СПОСОБ СЖИГАНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА И ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
COMBUSTION METHOD OF CONTAMINATED INDUSTRIAL GASEOUS FUEL  AND BURNER DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к сжиганию промышленных газов и может быть использовано в металлургии, химической промышленности и других отраслях техники, где используют загрязненные газы для получения высокоскоростного и низкотемпературного потока продуктов горения.
Известен способ сжигания газообразного топлива для получения скоростного факела (А.А. Винтовкин и др. Горелочные устройства промышленных печей и топок. Справочник. М. 1999 г., стр. 175-183) [1]. Способ характеризуется предварительным смешением топлива с частью воздуха и сжигание этой смеси в потоке дополнительного воздуха, нагнетаемого в камеру горения. Недостатком такого решения является низкая работоспособность из-за закупоривания отложениями проходных газовых каналов горелочного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению являются способ и устройство, приведенные в источнике [1] на стр. 539. Согласно этому способу, сжигание газа производят на встречных струях пересекающихся потоков газа и воздуха в камере горения, стенки которой охлаждаются потоком подводимого в эту камеру воздуха. Устройство для осуществления данного способа содержит камеру горения, выполненную двухступенчатой с перфорацией по всей ее длине. Первая часть камеры является зоной полного горения топлива, вторая часть - зоной смешения продуктов горения с оставшимся воздухом, обеспечивающей заданный уровень температур продуктов горения перед выходным соплом. Подвод газа в камеру горения выполнен из торцевого коллектора, в стенке которого выполнены отверстия для истечения топлива. В объеме зоны горения происходит соударение пересекающихся струй газа и воздуха. Образовавшаяся смесь воспламеняется от свечи зажигания и интенсивно сгорает. Далее продукты горения интенсивно перемешиваются с потоком воздуха, проникающим через стенки камеры смешения, и вытекают через сопло в рабочий объем печи.
Недостатком этого решения является низкая эксплуатационная надежность конструкции при работе на неочищенных промышленных газах, таких как коксовый, доменный или газогенераторный, а также на смесях этих газов. Указанные газы содержат остатки смол, бензола, нафталина, влагу и пыль. Подвод газа в камеру горения из торцевого коллектора осуществляют через большое количество газовыпускных отверстий малого размера. При этом проходное сечение этих отверстий быстро зарастает коксовыми отложениями, что увеличивает и гидравлическое сопротивление проходных каналов и изменяет характеристики факела. Таким образом, известный способ сжигания газа, основанный на разделении общего потока на систему мелких струй, в данном случае неэффективен. Кроме того, такой способ сжигания и устройство для его реализации характеризуется неустойчивым положением зоны стабилизации факела. При малых тепловых нагрузках зона горения находится вблизи торцевой входной стенки камеры горения. По мере увеличения расхода газа зона воспламенения отдаляется от торцевой стенки и может выходить за пределы видимости датчика контроля пламени, что является причиной ложного срабатывания системы безопасности.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении интенсивного сжигания загрязненных промышленных газообразных топлив с получением короткого и высокоскоростного факела и стабилизации фронта воспламенения на длине камеры горения.
Для этого способ сжигания загрязненного промышленного газообразного топлива включает подачу газообразного топлива в камеру горения с перфорированной стенкой и смешение его с воздухом, нагнетаемым через охлаждаемые им стенки камеры с последующим истечением продуктов горения через выходное сопло камеры горения, при этом подачу газообразного топлива в камеру горения осуществляют через вихревую циклонную камеру сплошным потоком по спирали вдоль поверхности перфорированной стенки камеры горения.
Для реализации способа предложено горелочное устройство, содержащее воздухоподводящий корпус, встроенную в него камеру горения с перфорированной стенкой и выходным соплом и устройство для подачи в нее газообразного топлива, присоединенное к камере горения, при этом устройство для подачи газообразного топлива в камеру горения выполнено в виде вихревой циклонной камеры с тангенциальным патрубком для ввода газообразного топлива, причем длина камеры горения составляет от 1,2 до 2,0 ее диаметра.
