел, установленный в нижней части камеры сгорания, внешний кожух, выхлопную трубу. Причем, горизонтальные пояса с отверстиями чередуются, в зависимости от направления струй -радиально или по касательной к стенке камеры. Такое техническое решение лишь частично решает проблему охлаждения стенок - верхние стенки камеры охлаждаются пристеночным воздушным слоем, создаваемым воздушными струями, втекающими в камеру по касательной к стенке. Нижние стенки камеры сгорания остаются не защищенными от перегрева. Это проблема не решается при охлаждении стенки с наружной части. При увеличении расхода воздуха с целью интенсификации охлаждения стенок резко увеличивается унос капель жидкого топлива из камеры сгорания, что не позволяет увеличить производительность камеры. Кроме того, существенно ухудшаются показатели горения: уменьшается температура факела пламени, появляется задымленность, внутренняя часть воздушного кожуха забрызгивается топливом.
В основу изобретения поставлена задача - усовершенствовать способ сжигания топлива и устройство для его осуществления для повышения производительности и надежности работы устройства.
Сущность предлагаемого способа сжигания топлива заключается в его газификации, смешении с частью воздуха, подаваемого в камеру сгорания в виде симметричных относительно оси факела радиально-направленных и тангенциально-направленных струй, чередующихся между собой по горизонту относительно поверхности жидкого топлива, отличающийся тем, что другая часть воздуха подается непосредственно в зону газификации в виде закрученной струи, направленной в сторону поверхности жидкости в количестве не более половины от общего расхода воздуха.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что оно содержит цилиндрическую камеру с боковыми горизонтально и равномерно расположенными по окружности окнами, патрубок для подачи воздуха, топливоподающий узел, установленный в нижней части камеры сгорания, внешний кожух, образующий с цилиндрической частью камеры кольцевой зазор, отличающееся тем, что в кольцевом зазоре расположено раскручивающее устройство, причем, концы лопаток раскручивающегося устройства плавно изогнуты на 90° в сторону стенок камеры сгорания, площадь кольцевого зазора сопоставима с площадью окон, расположенных в цилиндрической части камеры, нижняя часть камеры сгорания по диаметру больше цилиндрической части камеры сгорания в 1,25-1,5 раза и содержит патрубок ввода газов, ось которого сориентирована в центральную часть дна внешнего кожуха под углом 20-25° к его оси и 60-65° к его радиусу.
Предлагаемое горелочное устройство обеспечивает надежное охлаждение стенок камеры, в том числе и ее нижней части, которое достигается созданием пристеночного слоя, формирующегося раскручивающим устройством, установленном в кольцевом зазоре между внешним кожухом и цилиндрической частью стенки камеры. Изогнутость концов лопаток раскручивающегося устройства на 90° в сторону стенок камеры сгорания препятствует образованию завихрений газового потока, соответственно, разрушению пристеночного слоя на месте уширения стенок камеры. Тем самым обеспечивается надежное охлаждение наиболее теплонапряженной части стенок камеры сгорания.
Площадь кольцевого зазора сопоставима с площадью окон, расположенных в цилиндрической части камеры. Это обеспечивает доступ в нижнюю часть камеры сгорания воздуха в количестве, меньшем, чем требуется для полного сгорания топлива - не более половины от общего расхода воздуха. Благодаря такому техническому решению в нижней части камеры сгорания удается уменьшить значения удельных тепловых потоков и обеспечить требуемый уровень газификации углеводородных горючих.
Нижняя часть камеры сгорания по диметру больше цилиндрической части стенки камеры сгорания в 1,25-1,5 раза. При работе устройства в нижней части камеры сгорания по центру создается «волчок», представляющий собой многофазную среду из паро-, газо-, капельно-жидкостных компонентов топливовоздушной смеси. Вышеуказанное соотношение диаметров нижней и цилиндрической части камеры сгорания позволяет локализовать «волчок» в нижней части камеры сгорания и создает оптимальные условия, препятствующие уносу капель жидкости газовым потоком из зоны газификации.
Патрубок ввода газов, ось которого сориентирована в центр нижней части камеры сгорания под углом 20-25° к оси камеры сгорания и 50-65° к ее радиусу, обеспечивает подвод дополнительного воздуха в нижнюю часть камеры сгорания, препятствующего нагарообразованию на нижней стенке камеры. Кроме того, в момент розжига этот патрубок позволяет направить на зеркало горючей жидкости высоконагретые газы, образующиеся при горении горючего газа. Направленностью патрубка в сторону днища камеры сгорания под углом 20-25° к оси камеры сгорания и 50-65° к ее радиусу достигается также поддержание полости патрубка в чистом от механических частиц виде.
Описываемое изобретение поясняется схемой, приведенной на фиг.1. Оно включает в себя: нижнюю часть камеры сгорания 1; «волчок» из паро-газо- капельно-жидкостных составляющих 2; радиально просверленные отверстия 3; внешний кожух 4; тангенциально просверленные отверстия 5; цилиндрическую часть камеры сгорания 6; выхлопную трубу 7; патрубок подачи воздуха 8; топливоподающий узел 9; раскручивающее устройство 10; патрубок ввода газов 11.
