Горелка с многоэтапным сгоранием топлива в воздухе, обеспечивающая низкий выброс nox (варианты), и способ уменьшения выбросов nox из горелки - RU2242674C2
Код документа: RU2242674C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к горелкам с низким выбросом NOx и, в частности, к горелкам с многоэтапным сгоранием топлива в воздухе, обеспечивающим низкий выброс NOx.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При сгорании топлива в процессе нормальной работы типовой горелки выделяются окислы азота (NOx). Эти окислы соединяются с углеводородами в атмосфере, образуя "смог", который затем при вдыхании может оказать вредное воздействие. Кроме того, Управление по охране окружающей среды в США, а также государственные и местные агентства по борьбе с загрязнением воздушной среды пропустили некоторые законы по охране окружающей среды, обеспечивающие ограничения и технологические стандарты на количество NOx, которое могут выделять технические средства. Эти стандарты продолжают становиться все более жесткими, создавая технологическую необходимость в горелках с низким выбросом NOx.
Уменьшение выбросов NOx из горелки является хорошо известной необходимостью. Например, в патенте США №4004875, выданном Цинку и др. (ниже указываемом как "патент Цинка"), описана концепция горелки с низким выбросом NOx, в которой помимо первичного воздуха обеспечивается подача вторичного воздуха на горячую поверхность горелки. В патенте Цинка первичный воздух подают в количестве, которого недостаточно для полного сгорания топлива. Вторичный воздух вводят на втором этапе для обеспечения полного сгорания топлива. В целом, использование многоэтапного сгорания топлива в воздухе таким образом ведет к уменьшенным выбросам NOx из горелки. Аналогичным образом, в патенте США №4347052, выданном Риду и др., описано использование первичного, вторичного и третичного воздуха в заданных стехиометрических пропорциях для обеспечения многоэтапного сгорания топлива и, таким образом, уменьшения выбросов NOx из горелки. Наконец, в патенте США №4983118, выданном Ховису и др., описано многоэтапное сгорание топлива в воздухе для уменьшения выбросов NOx из регенеративной горелки. Введение вторичного или третичного воздуха во всех этих концепциях горелки демонстрирует хорошо известное использование неполного сгорания для замедления выделения NOx из горелки. Такое замедление имеет место вследствие избытка углекислого газа, водяного пара и метана в горючей смеси в горелке на начальном этапе сгорания.
При ужесточении законов по охране окружающей среды на современном уровне развития техники в технологии еще имеется достаточно возможностей для дополнительного уменьшения выбросов NOx из промышленных горелок. Хотя в вышеуказанных патентах среди всего прочего используется неполное сгорание для уменьшения выбросов NOx, существует необходимость улучшения этой концепции конструкции.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение использует многоэтапное сгорание топлива в воздухе для уменьшения выбросов NOx из горелки и содержит корпус горелки, смежный выходному блоку. Настоящее изобретение также включает в себя топливный канал, соединяющий источник топлива с амбразурой горелки. Жиклеры первичного воздуха соединены с источником воздуха и инжектируют воздух в область первичного сгорания. Этой областью первичного сгорания является амбразура горелки. Жиклеры первичного воздуха могут быть конфигурированы так, чтобы воздух вводился в область первичного сгорания в закрученном состоянии. Поверхность тарелки расположена в выходном блоке, причем поверхность тарелки проходит в угловом расхождении относительно средней линии, проходящей через амбразуру горелки. Наконец, настоящее изобретение использует жиклеры вторичного воздуха, соединенные с источником воздуха. Эти жиклеры вторичного воздуха проходят через выходной блок и инжектируют вторичный воздух в область вторичного сгорания, расположенную ниже по технологической цепочке от области первичного сгорания.
Настоящее изобретение также предусматривает способ уменьшения выбросов NOx из горелки, в соответствии с которым топливо берут из источника топлива и инжектируют в амбразуру горелки через посредство топливного канала, а первичный воздух инжектируют из источника воздуха в область первичного сгорания в амбразуре горелки. Кроме того, это первичное сгорание, потребляющее доступный кислород, осуществляют в среде с большим недостатком воздуха, ограничивающей температуру факела и термовыделение NOx. Топливо подают в горелку и направляют к амбразуре, где первичный воздух и топливо смешиваются друг с другом для образования начальной стадии сгорания. Реакцию горения инициируют в амбразуре горелки. Предпочтительное конвергентное угловое введение воздуха через жиклеры первичного воздуха создает закрученную циклонную конфигурацию, которая образуется вдоль стенок выходного блока и вытягивает и смешивает топливо и рециркулируемые продукты сгорания в циклоне. После этапа первичного сгорания топливовоздушная смесь входит в область вторичного сгорания. Воздух вводят в область вторичного сгорания так, чтобы обеспечить возможность полного сгорания. Продукты сгорания втягиваются в вихрь, образуемый смесью топлива и воздуха в процессе сгорания. Благодаря этому уменьшается общее выделение NOx.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - вид сбоку конструкции горелки одноэтапного сгорания топлива, соответствующей предшествующему уровню техники.
