тишина а.п. способ сжигания газообразного топлива, устройство для его осуществления и завихритель для осуществления устройства

Формула изобретения

1. Способ сжигания газообразного топлива, включающий формирование потоков смеси топлива с воздухом, поджигание смеси в потоках и ее горение, отличающийся тем, что потоки формируют с различным соотношением составляющих смеси, причем обеспечивают качество перемешивания топлива с воздухом, а коэффициенты избытка воздуха для этих потоков выбирают, соответственно, для первого потока _в<₁<1,0 и для второго потока ₂>_н, где _в и _н - соответственно верхний и нижний концентрационные пределы воспламеняемости смеси, ₁ и ₂ - коэффициенты избытка воздуха соответствующих потоков, при этом после получения указанного соотношения составляющих смеси в потоках вначале поджигают смесь в первом потоке, а после сгорания 30% и более этой смеси остаток смеси в первом потоке и образовавшиеся продукты сгорания объединяют со вторым потоком смеси и производят дожигание объединенных потоков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что качество перемешивания обеспечивают по заданной величине среднеквадратического отклонения от величины требуемой концентрации топлива в потоке.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что закручивают воздушные потоки, участвующие в формировании потоков смеси топлива с воздухом.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что закручивают воздушный поток, участвующий в формировании первого потока смеси топлива с воздухом.

5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что закручивают воздушный поток, участвующий в формировании второго потока смеси.

6. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что смесь топлива с воздухом в первом потоке закручивают путем подачи в воздушный поток, участвующий в формировании первого потока, топлива струями, векторы скорости которых устанавливают перпендикулярными к вектору скорости воздушного потока и радиусу и проходящими на расстоянии L от оси этого потока, где L R_1n, где R_1n эквивалентный радиус первого потока.

7. Устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива, содержащее присоединенный к амбразуре топки корпус с установленной в нем вставкой, образующей каналы для подачи в амбразуру соответствующих потоков смеси топлива с воздухом и завихритель, отличающееся тем, что устройство снабжено центральным телом и узлом раздачи топлива, установленным вблизи входного сечения вставки, соединенным трубопроводом с источником топлива и выполненным с возможностью подачи топлива в первый и второй каналы, которые выполнены с учетом условий: S₁ + S₂ S_a и S₂ = (0,05 - 0,5) S₁, где S₁ и S₂ - площади выходного поперечного сечения соответственно первого и второго каналов, а S_a площадь амбразуры, при этом длина вставки l d_э, где d_э - эквивалентный диаметр амбразуры, центральное тело установлено внутри первого канала с возможностью осевого перемещения, причем площадь поперечного сечения центрального тела S_ц.т выбрана с учетом условия S_ц.т 0,5S₁, где все обозначения соответствуют указанным ранее.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что вставка выполнена в виде пластины, при этом первый и второй каналы образованы корпусом устройства и промежутками под и над пластиной соответственно.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что вставка выполнена в виде поверхности вращения, например, в виде обечайки, при этом первый канал образован внутри обечайки, а второй - между обечайкой и корпусом.

10. Устройство по пп.7 - 9, отличающееся тем, что вставка установлена своим выходным сечением на расстоянии L₁ 0,5d_э от амбразуры.

11. Устройство по пп.7 - 9, отличающееся тем, что вставка установлена своим выходным сечением внутри амбразуры.

12. Устройство по пп. 7 - 11, отличающееся тем, что центральное тело своим выходным сечением установлено с отклонением от выходного сечения вставки в сторону амбразуры на расстоянии до d_1э, где d_1э - эквивалентный диаметр первого канала.

13. Устройство по пп. 7 - 11, отличающееся тем, что центральное тело своим выходным сечением установлено с отклонением от выходного сечения вставки в сторону от амбразуры на расстояние до d_1э.

14. Устройство по пп.7, 12 и 13, отличающееся тем, что центральное тело выполнено со сквозным каналом, входом соединенным с трубопроводом для подачи воздуха, а выходом расположенным на выходном сечении центрального тела.

15. Устройство по пп.12 - 14, отличающееся тем, что к выходному сечению центрального тела подведен трубопровод для подачи топлива.

