Горелка (ее варианты), способ оптимизации сгорания в горелке и способ преобразования традиционной горелки

 

Использование: варианты горелок, способ оптимизации сгорания и способ преобразования традиционной горелки, могут быть использованы в теплотехнических установках. Сущность: горелка 10 системы сгорания с низким выбросом NO_x, которая может регулироваться в отношении оптимальных скоростей сгорания, уровней температуры и кислорода. Горелка 10 содержит множество газовых сопл 38, которые индивидуально вбирают воздух для зоны сгорания, и образующий вращательное завихрение вентиляционный диффузор 28 для вращения и смешивания газов в зоне первичного сгорания 24. Диффузор 28 аксиально может регулироваться, чтобы изменять расстояние между вентилятором (вентиляционными лопастями) и зоной первичного сгорания 24, тогда как лопасти 30 диффузора 28 могут регулироваться в угловом положении для оптимизации вращения и смешивания газов. Воздух для сгорания подается через первичный 20, вторичный 42 и третичный 54 проходы для образования разных зон сгорания для полного сгорания. Скорость подачи воздуха для зоны сгорания управляется посредством вентиляционной заслонки 26 в соответствии с характеристиками сгорания. Угловое и аксиальное положения диффузора и вентиляционной заслонки, управляющей воздухом для зоны сгорания, могут автоматически регулироваться во всем диапазоне сжигания горелки 10 в соответствии с требуемыми уровнями. Чтобы преобразовать существующие горелки в эффективную горелку с низким выбросом NO_x согласно настоящему изобретению, камера первичного воздуха может быть модернизирована в основную камеру горелки. В другом варианте реализации топочный газ подвергается рециркуляции и смешивается непосредственно с горючим топливом перед сгоранием с пониженными уровнями выбросов. 6 с. и 23 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к горелке, обеспечивающей в выбросе продуктов сгорания пониженное содержание оксидов азота NO_x, в частности к горелке, в которой скорости подачи потока и смеси могут изменяться в соответствии с характеристиками сгорания и требуемой скоростью горелки. Специальные средства регулировки существующей горелки могут быть модернизированы.

Горелки с системами сгорания стали предметом повышенного исследования в отношении токсичных выбросов, которые являются побочным продуктом процесса сгорания. В зависимости от степени сгорания содержание в продуктах сгорания моноксида углерода и NO_x может достигать недопустимых уровней. Уровни моноксида углерода нормально могут управляться путем полного сгорания, приводящего к образованию диоксида углерода. Однако три фактора способствуют образованию NO_x в системе сгорания. Первый и наиболее широко признанный это температура пламени. Большинство систем включают в себя ступенчатую подготовку топлива и воздуха для снижения концентрации пламени и достижения высоких температур. Второй фактор это избыточные уровни O₂. Более высокие уровни O₂ имеют тенденцию создавать больше кислорода для взаимодействия с азотом; однако более высокие уровни O₂ ведут к избыточному воздуху, который имеет тенденцию компенсировать эффект пониженных температур. Ламинарная смесь в большинстве текущих горелок с низким содержанием NO_x требует больше O₂ для полного сгорания. Если используются более низкие уровни O₂, то результатом будет неполное сгорание в форме монооксида углерода. Третий фактор это продолжительность пребывания в зоне критической температуры, что по существу игнорируется в современных горелках, потому что сниженная продолжительность означает более высокие скорости, образующие недопустимые температуры.

Одним из распространенных средств снижения уровней NO_x является использование внешней, вызываемой или форсируемой рециркуляции газового топлива (FgR). Обычно неправильное представление о FgR состоит в том, что процесс разрушает NO_x в первоначальном газовом топливе. Однако недавние исследования показали, что FgR просто снижает или разбавляет фронт пламени, тем самым снижая образование NO_x. Далее рециркуляция наружного топочного газа ведет к более высокой температуре и увеличивает объем воздуха в зоне сгорания, образуя более высокие перепады давления в системе, требующей большей мощности, приводя к более высоким скоростям, а также снижению теплопередачи, тем самым снижая эффективность горелки.

