комбинированная горелка

Формула изобретения

1. Комбинированная горелка, содержащая по оси ствол с жидкостной форсункой, концентрично расположенные вокруг нее коллектор первичного газа со щелями, короб первичного воздуха с размещенным в нем лопаточным завихрителем первичного воздуха с развернутыми под углом лопатками, каждая из которых выполнена полой и соединена через щель с коллектором, в стенках лопаток в зоне выхода воздуха из лопаточного завихрителя выполнены сопловые отверстия, отличающаяся тем, что в коробе первичного воздуха размещены лопаточный завихритель дымового газа или холодного воздуха, образованный дополнительно установленными пластинчатыми завихрительными лопатками, каждая из которых развернута под углом в направлении полых лопаток, расположена на примыкании к стенке полой лопатки и вдоль нее до зоны истечения газа, и упомянутыми стенками полых лопаток, а завихритель первичного воздуха образован противоположными стенками полых лопаток и пластинчатыми лопатками, при этом сопловые отверстия выполнены в стенках полых лопаток в зоне выхода дымового газа или холодного воздуха, направляющий патрубок, концентрично расположенный вокруг коллектора первичного газа, лопаточные распределители дымового газа или холодного воздуха, каждый из которых расположен перед завихрителем дымового газа или холодного воздуха, соединен своими лопатками с соответствующими лопатками завихрителя дымового газа или холодного воздуха, с коробом и направляющим патрубком, а в коробе напротив каждого распределителя - окна, вокруг короба первичного воздуха концентрично установлены трубопровод, образующий с ним канал, подключенный с одной стороны к патрубку дымового газа или холодного воздуха, а с другой - к камере сгорания, и через окна в коробе и распределители - к завихрителю дымового газа или холодного воздуха, короб вторичного воздуха с размещенным в нем лопаточным завихрителем вторичного воздуха с полыми, развернутыми под углом лопатками, в стенках которых в зоне выхода воздуха выполнены сопловые отверстия, а в коробе напротив полости каждой лопатки щели, и коллектор вторичного газа вокруг короба, соединенный через щели в коробе с полостью каждой лопатки, в сопловых отверстиях установлены закручиватели газа, ствол с форсункой, коллектор первичного газа с полыми завихрительными лопатками установлены с возможностью совместного осевого перемещения и фиксации, а пластинчатые завихрительные лопатки - с возможностью продольного перемещения по коробу первичного воздуха и фиксации, причем газовые коллекторы снабжены смесителями, подключенными к патрубкам подачи газа и инертной среды (пара), а смеситель коллектора первичного газа связан с названными патрубками гибкими соединениями, ствол - гибким соединением с патрубком подачи жидкого топлива.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что каждая полая лопатка выполнена трапецеидальной формы с большим основанием на входе газа в лопатку, каждый распределитель - Y-образной формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при совместно-раздельном сжигании различных видов топлива, таких как жидкое топливо, газ.

Известна комбинированная горелка, содержащая по оси мазутную форсунку, концентрично расположенные вокруг нее газовый коллектор со щелями, воздушный канал, в зоне которого размещен лопаточный завихритель, каждая лопатка которого выполнена полой и соединена через щели с полостью газового коллектора, а в стенках лопаток и в зоне выхода воздуха из лопаточного завихрителя выполнены сопловые отверстия.

Недостатком известной горелки является низкая надежность из-за повреждения неохлаждаемых элементов горелки и эффективность из-за несовершенства процесса смесеобразования в горелке, при наличии повышенного содержания вредных выбросов в дымовых газах, в частности окислов азота NO_x.

