многопоточная инжекционная горелка

Формула изобретения

Многопоточная инжекционная горелка, содержащая коаксиально установленные по оси горелки внешнюю, промежуточную и внутреннюю выпускные трубы, образующие соответствующие контуры подачи топливовоздушной смеси таким образом, что внешняя и промежуточная трубы, выполненные в виде усеченных конусов, со стороны вершины обращены в сторону топочной зоны теплового агрегата, а со стороны основания подключены через поперечную плиту к инжекторам, равнорасположенным по концентрическим окружностям, при этом наибольший диаметр внешней трубы должен быть не менее внутреннего диаметра топочной зоны, ограниченной боковыми экранами, а во внутренней трубе размещен газовод запальника, подключенный к соосному с ним инжектору, за которым последовательно по потоку топливовоздушной смеси установлен пламяпреградитель и запальная свеча, а со стороны выхода в топочную зону - стабилизатор пламени, отличающаяся тем, что, во-первых, оси инжекторов всех контуров параллельны оси горелки, на входе в кольцевую полость между внешним и промежуточным конусами, на выходе из диффузоров инжекторов внешнего контура установлены съемные отражатели потока топливовоздушной смеси в направлении, касательном диаметру окружности расположения указанных инжекторов, перпендикулярных плите, при этом на выходе из этой полости, обращенной в топочную зону, установлен цилиндрический насадок с осевым лопаточным завихрителем, на выходе которого закреплен короткий конфузор - пережим, формирующий амбразуру горелки, во-вторых, кольцевая полость между промежуточным конусом и внутренней трубой разделена поперечной перегородкой на две части таким образом, что в передней части, противоположной топочной зоне, размещены и пристыкованы к перегородке инжекторы промежуточного контура и запальника со свечой, а за перегородкой в кольцевом промежутке между втулкой завихрителя и внутренней трубой установлен перфорированный выпускными отверстиями коллектор, тороидальная полость которого подключена посредством съемных патрубков к выходу из диффузоров инжекторов промежуточного контура, причем диаметральные размеры вышеуказанных внутренней трубы и газовода запальника должны обеспечивать между собой кольцевой промежуток, достаточный для размещения трубок ионизационного и фотодатчиков системы контроля пламени запальника горелки, а отношение протяженности газовода к его внутреннему диаметру от свечи зажигания до стабилизатора должно быть не более 5.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к инжекционным горелкам и может быть использовано в технологических нагревателях преимущественно взрыво- и пожароопасных объектах нефтехимических производств, а также для повышения безопасной эксплуатации газового оборудования, например в подогревателях природного газа на входе газораспределительных станций, размещенных в зонах с умеренным и холодным климатом.

Предлагаемое горелочное устройство относится к инжекционным горелкам с частичной подготовкой топливовоздушной смеси, формирующей в топочной зоне теплового агрегата так называемого диффузионно-кинетический тип факела, процесс горения которого (что общеизвестно) устойчив в широком диапазоне изменения тепловой нагрузки в отличие от горения полностью подготовленной топливовоздушной смеси.

Известна инжекционная горелка (авт. свид. СССР № 1560912, М Кл. F23D 14/04, 1988 г), содержащая коаксиально установленные по оси горелки внешнюю, промежуточную и внутреннюю выпускные трубы, в полости которых осуществлены подготовка (инжектирование и смешение) трех потоков топливовоздушной смеси и вывод их в топочную зону теплового агрегата. Горелка выполнена таким образом, что по внутренней трубе истекает топливовоздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха =0,2-0,3, промежуточный кольцевой поток имеет =0,5-0,2 и внешний =1,8-2,0. При таких соотношениях невозможен проскок пламени внутрь горелки, и при сгорании наблюдается минимальный выход оксидов азота. Недостатками известной горелки является: во-первых, отсутствие запальной (стабилизирующей) горелки мощностью не менее 5% от суммарной, во-вторых, что, впрочем, характерно для всех известных типов горелок, необходимость футеровки огнеупорным материалом поверхности огневого днища топочной зоны теплового агрегата. А это существенно снижает надежность указанных агрегатов, так как раскаленная футеровка огневого днища может создать (для сигнализаторов погасания пламени) состояние «кажущегося пламени», что может привести к тяжелым последствиям (см., например, журнал «Безопасность труда в промышленности», Москва, ГГТН России, № 3, 1999 г.) Как правило, это происходит в процессе остановки теплового агрегата или при работе его на малых нагрузках.

Указанные недостатки полностью устранены в известной многопоточной инжекционной горелке (патент РФ № 2163325, М. Кл. F23D 14/04, 1999 г.), содержащей коаксиально установленные по оси горелки внешнюю, промежуточную и внутреннюю выпускные трубы, образующие соответствующие контуры подачи топливовоздушной смеси таким образом, что внешняя и промежуточная трубы, выполненные в виде усеченных конусов, со стороны вершины обращены в сторону топочной зоны теплового агрегата, а со стороны основания подключены через поперечную плиту к инжекторам, равнорасположенным по концентрическим окружностям, причем во внутренней трубе размещен газовод запальника, подключенный к соосному с ним инжектору, за которым последовательно по потоку топливовоздушной смеси установлены пламяпреградитель и запальная свеча, а со стороны выхода в топочную зону - стабилизатор пламени. Кроме того, оси инжекторов, подключенных к внешней и промежуточной трубам, могут быть ориентированы под углом относительно оси горелки таким образом, что топливовоздушная смесь на выходе из этих труб образует закрученный поток (прототип).