16. Устройство по пп.7 - 15, отличающееся тем, что узел раздачи топлива выполнен в виде кольцевой камеры, образованной двумя цилиндрическими поверхностями с кольцевыми заглушками по торцам, при этом в узле раздачи выполнены отверстия, причем количество отверстий, их расположение и диаметры выбраны с учетом обеспечения требуемой раздачи топлива в каналы устройства.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что отверстия выполнены в цилиндрических поверхностях.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что отверстия выполнены в наружной цилиндрической поверхности кольцевой камеры, причем диаметр внутренней поверхности кольцевой камеры выполнен соответствующим диаметру центрального тела, своей частью установленного внутри кольцевой камеры узла раздачи топлива.

19. Устройство по пп.14 и 16, отличающееся тем, что узел раздачи топлива выполнен в виде участка центрального тела, причем соответствующая часть сквозного канала центрального тела выполнена в виде внутренней поверхности кольцевой камеры узла раздачи топлива.

20. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что отверстия выполнены на внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры, причем диаметр этой поверхности выполнен соответствующим внутреннему диаметру корпуса устройства.

21. Устройство по пп.16 - 20, отличающееся тем, что в отверстиях установлены трубки, входами соединенные с внутренней полостью камеры узла раздачи топлива, причем часть трубок выходами размещена в первом канале, а другая часть трубок выходами установлена во втором канале устройства, при этом длина трубок выбрана с учетом обеспечения возможности распределения топлива по поперечному сечению каналов.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что длина и количество трубок выбраны с учетом возможности равномерного распределения топлива по поперечному сечению каналов.

23. Устройство по пп.21 и 22, отличающееся тем, что по длине трубок выполнены отверстия, размещенные в местах, где касательные к поверхности трубок параллельны вектору скорости набегающего потока воздуха.

24. Устройство по пп.21 - 23, отличающееся тем, что трубки в поперечном сечении выполнены, например, овальными.

25. Устройство по пп.7, 9 и 21 - 24, отличающееся тем, что вставка выполнена в виде основной и дополнительных обечаек, которые концентрично установлены в первом канале, при этом трубки своими выходными отверстиями размещены в промежутках между обечайками, причем величина b_i промежутков между обечайками соответствует условиям b_i = (0,05 - 0,5) d_э, и одновременно b_i 1/2 a_i, где a_i - расстояние между находящимися на одинаковом удалении от оси устройства выходными отверстиями трубок в i-ом промежутке, между, например, обечайками, i 1, а остальные обозначения соответствуют указанным ранее.

26. Устройство по пп. 7 - 25, отличающееся тем, что завихритель установлен на выходе канала центрального тела.

27. Завихритель для осуществления устройства, выполненный из лопастей в виде частей конической поверхности, полученных, например, путем рассечения поверхности усеченного конуса плоскостями, проходящими через его продольную ось, смещенных параллельно этой оси конуса и соединенных, например, втулками, отличающийся тем, что смещение одновременно выполнено по радиусам поперечного сечения исходного конуса относительно первого сечения каждой части в отсчете, например, по часовой стрелке, количество лопастей выбрано равным n, где n 3, а величина смещения лопастей выбрана из условия S_щ = (0,05 - 0,5) S_о, где S_щ - площадь щелей между лопастями, S_о - площадь большего основания исходного конуса, при этом соотношение величин радиуса R большего основания и высоты H этого конуса выбрана из условия R = (0,05 - 0,5)H.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в агрегатах систем отопления, например, в топках печей и котлов.

Известен способ сжигания газообразного топлива, включающий получение смеси топлива с воздухом, разделение этой смеси на два потока, подачу потоков встречно-наклоненными и соударение этих потоков с получением веерообразного факела, при этом до соударения топливовоздушных потоков коэффициенты избытка воздуха в их внутренних и периферийных слоях поддерживают соответственно большим и меньшим стехиометрического [1].

Использование этого способа обеспечивает возможность сжигания части топлива в нестехиометрическом соотношении с воздухом, что должно уменьшать концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания. Вместе с тем в исходных струях топливовоздушной смеси в областях между участками, где >1 и <1, а также при перемешивании двух потоков до начала горения на границах областей >1и <1 получают смесь околостехиометрического состава, при сгорании которой образуется максимальное количество оксидов азота.

Аналогом-прототипом является способ сжигания газообразного топлива, включающий получение смеси топлива с воздухом, формирование потока смеси, его турбулизацию и поджигание, а также контролирование заданной длины факела при горении смеси[2].

Этот способ не исключает возможности проскока пламени и зажигания топливовоздушной смеси внутри горелки, что недопустимо. Кроме того, поскольку состав смеси при этом способе должен быть близок к стехиометрическому, количество оксидов азота, образующихся при горении, может быть близким к максимальному.