Сущность изобретения заключается в том, что у комбинированной горелки, содержащей по оси ствол с жидкостной форсункой, концентрично расположенные вокруг нее коллектор первичного газа со щелями, короб первичного воздуха с размещенным в нем лопаточным завихрителем первичного воздуха с развернутыми под углом лопатками, каждая из которых выполнена полой и соединена через щель с коллектором, в стенках лопаток в зоне выхода воздуха из лопаточного завихрителя выполнены сопловые отверстия, в коробе первичного воздуха размещены лопаточный завихритель дымового газа или холодного воздуха, образованный дополнительно установленными пластинчатыми завихрительными лопатками, каждая из которых развернута под углом в направлении полых лопаток, расположена на примыкании к стенке полой лопатки и вдоль нее до зоны истечения газа, и упомянутыми стенками полых лопаток, а завихритель первичного воздуха образован противоположными стенками полых лопаток и пластинчатыми лопатками, при этом сопловые отверстия выполнены в стенках полых лопаток в зоне выхода дымового газа или холодного воздуха, направляющий патрубок, концентрично расположенный вокруг коллектора первичного газа, лопаточные распределители дымового газа или холодного воздуха, каждый из которых расположен перед завихрителем дымового газа или холодного воздуха, соединен своими лопатками с соответствующими лопатками завихрителя дымового газа или холодного воздуха, с коробом и направляющими патрубками, а в коробе напротив каждого распределителя - окна, вокруг короба первичного воздуха концентрично установлены трубопровод, образующий с ним канал, подключенный с одной стороны к патрубку дымового газа или холодного воздуха, а с другой - к камере сгорания, и через окна в коробе и распределители - к завихрителю дымового газа или холодного воздуха, короб вторичного воздуха с размещенным в нем лопаточным завихрителем вторичного воздуха с полыми, развернутыми под углом лопатками, в стенках которых в зоне выхода воздуха выполнены сопловые отверстия, а в коробе напротив полости каждой лопатки - щели, и коллектор вторичного газа вокруг короба, соединенный через щели в коробе с полостью каждой лопатки, в сопловых отверстиях установлены закручиватели газа, ствол с форсункой, коллектор первичного газа с полыми завихрительными лопатками установлены с возможностью совместного осевого перемещения и фиксации, а пластинчатые завихрительные лопатки с возможностью продольного перемещения по коробу первичного воздуха и фиксации, причем газовые коллекторы снабжены смесителями, подключенными к патрубкам подачи газа и инертной среды /пара/, а смеситель коллектора первичного газа связан с названными патрубками гибкими соединениями, ствол - гибким соединением с патрубком подачи жидкого топлива, каждая полая лопатка выполнена трапецеидальной формы с большим основанием на входе газа в лопатку, каждый распределитель Y-образной формы.

Техническим результатом предлагаемой комбинированной горелки является повышение надежности базовых элементов горелки, определяющих ее работу в целом, концевой части коллектора первичного газа и лобовой части полых завихрительных лопаток со стороны камеры сгорания путем подачи через них инертной среды, охлаждающей эти элементы изнутри, а снаружи омыванием дымовым газом или холодным воздухом, обтекающим эти элементы в максимально-теплонапряженной центральной зоне горелки, одновременно используемые для охлаждения среды улучшают смесеобразование до зоны горения с позонной локализацией стадийных процессов горения при снижении концентрации окислителя в зоне горения, что в свою очередь снижает выбросы окиси азота NO_x, а при использовании для охлаждения бросового пара, например выпара деаэратора, повышается полнота сгорания жидкого топлива за счет вторичного диспергирования его капель разрывом пленки влаги, на каплях топлива внесенной в капельную структуру топливного факела холодным воздухом, сконденсировавшим пар в мелкодисперсную влагу на выходе из закручивателя газа в результате интенсивного тепломассообмена, и экономичность топливоиспользующего объекта.

Разделение горелки на центральную и периферийную зоны вместе с обеспечением совместного осевого перемещения ствола с форсункой и коллектора первичного газа с полыми завихрительными лопатками позволяют обеспечить достигаемый результат на всех нагрузках горелки.

На фиг. 1 изображена горелка, продольный разрез, фиг. 2 - сечение А-А с вырывами на фиг. 1, фиг. 3 - разрез Г-Г с вырывами на фиг. 2, фиг. 4 - сечение Б-Б с вырывами на фиг. 1, фиг. 5 - вид 1 на фиг. 4, фиг. 6 - разрез В-В с вырывами на фиг. 2, фиг. 7 - разрез Д-Д на фиг. 2, фиг. 8 - разрез Е-Е на фиг. 2.

