Способ сжигания топлива и устройство для его осуществления

(51)723 1/02 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в топках паровых и водогрейных котлов, в печах и камерах сгорания. Технический результат изобретения - повышение регулировочных возможностей факела, устойчивости горения в регулировочном диапазоне нагрузок, надежности работы топки с пониженным уровнем выхода . Горелка содержит корпус с одним или двумя каналами аэросмеси постоянного или переменного сечения, с каналами вторичного и третичного воздуха, а также с каналами внутреннего и центрального воздуха. Выходные насадки каналов горелки и ее амбразура выполнены цилиндрическими. Выходные срезы каналов горелки расположены на определенном расстоянии от плоскости выходного сечения амбразуры горелки. Среднерасходную скорость в амбразуре горелки поддерживают постоянной, а скорость потока вторичного воздуха больше скорости потока аэросмеси и скорости третичного воздуха. 8444 Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в топках паровых и водогрейных котлов, в печах и камерах сгорания. Известен способ сжигания топлива и устройство для его осуществления. Способ осуществляют путем подачи коаксиальными кольцевыми закрученными потоками аэросмеси, вторичного и третичного воздуха, поддержания среднерасходной скорости постоянной по длине амбразуры горелки. Количество потоков аэросмеси на один меньше, чем потоков вторичного и третичного воздуха. Горелочное устройство содержит корпус с коаксиальными кольцевыми каналами для подачи аэросмеси, вторичного и третичного воздуха, во всех каналах установлены завихрители, а также цилиндрическую амбразуру, диаметр которой больше диаметра внешнего канала горелки. Выходной насадок канала аэросмеси и третичного воздуха выполнены коническими, а выходной насадок канала вторичного воздуха - цилиндрическим, перемещающимся вдоль оси горелки и расположенным в канале третичного воздуха (заявка ФРГ 3106824, кл.231/02, 1981). Недостатками способа и устройства являются предварительное смещение потоков вторичного и третичного воздуха, резкое раскрытие горелочной струи из-за конических выходных насадков канала третичного воздуха и канала аэросмеси, низкая надежность их работы, повышенный выход . Конические насадки получают большую дозу теплового излучения по сравнению с цилиндрическими насадками, что существенно снижает надежность работы первых. Известна вихревая горелка, содержащая корпус с соосными кольцевыми каналами для подачи аэросмеси и воздуха, в которой выходные срезы всех каналов расположены в плоскости выходного среза горелки. При этом количество воздушных каналов внешних по отношению к каналам аэросмеси равно количеству каналов аэросмеси и каждого по два(А.с. СССР 367315, кл. 23 1/02, 1973). Недостатком горелки является низкая надежность работы выходных насадков каналов горелки,связанная с наличием конической амбразуры и расположением выходных срезов насадков каналов аэросмеси и вторичного воздуха в выходном срезе амбразуры, изменяющаяся аэродинамическая структура факела и разные условия для воспламенения при отключении по пыли и воздуху соответствующих каналов. Известен способ сжигания топлива и устройство для его осуществления. Способ осуществляют путем подачи потока центрального воздуха, закрученных потоков аэросмеси, вторичного и третичного воздуха, поддержания среднерасходной скорости постоянной по длине амбразуры горелки. При этом скорость потока вторичного воздуха поддерживают равной скорости потока аэросмеси. Устройство для осуществления способа содержит корпус с каналами центрального воздуха, аэросмеси, вторичного и третичного воздуха. В каналах аэросмеси, вторичного и 2 третичного воздуха установлены завихрители. Выходные срезы насадков каналов центрального воздуха, аэросмеси, вторичного и третичного воздуха, а также амбразура горелки - цилиндрические. Выходные срезы каналов центрального воздуха, аэросмеси и вторичного воздуха расположены в канале третичного воздуха. Выходной насадок канала третичного воздуха выполняет одновременно и функции амбразуры горелки, диаметр которой равен внешнему диаметру горелки (А. с. СССР 817383, кл.23 1/00, 1981). Недостатком известного решения является поддержание скорости потока вторичного воздуха равной скорости потока аэросмеси, заглубление выходных насадков каналов горелки в канале третичного воздуха и равенство диаметра амбразуры горелки внешнему диаметру горелки, что снижает регулировочные возможности факела и эффективность