Фиг.2 - вид сбоку первого варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.3 - вид сбоку второго варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.4 - вид сбоку третьего варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.5 - вид спереди варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, иллюстрирующий конфигурацию отверстий жиклеров вторичного воздуха в поверхности тарелки на горелке.
Фиг.6 - вид спереди варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, иллюстрирующий дополнительную конфигурацию отверстий жиклеров вторичного воздуха в горячей поверхности горелки.
Фиг.7 - вид спереди варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, иллюстрирующий еще одну дополнительную конфигурацию отверстий жиклеров вторичного воздуха в горячей поверхности горелки.
Фиг.8 - вид сбоку варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, иллюстрирующий использование множества подач воздуха, применяемых для нерегенеративной горелки.
Фиг.9 - вид спереди варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, иллюстрирующий закручивающую конфигурацию отверстий жиклеров первичного воздуха.
Фиг.10 - вид сбоку варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, иллюстрирующий конфигурацию газового сопла, конфигурированного для инжектирования топлива в двух направлениях.
Фиг.11 - таблица, иллюстрирующая выбросы NOx варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, по сравнению со стандартными горелками, в которых используется эффект флотации.
Фиг.12 - вид сбоку дополнительного варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как следует из фиг.1, конструкция типовой горелки, соответствующей предшествующему уровню техники, содержит корпус 10 горелки, который имеет воздушный канал 14 и топливный канал 12. В зависимости от случая применения воздушный канал 14 может иметь вспомогательную область для средств 18 сохранения тепла. Топливо вводят в топливный канал 12, который направляет топливо через корпус 10 топлива и топливное сопло 22. Весь воздух, требуемый для сгорания топлива, поступает через воздуховвод 16, проходит по воздушному каналу 14 и входит в область сгорания через жиклеры 20 первичного воздуха. Корпус 10 горелки прикреплен к входному блоку 42. Топливо и воздух первоначально смешиваются в амбразуре 40 горелки. Сгорание имеет место в амбразуре 40 горелки и продолжается в манжете 26 и от нее до промежутка, окруженного поверхностью 28 тарелки.
Настоящее изобретение относится к устройству и способу обеспечения многоэтапного сгорания топлива в атмосфере воздуха в горелке с низким выбросом NOx. На фиг.2 иллюстрируется первый вариант осуществления настоящего изобретения. Жидкое или газообразное топливо вводят в корпус 10 горелки через топливный канал 12, где оно проходит через топливное сопло 22 в амбразуру 40 горелки на этапе 24 первичного сгорания. Воздух поступает через воздуховвод 16, где он может проходить или может не проходить через средства 18 сохранения тепла. Воздух проходит через воздушные каналы 14 и разделяется на первичный воздух (то есть первый воздух, вводимый в топливо), который выходит через жиклеры 20 первичного воздуха, и вторичный воздух, который выходит через жиклеры 34 вторичного воздуха.
Как показано на фиг.2 линией 21, из-за струйного действия и угловой ориентации жиклеров 20 первичного воздуха воздух входит в амбразуру 40 горелки закрученным. Такая закрученная конфигурация создается тангенциальными силами и побуждает закрученный воздух проходить вдоль поверхности 28 тарелки выходного блока 42. Такое явление закручивания и адгезии (линия 21) называют "эффектом флотации", которое также создает отрицательный вихрь в центре закрученного воздушного потока. Этот отрицательный вихрь втягивает поток топлива и рециркулируемые продукты полного сгорания в закрученный воздух 21, перемешивая компоненты вместе. На фиг.9 иллюстрируется предпочтительная угловая ориентация жиклеров 20 первичного воздуха.