Известно устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива, содержащее присоединенные к амбразуре топки под углом друг к другу два корпуса, разделенные вставками на две продольные части каждый, причем по продольной оси каждого корпуса установлено центральное тело, а в вершине угла, образованного корпусами устройства, к амбразуре подведен выход трубки подачи топлива [1].

Недостатком устройства является возможность загорания периферийной части смеси вблизи амбразуры. Кроме того, возможность стабилизации факела в данном устройстве представляется проблематичной.

Аналогом-прототипом является устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива, содержащее присоединенный к амбразуре топки корпус с установленной в нем вставкой, образующей смесительные каналы для подачи в амбразуру соответствующих потоков смеси топлива с воздухом, и турбулизирующую решетку[2].

Устройство не обеспечивает уменьшение содержания оксидов азота в продуктах сгорания, а, кроме того, не исключает возможности проскока пламени и зажигания топливовоздушной смеси внутри горелки.

Известен тангенциально-лопаточный завихритель, содержащий внутренний канал и лопатки, установленные под углом к касательной окружности внутреннего канала [3].

Завихритель обеспечивает возможность создания закрученного воздушного потока, но возникающая при этом зона обратного течение проходит внутрь канала, что приводит к возможности контакта факела горения с элементами конструкции устройства.

Наиболее близким аналогом-прототипом является завихритель фирмы "АВВ", выполненный из двух лопастей в виде половин усеченного корпуса, смещенных относительно оси и соединенных с помощью втулок [4].

Такой завихритель обеспечивает возможность создания закрученного потока с высокой степенью турбулентности и наличием на оси потока вблизи выхода зоны возвратного течения, обеспечивающей стабилизацию факела горения. Однако для этого завихрителя при прочих равных условиях характерна большая длина, необходимая для получения требуемой площади проходного сечения образующихся при сдвиге половинок конуса щелей для подвода воздуха.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе сжигания газообразного топлива, включающем формирование потоков смеси топлива с воздухом, поджигание смеси в потоках и их горение, потоки формируют с различным соотношением составляющих смеси, причем обеспечивают качество перемешивания топлива с воздухом, а коэффициенты избытка воздуха для этих потоков выбирают соответственно для первого потока _в<₁<1,0 и для второго потока ₂>_н, где _в и _н - соответственно верхний и нижний концентрационные пределы воспламеняемости смеси, ₁ и ₂ - коэффициенты избытка воздуха соответствующих потоков, при этом, после получения указанного соотношения составляющих смеси в потоках, вначале поджигают смесь в первом потоке, а, после сгорания 30% и более этой смеси, остаток смеси в первом потоке и образовавшиеся продукты сгорания объединяют со вторым потоком смеси и производят дожигание объединеннных потоков, причем соотношение расходов смеси первого и второго потоков выбирают из условия получения в зоне горения смеси топлива с воздухом, имеющей среднее значение коэффициента избытка воздуха в диапазоне _в<_ср<_н.

Качество перемешивания топлива с воздухом в исходных потоках при этом обеспечивают по заданной величине среднеквадратического отклонения от величины требуемой концентрации топлива в каждом потоке.

Кроме того, закручивают воздушные потоки, участвующие в формировании потоков топлива с воздухом, например, закручивают воздушный поток, участвующий в формировании первого или второго потоков в смеси. При этом смесь топлива с воздухом в первом потоке могут закручивать путем подачи в воздушный поток, участвующий в формировании первого потока, топлива струями, векторы скорости которых устанавливают перпендикулярными к радиусу и вектору скорости воздушного потока и проходящими на расстоянии L от оси этого потока, где L R_1n, а R_1n - эквивалентный радиус первого потока.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива, содержащее присоединенный к амбразуре топки корпус с установленной в нем вставкой, образующей каналы для подачи в амбразуру соответствующих потоков смеси топлива с воздухом? и завихритель, снабжено центральным телом и узлом раздачи топлива, установленным вблизи входного сечения вставки, соединенным трубопроводом с источником топлива и выполненным с возможностью подачи топлива в первый и второй каналы, выходные сечения которых выполнены с учетом условий: S₁ + S₂ S_A и S₂ = (0,05 - 0,5)S₁, где S₁ и S₂ - площади выходного поперечного сечения соответственно первого и второго каналов, а S_A - площадь амбразуры, при этом длина вставки l d_э, где d_э - эквивалентный диаметр амбразуры, центральное тело установлено внутри первого канала с возможностью осевого перемещения или без нее, причем площадь поперечного сечения центрального тела S_цт 0,5 S₁, где все обозначения соответствуют указанным ранее.