Некоторые изготовители горелок разработали системы с низким образованием NO_x, со смешанными результатами. Хотя выбросы NO_x системами снижены, многие системы не отвечают требованиям строгих уровней эмиссии. Кроме того, современные горелки специально сконструированы для конкретного применения, и не смогут управлять эмиссиями в других системах сгорания или при других условиях по причине их негибкости адаптирования. Попутный недостаток известных предшествующих систем в том, что если эмиссии NO_x уменьшаются, уровни монооксида углерода (CO) увеличиваются.

Наиболее близкой из предшествующего уровня техники по техническому существу и достигаемому результату является горелка по первому варианту, содержащая камеру с центральным воздушным каналом для подачи, по крайней мере, части воздуха для зоны горения, множество сопл, радиально разнесенных вокруг центрального канала, сообщенных с источником топлива и выполненных с возможностью выпуска выходящего из них агента в зону первичного сгорания, лопастной завихритель, расположенный в центральном канале, и средство для управления объемом воздуха, подаваемого через центральный канал в зону горения, а также узел подачи вторичного воздуха, размещенный в зоне упомянутых сопл [1] По второму варианту известна горелка, содержащая камеру с центральным воздушным каналом, сообщенным с источником воздуха через регулирующую заслонку и снабженным лопастным завихрителем, множество сопл, радиально разнесенных вокруг центрального канала, сообщенных с источником топлива и выполненных с возможностью впуска выходящего из них агента ниже, по ходу потока, лопастного завихрителя и узел подачи вторичного воздуха, размещенный в зоне упомянутых сопл [1] По третьему варианту известна горелка, содержащая камеру с установленным в ней корпусом, образующим центральный канал и наружный кольцевой зазор, сообщенные с источником воздуха через средство регулирования объемов последнего, радиально разнесенные вокруг корпуса сопла, подключенные к источнику топлива, и установленный в центробежном канале лопастной завихритель [1] По четвертому варианту известна горелка, содержащая камеру, разделенную соосным корпусом на наружный кольцевой зазор и центральный канал, подключенные оба к источнику воздуха, сообщенные с источником топлива множество сопл, радиально разнесенные вокруг корпуса и направленные выходными участками в центральный канал, снабженный лопастным завихрителем, расположенным выше по ходу потока, выходных участков сопл [1] Известен способ оптимизации сгорания в горелке при одновременном снижении выбросов окислов азота в результате сгорания, заключающийся в том, что через центральный канал и по крайней мере один наружный кольцевой зазор подают регулируемые по объему с помощью заслонки потоки воздуха, причем воздух центрального канала закручивают с помощью лопастного завихрителя и в него после закрутки подают топливо через радиально разнесенные вокруг центрального канала множество сопл [1] Известен также способ преобразования традиционной горелки в горелку с низким выбросом окислов азота, заключающийся в том, что в камеру с радиально разнесенным множеством топливных сопл в пространство, обрамленное последними, вставляют центральный корпус, образующий в камере центральный канал и наружный кольцевой зазор для подачи соответственно в зоны горения первичного и вторичного воздуха, а в центральном канале устанавливают лопастной завихритель, причем выходные участки сопл направляют в центральный канал для обеспечения подачи топливовоздушной смеси в зону первичного горения [1] Настоящее изобретение устраняет недостатки известных систем горелок путем создания горелки с низким образованием NO_x, имеющей регулируемую конструкцию, для применения во многих различных системах и в соответствии с различными рабочими условиями. Как результат, горелка согласно настоящему изобретению может устанавливаться как модернизирующее приспособление на существующих конструкциях горелок.

