Вихревая горелка
Изобретение относится к сжиганию углеводородного топлива. Вихревая горелка содержит центральную трубку подачи окислителя и внешнюю, соосную с ней, трубку топливоподачи, при этом трубка подачи окислителя снабжена соосным цилиндрическим направляющим корпусом, имеющим лопасти статического завихрителя и центральный соосный цилиндрический канал, причем выходные концы направляющего корпуса, а также трубка подачи окислителя, и трубка топливоподачи имеют U-образный контур вокруг оси горелки, контур направляющего корпуса следует контуру внутренней стенки трубки подачи окислителя, и лопасти завихрителя проходят от внешней поверхности нижней части направляющего корпуса до внутренней поверхности трубки подачи окислителя, соосно расположенные в зазоре между направляющим корпусом и внутренней стенкой в нижней части трубки подачи окислителя. Вихревая горелка дополнительно содержит в центральном соосном цилиндрическом канале центральное плохо обтекаемое тело, имеющее лопасти статического завихрителя, причем лопасти статического завихрителя проходят от поверхности плохо обтекаемого тела до поверхности направляющего корпуса. Внутренние и внешние лопасти завихрителя расположены в завихрителе с углом наклона, составляющим 15-75 градусов, а предпочтительно - 20-45 градусов. Центральная трубка подачи окислителя и внешняя трубка топливоподачи имеют на выходном конце верхушечный угол, составляющий 15-60 градусов, а предпочтительно - 15-40 градусов. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность горелки. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к сжиганию углеводородного топлива и, в частности, к горелке, содержащей корпус завихрителя, предназначенной для использования в реакторах сжигания углеводородного топлива.
Горелки с закрученным потоком горючего реагента используют главным образом для топки газовых промышленных печей и технологических нагревательных устройств, которые требуют стабильного факела с высокими интенсивностями сгорания. Конструкции вихревых горелок, соответствующие предшествующему уровню техники, содержат трубку горелки, имеющую центральную трубку топливоподачи, окруженную каналом подачи окислителя. Интенсивного перемешивания топлива и окислителя в зоне горения достигают посредством пропускания окислителя через завихритель, смонтированный на поверхности горелки на центральной трубке. Благодаря этому закручивают поток окислителя, что обеспечивает высокую степень внутренней и внешней рециркуляции продуктов горения, и таким образом получают высокую интенсивность горения.
Общим недостатком стандартных вихревых горелок вышеописанной конструкции является то, что поверхность горелки находится под воздействием высоких скоростей газового потока, как требуется для промышленных горелок такой конструкции, подверженного перегреву, вызываемому высокой степенью внутренней рециркуляции вдоль центральной оси зоны горения. В соответствии с этим образуется поток горячих продуктов горения, проходящий в обратном направлении к поверхности горелки, который в результате приводит к быстрому нагреву поверхности до высоких температур и, следовательно, к ее разрушению.
Из патента США №5816049 известна вихревая горелка, содержащая центральную трубку подачи окислителя и внешнюю соосную с ней трубку топливоподачи, при этом трубка подачи окислителя снабжена соосным цилиндрическим направляющим корпусом, имеющим лопасти статического завихрителя и центральный соосный цилиндрический канал, причем лопасти завихрителя проходят из внешней поверхности направляющего корпуса к внутренней поверхности трубки подачи окислителя, будучи соосно расположенными в зазоре между направляющим корпусом и внутренней стенкой в нижней части трубки подачи окислителя.
В патенте США №5496170 описана вихревая горелка для случаев применения, когда требуются малые и средние горелки, имеющая существенно уменьшенную рециркуляцию продуктов горения к поверхности горелки. Конструкция горелки, описанная в этом патенте, обеспечивает получение стабильного факела с высокой интенсивностью горения и без вредной внутренней рециркуляции горячих продуктов горения, благодаря созданию в горелке закрученного потока окислителя, имеющего общее направление потока, сконцентрированное вдоль оси зоны горения, и в то же самое время направление потока горючего газа к той же оси.