При этом вставка выполнена в виде пластины, причем первый и второй каналы образованы корпусом устройства и промежутками под и над пластиной соответственно, или в виде поверхности вращения, например, в виде обечайки, причем первый канал образован внутри обечайки, а второй - между обечайкой и корпусом или, например, в виде основной и дополнительных обечаек, концентрично установленных в первом канале.

Кроме того, вставка своим выходным сечением установлена на расстоянии l₁ 0,5 d_э от амбразуры или внутри амбразуры.

При этом центральное тело своим выходным сечением установлено с отклонением от выходного сечения вставки в сторону амбразуры или в сторону от амбразуры на расстояние до d_1э, где d_1э эквивалентный диаметр выходного сечения первого канала.

Кроме того, центральное тело выполнено со сквозным каналом, входом соединенным с трубопроводом для подачи воздуха, а выходом расположенным на выходном сечении центрального тела, причем к этому выходному сечению подведен трубопровод для подачи топлива, а на выходе канала центрального тела установлен завихритель.

При этом узел раздачи топлива выполнен в виде кольцевой камеры, образованной двумя цилиндрическими поверхностями с кольцевыми заглушками по торцам, причем узел раздачи топлива может быть выполнен в виде участка центрального тела, соответствующая часть сквозного канала которого выполнена в виде внутренней поверхности кольцевой камеры узла раздачи топлива. В узле раздачи в цилиндрических поверхностях выполнены отверстия, количество, расположение и диаметры которых выбраны с учетом обеспечения требуемой раздачи топлива в каналы устройства. Кроме того, отверстия выполнены или в наружной цилиндрической поверхности кольцевой камеры, и тогда диаметр внутренней поверхности кольцевой камеры выполнен соответствующим диаметру центрального тела, своей частью установленного внутри этой камеры, или отверстия выполнены на внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры, тогда диаметр этой поверхности выполнен соответствующим внутреннему диаметру корпуса устройства. При этом в отверстиях установлены трубки, входами соединенные с внутренней полостью камеры узла раздачи топлива, причем часть трубок выходами размещена в первом канале, а другая часть трубок выходами установлена во втором канале устройства, причем длина и количество трубок выполнены с учетом обеспечения возможности распределения, в том числе равномерного распределения топлива по поперечному сечению каналов.

Кроме того, по длине трубок выполнены отверстия, размещенные в местах, где касательные к поверхности трубок параллельны вектору скорости набегающего потока воздуха, а трубки в поперечном сечении выполнены, например, овальными.

При этом в случае выполнения вставки в виде основной и дополнительных обечаек трубки своими выходными отверстиями размещены в промежутках между обечайками, причем величина b_i промежутков между обечайками соответствует условиям b_i = (0,05 - 0,5) d_э и b_i а_i/2, где а_i - расстояние между находящимися на одинаковом удалении от оси устройства выходными отверстиями соседних трубок в i-ом промежутке между, например, обечайками, i 1, а остальные обозначения соответствуют указанным ранее.

Сущность изобретения состоит в том, что в завихрителе для осуществления устройства, выполненном из лопастей в виде частей конической поверхности, полученных, например, путем рассечения поверхности усеченного конуса плоскостями, проходящими через его продольную ось, смещенных параллельно оси корпуса и соединенных, например, втулками, смещение одновременно выполнено по радиусам поперечного сечения исходного корпуса относительно первого сечения каждой части в отсчете, например, по часовой стрелке, количество лопастей выбрано равным n, где n 3, а величина смещения лопастей выбрана из условия S_щ = (0,2 - 2)S_о, где S_щ - площадь щелей между этими частями, S_о - площадь большего основания исходного конуса, при этом соотношение величины радиуса R большего основания и высоты Н этого конуса выбрано из условия R = (0,05 - 0,5)Н.

Способ сжигания газообразного топлива обеспечивает возможность стабилизации факела горения, полноту сгорания топлива и низкую концентрацию оксидов азота в уходящих газах.

Устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива обеспечивают возможность стабилизации факела, полноту сгорания топлива с низким содержанием в уходящих газах оксидов азота, а также исключает возможность проскока пламени внутрь горелки.