Горелка с низким образованием NO_x согласно настоящему изобретению содержит множество коаксиальных проходов, через которые текут газообразные продукты сгорания. Первичный воздух течет через внутренний канал, в котором установлен вентилятор. Вентилятор может аксиально регулироваться для оптимизации сгорания. Поток первичного воздуха из воздушной коробки форсируемого воздуха в горелку управляется посредством вентиляционной заслонки, имеющей регулируемые жалюзи, для дальнейшего улучшения сгорания. Когда первичный воздух проходит через вентилятор, то последний приводится во вращение и смешивает воздух с топливом, подаваемым через серии выпускных сопл, радиально разнесенных вокруг зоны первичного сгорания. Сопла смешивают топливо с воздухом вторичного сгорания из воздушной коробки перед пропусканием в камеру сгорания. Альтернативно рециркулируемое газовое топливо может смешиваться с топливом с соплах эжектора. Горловина камеры, образованная из жаропрочных материалов, образует зону вторичного сгорания, где переизлучение от жаропрочной горловины нагревает смесь топлива/воздуха и ускоряет процесс сгорания. Окончательное третичное сгорание происходит в зоне третичного сгорания за жаропрочной горловиной, где происходит ламинарное смешивание в результате подачи третичного воздуха, который обходит начальные зоны сгорания. Таким образом, три разных зоны сгорания и две зоны рециркуляции, которые образованы, снижают эмиссии NO_x.

При модернизации существующих горелок применяются те же принципы для оптимизации сгорания и снижения эмиссий NO_x. Камера или зона первичного сгорания с регулируемым вентиляционным диффузором устанавливается коаксиально в камере сгорания существующей горелки, тем самым образуя воздушное кольцо для подачи вторичного воздуха, в котором располагаются существующие топливные прижимы. Вентилятор (вентиляционная лопатка) может аксиально и в угловом положении регулироваться для оптимизации сгорания. Дополнительно предусмотрено устройство крестовины в топливном патрубке, которое направляет топливный газ внутрь в сторону зоны первичного сгорания для облегчения оптимального смешивания топлива и воздуха. Первичный воздух снова закручивается регулируемым вентиляционным диффузором для образования оптимальной смеси воздух/топливо для первичного сгорания. Вторичный воздух проходит в топливный патрубок для смешивания и сгорания в зоне вторичного сгорания ниже (по ходу процесса) зоны первичного сгорания.

Система, согласно настоящему изобретению, снижает эмиссии NO_x без образования повышенных эмиссий CO, как в прежних известных горелках, путем оптимизации объема и смеси воздуха, поступающего в зону сгорания для зон предварительных ступеней сгорания. В свою очередь, температура сгорания и длительность пребывания газообразных продуктов сгорания управляются с помощью различных средств регулирования системы горелки. Соответственно уровни эмиссии NO_x снижаются путем управления уровнями O₂ в зонах горения, температуры рециркулируемых газообразных продуктов сгорания и длительности пребывания в горелке. Эти параметры управляются путем изменения делительного угла лопаток диффузора, длины камеры или зоны от вентиляционного диффузора до топливных сопл, и отношения воздуха первичного сгорания, текущему через центральный канал, к воздуху вторичного и третичного (если есть) сгорания, протекающего в последующие зоны сгорания. Дополнительно настоящая система включает в себя рециркуляцию внутреннего топочного газа, который поддерживает температуру рециркулируемых газов при обеспечении полного сгорания.