Горелка содержит по оси ствол 1 с опорами 2 и жидкостной форсункой 3, связанный гибким соединением 4 через запорный вентиль 5 с патрубком 6 подачи жидкого топлива, концентрично расположенные вокруг форсунки 3 коллектор 7 первичного газа со щелями 8, сообщенный через смеситель 9, гибкие соединения 10, 11, вентили 12, 13 соответственно с патрубками 14, 15 подачи газа и инертной среды /пара/, короб 16 первичного воздуха, в зоне которого размещены шибер 17, пластинчатые завихрительные лопатки 18, полые завихрительные лопатки 19 трапецеидальной формы со стенками 20, 21, образующими полости, сообщенные через щели 8 с коллектором 7 первичного газа, а с пластинчатыми лопатками 18 стенки 20, 21 образуют соответственно лопаточный завихритель первичного воздуха и лопаточный завихритель дымового газа или холодного воздуха, при этом в стенке 21 каждой лопатки 19 в зоне выхода дымового газа или холодного воздуха выполнены сопловые отверстия 22, а в них установлены закручиватели 23 газа, а каждая пластинчатая лопатка 18 прикреплена к коробу 16 планкой 24 лопатки 18 через продольные отверстия 25 болтами-фиксаторами 26 с возможностью продольного перемещения по коробу 16, направляющий патрубок 27, концентрично расположенный вокруг коллектора 7 первичного газа с опорами 28, на которые опирается и в которых центруется коллектор 7, и прикрепленный своим фланцем 29 к коробу 16 болтами 30 через уплотнения 31, лопаточные распределители 32 дымового газа или холодного воздуха, каждый из которых выполнен Y-образной формы, расположен внутри короба 16 первичного воздуха перед завихрителем дымового газа или холодного воздуха, соединен своими лопатками 33, 34 соответственно с пластинчатыми лопатками 18 и стенками 21 полых лопаток 19 в направляющих планках 35, с коробом 16 первичного воздуха и с направляющим патрубком 27, а в коробе 16 напротив каждого лопаточного распределителя 32 выполнены окна 36, вокруг короба 16 первичного воздуха концентрично установлены трубопровод 37, образующий с ним канал 38, подключенный с одной стороны к патрубку 39 дымового газа или холодного воздуха с шибером 40, а с другой - к камере сгорания и к лопаточному завихрителю дымового газа или холодного воздуха через окна 36 в коробе 16 к лопаточный распределитель 32, короб 41 вторичного воздуха, в зоне которого размещены шибер 42 и лопаточный завихритель 43 вторичного воздуха, каждая лопатка 44 которого выполнена полой и трапецеидальной формы, а в коробе 41 напротив полости каждой лопатки 44 выполнены щели 45, при этом у каждой лопатки 44 в зоне выхода воздуха из лопаточного завихрителя 43 выполнены сопловые отверстия 46, а в них установлены закручиватели 23 газа, и коллектор 47 вторичного газа вокруг короба 41 вторичного воздуха, соединенный через щели 45 в коробе 41 с полостью каждой лопатки 44, а через смеситель 48, вентили 49, 50 соответственно с патрубками 51, 52 подачи газа и инертной среды /пара/, причем ввод газа из коллекторов 7, 47 соответственно через щели 8, 45 в полости лопаток 19, 44 трапецеидальной формы осуществляется через большее основание трапеции, а ввод газа в закручиватели 23 выполнен, например, через тангенциальный подвод. Ствол 1 с опорами 2 и с форсункой 3, коллектор 7 первичного газа с полыми лопатками 19 имеют возможность совместного осевого перемещения соответственно в коллекторе 7 первичного газа опорами 2 и в направляющем патрубке 27 в опорах 28, и фиксироваться при помощи приводных узлов 53, 54.

Горелка работает следующим образом, на примерах сжигания природного газа и жидкого топлива как раздельно, так и совместно.

