ВИХРЕВАЯ ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА
VORTEX DUST-COIL BURNER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при организации сжигания угольной пыли в топках котлов, камер сгорания и печах.
Известна пылеугольная горелка с аэродинамическим преобразователем потока аэросмеси, содержащая центральный канал для размещения растопочного устройства, последовательно расположенные вокруг центрального канала соосно с ним кольцевые каналы для подачи аэросмеси и вторичного воздуха с лопаточными завихрителями в каждом канале и установленный в канале для подачи аэросмеси за завихрителем по ходу аэросмеси аэродинамический преобразователь потока (RU №68652 U1, МПК F23D 1/06, 2007 г.). Аэродинамический преобразователь выполнен в виде по меньшей мере трех продольных радиальных перегородок, равномерно расположенных по окружности кольцевого канала и образующих систему прямоточных параллельных каналов. Рекомендуемое оптимальное число перегородок составляет 4÷8. Длина каждой перегородки составляет 1,5÷2,5 D, где D -  из двух внутренних диаметров кольцевого канала. Каждая перегородка может быть выполнена вогнутой со стороны набегающего завихренного потока аэросмеси.
x
Недостатком этой пылеугольной горелки с аэродинамическим преобразователем потока аэросмеси является выполнение радиальных перегородок аэродинамического преобразователя плоскими. Они не обеспечивают глубокой концентрации топлива в пылевоздушных струях, таким образом, снижение эмиссии оксидов азота NO недостаточно. Кроме того, для горелки данной конструкции существует высокая вероятность абразивного износа радиальных тонкостенных перегородок, особенно при сжигании высокозольных абразивных углей.
Наиболее близкой по технической сущности является пылеугольная горелка с делителями прямоточного потока аэросмеси, содержащая центральный канал для размещения растопочного устройства, последовательно расположенные вокруг центрального канала соосно с ним по меньшей мере один кольцевой канал для прямоточной подачи аэросмеси с установленными в каждом из них равномерно по окружности пластинчатыми делителями потока (RU №89669 U1, МПК F23D 1/00, 2009 г.). Каждый из этих делителей потока выполнен с остроконечным входным рассекателем, и по меньшей мере один кольцевой канал вторичного воздуха с установленным в каждом из них лопаточным завихрителем. Рассекатель имеет форму лезвия с односторонним косым срезом входной части. Угол среза может быть выбран в пределах 20÷60°.
Недостатками этой пылеугольной горелки являются:
x
- повышенный механический недожог топлива вследствие глубокой горизонтальной стадийности горения (достигаемой наличием крутки в каналах вторичного воздуха в сочетании с прямоточным движением аэросмеси), что применяется для снижения выбросов оксидов азота NO;
- вероятность повышенного абразивного износа в связи с большой площадью перекрываемого делителями потока сечения выходной части канала аэросмеси, приводящей к увеличению выходной скорости потока аэросмеси из горелки.
x
Технической задачей настоящего изобретения является глубокое снижение эмиссии оксидов азота NO (повышение экологических характеристик котельной установки) при сохранении экономичного выгорания топлива (низкого уровня механического недожога), а также снижение абразивного износа рассекателей в выходной части каналов подачи аэросмеси.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.
Технический результат достигается тем, что вихревая пылеугольная горелка содержит центральный канал для размещения растопочного устройства, вокруг которого последовательно расположены кольцевые каналы: растопочного воздуха, по меньшей мере один кольцевой канал подачи аэросмеси и два кольцевых канала вторичного воздуха - внутренний и внешний, а в выходной части канала аэросмеси установлены рассекатели потока, имеющие форму секторных участков утолщения внешней обечайки канала аэросмеси с односторонним косым срезом входной части и расположенные равномерно по окружности канала аэросмеси, в кольцевых каналах вторичного воздуха установлены лопаточные завихрители воздуха. Новым, согласно изобретению, является расположение рассекателей потока на внешней обечайке кольцевого канала аэросмеси, причем высота Н кольцевого канала аэросмеси и высота h рассекателей потока имеет соотношение:
а перед рассекателями потока в кольцевом канале аэросмеси расположен лопаточный завихритель, причем направление односторонних косых срезов входных участков рассекателей потока совпадает с направлением крутки лопаток завихрителя, направление крутки лопаточных завихрителей воздуха, установленных в кольцевых каналах вторичного воздуха, совпадает с направлением крутки в кольцевом канале аэросмеси.