Завихритель для осуществления устройства при сравнительно малой длине обеспечивает создание завихренного течения небольшой части воздуха с наличием на выходе из завихрителя зоны возвратного течения, "висящей" в потоке, в результате чего обеспечивается стабилизация факела горения без нагрева элементов конструкции.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления способа сжигания газообразного топлива; на фиг. 2 - пример выполнения устройства со вставкой, выполненной в виде основной и дополнительной обечаек и с трубками подвода топлива в каналы; на фиг. 3 схема расположения трубок в поперечном сечении устройства, приведенного на фиг. 2; на фиг. 4 - схема выполнения завихрителя; на фиг. 5 - то же, вид сбоку; на фиг. 6 - общий вид макета этого завихрителя; на фиг. 7 - график изменения концентрации окислов азота при сгорании смеси газообразного топлива с воздухом в зависимости от коэффициента избытка воздуха в этой смеси; на фиг. 8 - схема факела горелки; на фиг. 9 - фотография факела.

Устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива (фиг. 1) содержит корпус 1, соединенный с коробом 2, связанным, например, с вентилятором (на схеме не показан) для подачи воздуха. В корпусе 1 установлена вставка, выполненная в виде, например, обечайки 3 и предназначенная для организации каналов 4 и 5 для подготовки и подачи смеси топлива с воздухом. Внутри первого канала 4 помещено центральное тело 6, предназначенное для зажигания смеси и стабилизации факела и выполненное в виде цилиндра со сквозным каналом (на фиг. не обозначен), внутри которого установлена трубка 7 подачи топлива, выходом помещенная внутрь завихрителя 8, установленного вблизи выходного сечения центрального тела 6 и предназначенного для обеспечения закрутки потока с получением возвратного течения на оси и, в конечном итоге, стабилизации факела горения. В центральном теле выполнено окно 9 для подачи воздуха через сквозной канал к завихрителю 8.

В первом канале 4 размещен также узел 10 раздачи топлива, предназначенный для подачи топлива в первый и второй каналы 4 и 5 и выполненный в виде кольцевой камеры, образованной цилиндрическими поверхностями 11 и 12 с кольцевыми заглушками 13 по торцам. Узел 10 раздачи топлива соединен с трубопроводом 14 для подвода топлива в полость кольцевой камеры (на фиг. не обозначена), а в цилиндрических поверхностях 11 и 12 выполнены отверстия 15 для подачи топлива в каналы 4 и 5 для образования смеси с воздухом.

Корпус 2 соединен с амбразурой 16 топки.

Завихритель 8 (фиг. 4 - 6) выполнен в виде трех лопастей 17, предназначенных для закручивания поступающего через щели 18 между ними потока и полученных путем, например, рассечения поверхности усеченного конуса тремя плоскостями, проходящими через продольную ось конуса и смещением полученных частей поверхности параллельно этой оси по радиусам поперечного сечения исходного конуса относительно первого сечения каждой части в отсчете по часовой стрелке и соединенных, например, втулками (на фиг. не показаны). При этом величина смещения этих частей выбрана из условия S_щ = (0,2 - 2)S_о, где S_щ - площадь щелей между частями, S_о - площадь большого основания конуса, причем S_щ = nck, где n - количество щелей (соответствует количеству лопастей), с - ширина щели, k - длина щели. Отсюда следует, что при прочих равных условиях выполнение завихрителя трех- и более лопастным позволяет уменьшить его длину по сравнению с, например, двухлопастным завихрителем. Соотношение величин радиуса R большего основания исходного усеченного конуса и его высоты Н выбрано из условия R = (0,05 - 0,5)Н. В данном примере выполнения завихрителя R = 0,2H, a S_щ = S_о.

Устройство снабжено стандартными деталями, например вентилями, и аппаратурой, например манометром, регулирования расхода воздуха и топлива (на фиг. не показаны), предназначенными для задания требуемого соотношения составляющих смеси.

Вставка 3 может быть выполнена в виде, например пластины (на фиг. не показана), в этом случае каналы 4 и 5 будут размещены в корпусе 1 соответственно под и над пластиной или в виде основной и дополнительных обечаек (см. , например, фиг. 2, где вставка выполнена в виде основной обечайки 3 и одной дополнительной обечайки 19, концентрично установленной в первом канале 4).