До начала работы на любом виде топлива вентили 5, 12, 13, 49, 50, шиберы 17, 42, 40 соответственно в коробках 16, 41 и в патрубке 39 закрыты.

При сжигании природного газа после вентиляции топочной камеры зажигается запальник /не показан/.

Розжиг горелки осуществляется путем открытия вентиля 12, через который и гибкое соединение 10 из патрубка 14 поступает первичный газ в смеситель 9, коллектор 7, щели 8, полость лопаток 19 и через закручиватели 23 в камеру сгорания, где загорается от запальника.

После чего открывается шибер 17 короба 16, и первичный воздух, разделяясь стенками 33, 34 распределителей 32, обтекая их и далее лопатки 18 и стенки 20 завихрителя первичного воздуха, встречается с газовыми струями, выходящими из закручивателей 23, активно перемешивается и закручивается на выходе из упомянутого завихрителя.

После стабилизации факела и обеспечения устойчивости горения открывается вентиль 49, через который из патрубка 51 вторичный газ поступает в смеситель 48, коллектор 47, и через щели 45 в коробе 41, полости полых лопаток 44 лопаточного завихрителя 43 вторичного воздуха, и через закручиватель 23 - в камеру сгорания, где загорается от горящего факела первичного газа. После чего открывается шибер 42 короба 41, и вторичный воздух, обтекая лопатки 44, встречается с вращающимися газовыми струями, выходящими из закручивателей 23, активно перемешивается и закручивается на выходе из завихрителя 43.

Открытием шибера 40 в патрубке 39 подается дымовой газ в канал 38, часть его поступает в камеру сгорания между первичным и вторичным воздухом, создавая инертную оболочку вокруг центральной зоны горения, и одновременно блокируя ее от периферийной зоны, снижая концентрацию окислителя в камере сгорания. Другая часть из канала 38 через окна 36 в коробе 16, равномерно распределяясь лопаточным распределителем 32, поступает через завихритель дымового газа в зону истечения вращающегося первичного газа из закручивателей 23, подмешивая и балластируя его. Первичный воздух и дымовой газ закручиваются развернутыми под углом лопатками 18, 19 в одном направлении, а вращающийся газ - в противоположном направлении, благодаря чему происходит активное перемешивание газа, первичного воздуха и дымового газа, поступающих в зону горения, со снижением концентрации окислителя в первичном воздухе.

Активное смесеобразование до зоны начала воспламенения позволяет уменьшить подачу первичного воздуха в центральную зону горения, повысить полноту и эффективность горения.

Создание инертной оболочки дымовым газом вокруг центральной зоны горения, препятствует проникновению окислителя вторичного воздуха в эту зону, локализует стадийные процессы сжигания, организованные за счет позонного размещения сопловых отверстий 22, 46 с закручивателями 23, что, вместе с уменьшением подачи первичного воздуха, позволяет сжигать газ в центральной зоне с избытком воздуха ниже стехиометрического, уменьшая образование вредных выбросов, в частности окислов азота.

Открытием вентилей 13, 50 из соответствующих патрубков 15, 52 подается инертная среда /пар/ соответственно в смесители 9, 48, где газ перемешивается с ней, и через соответственно газовые коллекторы 7, 47, щели 8, 45 в коллекторе 7 и в коробе 41, полости лопаток 19, 44 и закручиватели 23 смесь поступает в камеру сгорания.

Наличие между центральной и периферийной зоной и в центральной зоне горения дымового газа вместе с добавкой инертной среды в первичный и вторичный газ дополнительно снижают концентрацию реагирующих веществ и температуру газового факела в зонах горения, и, как следствие, повышают эффективность снижения образования окислов азота NO_x.

При сжигании низкокалорийного газа с повышенным содержанием балласта в нем инертная среда подается в малых количествах.