топочного процесса, а также повышает выход . Задача изобретения - разработка способа сжигания топлива и горелки, обеспечивающих эффективность топочного процесса и снижения его вредного воздействия на окружающую среду. Технический результат изобретения - повышение регулировочных возможностей факела, устойчивости горения в регулировочном диапазоне нагрузок,надежности работы топки с пониженным уровнем выхода . Это достигается тем, что в способе сжигания топлива путем подачи потока центрального воздуха и закрученных потоков аэросмеси, вторичного и третичного воздуха, поддержания среднерасходной скорости постоянной по длине амбразуры горелки скорость потока вторичного воздуха (2) поддерживают в 1,1-3 раза больше скорости смежного с ним потока аэросмеси, причем расход вторичного воздуха составляет 2(0,20,8) от суммарного расхода вторичного и третичного воздуха, при этом количество потоков аэросмеси равно количеству потоков вторичного и третичного воздуха или на один меньше последних, а среднерасходная скорость в амбразуре горелки составляет(0,50,9) г от величины среднерасходной скорости горелки, где 3- суммарный расход вторичного и третичного воздуха г - среднерасходная скорость горелки. Поток аэросмеси подают с постоянной или переменной по оси горелки скоростью, возрастающей к ее выходному сечению или с переменной по оси горелки скоростью, первоначально возрастающей, а затем убывающей, при этом отношение наименьшей величины скорости к ее наибольшей величине в се 8444 чении канала горелки составляет 0,3-0,8. Внутри горелки перед выходом в топку поток аэросмеси объединяют в единый поток, скорость внутреннего потока аэросмеси в его выходном сечении поддерживают в 1,0-1,5 раза больше скорости внешнего потока аэросмеси, скорость потока вторичного воздуха поддерживают в 1-3 раза больше скорости потока третичного воздуха, 2-15 от общего расхода воздуха через горелку подают закрученным центральным потоком со скоростью 5-50 м/с, 5-30 от расхода центрального воздуха подают в топку образованным внутренним потоком, центральный и внутренний потоки внутри горелки перед ее выходным сечением объединяют в единый поток. В горелке, содержащей корпус с каналами центрального воздуха, аэросмеси, вторичного и третичного воздуха с цилиндрическими выходными насадками каналов и цилиндрической амбразурой, в каналах аэросмеси, вторичного и третичного воздуха установлены завихрители, площадь канала вторичного воздуха составляет 2(0,20,8) от суммарной площади каналов вторичного и третичного воздуха, при этом количество каналов аэросмеси равно количеству каналов вторичного и третичного воздуха или на один меньше последних, а цилиндрические выходные срезы насадков каналов горелки расположены в плоскости выходного среза горелки, который находится на расстоянии г( / 2) от плоскости выходного среза амбразуры горелки,диаметр которой больше внешнего диаметра горелки и составляет г 2(/2), причем площадь сечения амбразуры составляет (1,1-2,0) г от площади выходного среза горелки, где г - диаметр внешнего канала горелки 5-60 0,5-2,5 3- суммарная площадь каналов вторичного и третичного воздуха. Канал аэросмеси выполнен переменного сечения с площадью, уменьшающейся к выходному сечению горелки или имеет конфузорно-диффузорную форму,а отношение площади минимального сечения канала к площади его максимального сечения составляет 0,3-0,8, диффузорная часть канала аэросмеси расположена от выходного среза горелки на расстоянии к 0,1, где- высота центрального канала горелки, выходной срез внутреннего канала аэросмеси расположен от выходного среза внешнего канала аэросмеси на расстоянии (0,2-,5). Каналы аэросмеси выполнены переменного по оси горелки сечения, а именно площадь внешнего канала аэросмеси в его выходном сечении составляет 1,0-1,5 от площади выходного сечения внутреннего канала аэросмеси, площадь центрального канала составляет 2 15 от суммарной площади горелки, площадь образованного внутреннего канала составляет 10-60 от площади центрального канала горелки, выходной срез внутреннего канала горелки отстоит от выходного среза центрального канала горелки на расстоянии не меньше чем 0,05, где- высота центрального канала горелки. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - продольный разрез горелки с одним каналом аэросмеси, на фиг. 2 - с двумя каналами аэросмеси. Горелка для сжигания топлива содержит корпус с цилиндрической амбразурой 1, центральной трубой 2 и внутренней трубой 3, между которыми расположен канал центрального воздуха 4. Канал 5 является внутренним каналом, в котором расположена мазутная форсунка 6. Далее по ходу от оси расположены каналы аэросмеси 7, вторичного воздуха 8 и третичного воздуха 9. В каналах 4, 7, 8 и 9 установлены аксиально-лопаточные завихрители 10. Для регулировки расхода воздуха по каналам 4, 5, 8 и 9 установлены шиберы 11. Для повышения надежности работы аксиального завихрителя 10 канала аэросмеси 7 в случае переменной по оси горелки его площади лопатки завихрителя можно располагать в районе наибольшего сечения канала аэросмеси. Угол установки лопаток завихрителей в каналах горелки принимают следующий центрального воздуха 45-60 аэросмеси - 5-50 вторичного воздуха - 45-60 третичного воздуха - 0-60. В последнем случае завихритель можно выполнить не только со стационарно установленными лопатками, но и с поворотными. Работа горелки осуществляется следующим образом. В каналы 7 подают аэросмесь, а в каналы 8 и 9 вторичный и третичный воздух. Подача части (до 15 ) воздуха центральным 4 и внутренним 5 потоками обеспечивает защиту труб этих каналов от обгорания и коробления, а также повышает эффективность сжигания мазута при растопках или совместно-раздельном его сжигании с угольной пылью и защищают форсунку 6 от обгорания. Вытекающие из каналов горелки струи, взаимодействуя между собой в ее устье, формируют закрученную горелочную струю с определенными аэродинамическими характеристиками. В связи с тем,что формирование горелочной струи происходит в поле действия центробежных сил, существенное влияние на этот процесс оказывают момент количества движения и поток количества движения вытекающих из каналов горелки отдельных струй. Поддержание скорости вторичного воздуха в 1,13,0 раза больше скорости смежного с ним потока аэросмеси, а также в 1,0-3,0 раза больше скорости потока третичного воздуха при такой конструкции горелки создают наилучшие условия для управления аэродинамической структурой факела горелки, интенсивностью смешения в нем, обеспечения устойчивого горения и экономичной работы топки со сниженным на 20-30 уровнем выхода . При 2/1, или 2/31,0 поток вторичного воздуха не оказывает заметного влияния на формирование аэродинамической структуры факела. 3 8444 При 2/13,0 резко возрастает гидравлическое сопротивление потока вторичного воздуха, что ведет к необоснованному росту потерь на собственные нужды. При 2/33,0 наступает режим неустойчивого течения факела. Поддержание расхода вторичного воздуха в пределах 2(0,20,8) или площади его канала 2(0,20,8) обеспечивает необходимые условия для оперативного управления аэродинамической структурой факела. 3 практически как одноканальная по воздуху и возможности оперативного воздействия потока вторичного воздуха на условия формирования факела практически сводятся к нулю. Поддержание среднерасходной скорости постоянной по длине амбразуры горелки в пределах(0,5-0,9)г или (,-2,0)г способствует формированию аэродинамической структуры факела,обеспечивающей устойчивое горение с пониженным уровнем выхода окислов азота. При 0,5 г или 2 г наступает режим неустойчивого течения. При 0,9 г или ,г нарушается устойчивость горения. Расположение выходных срезов цилиндрических насадков каналов в плоскости выходного среза горелки, который расположен на расстоянии г( / 2) от плоскости выходного сечения амбразуры горелки,диаметр которой г 2(/2), обеспечивает наилучшие условия для защиты выходных насадков каналов горелки от коробления и обгорания, а также формирования аэродинамической структуры факела, необходимой для устойчивого горения с пониженным уровнем выхода . При 5 увеличивается дальнобойность факела и ухудшаются условия для прогрева и воспламенения топлива. При 60 наступает режим неустойчивого течения. При 0,5 наступает режим неустойчивого течения. При 2,5 угольная пыль достигает амбразуры горелки и горение происходит вблизи ее стен, что снижает надежность работы выходных насадков каналов горелки и приводит к шлакованию амбразуры. Подача аэросмеси с переменной по оси горелки скоростью, возрастающей к ее выходному сечению уменьшает износ лопаток завихрителя, т. к. послед 4 ние можно расположить в сечении с наименьшей скоростью (с наибольшей площадью), а также повышает надежность работы выходного участка канала аэросмеси. Конфузорность канала аэросмеси обеспечивает более равномерное распределение аэросмеси в выходном сечении горелки. Наилучшие условия для протекания процесса горения наблюдаются при отношении