ЦИКЛОННЫЙ ПРЕДТОПОК
CYCLONE PRIMARY FURNACE

Изобретение относится к устройствам для одновременного или попеременного сжигания жидкого и газообразного топлива, а именно к циклонным предтопкам для сжигания жидкого топлива и/или газа в различных котельных установках.
Известна топка для сжигания жидкого топлива или газа, включающая: камеру сгорания, выполненную в форме цилиндрического стакана из огнеупорного материала, включающего торцевую часть и цилиндрическую часть; узел осевой подачи воздуха в камеру сгорания, включающий торцевую камеру, установленную снаружи камеры сгорания на ее торцевой части; узел радиальной подачи воздуха в камеру сгорания, включающий множество радиальных трубок, проходящих через стенку цилиндрической части камеры сгорания; узел осевой подачи жидкого топлива в камеру сгорания, включающий форсунку, установленную со стороны торцевой части камеры сгорания по ее центральной оси; узел осевой подачи газа в камеру сгорания, включающий множество сопел осевой подачи газа, смонтированных в торцевой части камеры сгорания [патент US 4815966, 28.03.1989]. Известная топка не обеспечивает эффективного смешивания газа, подаваемого в осевом направлении, и воздуха, подаваемого в радиальном направлении. Кроме того, в этом техническом решении не предусмотрено средств охлаждения стенки цилиндрической части камеры сгорания.
Также известен циклонный предтопок для одновременного или попеременного сжигания жидкого топлива и газа, включающий: камеру сгорания, выполненную в форме цилиндрического стакана из огнеупорного материала, включающего торцевую часть и цилиндрическую часть; узел осевой подачи воздуха в камеру сгорания, включающий торцевую вихревую камеру, установленную снаружи камеры сгорания на ее торцевой части; узел тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания, включающий короб циклонного типа, установленный снаружи камеры сгорания на ее цилиндрической части, и множество тангенциальных воздушных сопел, выполненных в виде окон в стенке цилиндрической части камеры сгорания; узел осевой подачи жидкого топлива в камеру сгорания, включающий форсунку, установленную со стороны торцевой части камеры сгорания по ее центральной оси; узел осевой подачи газа в камеру сгорания, включающий множество сопел осевой подачи газа, смонтированных в торцевой части камеры сгорания; узел боковой подачи газа в камеру сгорания, включающий распределительный газовый коллектор, смонтированный снаружи короба и соединенный с внешним источником газа, и трубки боковой подачи газа, которые входят в короб в радиальном направлении, при этом первый конец каждой из трубок боковой подачи газа соединен с распределительным газовым коллектором, а второй конец выполнен открытым в виде сопла тангенциальной подачи газа, расположенного внутри короба [патент RU 2180074, 27.02.2002]. Известный циклонный предтопок обеспечивает эффективное смешивание воздуха и газа, подаваемых в камеру сгорания в тангенциальном направлении, а также охлаждение стенки цилиндрической части камеры сгорания. Однако за счет того, что смешение газа и воздуха происходит внутри короба, данный циклонный предтопок является взрывоопасным.
В качестве прототипа выбран другой известный циклонный предтопок, конструкция которого подобна вышеописанной [полезная модель RU 46558, 10.07.2005]. Отличием этого циклонного предтопка от вышеописанного является то, что трубки боковой подачи газа проходят сквозь короб в тангенциальном направлении, при этом первый конец каждой из трубок боковой подачи газа соединен с распределительным газовым коллектором, а второй конец выполнен открытым в виде сопла боковой подачи газа, расположенного внутри полости одного из тангенциальных воздушных сопел. Однако в режиме работы этого циклонного предтопка при сжигании только жидкого топлива происходит нагревание тепловым излучением факела распределительного газового коллектора, что вызывает его выгорание, поэтому при данном режиме работы необходимо дополнительно подавать воздух в распределительный газовый коллектор, что усложняет конструкцию циклонного предтопка. Кроме того, подача как газа, так и воздуха происходит в тангенциальном направлении, из-за чего их смешивание происходит недостаточно эффективно.
Технической задачей, для решения которой предлагается настоящее изобретение, является повышение эффективности сжигания газа в циклонном предтопке за счет улучшения смешивания воздуха и газа в камере сгорания в режиме работы при сжигании газа или в смешанном режиме, а также повышение надежности работы и увеличение срока службы циклонного предтопка за счет исключения выгорания распределительного газового коллектора из-за воздействия теплового излучения факела при работе циклонного предтопка в режиме сжигания жидкого топлива.