При уменьшении нагрузки котла коллектор 7 с полыми лопатками 19 перемещается приводным узлом 54 в сторону подвода газовоздушных сред в опорах 28 патрубка 27, стенки 21 лопаток 19 - в направляющих планках 35, при этом сечение для прохода первичного воздуха в его завихрителе уменьшается, а его скорость возрастает, уменьшение же подачи газа компенсируется добавкой в смесители 9, 48 инертной среды с сохранением постоянным результирующего вектора скорости газа, что интенсифицирует процесс горения и делает его равнозначным на всех нагрузках котла, обеспечивает высокую полноту сгорания при уменьшенной подаче воздуха, снижает концентрацию окислов азота NO_x, в том числе за счет оптимальной подачи дымового газа в его завихритель и камеру сгорания.

Для котлов различных типов и с разной глубиной топочной камеры предусмотрена возможность ручной подрегулировки с изменением положения планок 24 лопаток 18 в коробе 16 и коллектора 7 с полыми лопатками 19 с помощью приводного узла 54, совместно влияющих на длину факела и эффективность горения.

При совместном сжигании природного газа и жидкого топлива после вентиляции топочной камеры зажигается запальник /не показан/.

Розжиг горелки производится на первичном газе по аналогии с розжигом при работе на природном газе.

После стабилизации факела первичного газа и обеспечения устойчивости горения открывается шибер 40 в патрубке 39, и холодный воздух поступает через канал 38 в камеру сгорания, другая его часть через окна 36 в коробе 16, равномерно распределяясь лопаточным распределителем 32, подается через завихритель холодного воздуха в зону истечения вращающегося первичного газа из закручивателей 23. Первичный и холодный воздух закручиваются развернутыми под углом лопатками 19, 18 в одном направлении, а вращающийся газ - в противоположном направлении, благодаря чему происходит активное перемешивание первичного и холодного воздуха, газа, поступающих в зону горения.

Аналогично, как при работе на природном газе, зажигают вторичный газ от горящего факела первичного газа.

Открытием вентиля 5 из патрубка 6 в ствол 1, форсунку 3 подается жидкое топливо, в которой оно распыливается на мелкие капли. Интенсивно перемешиваясь с окислителем в зоне высоких температур, капли загораются от горящего газового факела, формируя свой факел.

После стабилизации горения открываются вентили 13, 50, и инертная среда, на примере пара, из соответственно патрубков 15, 52 поступает в смесители 9, 48, где перемешивается с газом, нагревает его и охлаждается сама, и далее парогазовая смесь входит в коллекторы 7, 47, щели 8, 45 в коллекторе 7 и в коробе 41, полости лопаток 19, 44, и через закручиватели 23 выходит в набегающий поток холодного воздуха. Пар, находящийся в парогазовой смеси, конденсируется в мелкие капли, которые подхватываются потоками воздуха и вносятся в капельную структуру сформированного жидкостного горящего факела на его начальном участке и в газовый факел и обволакивают капли жидкого топлива пленкой воды, которые, поступая в зону высоких температур, в результате микровзрывов дробятся вторично.

Противовращение воздуха и вращающейся парогазовой смеси на выходе из завихрителей первичного и холодного воздуха, вращение жидкостного факела, происходящее внутри газового факела, обеспечивает высококачественное перемешивание капель жидкого топлива, воздуха, газа и капель воды, исключая укрупнение капель воды, увеличивает число микровзрывов капель топлива, и, как следствие, полноту их выгорания и дожиг в оболочке газового факела, позволяет уменьшить подачу воздуха /окислителя/ в центральную зону горения, химический и механический недожог топлив, повысить эффективность горения.

При уменьшении нагрузки котла включаются в работу совместно приводные узлы 53, 54, корректирующие положение ствола 1 с форсункой 3 относительно коллектора 7, при этом интенсификация сжигания газа, по аналогии с раздельным его сжиганием, приводит одновременно к интенсификации сжигания жидкого топлива, повышает эффективность горения.

При сжигании жидкого топлива после вентиляции топочной камеры зажигается запальник /не показан/.