Таким образом, в заявляемом изобретении газообразное топливо в зону горения подают через вихревую циклонную камеру сплошным потоком, вытекающим по спирали вдоль перфорированной стенки камеры горения, продуваемой потоком воздуха. Заявленные соотношения размеров вихревой камеры определяют следующие особенности способа сжигания и горелочного устройства для его осуществления. Если длина вихревой камеры составляет менее 1,2 ее диаметра, то входной газовый поток на длине вихревой камеры не успевает преобразоваться в сплошное спиральное течение на входе в камеру горения, что существенно ухудшает смешение продуктов горения с оставшимся воздухом. Если длина вихревой камеры составляет более 2 ее диаметров, то центральная вихревая горящая зона обратного течения заходит в вихревую камеру. Это приводит к разогреву ее стенок и разрушению, снижению скорости или нарушению сплошности спирального течения у стен камеры горения и ухудшению полноты смешения и горения газа и воздуха.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в обеспечении преобразования входного газового потока, подаваемого через один входной патрубок в спиральный сплошной поток, распространяющийся вдоль внутренней поверхности камеры горения и инжекции в этот поток воздуха через стенки камеры горения.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображено горелочное устройство, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, вид сбоку по стрелке А; на фиг. 3 показана схема движения потоков газа и воздуха в горелочном устройстве, реализующем заявленный способ сжигания газа. Горелочное устройство содержит корпус 1 для подвода воздуха, на оси корпуса установлена перфорированная камера, состоящая из зоны горения 2 и зоны смешения продуктов горения с оставшимся воздухом 3, которая заканчивается выходным соплом 4. На входной стороне корпуса установлена вихревая камера 5 с тангенциальным патрубком 6 для ввода промышленного загрязненного газа. На торцевой стенке вихревой камеры установлена свеча зажигания 7. Газ, нагнетаемый в вихревую камеру, вытекает из нее в виде сплошного спирального потока, прижатого к внутренней стенке камеры горения. Движение этого потока обозначено стрелками 8 на фиг. 3. В этот поток внедряются струи воздуха, проходящего через отверстия в стенке камеры горения, обозначенные стрелками 9. При этом происходит интенсивное перемешивание газообразного топлива со струями воздуха в пристенной области камеры и смещение общего потока смеси в сторону выходного наконечника горелочного устройства. В приосевой части камеры горения образуется зона возвратного течения газов, обозначенная стрелками 10. В этой зоне смесь топливного газа, воздуха и продуктов горения движется в сторону вихревой камеры, и затем эта смесь вблизи торцевой стенки разворачивается обратно и подсасывается в спиральный вихревой пристенный поток. Этот разворот обозначен стрелкой 11. При этом в поперечном сечении камеры горения наблюдаются два противоположно направленных течения с явно выраженной границей между ними, обозначенной пунктирной линией 12. Эта линия представляет собой геометрическое место точек поперечного сечения камеры, в котором продольная скорость течения газов равна нулю. В этой пограничной зоне происходит интенсивное горением топлива и снижение температуры продуктов горения до требуемого значения. Образовавшиеся продукты горения и смешения, обозначенные стрелкой 13, вытекают из наконечника горелки.
Горелочное устройство работает следующим образом. Воздух, нагнетаемый в корпус, равномерно распределяется в его внутренней полости и инжектируется через перфорацию во внутреннюю часть зон горения и смешения в количествах, пропорционально площадям проходного сечения перфорации. Газообразное загрязненное топливо, подводимое в патрубок, входит тангенциально в вихревую камеру 5 и, распределяясь по ее внутренней поверхности в виде спирального потока, вытекает вдоль стенок камеры горения, взаимодействуя при этом со струями воздуха вблизи стенки. На оси камеры образуется зона возвратного течения, в которой образовавшиеся продукты смешения возвращаются к торцевой стенке корпуса и проникают в вихревую камеру, где в первоначальный период при пуске горелки происходит воспламенение смеси от высоковольтного разряда свечи зажигания. После воспламенения смеси пламя распространяется на весь объем камеры горения и смешения. Причем независимо от тепловой нагрузки горелочного устройства центральная зона обратного течения и горения всегда сохраняется, является надежным очагом воспламенения и постоянным местом контроля пламени. Контроль факела осуществляется обычными техническими средствами через смотровой патрубок 14, выполненный на боковой поверхности корпуса горелки и визированный через перфорацию камеры в зону горения.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет обеспечить интенсивное сжигание загрязненных промышленных газообразных топлив, т.к. ни в газовом тракте горелки, ни в камере горения нет мест, которые могут забиваться пылью или смолами. Возможные отложения на внутренней стороне камеры горения либо в процессе работы постепенно выгорают с выносом остатков из камеры горения, либо легко удаляются при профилактических осмотрах горелки.