Для решения поставленной технической задачи предлагается циклонный предтопок для одновременного или попеременного сжигания жидкого топлива и газа, включающий: камеру сгорания, выполненную в форме цилиндрического стакана из огнеупорного материала, включающего торцевую часть и цилиндрическую часть; узел осевой подачи воздуха в камеру сгорания, включающий торцевую вихревую камеру, установленную снаружи камеры сгорания на ее торцевой части; узел тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания, включающий короб циклонного типа, установленный снаружи камеры сгорания на ее цилиндрической части, и множество тангенциальных воздушных сопел, выполненных в виде окон в стенке цилиндрической части камеры сгорания; узел осевой подачи жидкого топлива в камеру сгорания, включающий форсунку, установленную со стороны торцевой части камеры сгорания по ее центральной оси; узел осевой подачи газа в камеру сгорания, включающий множество сопел осевой подачи газа, смонтированных в торцевой части камеры сгорания; узел боковой подачи газа в камеру сгорания, включающий распределительный газовый коллектор, смонтированный снаружи короба и соединенный с внешним источником газа, и трубки боковой подачи газа, которые проходят сквозь короб в тангенциальном направлении, при этом первый конец каждой из трубок боковой подачи газа соединен с распределительным газовым коллектором, а второй конец выполнен открытым в виде сопла боковой подачи газа, расположенного внутри полости одного из тангенциальных воздушных сопел. Новым является то, что второй конец каждой из трубок боковой подачи газа отогнут под острым углом от направления тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания, обеспечиваемого тангенциальным воздушным соплом, по направлению к центральной оси камеры сгорания так, чтобы изогнутый участок трубки боковой подачи газа исключал внутренний визуальный просвет трубки боковой подачи газа в направлении от одного ее конца к другому концу.
За счет такой конструкции достигается синергетический эффект, а именно:
- исключается нагрев тепловым излучением факела распределительного газового коллектора за счет исключения внутреннего просвета трубки боковой подачи газа;
- улучшается смесеобразование в камере сгорания за счет изменения направления боковой подачи газа по отношению к тангенциальному направлению подачи воздуха.
Второй конец каждой из трубок боковой подачи газа может быть отогнут так, что его продольная ось расположена в радиальном направлении.
Изогнутый участок трубки боковой подачи газа может быть расположен внутри полости тангенциального воздушного сопла.
Сопла боковой подачи газа могут быть выполнены в виде дозвуковых эжекторов.
Узел осевой подачи воздуха может включать периферийный лопаточный завихритель, установленный вокруг форсунки соосно последней в окне периферийного лопаточного завихрителя, которое выполнено круглым в стенке торцевой части камеры сгорания.
При этом узел осевой подачи газа может включать кольцевую газовую камеру, выполненную вокруг периферийного лопаточного завихрителя соосно центральной оси и соединенную с внешним источником газа, при этом сопла осевой подачи газа расположены вокруг окна периферийного лопаточного завихрителя по окружности, сосной центральной оси камеры сгорания, и соединены с кольцевой газовой камерой.
В последнем случае сопла осевой подачи газа могут быть расположены вокруг окна периферийного лопаточного завихрителя по окружности с равным шагом, а также сопла осевой подачи газа могут быть расположены вокруг окна периферийного лопаточного завихрителя по двум или более окружностям, которые соосны центральной оси камеры сгорания, при этом сопла осевой подачи газа могут быть расположены по окружностям в шахматном порядке.
Также узел осевой подачи газа может включать множество трубок осевой подачи газа, при этом первый конец каждой из трубок осевой подачи газа соединен с кольцевой газовой камерой, а второй конец выполнен открытым в виде сопла осевой подачи газа, при этом сопла осевой подачи газа выполнены в виде дозвуковых эжекторов.
Также сопла осевой подачи газа могут выступать из торцевой части камеры сгорания, при этом второй конец каждой из трубок осевой подачи газа может быть отогнут под острым углом к продольному направлению камеры сгорания по направлению от центральной оси камеры сгорания так, чтобы изогнутый участок трубки осевой подачи газа исключал внутренний визуальный просвет трубки осевой подачи газа в направлении от одного ее конца к другому концу.
Также узел осевой подачи газа может включать дополнительную кольцевую газовую камеру, расположенную непосредственно вокруг периферийного лопаточного завихрителя соосно центральной оси и соединенную с внешним источником газа, и дополнительные сопла осевой подачи газа, расположенные по окружности на внешней образующей периферийного лопаточного завихрителя и соединенные с дополнительной кольцевой газовой камерой.