Между кольцевым каналом аэросмеси и внутренним кольцевым каналом вторичного воздуха установлен кольцевой слабопроточный воздушный канал.
На фиг. 1 представлен продольный разрез вихревой пылеугольной горелки; на фиг. 2 - поперечный разрез горелки по А-А; на фиг. 3 - трехмерное изображение рассекателя потока.
Вихревая пылеугольная горелка устанавливается на стене топки 1 котла. Она содержит центральный канал 2, в котором размещены запальник и мазутная форсунка (не показаны). Вокруг центрального канала 2 последовательно расположены кольцевые каналы: канал 3 растопочного воздуха, канал 4 аэросмеси, слабопроточный воздушный канал 5, внутренний канал 6 вторичного воздуха и внешний канал 7 вторичного воздуха. Канал 3 растопочного воздуха оборудован входным патрубком 8, канал 4 аэросмеси оборудован входным патрубком 9, слабопроточный воздушный канал 5, внутренний канал 6 вторичного воздуха и внешний канал 7 вторичного воздуха оборудованы входным патрубком 10. В выходной части кольцевого канала 4 аэросмеси установлены рассекатели потока 11, имеющие форму секторных участков утолщения внешней обечайки канала 4 аэросмеси с односторонним косым срезом входной части. Эти рассекатели потока 11 расположены на внешней стороне кольцевого канала 4 аэросмеси. Причем высота Н кольцевого канала 4 аэросмеси и высота h рассекателей потока 11 имеет соотношение:
Рекомендуемое оптимальное число рассекателей 11 потока составляет 4÷10. При этом площадь живого сечения канала 4 аэросмеси, перекрываемая рассекателями потока 11, составляет 25-40% от всей площади живого сечения кольцевого канала 4 аэросмеси. Длина рассекателей 11 потока вместе с односторонним косым срезом входной части принимается равной L=0,65-0,85 D, где D - диаметр внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси. Перед рассекателями потока 11 в средней части кольцевого канала 4 аэросмеси расположен лопаточный завихритель потока 12. Направление односторонних косых срезов входных частей рассекателей потока 11 совпадает с направлением крутки лопаток завихрителей потока 12 в канале 4 аэросмеси. В кольцевом канале 3 растопочного воздуха установлен лопаточный завихритель 13. Во внутреннем кольцевом канале 6 вторичного воздуха и внешнем кольцевом канале 7 вторичного воздуха установлены, соответственно, лопаточные завихрители воздуха 14 и 15.
Вихревая пылеугольная горелка работает следующим образом.
Через центральный канал 2 посредством запальника и мазутной форсунки (не показаны) производят розжиг топлива в топке 1. По входному патрубку 8 в кольцевой канал 3 подают растопочный воздух, необходимый для быстрого воспламенения и надежного горения распыленного топлива (например, мазута). Завихритель воздуха 13 в кольцевом канале 3 закручивает поток растопочного воздуха и вместе с ним распыленный мазут, что улучшает смесеобразование, а значит воспламенение и сгорание. Этот растопочный воздух также охлаждает запальник и мазутную форсунку (не показаны).
После розжига мазутной форсунки через входной патрубок 9 в канал 4 аэросмеси подают пылевоздушную смесь (аэросмесь). В средней части этого канала 4 аэросмеси, где установлен завихритель 12 потока, происходит закручивание потока пылевоздушной смеси и частицы угля посредством центробежных сил отбрасываются к внешней стенке этого канала 4. Движущийся далее по каналу 4 аэросмеси закрученный поток пылевоздушной смеси встречает на пути рассекатели потока 11 (в нашем случае это шесть штук), они разделяют этот поток соответственно на шесть струй. Наличие односторонних косых срезов входных частей рассекателей потока 11, совпадающих с направлением крутки лопаток завихрителя 12, уменьшает абразивный износ рассекателей потока 11 и аэродинамическое сопротивление канала 4 аэросмеси. Кроме этого, уменьшению абразивного износа рассекателей потока 11 способствует оптимально подобранная высота рассекателей потока 11, что подробно описывается ниже.
x
Наличие крутки потока от завихрителя потока 12 и от рассекателей потока 11 в канале 4 аэросмеси позволяет усилить концентрацию топливных частиц на стенках рассекателей потока 11 и создать за ними локальные зоны повышенной концентрации - «струи», которые продолжают двигаться в общем потоке пылевоздушной смеси к выходу из горелки. Выделение высококонцентрированных топливных струй внутри потока аэросмеси, выходящего из горелки в топку котла, способствует более быстрому прогреву пыли этих струй на выходе из горелки, интенсивному выделению летучих веществ и их воспламенению в условиях малого избытка воздуха. Таким образом, на начальном участке воспламенения и горения топлива удается минимизировать эмиссию оксидов азота NO.
