Газовая горелка и способ сжигания газообразного топлива

 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам и способам сжигания газообразного топлива с раздельной подачей газа и воздуха, и может быть использовано в системах отопления сушильных, нагревательных, термических и плавильных печей. Горелка для сжигания газообразного топлива состоит из тонкостенного корпуса с жаростойкой камерой и расположенной в них камерой сгорания с выходным соплом. На корпусе выполнены отверстия для подачи воздуха из воздушной камеры, которая охватывает корпус в зоне отверстий. Газовая камера состоит из наружной и внутренней камер, установленных с зазором и соединенных между собой перепускными патрубками. Узел смесеобразования состоит из газового сопла с центральным каналом и отверстиями и внутренней газовой камеры. В центральном канале установлен стабилизатор с возможностью осевого перемещения, завихритель и запальное устройство. Способ сжигания газообразного топлива включает раздельную подачу воздуха и газа, подготовку запальной смеси, розжиг, принудительное перемешивание газовоздушной смеси, в котором при изменении параметров газа и воздуха газовоздушную смесь образуют либо во внутренней газовой камере, либо в центральном канале и в камере сгорания, дополнительно регулируют параметры струи продуктов сгорания на выходе горелки путем перемещения стабилизатора. Изобретение обеспечивает повышение эффективности сжигания газообразного топлива, расширение диапазона регулирования тепловой мощности, повышение скорости истечения пламени, упрощение конструкции и уменьшение металлоемкости. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам и способам сжигания газообразного топлива с раздельной подачей газа и воздуха, и может быть использовано в системах отопления сушильных, нагревательных, термических и плавильных печей.

Известна газовая горелка из свидетельства РФ N 5011, 6 F 23 D 14/22 [1], содержащая корпус, запальное устройство, камеру сгорания, соединенную с центральным каналом газового сопла и газовой камерой, при этом центральный канал газового сопла соединен посредством радиально расположенных отверстий с газовой камерой, а другим концом с воздушной камерой.

Недостатком горелки является неравномерное перемешивание газовоздушной смеси по всему объему камеры сгорания за счет односторонней подачи воздуха из корпуса, а следовательно, недостаточная эффективность сжигания газа. Наличие отдельной воздушной камеры для подачи воздуха на розжиг горелки увеличивает эксплуатационные затраты. Горелка металлоемкая и дорогостоящая за счет толстостенного корпуса из жаропрочной стали.

Наиболее близкой по решаемой задаче является горелка для сжигания газа, описанная в патенте РФ N 2105244, 6 F 23 D 14/20 [2]. Горелка содержит корпус с коаксиально расположенной в нем камерой сгорания, узел смесеобразования, газовую и воздушную камеры. Для улучшения перемешивания газовоздушной смеси щелевидные отверстия горелки снабжены ребрами, выступающими над наружной и внутренней поверхностями камеры сгорания, при этом камера сгорания установлена с возможностью вращения.

Данная горелка явилась шагом вперед по сравнению с вышеизложенной в части повышения эффективности сжигания топлива, расширения диапазона регулирования тепловой мощности и коэффициента избытка воздуха. Однако она сложна в изготовлении и эксплуатации, а также не лишена недостатков описанной выше горелки.

Задачей изобретения является повышение эффективности сжигания газообразного топлива, расширение диапазона регулирования тепловой мощности, повышение скорости истечения пламени, упрощение конструкции и уменьшение металлоемкости.

Поставленная задача решается тем, что в горелке для сжигания газообразного топлива, содержащей корпус с коаксиально расположенной в нем камерой сгорания, узел смесеобразования, газовую и воздушную камеры, запальное устройство, согласно изобретению газовая камера состоит из наружной и внутренней камер, установленных с зазором и соединенных перепускными патрубками, корпус имеет равномерно расположенные по окружности отверстия, воздушная камера охватывает корпус в зоне отверстий, газовое сопло выполнено многоструйным, в центральном канале газового сопла установлен стабилизатор с возможностью осевого перемещения. Кроме того, с целью экономии дорогостоящей жаропрочной стали и создания модульной конструкции корпус выполнен составным, а с целью улучшения розжига и стабилизации процесса сгорания топлива запальное устройство установлено в центральном канале газового сопла, а на стабилизаторе установлен завихритель.

На фиг. 1 изображен общий вид горелки в разрезе.

На фиг. 2 - узел смесеобразования в разрезе.