Другие цели, отличия и преимущества изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания, взятого со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показан вид в перспективе в поперечном сечении горелки с низким содержанием NO_x, представляющей вариант реализации настоящего изобретения; на фиг.2 торцевой вид ее; на фиг.3 боковое поперечное сечение по линиям 3-3 на фиг. 1; на фиг.4 боковое поперечное сечение по линиям 4-4 на фиг.1; на фиг. 5 вид в увеличенном масштабе участка, обведенного окружностью 5 на фиг. 1; на фиг.6 торцевой вид по линиям 6-6 на фиг.1; на фиг.7 вид в плане вращающейся вентиляционной лопатки, используемой в настоящем изобретении; на фиг.8 боковой вид вентиляционной лопатки; на фиг.9 вид в перспективе в поперечном сечении другого варианта реализации горелки с низким содержанием NO_x в отходящих газах согласно настоящему изобретению и на фиг.10 и 11 виды в перспективе в поперечном сечении еще одного варианта реализации модернизированной горелки с низким содержанием NO_x согласно настоящему изобретению; на фиг. 12 и 13 виды в перспективе в поперечном сечении дополнительного варианта реализации модернизированной горелки с низким содержанием NO_x согласно настоящему изобретению; на фиг.14 вид в перспективе в поперечном сечении другого варианта реализации горелки с низким содержанием NO_x в выхлопных газах, включающей рециркуляцию топливного газа для улучшения температуры и разбавления пламени.

На чертежах показано несколько вариантов реализации горелки с низким содержанием NO_x в отходящих газах согласно настоящему изобретению. Фиг.1 показывает высокой эффективности горелку 10 с низким содержанием NO_x в отходящих газах оригинальной конструкции, тогда как фигуры 9-11 показывают модернизированную горелку 100, которая преобразует хорошо известную традиционную горелку в высоко эффективную горелку с низким содержанием NO_x в отходящих газах при реализации в соответствии с принципами настоящего изобретения. В случае утверждения более жестких стандартов в отношении отходящих газов для всех типов систем сгорания, устранение или снижение выбросов азотных оксидов, таких как NO_x и CO становится чрезвычайно важным. Варианты реализации настоящего изобретения обеспечивают горелку высокой эффективности, в которой температура пламени, скорость сгорания и т.п. строго управляются и нежелательные эмиссии значительно снижаются благодаря точной регулировке смеси топливо-воздух в соответствии с параметрами системы сгорания. Настоящее изобретение облегчает автоматическое регулирование горелки в соответствии со специфической системой сгорания и ее скоростью.

На фиг. 1-6 включительно горелка 10 согласно настоящему изобретению включает в себя наружный корпус 12, приспособленный скрепляться болтами или свариваться со стенкой 14 бойлера или аналогичной структурой. В горелку 10 по трубопроводу 16 подается воздух, поступающий в зону сгорания, из воздушной коробки с принудительным воздухом, и по трубопроводу 18 подается горячее топливо, такое как газ нефтепереработки или природный газ. Когда горячее топливо подается непосредственно в зоны внутреннего сгорания горелки 10, воздух для зоны горения может течь по первичной, вторичной или третичной траекториям для облегчения полного сгорания.

Поток первичного воздуха направляется через центральный канал 20, образованный внутренним цилиндрическим корпусом 22. Центральный канал 20 сообщается с патрубком 16 воздуха для зоны сгорания на одном конце и с зоной 24 первичного сгорания на своем другом конце. Чтобы управлять потоком воздуха для зоны сгорания в центральном канале установлена вентиляционная заслонка 26 с селективно регулируемыми жалюзи, расположенная на входе в центральный канал 20. Вентиляционная заслонка 26 может селективно регулироваться, чтобы управлять объемом потока не только в траектории первого воздуха, но и в траекториях вторичного и третичного воздуха. Так как воздух для зоны сгорания, текущий по трубопроводу 16, является по существу постоянным, снижение потока в первичной траектории будет отклонять поток в направлении вторичной и третичной траекторий. В центральном воздушном канале 20 установлен диффузор 28, имеющий множество вентиляционных лопастей 30 для придания смеси вращения на воздухе для зоны сгорания, текущего через него. Вентиляционный диффузор 28 расположен между направляющими диффузора 32, радиально разнесенными вокруг корпуса 22. Аксиальный стержень 34 соединен со втулкой диффузора 28 и проходит наружу из горелки 10 через торцевую стенку 36. Соответственно поток первичного воздуха будет следовать через диффузор 28 и после диффузора 28 через кольцевой зазор 33 между лопастями 30 и корпусом 22. Размер этого кольцевого зазора 33 выбирается специально для образования зоны пониженного давления вдоль корпуса 22, что предотвращает разрушение вращательного завихрения, вызываемого вентиляционным диффузором. Диффузор 28 не закреплен в центральном канале 20 и может аксиально регулироваться посредством манипулирования стержнем 34 диффузора. Осевое положение диффузора 28 и делительный угол лопастей 30 будет определять вращение смеси первичного воздуха, когда он входит в зону 24 первичного сгорания.