Тангенциальные воздушные сопла могут быть выполнены в виде продольного ряда, при этом продольный ряд тангенциальных воздушных сопел может быть протянут по всей длине цилиндрической части камеры сгорания, а также тангенциальные воздушные сопла могут быть расположены в два или более продольных ряда.
В частности, продольные ряды тангенциальных воздушных сопел могут быть выполнены с равным шагом, а также сопла боковой подачи газа могут быть размещены, по крайней мере, в тангенциальных воздушных соплах, которые расположены ближе к середине цилиндрической части камеры сгорания.
В частности, сопла боковой подачи газа размещены во всех тангенциальных воздушных соплах.
А также может дополнительно включать средство регулировки подачи газа в камеру сгорания, выполненное с возможностью регулирования расходов газа, подаваемого в камеру сгорания с помощью узла боковой подачи газа и узла осевой подачи газа, таким образом, чтобы обеспечить процентное соотношение расходов 10:90-30:70 соответственно.
Лучше, если средство регулировки подачи газа в камеру сгорания выполнено с возможностью обеспечить процентное соотношение расходов 25:75.
Далее настоящее изобретение поясняется более подробно с использованием чертежей, на которых показано:
фиг.1 - вид циклонного предтопка по настоящему изобретению в продольном разрезе;
фиг.2 - вид циклонного предтопка с фиг.1 в поперечном разрезе;
фиг.3 - вид в перспективе циклонного предтопка с фиг.1.
Изобретение поясняется на примере циклонного предтопка для одновременного или попеременного сжигания жидкого топлива и газа.
Циклонный предтопок, показанный на фиг.1-3, содержит камеру сгорания 1, узел осевой подачи воздуха, узел тангенциальной подачи воздуха, узел осевой подачи жидкого топлива, узел осевой подачи газа и узел боковой подачи газа.
Камера сгорания 1 выполнена в форме цилиндрического стакана из огнеупорного материала и включает торцевую часть и цилиндрическую часть.
Узел осевой подачи жидкого топлива включает форсунку 2, установленную со стороны торцевой части камеры сгорания 1 по ее центральной оси.
Узел осевой подачи воздуха в камеру сгорания 1 включает торцевую вихревую камеру 3, установленную снаружи камеры сгорания 1 на ее торцевой части, периферийный лопаточный завихритель 4, установленный вокруг форсунки 2 в круглом окне 5.
Узел осевой подачи газа включает кольцевую газовую камеру 7, выполненную вокруг периферийного лопаточного завихрителя 4 и соединенную с распределительным газовым коллектором 8, и множество трубок осевой подачи газа 6, один конец каждой из которых соединен с кольцевой газовой камерой 7, а другие концы выполнены открытыми в виде сопел осевой подачи газа 9, в частности в виде дозвуковых эжекторов. Здесь сопла осевой подачи газа 9 расположены вокруг круглого окна 5 по двум окружностям в шахматном порядке с равным шагом. Концы трубок осевой подачи газа 6, выполняющие функцию сопел осевой подачи газа 9, отогнуты под острым углом к продольному направлению камеры сгорания 1 по направлению от ее центральной оси так, чтобы изогнутый участок каждой из трубок осевой подачи газа 6 исключал внутренний визуальный просвет этой трубки в направлении от одного ее конца к другому концу.
Узел осевой подачи газа также включает дополнительную кольцевую газовую камеру 10, расположенную непосредственно вокруг периферийного лопаточного завихрителя 4, а также дополнительные сопла осевой подачи газа 11, расположенные по окружности на внешней образующей периферийного лопаточного завихрителя 4 и соединенные с дополнительной кольцевой газовой камерой 10. Здесь следует отметить, что дополнительные сопла осевой подачи газа 11 могут служить только на стадии запуска циклонного предтопка, а на стадии устойчивого горения факела для осевой подачи газа в камеру сгорания 1 могут использоваться только сопла осевой подачи газа 9.
Узел тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания 1 включает короб циклонного типа 12, установленный снаружи камеры сгорания 1 на ее цилиндрической части.
Узел тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания 1 также включает множество тангенциальных воздушных сопел 13, выполненных в виде окон в стенке цилиндрической части камеры сгорания 1 и расположенных в четыре продольных ряда с равным шагом по всей длине цилиндрической камеры сгорания 1.