Недостатками известной горелки являются следующие. Во-первых, решение задачи образования закрученного потока топливовоздушной смеси в полости внешней трубы и на выходе из амбразуры горелки за счет соответствующей ориентации осей инжекторов, подключенных к внешней трубе, приводит к существенному увеличению диаметрального габарита горелки, превышающего диаметр поперечной плиты, что особенно заметно для горелок большой тепловой мощности. Во вторых, (а это уже экспериментальный факт) недопустимо длительное время догорания переобогащенной (например, с 0,2) топливовоздушной смеси, истекающей из промежуточного контура после отсечки подачи топлива на горелку, что объясняется значительным объемом полости между промежуточной и внутренней трубами. А это обстоятельство «дискредитирует» концепцию безопасности применения известной горелки. В третьих, (что тоже зафиксировано на практике) при отношении протяженности газовода запальника к его внутреннему диаметру более 5 (в опыте было ˜10) привело к невозможности розжига горелки по причине возникновения в газоводе запальника детонационного горения (см. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей, М.: Машиностроение, 1973 г., с.110), препятствующего стабилизации пламени запальника, что недопустимо. И кроме того, с увеличением диаметра амбразуры горелки (с увеличением ее мощности) возрастает температурный уровень в устьевом сечении. Увеличение температурного уровня повышает устойчивость горелки по отношению к отрыву пламени, но одновременно приводит к возрастанию лучистого теплового потока от горящего факела во внешнем контуре и, подогревая обедненную топливом смесь, изменяет и «приближает» ее состав в сторону обогащения, т.е. к границе воспламенения, что увеличивает вероятность проскока пламени.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности, эффективности сжигания газового топлива в широком диапазоне регулирования тепловой мощности, безопасной эксплуатации тепловых агрегатов с использованием предложенной горелки, возможность регулирования характеристик факела и уменьшение затрат на разработку и изготовление горелки за счет простоты и технологичности ее конструкции, уменьшения габаритов и материалоемкости.

Эта цель достигается тем, что предложенная горелка, содержащая коаксиально установленные по оси горелки внешнюю, промежуточную и внутреннюю выпускные трубы, образующие соответствующие контуры подачи топливовоздушной смеси таким образом, что внешняя и промежуточная трубы, выполненные в виде усеченных конусов, со стороны вершины обращены в сторону топочной зоны теплового агрегата, а со стороны основания подключены через отверстия в поперечной плите к инжекторам, равнорасположенным по концентрическим окружностям. При этом наибольший диаметр внешней трубы должен быть не менее внутреннего диаметра топочной зоны, ограниченной боковыми экранами. А во внутренней трубе размещен газовод запальника, подключенный к соосному с ним инжектору, за которым последовательно по потоку топливовоздушной смеси установлены пламяпреградитель и запальная свеча, а со стороны выхода в топочную зону - стабилизатор пламени.

Согласно изобретению оси инжекторов всех контуров параллельны оси горелки. На входе в кольцевую полость внешнего контура, на выходе из диффузоров соответствующих инжекторов установлены в пределах толщины плиты съемные отражатели потока в направлении, касательном диаметру окружности расположения указанных инжекторов, перпендикулярных плите. При этом на выходе из внешней полости, обращенной в топочную зону, установлен цилиндрический насадок с осевым лопаточным завихрителем, на выходе которого закреплен короткий конический конфузор, так называемый пережим, окончательно формирующий амбразуру горелки. А кольцевая полость между промежуточным конусом и внутренней трубой разделена поперечной перегородкой на две части таким образом, что в передней части, противоположной топочной зоне, размещены и пристыкованы к перегородке эжекторы промежуточного контура и запальника со свечой зажигания. А за перегородкой, в кольцевом промежутке между втулкой завихрителя и внутренней трубой, установлен перфорированный выпускными отверстиями коллектор, тороидальная полость которого подключена посредством съемных патрубков к выходу из диффузоров инжекторов промежуточного контура. Причем диаметральные размеры вышеуказанных внутренней трубы и газовода запальника должны обеспечивать между собой кольцевой промежуток, достаточный для размещения трубок ионизационного и фотодатчиков системы контроля пламени запальника горелки. А отношение протяженности газовода к его внутреннему диаметру от свечи до стабилизатора должно быть не более 5 (пяти). Кроме того, при сжигании газов с широким пределом воспламеняемости (например, водорода, окиси углерода и пр.) вместо инжекторов промежуточного контура коллектор с выпускными отверстиями должен быть непосредственно подключен посредством тех же съемных патрубков к системе топливопитания горелки.