Здесь приведен также пример (фиг. 2 и 3) выполнения узла 10 раздачи топлива с отверстиями на внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры, причем диаметр этой поверхности выполнен соответствующим внутреннему диаметру корпуса 2. При этом в отверстиях установлены трубки 20, входами соединенные с полостью камеры узла 10 раздачи топлива, причем часть трубок (20.1) выходами размещена в первом (4) канале, а другая часть трубок (20.2) выходами установлена во втором (5) канале. Кроме того, здесь часть (половина) количества трубок 20.1 выходами установлена между основной обечайкой 3 и дополнительной обечайкой 19, а другая часть трубок (20.1.2) выходами установлена между дополнительной обечайкой 19 и центральным телом 6. При этом величина b_i промежутков между основной 3 и дополнительной 19 обечайками и между дополнительной обечайкой 19 и центральным телом 6 выбраны из условия b_i = (0,05 - 0,5)d_э, где d_э - эквивалентный диаметр амбразуры 16 топки. (В случае выполнения амбразуры круглой в поперечном сечении d_э равен диаметру d_A этого сечения).

Кроме того, здесь также соблюдено условие: b_i ~ a_i/2, где a_i - расстояние между находящимися на одинаковом удалении от оси устройства выходными отверстиями соседних трубок в i-ом промежутке между, например, обечайками.

На приведенном примере вставка 3 своим выходным сечением помещена внутри амбразуры 16 топки, однако она может быть установлена на расстоянии l₁ 0,5 d_э от амбразуры 16.

Центральное тело 6 своим выходным сечением может быть установлено с отклонением от выходного сечения вставки 6 на расстоянии d_1э, где d_1э - эквивалентный диаметр выходного сечения первого (4) канала, при этом центральное тело выполнено с возможностью перемещения в осевом направлении для регулирования параметров канала 4 с целью обеспечения оптимального режима работы устройства. В случае выполнения вставки в виде обечайки круглой в поперечном сечении d_1э = d₁ (фиг. 1). Здесь также эквивалентный радиус первого потока R_1п порядка d₁/2.

Количество отверстий в узле 10 раздачи топлива, их диаметры и расположение подбирают исходя из требуемой концентрации топлива в смеси и равномерности ее перемешивания, с учетом конкретной геометрии горелки.

Поскольку общего решения этой задачи или инженерных зависимостей для нахождения решения пока не найдено, приемлемым путем определения этих факторов является либо численное моделирование процессов течения топлива и воздуха и их перемешивания [5, 6, 7], либо стендовый эксперимент с измерением распределения концентрации [8].

Так в реализованном примере устройства при d_А =340 мм для раздачи топлива в первом (4) канале в узле 10 раздачи топлива было выполнено по 18 отверстий диаметром 9 мм и 5 мм, расположенных на цилиндрической поверхности двумя рядами, отстоящими на расстоянии 130 мм, причем отверстия для раздачи топлива во второй (5) канал не выполнялись.

Известно, что оксиды азота, образующиеся при сжигании газообразного углеводородного топлива, не содержащего в своем составе связанного азота, можно в известной мере условно разделить на два вида - термические и быстрые [9]. Последние точнее назвать оксидами фронтовыми, т.е. образующимися вблизи фронта пламени за время порядка нескольких миллисекунд в результате реакций, связанных с углеводородными радикалами (СН, СН₂) и неравновесными повышенными значениями концентрации О и ОН. Концентрация оксидов образующихся на фронте горения относительно невелика и составляет величину порядка 50 мг/нм³ (приведено к NO₂ и =1,4).

Термические оксиды образуются, можно считать приближенно, в результате окисления атмосферного азота по известному механизму, именуемому обычно механизмом Зельдовича [9]. Характерное время образования термических оксидов составляет несколько десятков и сотен миллисекунд, а их типичная концентрация в топках современных котлов - от величины 150-300 мг/нм³ для случая работы горелок на холодном (~20^oС) воздухе, до 500-1500 мг/нм³ для случая работы на воздухе, подогретом до 250-350^oС.

Расчеты показывают, что концентрация термических оксидов азота сильно зависит от состава сжигаемой смеси. На фиг. 7 приведена расчетная зависимость концентрации термических NО_x, образующихся при сжигании предварительно перемешанной смеси топлива с воздухом, в зависимости от коэффициента избытка воздуха [10] . Из рассмотрения графика видно, что при сжигании гомогенной смеси с коэффициентом избытка воздуха <0,8 и >1,4 термические оксиды практически не образуются.