Узел боковой подачи газа в камеру сгорания 1 включает распределительный газовый коллектор 8, соединенный с внешним источником газа (не показан).
Узел боковой подачи газа также включает множество трубок боковой подачи газа 14, проходящих сквозь короб циклонного типа 12 в тангенциальном направлении, один конец которых соединен с распределительным газовым коллектором 8, а второй конец которых выполнен отогнутым под острым углом от направления тангенциальной подачи воздуха в камеру сгорания 1 так, что изогнутый участок трубки боковой подачи газа 14 исключает внутренний визуальный просвет трубки боковой подачи газа 14 в направлении от одного ее конца к другому. Второй конец каждой из трубок боковой подачи газа 14 выполнен в виде сопла боковой подачи газа 15, в частности в виде дозвуковых эжекторов, расположен в тангенциальном воздушном сопле 13 и имеет окончание на срезе тангенциального воздушного сопла 13.
Циклонный предтопок предназначен для работы в трех режимах: режим сжигания жидкого топлива, режим сжигания газа и комбинированный режим.
В режиме сжигания жидкого топлива, например мазута, жидкое топливо от внешнего источника подается на форсунку 2 для его дальнейшего распыла в камеру сгорания 1. Воздух из торцевой вихревой камеры 3 поступает на периферийный лопаточный завихритель 4, проходит через него и поступает в камеру сгорания 1 для смешивания с жидким топливом. Воздух из короба циклонного типа 12 поступает в камеру сгорания 1 в тангенциальном направлении через множество тангенциальных воздушных сопел 13.
Отгиб концов трубок осевой подачи газа 6, исключающий внутренний визуальный просвет этих трубок, предотвращает выгорание стенок кольцевой газовой камеры 7 от теплового излучения факела при горении жидкого топлива в камере сгорания 1. Аналогично этому отгиб трубок боковой подачи газа 14, исключающий внутренний визуальный просвет этих трубок, предотвращает выгорание стенок распределительного газового коллектора.
В режиме сжигания газа, например генераторного газа, полученного в результате газификации угля, газ от внешнего источника подается через распределительный газовый коллектор 8 в кольцевую газовую камеру 7 и в дополнительную кольцевую газовую камеру 10. Газ из распределительного газового коллектора 8 также проходит через трубки боковой подачи газа 14 и поступает на сопла боковой подачи газа 15, служащие для боковой подачи газа в камеру сгорания 1. Газ из кольцевой газовой камеры 7 проходит через трубки осевой подачи газа 6 и поступает на сопла осевой подачи газа 9, служащие для осевой подачи газа в камеру сгорания 1. Газ из дополнительной кольцевой газовой камеры 10 поступает на дополнительные сопла осевой подачи газа 11, служащие для дополнительной осевой подачи газа в камеру сгорания 1. Воздух для смешивания с газом и горения подается в камеру сгорания 1 таким же образом как и в режиме при сжигании жидкого топлива. В данном примере концы трубок боковой подачи газа 14 отогнуты в радиальном направлении так, чтобы сопла боковой подачи газа 15 обеспечивали подачу газа в камеру сгорания 1 именно в радиальном направлении. За счет того, что воздух подается через тангенциальные воздушные сопла 13 в камеру сгорания 1 в тангенциальном направлении, а газ подается в камеру сгорания 1 через сопла боковой подачи газа 15 в радиальном направлении, улучшается смесеобразование в камере сгорания 1.
В комбинированном режиме подача воздуха, жидкого топлива и газа осуществляется одновременно аналогично тому, как это было описано выше.
В результате испытаний вышеописанного циклонного предтопка в комплексе с различными котельными установками было установлено, что в режиме сжигания газа или комбинированном режиме наиболее эффективным является обеспечение процентного соотношения расходов газа, подаваемого в камеру сгорания 1 с помощью узла боковой подачи газа и узла осевой подачи газа, таким образом, чтобы обеспечить процентное соотношение расходов 10:90-30:70 соответственно. В частности, в результате испытаний на большинстве котельных установок наиболее эффективным оказалось соотношение 25:75. Здесь регулировка соотношения расходов подаваемого газа может осуществляться с помощью подходящих регулирующих задвижек, монтируемых на распределительном газовом коллекторе 8 (не показано).
Здесь следует понимать, что приведенный выше пример использован только для целей иллюстрации возможности осуществления изобретения и ряда его преимуществ, и этот пример не ограничивает объем правовой охраны, представленный в формуле изобретения, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен осуществить и другие варианты изобретения в рамках объема правовой охраны.