Горелка для сжигания газообразного топлива состоит из корпуса 1, содержащего жаростойкую камеру 2 и коаксиально расположенную в них камеру сгорания 3 с выходным соплом 4. На корпусе выполнены отверстия 5 для равномерной подачи воздуха из воздушной камеры 6, охватывающей корпус 1, к камере сгорания 3. На воздушной камере 6 расположен патрубок 7 для подачи воздуха. Газовая камера состоит из наружной 8 и внутренней 9 камер, установленных с зазором и соединенных между собой перепускными патрубками 10. Узел смесеобразования включает внутреннюю камеру 9 с газовым соплом 11. Центральный канал 12 служит для подачи воздуха из корпуса 1 в камеру сгорания 3 и для образования запальной смеси. Посредством отверстий 13 и 14 газовая камера 9 соединена соответственно с камерой сгорания 3 и центральным каналом 12. В центральном канале 12 установлены стабилизатор 15 с возможностью осевого перемещения. На боковой поверхности газовой камеры 8 расположен патрубок 16 для подачи газа. Круглые отверстия 17 и щелевые 18 на поверхности камеры сгорания служат для подачи воздуха из корпуса 1 в камеру сгорания 3. В центральном канале 12 установлено запальное устройство 19 и завихритель 20. В нескольких точках по длине камеры сгорания установлены электроды контроля пламени (не показаны).

Горелка работает следующим образом. Подают через патрубок 7 воздушной камеры 6 воздух, который проходит через отверстие 5 корпуса 1. Из корпуса 1 воздух поступает через зазор между газовыми камерами 8 и 9 в центральный канал 12 газового сопла 11 и далее в камеру сгорания 3, в которую одновременно поступает воздух через отверстия 17 и 18. Подают газ через патрубок 16 в газовую камеру 8 и через перепускные патрубки 10 во внутреннюю газовую камеру 9, из которой газ поступает через отверстия 13 и 14 газового сопла 11 соответственно в камеру сгорания 3 и центральный канал 12, где он смешивается с воздухом, образуя запальную газовоздушную смесь. Включают запальное устройство 19, от искры которого воспламеняется запальная газовоздушная смесь в центральном канале 12 и у торца газового сопла 11 и устанавливается стабильное горение. Одновременно воспламеняется основная газовоздушная смесь, что фиксируют электроды контроля пламени (не показаны), которые установлены в нескольких точках по длине камеры сгорания. Продукты сгорания выходят через сопло 4. Для улучшения перемешивания газовоздушной смеси в центральном канале может быть установлен завихритель 20. Горелку настраивают на определенный режим работы путем перемещения стабилизатора 15 вдоль центрального канала 12. При установке стабилизатора в крайнее левое положение сжигание горючей смеси, идущей через центральный канал, осуществляется в начале камеры сгорания. При перемещении стабилизатора вправо зона горения смеси смещается вдоль камеры сгорания в сторону выходного сопла, что позволяет стабилизировать горение основной газовоздушной смеси, улучшить эффективность сжигания топлива и регулировать параметры факела.

В процессе работы горелки идет постоянный подогрев газа во внутренней газовой камере 9 путем нагрева сопла 11 горячими газами, находящимися в камере сгорания 3. Кроме того, идет подогрев воздуха в воздушной камере 6 за счет снятия тепла с камеры сгорания и внутренней части корпуса 1. Практически все тепло, излучаемое наружной поверхностью камеры сгорания 3, используется внутри горелки на нагрев газа и воздуха. Также подогрев воздуха осуществляется за счет разбавления его продуктами сгорания через щели камеры сгорания. Таким образом, идет внутренняя рекуперация тепла, повышающая эффективность сжигания газа и снижающая эмиссию CO и NO_x. За счет выполнения газовой камеры из двух частей: наружной 8 и внутренней 9, разделенных зазором, и расположения камеры сгорания в двух воздушных "рубашках" почти полностью исключается излучение тепла в окружающую среду. Установка стабилизатора 15 в центральном канале 12 с возможностью его осевого перемещения позволила дополнительно перемещать зону горения вдоль оси горелки, тем самым реализуя заданные теплотехнические и газодинамические параметры струи продуктов сгорания на выходе из горелки.