На фиг.1 показан общий вид горелки, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 - узел I на фиг.1.

Горелка содержит коаксиально установленные по оси симметрии внешнюю 1, промежуточную 2 и внутреннюю 3 выпускные трубы, образующие соответствующие контуры 1, 2, 3 подачи топливовоздушной смеси. Внешняя и промежуточная трубы, выполненные в виде усеченных конусов, со стороны вершины обращены в сторону топочной зоны теплового агрегата (на чертеже не показан), а со стороны основания подключены через отверстия в поперечной плите 4 к инжекторам 5, равнорасположенным по концентрическим окружностям. При этом наибольший диаметр внешней трубы должен быть не менее внутреннего диаметра топочной зоны, ограниченной боковыми экранами. Во внутренней трубе размещен газовод 6 запальника, подключенный к соосному с ним инжектору 7, за которым последовательно по потоку топливовоздушной смеси установлены пламяпреградитель 8 и запальная свеча 9, а со стороны топочной зоны - стабилизатор пламени 10. Оси инжекторов всех контуров параллельны оси горелки. На входе в кольцевую полость внешнего контура 1, на выходе из диффузоров 11 установлены в пределах толщины плиты 4 съемные отражатели 12, выполненные в виде жалюзийной решетки. При этом на выходе из внешнего контура со стороны, обращенной в топочную зону, установлен цилиндрический насадок 13 с осевым лопаточным завихрителем 14, на выходе которого закреплен короткий конический конфузор 15, так называемый пережим, окончательно формирующий амбразуру горелки. Кольцевая полость 16 между промежуточным конусом 2 и внутренней трубой 3 разделена поперечной перегородкой 17 на две части. В передней части 18 размещены и пристыкованы к перегородке инжекторы 19 промежуточного контура инжектор запальника со свечой. За перегородкой 17 в кольцевом промежутке между втулкой 20 завихрителя 14 и внутренней трубой 3 установлен перфорированный выпускными отверстиями 21 коллектор 22, тороидальная полость которого подключена посредством съемных патрубков 23 к выходу из диффузоров инжекторов 19. Диаметральные габариты внутренней трубы 3 и газовода 6 запальника должны обеспечивать между собой кольцевой промежуток 24, достаточный для размещения трубок ионизационного и фотодатчиков системы контроля пламени запальника горелки. А отношение протяженности газовода к его внутреннему диаметру (так называемый - калибр), конкретно от свечи до стабилизатора, должно быть не более5.

Кроме того, при сжигании газов с широким пределом воспламеняемости (например, так называемый синтез газа) вместо инжекторов промежуточного контура коллектор 22 должен быть непосредственно присоединен к системе топливопитания горелки. И если учесть, что решение этой задачи составляет достаточно серьезную экологическую проблему, то этот дополнительный признак предлагаемого изобретения может стать в ряд существенных.

Инжекционная горелка работает следующим образом. Розжиг горелки производится последовательным включением запальной свечи 9 и подачей топливного газа в сопло инжектора 7, подключенного к внутренней трубе 3. При этом пламяпреградитель 8, установленный перед свечой, предотвращает возможность проскока пламени в смесительную часть инжектора, а стабилизатор 10 обеспечивает на любом режиме работы горелки устойчивость «дежурного» факела запальника. После получения импульса о наличии пламени от сигнализатора, следящего за дежурным факелом производится одновременная подача топливного газа в сопла инжекторов 5 и 19. При этом соотношение диаметров сопел и соответствующих диаметров «горла» смесителей инжекторов таково, что топливовоздушная смесь, истекающая из внешнего контура на номинальном режиме, соответствует коэффициенту избытка воздуха ₁ не менее 1,8, а коэффициент избытка воздуха потока, истекающего из промежуточного контура ₂ не более 0,6. При таких соотношениях топливного газа и воздуха (для природного газа с содержанием в нем метана не менее 98%) невозможен проскок пламени внутрь горелки, а за счет снижения среднего температурного уровня факела горелки наблюдается минимальный выход оксидов азота.

Использование лопаточного завихрителя 14 не только гарантирует необходимую закрутку потока внешнего контура горелки, но и обеспечивает существенное отражение лучистого теплового потока от горящего факела.

Таким образом, при использовании предложенной горелки отпадает необходимость защиты огневого днища огнеупорным материалом, что повышает надежность и безопасность теплового агрегата в целом, и кроме того, за счет изменения состава топливовоздушной смеси в тракте внешнего контура, параметров крутки и, как следствие, характеристик факела в топочной зоне, диапазон регулирования тепловой мощности горелки может быть существенно расширен. Кроме того, следует отметить возможность утилизации взрывоопасных и токсичных газов, попутно полезно используя тепло при их сжигании, например, при решении задачи теплоснабжения. Немаловажно и то обстоятельство, что существенно уменьшаются затраты, соответственно себестоимость на разработку и изготовление горелки за счет простоты и технологичности ее конструкции, уменьшения габаритов и материалоемкости.