Оптимальным соотношением высоты h рассекателей потока 11 и высоты Н канала 4 аэросмеси является 0,4÷0,7. Такое соотношение обеспечивает требуемую концентрацию топлива в потоке пылевоздушной смеси, при этом сохраняет необходимые скорости потока пылевоздушной смеси в канале 4 аэросмеси.
При соотношении высоты h рассекателей потока 11 и высоты Н канала 4 аэросмеси менее 0,4 концентрация топлива в струях становится недостаточно эффективной. При соотношении высоты h рассекателей потока 11 и высоты Н канала 4 аэросмеси более 0,7 проходное сечение канала 4 аэросмеси уменьшается и, соответственно, увеличиваются скорости пылевоздушной смеси и абразивный износ рассекателей потока 11.
В горелке площадь живого сечения канала 4 аэросмеси, перекрываемая рассекателями потока 11, составляет 25-40% от всей площади живого сечения кольцевого канала 4 аэросмеси, что обусловлено принятой высотой рассекателей 11 потока.
x
Длина рассекателей потока 11 вместе с односторонним косым срезом принимается равной L=0,65-0,85 D, где D - диаметр внешней обечайки кольцевого канала 4 аэросмеси. Такая длина позволяет достигнуть оптимального баланса между концентрированием топлива в потоке аэросмеси (что способствует прогреву пыли этих струй на выходе из горелки, интенсивному выделению летучих веществ и их воспламенению в условиях малого избытка воздуха и соответственно низкой эмиссии оксидов азота NO) и механическим недожогом.
x
Одновременно с пылевоздушной смесью в топку 1 подают вторичный воздух. Этот вторичный воздух подается в горелку по входному патрубку 10 в кольцевые каналы 5, 6 и 7. Основные потоки вторичного воздуха поступают в кольцевые каналы 6 и 7, а значительно меньший поток вторичного воздуха поступает в слабопроточный кольцевой канал 5. В кольцевых каналах 6 и 7 эти два потока вторичного воздуха вторичного воздуха закручиваются, соответственно, завихрителями 14 и 15, образуя два потока с разными параметрами крутки. В канале 6 образуется поток с малым параметром крутки, он предназначен для стабилизации факела. В канале 7 образуется поток с  параметром крутки, он наиболее сильно отделяется от основного потока пыли и тем самым достигается горизонтальная стадийность горения и дополнительное снижение оксидов азота NO.
Отрыву воздуха от основного потока пыли на начальном участке факела в зоне выхода и воспламенения летучих веществ также способствует слабопроточный кольцевой канал 5 (в данный канал подается небольшое количество воздуха), разделяющий кольцевой канал 4 аэросмеси и внутренний кольцевой канал 6 вторичного воздуха.
x
Наличие двух кольцевых каналов вторичного воздуха 6 и 7 дает возможность перераспределять вторичный воздух по этим каналам, что позволяет обеспечить стабильность воспламенения и горения угольной пыли, а также оптимизировать уровень механического недожога топлива и получаемым количеством оксидов азота NO. Завихрители 14 и 15 позволяют производить регулировку крутки вторичного воздуха в кольцевых каналах 6 и 7 вторичного воздуха при пусконаладочных работах. Таким образом, конструкция горелки использует принцип двуступенчатого сжигания топлива в пределах факела каждой отдельной горелки (горизонтальная стадийность).
Направление односторонних косых срезов входных частей рассекателей потока 11 в кольцевом канале 4 аэросмеси совпадает с направлением крутки лопаток завихрителей 12, 13, 14 и 15 в кольцевых каналах, соответственно, 3, 4, 6 и 7, что позволяет в горелке закрутить поток топлива и воздуха в одном направлении, что способствует стабилизации воспламенения и горения факела горелки в топочной камере котла.
x
Использование предлагаемой вихревой пылеугольной горелки позволяет снизить эмиссию оксидов азота NO (повышение экологических характеристик котельной установки) при сохранении экономичного выгорания топлива (низкого уровня механического недожога). Уменьшается абразивный износ рассекателей потока в выходной части канала подачи аэросмеси, что повышает надежность работы горелки и увеличивает ее долговечность.