Расположение части корпуса 1 внутри воздушной камеры 6 позволило сделать эту часть тонкостенной из конструкционной стали, а жаростойкую камеру 2 выполнить съемной и также тонкостенной из жаропрочной стали. Это значительно уменьшило вес горелки и ее стоимость. Кроме того, при разъемном корпусе стало возможным сделать конструкцию модульной, т.е. не меняя габаритных размеров базовой конструкции, заменив только газовое сопло, камеру сгорания с выходным соплом, горелка переходит в новый типоразмер с другим уровнем мощности, что значительно снижает затраты как у изготовителя, так и у потребителя при модернизации производства.

Основным и главным достоинством новой горелки является то, что новая конструкция горелки позволила осуществить новый, более эффективный многоструйный и постадийный способ сжигания газа в широком диапазоне тепловой мощности и коэффициента избытка воздуха с возможностью регулирования теплотехнических и газодинамических характеристик факела.

Известен из патента РФ N 2105244, 6 F 23 D 14/20 [2] способ сжигания топлива путем раздельной подачи газа и воздуха, смесеобразования в центральном канале, розжига горелки, при этом газовую смесь в камере сгорания подвергают принудительному перемешиванию, воздействуя на нее ребрами камеры сгорания при вращении последней. Известный способ позволил расширить диапазон регулирования тепловой мощности до 1:10, коэффициента избытка воздуха 1:7. Однако он не может обеспечить максимально высокий коэффициент активации горения и высокую кинетическую энергию факела, что снижает теплосодержание продуктов сгорания и ухудшает циркуляцию продуктов сгорания в печи. При работе на средне- и низкотемпературных режимах недостаточна стабилизация процесса горения, что приводит к срыву пламени и погасанию горелки. Кроме того, горелка, реализующая способ, сложна в изготовлении и эксплуатации.

Задачей изобретения является повышение эффективности подготовки и сжигания газовоздушной смеси, стабилизация процесса горения во всем диапазоне тепловых нагрузок, расширение диапазона регулирования тепловой мощности, увеличение температуры и скорости истечения струи.

Поставленная задача решена в способе сжигания газообразного топлива, включающем раздельную подачу газа и воздуха, подготовку запальной смеси, розжиг горелки, принудительное перемешивание газовоздушной смеси, в котором согласно изобретению подготовку газовоздушной смеси при низких расходах газа производят во внутренней газовой камере, а при высоких - в центральном канале и камере сгорания, регулируют длину газовоздушной струи, поступающей через центральный канал, путем осевого перемещения стабилизатора и стабилизируют процесс сжигания горючей смеси по длине камеры сгорания; повышают давление газа и смещают фронт горения внутри камеры сгорания, создавая за ним зону разрежения, эжектируют часть горячих газов из зоны высокого давления, перемешивают с воздухом и инжектируют в зону разрежения камеры сгорания.