Описанная вихревая горелка содержит трубку горелки и центральную трубку подачи окислителя, соосную с трубкой горелки и отстоящую от нее, ограничивая в соответствии с этим кольцевой канал для горючего газа между этими трубками, причем трубка подачи окислителя и канал для горючего газа имеют отдельные входные концы и отдельные выходные концы. U-образные инжекторы окислителя и горючего газа расположены соосно на поверхности горелки. Горелка дополнительно содержит плохо обтекаемое тело, имеющее лопасти статического завихрителя, проходящие внутри инжектора окислителя. Лопасти завихрителя смонтированы на плохо обтекаемом теле между его концом, расположенным выше по технологической цепочке, и его концом, расположенным ниже по технологической цепочке, и проходят к поверхности инжекционной камеры окислителя.
В горелках для больших реакторов лопасти завихрителя будут иметь большую длину и площадь, что уменьшает механическую устойчивость лопастей. В альтернативном варианте осуществления плохо обтекаемое тело для уменьшения длины лопастей завихрителя приходится делать большего размера.
Недостатком лопастей завихрителя в большой вихревой горелке является то, что они имеют размер, который вызывает проблемы механической устойчивости и непреднамеренных вибраций. В альтернативном варианте осуществления, если размеры плохо обтекаемого тела завихрителя превышают средний уровень, то перепад давлений в потоке окислителя, проходящем вокруг тела, будет, к сожалению, увеличиваться. Расширение выходного конца трубки топливоподачи и/или трубки подачи окислителя может скомпенсировать увеличение перепада давлений. Однако требуемая конфигурация потока вокруг оси зоны горения будет затем, к сожалению, рассеиваться вокруг оси.
Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является получение завихрителя, предназначенного предпочтительно для использования в больших вихревых горелках с плохо обтекаемым телом и лопастями завихрителя, имеющими соответствующие размеры и форму, без возникновения вышеуказанных проблем, характерных для больших вихревых горелок.
Поставленная задача решается вихревой горелкой, содержащей центральную трубку подачи окислителя и внешнюю, соосную с ней, трубку топливоподачи, при этом трубка подачи окислителя снабжена соосным цилиндрическим направляющим корпусом, имеющим лопасти статического завихрителя и центральный соосный цилиндрический канал, причем выходные концы направляющего корпуса, а также трубка подачи окислителя и трубка топливоподачи имеют U-образный контур вокруг оси горелки; контур направляющего корпуса следует контуру внутренней стенки трубки подачи окислителя; и лопасти завихрителя проходят от внешней поверхности нижней части направляющего корпуса до внутренней поверхности трубки подачи окислителя, соосно расположенные в зазоре между направляющим корпусом и внутренней стенкой в нижней части трубки подачи окислителя.
При этом механическую устойчивость лопастей в процессе работы получают посредством крепления внешних лопастей завихрителя в вышеуказанной горелке на внутренней поверхности трубки подачи окислителя. Затем на внешнем краю внутренних лопастей завихрителя монтируют направляющий корпус.
Внутренние лопасти завихрителя предпочтительно образуют механической обработкой внешней поверхности плохо обтекаемого тела.
Направленная внутрь конфигурация потока горючих реагентов вдоль оси зоны горения смежной поверхности горелки, полученная благодаря U-образным контурам выходных концов трубки топливоподачи и трубки подачи окислителя, предотвращает рециркуляцию горячих продуктов горения в высокотемпературной области вокруг оси зоны горения, что в противном случае ведет к перегреву и разрушению поверхности горелки.
Получение направленной внутрь конфигурации потока горючих реагентов ведет к высокой степени поверхностной рециркуляции в низкотемпературной внешней области зоны горения. Из этой области только охлажденный поток продуктов горения перемещается назад к поверхности горелки, где продукты всасываются в область горячей зоны горения и повторно нагреваются.
Для сохранения, по существу, вышеуказанной конфигурации потока контур направляющего корпуса следует контуру внутренней стенки трубки подачи окислителя.
В предпочтительном варианте осуществления вихревая горелка дополнительно содержит в центральном соосном цилиндрическом канале центральное плохо обтекаемое тело, имеющее лопасти статического завихрителя, причем лопасти статического завихрителя проходят от поверхности плохо обтекаемого тела до поверхности направляющего корпуса.