Устройство работает следующим образом. Жидкое топливо через топливоподающий узел 9 вводится в нижнюю часть камеры сгорания 1. Туда же по патрубку 11 подается часть воздуха, обеспечивающего возгорание горючей жидкости и поддержание коэффициента избытка воздуха у топливоподающего узла, близкого к единице. Горение топлива инициируется продуктами сгорания горючего газа, поступающими по тому же патрубку 11, что и воздух. Воздух для горения в камеру сгорания подается по частям: часть воздуха в виде раскрученной струи (раскрутка струи осуществляется раскручивающим устройством 10) по кольцевому зазору, образованному внешним кожухом и цилиндрической частью направляется в нижнюю часть камеры сгорания. Количество этой части воздуха составляет не более 50% от общего количества воздуха. Крутящаяся воздушная струя создает вдоль стенки плотный пристеночный слой, который уменьшает коэффициент теплоотдачи от горячих газов стенкам камеры. Кроме того, подогретый воздух активизирует окислительно-восстановительные процессы, происходящие в камере сгорания. Жидкое топливо в нижней части камеры сгорания сильно газифицируется. Продукты термического разложения направляются в цилиндрическую часть камеры сгорания, подмешиваются с другой частью воздуха, поступающей в цилиндрическую часть камеры сгорания через радиально и тангенциально направленные отверстия. Струи, направленные радиально проникают в газифицированное топливо и обогащают его кислородом воздуха, необходимым для окисления горючих элементов. Струи, которые направляются по касательной, создают пристеночный слой, защищающий стенки цилиндрической части камеры сгорания от перегрева, интенсифицируют крутку газового потока, способствующего турбулизации потока. Аналогичный эффект достигается, если заменить отверстия на продольно расположенные окна с чередованием углов наклона лопастей. Сильно наклоненные лопасти способствуют проникновению струи воздуха в газифицированное топливо, слабо наклоненные лопасти - образованию пристеночного защитного слоя воздуха. Оставшаяся часть воздуха в газифицированное топливо подается через верхнюю щель, образованную внешним кожухом и конической частью камеры сгорания. При этом обеспечивается охлаждение конической части камеры сгорания.
Пример конкретного выполнения
Описываемое горелочное устройство используется в парогенераторной установке. На фиг.2 схематично изображена данная установка. Она состоит из двух основных частей: теплообменного блока и горелочного устройства. Горелочное устройство включает в себя: цилиндрическую часть камеры сгорания с отверстиями 1; зольник 2; нижнюю часть камеры сгорания 12; топливоподающий узел 4; раскручивающее устройство 3; запальное газовое устройство 5; воздушный короб 6; наружный кожух теплообменника 7; внутренний кожух теплообменника 8; спиралевидный теплообменник 9; дымоход 10; вентилятор 11.
Горелочное устройство присоединяется к нижней части теплообменного блока при помощи болтов. Внутри горелочного устройства расположена цилиндрическая часть камеры сгорания 1, на которой имеются окна для подвода воздуха в газифицированное топливо. Раскручивающее устройство выполнено в виде наклонных лопаток, приваренных к цилиндрической части камеры сгорания точечной сваркой. Концы лопаток загнуты на 90° по отношению к оси камеры сгорания. Сбоку к нижней части камеры сгорания приварено запальное газовое устройство. Запальное газовое устройство работает на природном газе-пропане. Для подачи воздуха в запальное устройство 5 служит воздушный короб 6. К нижней части камеры сгорания также крепится зольник 2, предназначенный для улавливания механических частиц, образующихся при сжигании загрязненных жидких горючих веществ. В качестве топливоподающего устройства служит трубка, прикрепленная к дну камеры сгорания.
Парогенераторная установка работает следующим образом. Первоначально через топливоподающий узел в нижнюю часть камеры сгорания подается небольшое количество жидкого топлива (1-2 литра) или жидкого горючего отхода, например, отработанного масла. В запальное устройство подается горючий газ и воздух в соотношении, близким к стехиометрии. Горючая смесь воспламеняется от свечи зажигания. Продукты сгорания направляются на жидкое топливо, находящееся на дне камеры сгорания. Под воздействием высоконагретых газов накопленный на дне камеры сгорания жидкий горючий отход быстро воспламеняется и начинает газифицироваться. После воспламенения горючего отхода, подача горючего газа прекращается. Подача воздуха в запальное устройство продолжается. Из запального устройства этот воздух истекает в виде струи, направленной в центр дна камеры сгорания. Газифицированный горючий отход из нижней части камеры сгорания поступает в цилиндрическую часть камеры сгорания, где подмешивается с вторичным воздухом, подводимым через окна. В результате этого интенсивность горения газифицированного горючего отхода резко возрастает. Раскаленные продукты сгорания поступают в спиралевидный теплообменник 9. Температура продуктов газификации в нижней части камеры сгорания не превышают 800°C, на входе в спиралевидный теплообменник она достигает 1800-1900°C. При этом наружная стенка нижней части камеры сгорания не превышает 100-120°C, что существенно ниже предельных значений температуры стенки камеры сгорания. После воспламенения отработанного масла и начала процесса его газификации, жидкий горючий отход в камеру сгорания подается постоянно. Максимальный расход топлива при работе на отработанном масле равняется 85-90 л/ч, на дизельном топливе - 120-130 л/ч. Объемный расход воздуха, вырабатываемый вентилятором, составляет 3000 м /ч. В опытах на вышеуказанных расходах не был замечен ни один случай выброса не испаренных капель жидкого топлива в спиралевидный теплообменник. Дальнейшее увеличение расхода жидкого горючего вещества приводило к его накоплению в нижней части камеры сгорания. Движущаяся по спиралевидному теплообменнику вода нагревалась, и в виде насыщенного пара подавалась потребителю. Следует отметить, что благодаря применяемому способу сжигания топлива и конструктивным особенностям, в данном горелочном устройстве одинаково эффективно сжигаются различные горючие жидкости: товарное топливо, отходы ГСМ, низкосортный мазут, органические смолы.
Таким образом, предлагаемый способ сжигания топлива и устройство для его осуществления обеспечивают полноту сжигания жидких горючих веществ, в том числе и жидких горючих отходов на больших расходах, нагрев стенок камеры сгорания горелочного устройства в допустимых пределах и, в целом, надежность конструкции горелочного устройства.