Розжиг горелки осуществляется открытием вентиля 13, и пар из патрубка 15 поступает в смеситель 9, коллектор 7, щели 8, полость лопаток 19 и через закручиватели 23 - в топочную камеру. Одновременно открывается вентиль 5, и жидкое топливо из патрубка 6 подается в ствол 1 и форсунку 3, на выходе из форсунки 3 распыливается на мелкие капли, которые загораются от запальника, формируя факел. После чего открывается шибер 17 в коробе 16, и первичный воздух, разделяясь стенками 33, 34 распределителей 32, обтекая их и далее лопатки 18 и стенки 20 завихрителя первичного воздуха, закручивается на выходе из завихрителя и поступает в камеру сгорания.

Открытием шибера 42 в коробе 41 вторичный воздух, обтекая лопатки 44 завихрителя 43 и закручиваясь на выходе из него, также поступает в камеру сгорания. Одновременно открывается вентиль 50, и инертная среда из патрубка 52 подается в смеситель 48, коллектор 47, через щели 45 в коробе 41 в полость лопаток 44, и через закручиватели 23 - в набегающий поток вторичного воздуха.

После этого открывается шибер 40 в патрубке 39, и холодный воздух подается в канал 38, часть его поступает в камеру сгорания между первичным и вторичным воздухом, другая часть из канала 38 через окна 36, распределители 32, завихрители холодного воздуха - в зону истечения вращающегося пара из закручивателей 23. Пар нагревает холодный воздух, а сам охлаждается и конденсируется в мелкие капли влаги, которые подхватываются потоком воздуха и вносятся в капельную структуру сформированного горящего факела на его начальном участке и обволакивают капли жидкого топлива пленкой воды, которые, поступая в зону высоких температур, в результате микровзрывов дробятся вторично.

Противовращение воздуха и вращающейся паровой струи на выходе из завихрителей первичного и холодного воздуха, вращение жидкостного факела обеспечивают интенсивную конденсацию влаги из пара, высококачественное перемешивание капель жидкого топлива, воздуха, капель воды, исключает укрупнение капель воды, увеличивает число микровзрывов топливных капель и, как следствие, полноту их сгорания, позволяют уменьшить подачу воздуха /окислителя/ в центральную зону горения, химический и механический недожог, повысить эффективность горения.

Влага, испаряясь, образует инертную оболочку, изолирующую соединение окислителя вторичного воздуха в центральной зоне сжигания жидкого топлива, что, вместе с уменьшением подачи первичного воздуха, позволяет проводить сжигание топлива с избытком воздуха ниже стехиометрического и стадийно, уменьшая образование вредных выбросов, в частности окислов азота NO_x.

При уменьшении нагрузки котла включаются в работу приводные узлы 53, 54 осевого перемещения соответственно ствола 1 с форсункой 3 коллектора 7 первичного газа. При этом естественное ухудшение распыла жидкого топлива с укрупнением топливных капель компенсируется увеличением скорости воздушного потока, и, как следствие, интенсификацией горения, и их вторичным дроблением микровзрывами, обеспечивающих высокую эффективность горения.

Пар и инертная среда, поступающие в коллекторы 7, 47 и в полости лопаток соответственно 19, 44, охлаждают их и части, обращенные к горящему факелу с высокой излучательной способностью, и защищают их тем самым от повреждений, повышая надежность горелки.

Для всех видов топлив и способов их сжигания /совместное, раздельное/ в зависимости от качества сжигаемого топлива, режимов работы изменяются подача первичного и вторичного воздуха, жидкого и/или газообразного топлива, дымового газа или холодного воздуха, инертной среды /пара/ и положение ствола с форсункой 3, коллектора 7 первичного газа с полыми завихрительными лопатками 19 вручную или в автоматическом режиме, а для котлов различных типов и с разной глубиной топочной камеры предусмотрена возможность ручной подрегулировки с изменением положения планок 24 лопаток 18 в осевом направлении по коробу 16, что изменяет проходное сечение для пропуска подаваемого на горение первичного воздуха и дымового газа через соответствующие их завихрители на входе в камеру сгорания, что позволяет установить оптимальный режим горения.

Источники информации

Патент Российской Федерации N 2027105, опубл. в 1995 к заявке на изобретение N 4923095/06, кл. F 23 Q 17/00.