Технологический процесс сгорания инициируют посредством искры, пускового факела или другим пригодным способом. При зажигании сгорание имеет место в области 24 первичного сгорания. Однако количество топлива для образования смеси с первичным воздухом регулируют так, чтобы это сгорание осуществлялось с большим недостатком воздуха. Условие горения с недостатком воздуха позволяет обеспечить процесс сгорания при использовании всего доступного кислорода, не позволяя полного сгорания и предотвращая чрезмерные термовыделения NOx. Сгорание в условиях недостатка воздуха, связанных с рециркулируемыми продуктами сгорания, втянутыми вихрем, ограничивает температуру факела и уменьшает термовыделения NOx. Кроме того, "эффект флотации" побуждает сгораемую смесь продолжать двигаться по поверхности амбразуры 40 горелки, манжеты 26 и по поверхности 28 тарелки. Это также обеспечивает равномерную температуру и вращающийся факел в выходном блоке 42. Поверхность 28 тарелки проходит так, чтобы иметь угол расхождения относительно средней линии 35, проходящей через продольную ось амбразуры 40 горелки. Характерно, что в случае планарной или плоской поверхности 28 тарелки этот угол расхождения α между поверхностью 28 тарелки и средней линией 35 может иметь величину в диапазоне приблизительно между 25 и 89 градусами (то есть ±5 градусов от любого конца диапазона) при предпочтительном угле α, находящемся между приблизительно 25 градусов и приблизительно 50 градусов (то есть ±5 градусов).
Также предполагается, что поверхность 28 тарелки может иметь постоянно смещающийся угол расхождения α, приводя в результате к образованию рупорообразной поверхности 28 тарелки. Как иллюстрируется на фиг.12, угол расхождения α, измеряемый между средней линией 35 и линией, проходящей тангенциально к скругленной колоколообразной поверхности 28 тарелки, непрерывно смещается. Рупорообразная поверхность 28 тарелки, иллюстрируемая на фиг.12, еще позволяет обеспечивать требуемый эффект флотации с увеличением эффекта флотации жиклерами 34 вторичного воздуха.
При выходе сгораемой смеси из манжеты 26 на поверхность 28 тарелки отрицательный вихрь продолжает протягивать продукты сгорания через смесь из атмосферы топки, в которой используют горелку. Затем эта смесь сталкивается с жиклерами 34 вторичного воздуха, которые открыты в поверхности 28 тарелки. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения эти жиклеры 34 вторичного воздуха ориентированы под углом расхождения. Как иллюстрируется на фиг.2 и 3, жиклеры 34 вторичного воздуха расходятся относительно средней линии 35, проходящей через продольную ось амбразуры 40 горелки. Угол расхождения β между жиклерами 34 вторичного воздуха и средней линией 35 может составлять приблизительно от одного градуса до 89 градусов, однако оптимальный диапазон составляет приблизительно от 15 градусов до примерно 50 градусов (то есть ±5 градусов). Большие углы могут оказаться предпочтительными с точки зрения конфигурации факела, но становятся затруднительными с точки зрения изготовления. Предполагается, что в нормальной конфигурации горелки амбразура 40 горелки, а также топливный канал 12 проходят перпендикулярно выходному блоку 42. Ориентация жиклеров 34 вторичного воздуха под углом расхождения обеспечивает получение аналогичного "эффекта флотации", дополнительно поддерживая отрицательный вихрь. И в этом случае отрицательный вихрь продолжает втягивать воздух-топливо-продукты сгорания вместе в гомогенной смеси. Такая гомогенная смесь, создаваемая посредством использования жиклеров 34 вторичного воздуха, управляет технологическим процессом сгорания и ограничивает температуру факела, ограничивая благодаря этому термовыделения NOx в области 38 вторичного сгорания.
Жиклеры 20 первичного воздуха и жиклеры 34 вторичного воздуха контролируются как в отношении скорости, так и в отношении пропорции разделения воздуха. Обе эти характеристики управляют геометрией факела, конфигурацией сгорания и величиной выбросов, выделяемых из горелки. Более точно, предполагается, что пропорция разделения воздуха находится в пределах от 40/60 (первичный воздух/вторичный воздух) до 75/25 (первичный воздух/вторичный воздух). Как иллюстрируется на фиг.11, при использовании пропорции разделения воздуха 58% первичного воздуха / 42% вторичного воздуха вместе с вышеописываемым вариантом осуществления настоящего изобретения значительно уменьшаются выбросы NOx горелки. Однако эта пропорция разделения воздуха может изменяться в соответствии с использованием окружающего воздуха и других переменных факторов.
На фиг.3 иллюстрируется другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления работает по существу аналогичным образом, что и первый вариант осуществления, описываемый выше. Однако в противоположность жиклерам 34 вторичного воздуха, входящим в поверхность 28 тарелки в ориентации под углом расхождения, жиклеры 34 вторичного воздуха открыты на горячей поверхности 30 в ориентации под углом расхождения. В этом варианте осуществления область 38 вторичного сгорания дополнительно перемещена в топку. Конфигурация закручивания и отрицательный вихрь создаются вследствие углового входа первичного воздуха. Геометрия факела и общий процесс сгорания изменяются в новой ориентации. Смешивание вторичного воздуха с несгоревшим частично прореагировавшим топливом дополнительно задерживается (относительно фиг.2), давая дополнительное уменьшение NOx и увеличенный диаметр факела.