Закрученный поток, порождаемый вихревой горелкой, активирует перемешивание горючего газа и окислителя благодаря увеличению площади их контактного взаимодействия. Таким образом, в другом предпочтительном варианте изобретения внутренние и внешние лопасти завихрителя расположены в завихрителе с углом наклона, составляющим 15-75 градусов, а предпочтительно - 20-45 градусов.
Улучшение перемешивания горючего газа и окислителя дополнительно получают при расположении внутренних лопастей завихрителя вокруг центральной части плохо обтекаемого тела и верхней части направляющего корпуса и при расположении внешних лопастей завихрителя вокруг нижней части направляющего тела и нижней части трубки подачи окислителя.
При работе горелки, соответствующей настоящему изобретению, в газовых реакторах рециклируемый поток охлажденных продуктов горения предпочтительно защищает стенки реактора, окружающие зону горения, от соударения с горячими продуктами горения и продлевает срок службы реактора.
Температура на поверхности горелки, близкой к выходному концу инжекционной камеры, может быть дополнительно понижена посредством образования трубки подачи окислителя на выпускном конце с острым краем, имеющим минимальный верхушечный угол. Согласно другому предпочтительному варианту изобретения центральная трубка подачи окислителя и внешняя трубка топливоподачи имеют на выходном конце верхушечный угол, составляющий 15-60 градусов, а предпочтительно - 15-40 градусов, благодаря чему достигается уменьшенный нагрев и адекватная механическая прочность инжектора.
Дополнительным преимуществом горелки, соответствующей настоящему изобретению, является то, что высокая степень поверхностной рециркуляции охлажденных продуктов горения обеспечивает получение равномерного распределения температуры в выходной зоне горения.
Это имеет большое значение в процессе работы обогреваемых каталитических реакторов, где выход продуктов сильно зависит от распределения температуры в слое катализатора, который, как правило, расположен в выходной зоне горения.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения направляющий корпус является объемным и предусмотренным с каналом в середине, который соосен горелке. Это гарантирует эффект закручивания, как описано выше, с одинаковым радиусом внешних лопастей завихрителя и одновременно с низким перепадом давлений при работе с большими газовыми потоками окислителя. Горячая реакционная зона побуждается к смещению от рабочего конца горелки, еще поддерживая вращение газового реагента вокруг оси горелки.
В соответствии с этим горелка, соответствующая настоящему изобретению, является особенно пригодной в больших газотопливных реакторах с нагревом и каталитическими процессами без создания дополнительных перепадов давлений или механической неустойчивости.
Вышеуказанные задачи и преимущества настоящего изобретения более подробно изложены в следующем описании, сделанном со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых приведены сечения, проходящие по нижней части трубки топливоподачи и трубки подачи окислителя в вихревой горелке, соответствующей двум характерным вариантам осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.1 иллюстрируется один вариант осуществления настоящего изобретения. Трубка 1 топливоподачи горелки соосна с трубкой 2 подачи окислителя и окружает трубку 2 подачи окислителя, которая содержит направляющий корпус 3, предусмотренный с лопастями 4 завихрителя. Лопасти 4 завихрителя расположены в плоскости В вокруг нижней части направляющего корпуса. Направляющий корпус 3 предусмотрен с каналом 5 для подачи окислителя, соосно расположенным в горелке.
Как следует из Фиг.2, нижняя часть трубки 2 подачи окислителя предусмотрена с направляющим телом 3 и центральным плохо обтекаемым телом 7. Трубка 2 подачи окислителя окружена трубкой 1 топливоподачи и направляющим телом 3, содержащим внутренние лопасти 8 завихрителя и внешние лопасти 9 завихрителя. Плохо обтекаемое тело 7 имеет куполообразный конец, расположенный выше по технологической цепочке, и конический конец, расположенный ниже по технологической цепочке. Лопасти 8 завихрителя являются интегральной частью плохо обтекаемого тела 7 и получаются механической обработкой поверхности тела 7. При этом лопасти 8 проходят из внешней поверхности тела 7 к направляющему корпусу 3, расположенному соосно в трубке 3 между плохо обтекаемым телом 7 и направляющим телом 3. Лопасти 8 расположены вокруг оси А и между верхней частью тела 7 и верхней частью направляющего корпуса 3. Лопасти 8 закреплены с соответствующим допуском для теплового расширения в направляющем корпусе 3 посредством прорезей 10 и лапок 11, предусмотренных в направляющем корпусе и лопастях соответственно.