Практически все реальные горелки водогрейных и паровых котлов (тепловой мощностью порядка 1 МВт и более - до 50-100 МВт) работают с подачей топлива непосредственно в зону горения или перед ней [9]. При этом факел горения является преимущественно диффузионным, т.е. сгорание топлива происходит при коэффициенте избытка воздуха 1. По данным фиг.7 видно, что при этом образуется максимальное количество оксидов азота. Все известные способы снижения концентрации NO в продуктах сгорания основаны на уходе от стехиометрического сжигания, однако существующие конструкции горелок и топок не обеспечивают получения результатов, сильно отличающихся от приведенных выше.

Ситуация может быть радикально улучшена, если подавать в зону горения предварительно перемешанную смесь топлива, например метана, с воздухом при значении, например, _в<₁<0,85. При сгорании этой смеси концентрация термических оксидов будет весьма мала. Затем через некоторое время продукты сгорания смешивают с воздухом или "бедной" смесью, т.е. смесью с ₂>_в. За время, прошедшее после сгорания смеси с _в<₁<0,85 до смешения ее продуктов горения с воздухом, продукты неполного горения охладятся вследствие излучения энергии, а воздух или "бедная" смесь, подаваемая в зону дожигания, частично смешаются с топочными газами. В результате при дожигании не будет достигнута температура адиабатического сгорания и итоговое количество оксидов азота будет ниже обычного. В этом состоят основные теоретические предпосылки создания малотоксичной горелки.

Кроме того, при реализации изложенной выше схемы сжигания надо решить вопросы стабилизации пламени и исключить проскок, т.е. загорание смеси внутри горелки, выбором геометрии проточной части с исключением возможности возникновения в потоке зон с малой скоростью и концентрацией топлива в пределах воспламеняемости, поскольку горючую смесь образуют до амбразуры. При этом необходимо обеспечить требуемое качество смеси, т.е. низкое значение средней величины пульсаций концентрации топлива.

Смесь, поступающая через первый (4) канал, горит со скоростью, определяемой турбулентными пульсациями первого потока W" и нормальной скоростью распространения фронта ламинарного пламени U_л.

Из рассмотрения схемы факела (фиг.8) видно [9], что граница струи, состоящей из зоны 1 (первый 4 канал) и зоны 2 (второй 5 канал) распространяется в типичном случае во внешнюю сторону под углом _c13^o, а во внутреннюю под углом _м7^o. Фронт горения при скорости турбулентного горения, которую очень приближенно можно принять равной W", распространяется при степени турбулентности W"/W = 0,1 под углом _г6^o. При встрече в точке III границы зоны смешения II и фронта горения I начнется догорание продуктов неполного сгорания смеси, поступающей через первый 4 канал.

Если принять, что диаметр d₁ вставки (диаметр первого 4 канала) составляет, например, d₁ = 0,8d_A, т. е. r₁/r_A =0,8, то по этим данным можно оценить долю смеси первого потока, выгоревшую к моменту начала догорания.

Пусть радиус факела в точке IV будет примерно равен радиусу центрального тела 6, составляющему, например, r₄ = r_ц.т = 0,3 r_A.

Тогда радиус факела в точке III будет



или



Долю Z выгоревшей смеси первого потока можно принять равной Z= (r₃/r₁)², и после подстановки принятых выше значений для r1 и r4 получаем Z=0,6.

Отсюда следует, что к моменту начала догорания сгорит более половины первичной смеси.

Увеличить долю сгоревшей смеси первого потока можно путем увеличения скорости турбулентного горения U_т и диаметра d_ц.т центрального тела.

Скорость турбулентного горения возрастает при закрутке потока. Однако влияние закрутки неоднозначно, поскольку при этом возрастает и угол раскрытия струи, т.е. скорость перемешивания.

Устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива работает следующим образом.

С помощью регулировочных вентилей и аппаратуры через короб 1 производят подачу в устройство воздуха и по трубопроводу 14 газообразного топлива, например метана, в требуемых для соответствующих каналов пропорциях. При этом топливо через узел 10 раздачи топлива вдувают струями поперек проходящего потока воздуха и в результате взаимодействия потока воздуха и струй топлива происходит их перемешивание. В результате получают смесь топлива с воздухом, причем в соответствии с заданным соотношением составляющих смесь топлива с воздухом в первом канале 4 получают с коэффициентом избытка воздуха, лежащем в диапазоне _в<₁<1,0, а смесь топлива с воздухом во втором канале получают в диапазоне ₂>_н. (Здесь, как указано ранее, ₁, ₂, _н и _в - коэффициенты избытка воздуха соответственно в первом и втором потоках (каналах), а также нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения смеси углеводородного топлива с воздухом. Для смеси, например метана, с холодным воздухом _н и _в соответственно будут близки к 0,6 и 1,8.