На фиг.4 иллюстрируется третий вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления работает по существу аналогичным образом, что и первый вариант осуществления, описываемый выше. Однако в противоположность жиклерам 34 вторичного воздуха, входящим в поверхность 28 тарелки в ориентации под углом расхождения, жиклеры 34 вторичного воздуха входят в горячую поверхность 30 параллельно средней линии 35, проходящей через продольную ось амбразуры 40 горелки. Геометрия факела и общий процесс сгорания изменяются в новой ориентации. Факел будет более стабильным и даст только незначительно более высокую величину выбросов NOx (относительно первого и второго вариантов осуществления настоящего изобретения).
Хотя текущая подача первичного и вторичного воздуха описана как исходящая из общего источника воздуха, также предполагается, что для подачи жиклеров 34 вторичного воздуха может быть использован источник вторичного воздуха. Например, воздух может подаваться посредством прямых соединений с каналами в выходном блоке 42. Использование альтернативных подач воздуха дает возможность дополнительного управления геометрией факела и характеристиками сгорания посредством изменения стехиометрического состава. Как следует из фиг.8, при использовании нерегенеративной конфигурации грелки жиклеры 34 вторичного воздуха могут подаваться из другого источника воздуха. Например, может быть использовано впускное отверстие 46 вторичного воздуха, обеспечивающее возможность прохождения потока вторичного воздуха через канал 44 вторичного воздуха в жиклеры 34 вторичного воздуха. Это обеспечит возможность использования воздуха с различными качественными и количественными параметрами, чем первичный воздух, обеспечивая дополнительную возможность управления технологическим процессом. Кроме того, каждый из жиклеров 34 вторичного воздуха может иметь идентичный или другой источник воздуха, обеспечивая даже большую возможность управления технологическим процессом.
В других вариантах осуществления число и местоположение жиклеров 34 вторичного воздуха может быть изменено, оказывая влияние на геометрию факела и технологический процесс сгорания топлива. На фиг.5 иллюстрируется первая конфигурация отверстий жиклеров вторичного воздуха, получаемая при использовании четырех жиклеров 34 вторичного воздуха, одинаково отстоящих друг от друга вокруг поверхности 28 тарелки. На фиг.6 иллюстрируется вторая конфигурация отверстий жиклеров вторичного воздуха, получаемая при использовании четырех жиклеров 34 вторичного воздуха, одинаково отстоящих друг от друга на горячей поверхности 30. На фиг.7 иллюстрируется третья конфигурация отверстий жиклеров вторичного воздуха, получаемая при использовании шести жиклеров 34 вторичного воздуха, одинаково отстоящих друг от друга на горячей поверхности 30. Квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидно, что число используемых жиклеров 34 вторичного воздуха и их относительное местоположение могут изменяться. Предпочтительным расположением является расположение жиклеров 34 вторичного воздуха одинаково отстоящими друг от друга, однако неравномерно отстоящие друг от друга жиклеры дадут незначительное изменение в выбросах NOx.
На фиг.10 иллюстрируется другое устройство для регулировки стабильности факела. Более конкретно, при использовании топливного сопла 48, конфигурированного для инжектирования топлива в двух направлениях, получают более равномерное распределение топлива в смеси топливо-первичный воздух. Это вспомогательное введение создаст даже более гомогенную смесь топлива и воздуха.
Квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидно, что без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения могут быть сделаны различные изменения и модификации. Например, эффект закручивания в амбразуре 40 горелки может быть осуществлен посредством закручивания потока топлива вместо закручивания первичного воздуха для горения, как описано выше. Следовательно, предполагается, что настоящее изобретение ограничено только прилагаемыми пунктами формулы изобретения или их эквивалентами.
Реферат
Горелка с многоэтапным сгоранием топлива в воздухе и способ уменьшения выбросов из горелки предназначены для использования в энергетике. Горелка содержит корпус 10, прикрепленный к выходному блоку 42, и топливный канал 12, проходящий через корпус 10 и заканчивающийся в топливном сопле 22, которое инжектирует топливо в амбразуру 40. Жиклеры 20 конфигурированы для инжектирования первичного воздуха в область 24 первичного сгорания, которая, как правило, находится в амбразуре 40. Тарелка с поверхностью 28 соединена с амбразурой 40, причем поверхность 28 тарелки проходит под углом расхождения относительно средней линии 35 горелки. Жиклеры 34 соединены с воздушным каналом 14, проходят через выходной блок 42 и инжектируют вторичный воздух в область 38 вторичного сгорания, которая может быть расположена на поверхности 28 тарелки или на горячей поверхности 30 горелки. Изобретение обеспечивает уменьшение вредных выбросов. 3 н. и 37 з.п. ф-лы, 12 ил.