Внешние лопасти 9 завихрителя расположены в трубке подачи окислителя в зазоре между направляющим корпусом 3 и трубкой 2 вокруг оси А и с центрами тяжести в плоскости В, проходящей перпендикулярно оси А через нижнюю часть направляющего тела 3 и трубки 2 подачи окислителя.
Аналогично внутренним лопастям, внешние лопасти 9 завихрителя закреплены с допуском к стенке трубки подачи окислителя посредством лапок 12 на лопастях, опирающихся в прорезях 13, образованных в трубке 2. Лопасти 9 дополнительно смонтированы на поверхности направляющего корпуса 3. В альтернативном варианте осуществления лопасти 9 могут быть образованы как интегральная часть направляющего корпуса.
Выходной конец 16 трубки 2 и направляющего корпуса 3 имеют внутреннюю поверхность, имеющую в сечении U-образную конфигурацию, вокруг оси А.
Такая U-образная конфигурация может быть удобно получена механической обработкой соответствующего металлического тела, имеющего цилиндрическую часть и коническую часть. Переходный угол между цилиндрической и конической частями в соответствии с этим предпочтительно находится в диапазоне 115-170 градусов.
Край трубки 2, окружающий выходной конец 16, является клиновидным с минимальным верхушечным углом γ для предохранения края от перегрева, как более подробно описано ниже.
Верхушечный угол γ, как правило, составляет 15-60 градусов, а предпочтительно - 15-40 градусов.
При работе горелки, соответствующей настоящему изобретению, поток окислителя благодаря прохождению через лопасти 8 и 9 завихрителя становится закрученным потоком. Кроме того, посредством плохо обтекаемого тела 7 и U-образного контура выпускных концов направляющего корпуса 3 трубки 2 подачи окислителя и трубки 1 топливоподачи закрученный поток подается в зону горения в общем потоке, направляемом вокруг оси зоны горения.
Как результат, смешивание окислителя с потоком горючего газа осуществляется главным образом в высокотемпературной области вокруг оси зоны горения. Благодаря этому предотвращается вредная внутренняя рециркуляция горячих продуктов горения в этой области. Рециркуляция устанавливается только в низкотемпературной внешней области зоны горения, приводя в результате к меньшим температурам материала вблизи выходных концов инжекционных камер. Как указано выше, температура в этой области может дополнительно регулироваться углом γ края инжектора окислителя, благодаря чему зона перемешивания окислителя с горючим газом поддерживается на повышенном расстоянии от края при уменьшающихся верхушечных углах.
В тех случаях применения, где требуются очень высокие интенсивности горения, поверхность горелки может быть дополнительно предохранена от высоких температур посредством введения в область выходного конца инертного газа или пара.
1. Вихревая горелка, содержащая центральную трубку подачи окислителя и внешнюю, соосную с ней трубку топливоподачи, при этом трубка подачи окислителя снабжена соосным цилиндрическим направляющим корпусом, имеющим лопасти статического завихрителя и центральный соосный цилиндрический канал, причем выходные концы направляющего корпуса, а также трубка подачи окислителя и трубка топливоподачи имеют U-образный контур вокруг оси горелки, контур направляющего корпуса следует контуру внутренней стенки трубки подачи окислителя, и лопасти завихрителя проходят от внешней поверхности нижней части направляющего корпуса до внутренней поверхности трубки подачи окислителя, соосно расположенные в зазоре между направляющим корпусом и внутренней стенкой в нижней части трубки подачи окислителя.
2. Вихревая горелка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в центральном соосном цилиндрическом канале центральное плохообтекаемое тело, имеющее лопасти статического завихрителя, причем лопасти статического завихрителя проходят от поверхности плохообтекаемого тела до поверхности направляющего корпуса.
3. Вихревая горелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что внутренние и внешние лопасти завихрителя расположены в завихрителе с углом наклона, составляющим 15-75°, а предпочтительно 20-45°.
4. Вихревая горелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что центральная трубка подачи окислителя и внешняя трубка топливоподачи имеют на выходном конце верхушечный угол 15-60°, а предпочтительно 15-40°.