величины наименьшей скорости (наибольшей площади сечения канала) к наибольшей скорости (наименьшей площади), равном 0,3-0,8. При меньших значениях указанных величин соотношения скоростей (площадей) повышается гидравлическое сопротивление канала аэросмеси и его износ, а при больших их значениях ухудшается равномерность распределения аэросмеси в выходном сечении горелки. Последнее ухудшает полноту выгорания топлива и повышает выход Ох. Расположение диффузорной части канала на расстоянии меньшем чем 0,10 от выходного среза канала аэросмеси способствует резкому раскрытию потока аэросмеси и его интенсивному смешению с вторичным воздухом. Объединение потоков аэросмеси перед выходом в топку внутри горелки в единый поток и расположение при этом выходного среза внутреннего канала аэросмеси на расстоянии (0,2-1,5) от выходного среза внешнего канала аэросмеси повышает надежность работы выходного насадка внутреннего канала аэросмеси. Горелка при таком объединении получает все преимущества трехканальной горелки. При 0,2 и отключении подачи пыли во внешний канал аэросмеси внутренний поток аэросмеси не успевает полностью заполнить сечение объединенного канала аэросмеси,что ухудшает аэродинамические характеристики факела, а также снижает надежность работы насадка внутреннего канала при отключении подачи в него пыли. При ,5 о и отключении подачи пыли во внешний канал аэросмеси уровень вращательных скоростей внутреннего потока из-за потерь на трение к выходному сечению резко уменьшается, что может затянуть горение в канал аэросмеси. Увеличение в 1-1,5 раза площади (уменьшение скоростей потока) внешнего канала аэросмеси по сравнению с площадью (скоростью потока) внутреннего канала обеспечивает необходимый уровень скоростей как при двух работающих каналах аэросмеси, так и при отключении одного из них. При отключении внешнего потока аэросмеси внутренний поток аэросмеси в этом случае заполняет все сечение канала и обеспечивает в выходном сечении горелки уровень скоростей, исключающий проникновение пламени во внутрь канала аэросмеси. При 1,51 или 1,51 повышается износ канала аэросмеси, ухудшаются аэродинамические характеристики факела, что может привести к потере устойчивости горения и повышению выхода . Подача 2-15 от общего расхода воздуха через горелку со скоростью 5-50 м/с через центральный канал,площадь которого составляет 2-15 от суммарной 8444 площади горелки, лучшает условия выжига мазута при растопке котла, совместно-раздельном его сжигании с угольной пылью, а также защитит внутреннюю трубу горелки от обгорания и окажет положительное влияние на условия формирования зоны осевых обратных токов. Большая величина скорости применяется при раздельном сжигании мазута. При ц 2 или ц 2(ц 5 м/с) эффект от наличия центрального потока незначительный. При ц 15 и ц 15 центральный поток начинает оказывать отрицательное влияние на аэродинамические характеристики факела. При ц 50 м/с резко возрастает гидравлическое сопротивление канала центрального воздуха. Подача центрального воздуха закрученным потоком повышает равномерность распределения в факеле его осредненных характеристик течения, а также улучшает условия дробления капель мазута и их испарения. Подача 5-30 от расхода центрального воздуха внутренним потоком, площадь которого составляет 10-60 от площади центрального канала, обеспечивает эффективное охлаждение центральной трубы и расположенной в нем форсунки. При 5 эффект защиты насадка незначителен. При 10 резко возрастает гидравлическое сопротивление внутреннего канала. При 30 из-за повышенных значений потока количества движения(скорости) этот поток оказывает отрицательное влияние на аэродинамические характеристики факела. При 60 возрастает инерционность потока, что также отрицательно сказывается на характеристиках факела, уменьшается доля теплосодержания рециркулирующих в приосевой области топочных газов и др. Расположение выходного торца центральной трубы на расстоянии не меньше чем 0,05 от среза внутренней трубы горелки повышает надежность работы выходного насадка центрального канала, а также придает внутреннему потоку до его выхода в топку слабое вращательное движение за счет смешения с потоком центрального воздуха и на начальном участке факела уменьшает угол раскрытия последнего. При этом повышается эффективность дробления капель мазута, что интенсифицирует их испарение и воспламенение. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сжигания топлива путем подачи потока центрального воздуха, закрученных потоков аэросмеси, вторичного и третичного воздуха, поддержания среднерасходной скорости постоянной по длине амбразуры горелки, отличающийся тем, что скорость потока вторичного воздуха поддерживают в 1,1-3 раза больше скорости смежного с ним потока аэросмеси, причем расход вторичного воздуха составляет от суммарного расхода вто 2 ричного и третичного воздуха, при этом количество потоков аэросмеси равно количеству потоков вторичного и третичного воздуха или на один меньше последних, а среднерасходная скорость в амбразуре горелки составляет (0,5-0,9)г от величины среднерасходной скорости горелки, где 3- суммарный расход вторичного и третичного воздуха,г - среднерасходная скорость горелки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток аэросмеси подают с переменной по оси горелки скоростью, возрастающей к ее выходному сечению. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток аэросмеси подают с переменной по оси горелки скоростью, первоначально возрастающей, а затем убывающей, при этом отношение наименьшей величины скорости к ее наибольшей величине в сечении канала горелки составляет 0,3-0,8. 4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что скорость внутреннего потока аэросмеси в его выходном сечении поддерживают в 1,0-1,5 раза больше скорости внешнего потока аэросмеси. 5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что внутри горелки перед выходом в топку потоки аэросмеси объединяют в единый поток. 6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что скорость потока вторичного воздуха поддерживают в 1-3 раза больше скорости потока третичного воздуха. 7. Способ по пп. 1-6, отличающийся тем, что 215 от общего расхода воздуха подают через горелку закрученным центральным потоком со скоростью 5-50 м/с. 8. Способ по пп. 1-7, отличающийся тем, что образуют внутренний поток и 5-30 от расхода центрального воздуха подают в топку. 9. Способ по пп. 1-8, отличающийся тем, что центральный и внутренний потоки внутри горелки перед ее выходным сечением объединяют в единый поток. 10. Горелка, содержащая корпус с каналами центрального воздуха, аэросмеси, вторичного и третичного воздуха, с цилиндрическими выходными насадками каналов и цилиндрической амбразурой, в каналах аэросмеси, вторичного и третичного воздуха установлены завихрители, отличающаяся тем, что площадь канала вторичного воздуха составляет 2(0,20,8) от суммарной площади каналов вторичного и третичного воздуха, при этом количество каналов аэросмеси равно количеству каналов вторичного и третичного воздуха или на один меньше последних,а цилиндрические выходные срезы насадков каналов 8444 горелки расположены в плоскости выходного среза горелки, который находится на расстоянии г( / 2) от плоскости выходного среза амбразуры горелки,диаметр которой больше диаметра внешнего канала горелки и составляет г 2 ( / 2), причем площадь сечения амбразуры составляет (,2,0)г от площади выходного среза горелки, где г диаметр внешнего канала горелки,- 5-60, а- 0,53- суммарная площадь каналов вторичного и третичного воздуха. 11. Горелка по п. 10, отличающаяся тем, что канал аэросмеси выполнен переменного сечения с площадью, уменьшающейся к выходному сечению горелки. 12. Горелка по п. 10, отличающаяся тем, что канал аэросмеси имеет конфузорно-диффузорную форму, отношение площади минимального сечения канала к площади его максимального сечения составляет 0,3-0,8. 13. Горелка по п. 10 или 12, отличающаяся тем,что диффузорная часть канала аэросмеси расположена от выходного среза горелки на расстоянии к 0,1, где- высота центрального канала горелки. 14. Горелка по п. 10, отличающаяся тем, что выходной срез внутреннего канала аэросмеси расположен от выходного среза внешнего канала аэросмеси на расстоянии (0,2-,5). 15. Горелка по п. 10 или 14, отличающаяся тем,что каналы аэросмеси выполнены переменного по оси горелки сечения, а именно - площадь внешнего канала аэросмеси в его выходном сечении составляет 1-1,5 от площади выходного сечения внутреннего канала аэросмеси. 16. Горелка по пп. 10-15, отличающаяся тем,что площадь центрального канала составляет 2-15 от суммарной площади горелки. 17. Горелка по пп. 10-16, отличающаяся тем,что площадь образованного внутреннего канала составляет 10-60 от площади центрального канала горелки. 18. Горелка по пп. 10-17, отличающаяся тем,что выходной срез внутреннего канала горелки отстоит от выходного среза центрального канала горелки на расстоянии не меньше чем 0,05.