Способ сжигания газа осуществляется следующим образом. Подают воздух через патрубок 7 в воздушную камеру 6, и далее через отверстие 5 корпуса 1 воздух равномерно по окружности поступает в отверстия 17 камеры сгорания 3. Одновременно воздух поступает в центральный канал 12 со стороны торца внутренней газовой камеры 9. Подают газ через патрубок 16 в наружную газовую камеру 8 и далее через перепускные патрубки 10 во внутреннюю газовую камеру 9. Создают превышение давления газа над давлением воздуха P_г > P_в. На этом этапе газ подступает через отверстия 13 и 14 газового сопла соответственно в камеру сгорания 3 и центральный канал 12, где он смешивается с воздухом, образуя запальную смесь. Включают запальное устройство 19. Происходит розжиг горелки и одновременно воспламенение основной газовоздушной смеси во всем объеме камеры сгорания 3. Регулируют скорость и длину запальной струи путем осевого перемещения стабилизатора 15. Для работы горелки в режиме низких тепловых нагрузок уменьшают давление газа P_г < P_в. Воздух из центрального канала 12 поступает через отверстие 14 в газовую камеру 9, где происходит многоструйное перемешивание его с газом и образование газовоздушной смеси, которая поступает в камеру сгорания также многоструйным потоком через отверстия 13. Происходит устойчивая работа горелки с высоким коэффициентом избытка воздуха (К_и.в.) При этом возможно получение температуры продуктов сгорания на выходе горелки ≥ 60^oC с К_и.в. ~ 40. Таким образом, в зависимости от значения давления газа и воздуха перед горелкой в узле смесеобразования происходит изменение зон образования газовоздушной смеси, а именно либо в центральном канале и камере сгорания, либо во внутренней газовой камере, что обеспечивает стабильную работу газовой горелки в широком диапазоне тепловой мощности. При этом для повышения однородности газовоздушной смеси и стабилизации горения существенное значение имеет двухсторонняя подача воздуха из корпуса 1 в камеру сгорания 3 в перпендикулярных друг другу направлениях, а именно через центральный канал 12 и через отверстия 17 в течение всего времени работы горелки. В известном же способе воздух через центральный канал подают только для образования запальной смеси. Важное значение для повышения эффективности сжигания газа имеют, с одной стороны, равномерная подача подогретого воздуха по всему периметру камеры сгорания, с другой стороны, многоструйная подача также подогретого газа через отверстия 13 и 14. Процесс сжигания проводят постадийно по длине камеры сгорания по мере образования газовоздушной смеси. При различных давлениях газа смещается зона фронтального горения по длине камеры сгорания. При повышении расхода газа происходит увеличение скорости истечения газовых струй и улучшение перемешивания смеси. При дальнейшем увеличении скорости струй происходит смещение высокотемпературного и высокоскоростного пламени в сторону выходного сопла, создавая перед собой зону высокого давления, а за собой зону разрежения. Большая часть продуктов сгорания со скоростью 200 м/час выходит в сопло, а часть высокотемпературных газов эжектируется через щелевидные отверстия 18 в воздушный поток, перемешивается с ним и возвращается обратно путем инжекции через отверстия 17 в зону разрежения камеры сгорания. Таким образом, осуществляется внутренняя рекуперация тепла и принудительное перемешивание газовоздушной смеси. В оптимальном режиме работы горелки, когда К_и.в. = 2, объем газа 10 м³/час, объем воздуха ~ 190 м³/час, температура пламени на срезе сопла достигает 1350^oC, а скорость струи 200 м/сек. Для сравнения, исходя из расчета сгорания природного газа [3], максимальная температура, которую можно получить без подогрева воздуха с коэффициентом активации горения ~ 1.0, составляет 1180^oC. Для получения температуры, которая достигается в предлагаемом способе, в известном способе необходим подогрев воздуха до 300^oC [3].

Преимуществом способа является то, что он позволил получить недостигаемые до сих пор в практике показатели по эффективности сжигания топлива и регулированию параметров горелки, а именно: коэффициент активации сгорания топлива ~ 1.0, коэффициент регулирования тепловой мощности 1:100, коэффициент избытка воздуха 1:40, скорость истечения струи продуктов сгорания на выходе из сопла 20-200 м/с, диапазон регулирования температуры от 60 до 1750^oC.

Источники информации 1. Газовая горелка. Свидетельство РФ на полезную модель N 5011, 6 F 23 D 14/22. Аналог.

2. Способ сжигания газообразного топлива и устройство для его осуществления. Патент РФ N 2105244, 6 F 23 D 14/20. Прототип 3. Расчет нагревательных и термических печей. Справочник./ Под редакцией Тымчака В.М. М.: Металлургия, 1983, с. 345, рис. 11.7.

Формула изобретения

1. Газовая горелка, содержащая корпус с коаксиально расположенной в нем камерой сгорания, узел смесеобразования, газовую и воздушную камеры, запальное устройство, отличающаяся тем, что газовая камера состоит из наружной и внутренней камер, установленных с зазором и соединенных перепускными патрубками, корпус имеет равномерно расположенные по окружности отверстия, а воздушная камера охватывает корпус в зоне отверстий в центральном канале многоструйного газового сопла установлен стабилизатор с возможностью осевого перемещения.

2. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен составным и тонкостенным.

3. Газовая горелка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что запальное устройство расположено в центральном канале газового сопла.

4. Газовая горелка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что в центральном канале установлен завихритель.

5. Газовая горелка по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что электроды контроля пламени установлены в нескольких точках по длине камеры сгорания.

6. Способ сжигания газообразного топлива, включающий раздельную подачу газа и воздуха, подготовку запальной смеси, розжиг, принудительное перемешивание газовоздушной смеси в камере сгорания, отличающийся тем, что при изменении параметров газа и воздуха газовоздушную смесь образуют либо во внутренней газовой камере, либо в центральном канале и камере сгорания, дополнительно регулируют параметры струи продуктов сгорания на выходе горелки путем перемещения стабилизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2