С помощью завихрителя 8 производят закрутку потока воздуха, проходящего через центральное тело 6, в результате которой около оси устройства возникает возвратное течение.

В область возвратного течения через трубку 7 подают топливо, которое поджигают, например, с помощью электроразрядника или внешнего запального устройства (на фиг. не показаны) и устанавливают стабильно горящий факел центрального тела. Этот факел служит для поджигания основного факела, который образуют при течении смеси, поступающей через первый канал 4. После зажигания основного факела факел центрального тела можно отключать и стабилизировать горение на возвратной зоне потока, возникающей от завихрителя на выходе из канала центрального тела 6.

В зону горения в область факела, соответствующую сгоранию 30% и более смеси первого потока (область зоны горения на фиг.8), подают смесь топлива с воздухом из второго канала, объединяют эту смесь с недогоревшими остатками смеси, поступающей из первого канала, и производят дожигание объединенной смеси и продуктов сгорания смеси первого канала.

Путем выбора геометрии проточной части обеспечивают расход смеси в первом и втором потоках и в объединенном потоке получают смесь с коэффициентом избытка воздуха, имеющем среднее значение в диапазоне _в<_ср<_н.

Контроль качества перемешивания топлива с воздухом, а также регулировку места объединения второго потока смеси с остатками смеси первого канала производят с помощью лабораторной измерительной аппаратуры [3] предварительно при стендовых испытаниях устройства для осуществления способа сжигания газообразного топлива или при помощи численного моделирования [5].

При этом качество предварительного перемешивания топлива с воздухом оценивают величиной среднеквадратического отклонения от среднего значения концентрации, относительная величина которого в данном случае не должна превышать , т. е. сжигаемая смесь должна быть возможно ближе к гомогенной.

При подаче потока подводимый в завихритель 8 воздух впускают через щели 18 (как показано на фиг.6), а на выходе завихрителя (за плоскостью большого основания конус) получают закрученный поток, имеющий высокую степень турбулентности (до 35%) и создающий на оси "висящее" в потоке возвратное течение, которое обеспечивает стабилизацию факела.

Приведенная на фиг. 9 фотография факела получена при испытаниях устройства для осуществления способа сжигания газообразного топлива мощностью 8 МВт, созданного в соответствии со схемой, представленной на фиг.1, и с завихрителем, выполненным в соответствии с конструкцией, приведенной на фиг.6, на водогрейном котле ПТВМ - 100.

Измеренная при испытаниях устройства концентрация оксидов азота в уходящих газах не превысила 80 мг/нм³, что в 2-3 раза ниже, чем при работе известных горелок.

Источники информации

1. Патент РФ 2050509 от 08.06.93.

2. Патент РФ 1700337 от 13.03.89.

3. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива, 2-е изд., перераб. и доп., Л.: Недра, 1987, с.40-43.

4. Sattelmayer Th. et al, Second Generation Law-Emission Combustors for ABB Gas Turbinen: Burner Development and tests at Atmospheric Pressure, ASME-90-GT-162.

5. Аксенов А. А., Гудзовский А.В. Программный комплекс Flov Vision для решения задач аэродинамики и теплопереноса методами численного моделирования // Третий съезд Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, конденционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике (АВОК), 22-25 сент. 1993, Москва, Сб.докладов, с.114-119.

6. Gavriliouk V.N., Denisov O.P., Nakechny V.P., Odintsov E.V., Sergienko A.A., Sobachkin A.A., Numerical Simulaition of Working Processes in Rocket Engine Combustion Gramber, IAF-93-S.2.463, 1993.

7. CFDS - Flow3D Userguide, AEA Technology, UK Oxfordshire, 1994.

8. Секундов А.А., Казарин Ф.В., Миклашевский И.Р., Пичков К.Н. Результаты экспериментального исследования смесителя дутьевого воздуха. НТО, НИЦ, ЭКОЛЭН, М., 1993.

9. Сигал И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: Недра, 2-е изд., перераб. и доп., 1988.

10. Тишин А.П., Худяков В.А., Артамонов А.К. Исследование возможностей уменьшения концентрации окислов азота при сжигании топлива в теплоэнергоагрегатах, изд. ЦНИИмаш, г.Калининград М.О., 1994, с.60.