Регулируемый диффузор 28 облегчает образование зоны оптимального низкого давления за фронтом пламени для содействия максимальной рециркуляции в зоне сгорания 24.

Топливо и вторичный воздух подаются в камеру сгорания 24 через множество впускных сопл 38, радиально расположенных в корпусной стенке 22 центрального канала 20, с тем, чтобы направлять смесь топливо-воздух в камеру сгорания 24. Топливо из трубопровода 18 течет в кольцевую камеру 40, чтобы питать все сопла 38. Воздух вторичного сгорания течет из патрубка 16 воздушной коробки в кольцевую камеру 42, образованную коаксиально с центральным каналом 20. Как лучше видно на фиг.5, топливо под давлением течет в первый конец 44 сопла 38, который содержит заменяемый ограничитель 46, имеющий канал 48. Предполагается, что ограничитель 46 будет выбран с требуемым каналом 48, чтобы оптимизировать смесь топлива и воздуха в сопле 38. Воздух для зоны сгорания из воздушной коробки с принудительным воздухом входит в сопло через один или больше боковых каналов 50, которые сообщаются с камерой 42. Таким образом, смесь топлива и воздуха в сопле 38 под действием напора топлива, создающего сужение струи в зазоре воздуха сопла 38, выбрасывается через второй конец 52 сопла 38 в камеру 24, где происходит сгорание.

Третичный воздух обходит зоны начального сгорания, проходя через наружную кольцевую камеру 54, которая сообщается с патрубком 16 и концом горелки 10. В выпускном конце камеры 54 расположено множество опорных направляющих 56, которые расположены под углом, чтобы придавать вращение смеси на третичном воздухе при его выходе из камеры 54 и входе в жаропрочную горловину 58 и зону конечного сгорания 60. Жаропрочная горловина 58 выполнена из жаропрочных материалов 62, которые ограничивают поток и вызывают рециркуляцию газов для полного сгорания. Аналогичным образом камера внутреннего сгорания 24 футерована жаропрочными материалами 64. Жаропрочный материал излучает тепло, образующееся при сгорании, и тем самым нагревает поступающий в рециркулируемый воздух для зоны сгорания, чтобы повысить скорость сгорания.

Дополнительно к изготовленной горелке 10 принципы настоящего изобретения могут применяться для модернизации существующих горелок для преобразования их в горелку 100 с низким содержанием NO_x в отходящих газах, как показано на фиг. 9-11. Традиционная горелка содержит корпус 102, который прикрепляется болтами или приваривается к стенке 114 бойлера с тем, чтобы направлять пламя сгорания в сторону бойлера. Множество радиально разнесенных топливных прижимов 104 проходит продольно через корпус 102 примерно до жаропрочной горловины 158. Топливные прижимы (прижимные планки) 104 содержат топливные каналы 106, из которых выбрасывается топливо в камеру сгорания 124, где смешивается с воздухом и сжигается.

Модернизация при преобразовании состоит из установления вторичного корпуса 122 коаксиально в основном корпусе 102, образующим центральный канал 120 и кольцевую камеру 108. Корпус 122 содержит вентиляционную заслонку 126 для управления объемом воздуха для зоны сгорания, текущем в центральном канале 120. Аналогичным образом скользящее кольцо 110 управляет потоком воздуха в камеру 108 в соответствии с вентиляционной заслонкой 126, если поток ограничивается через вентиляционную заслонку 126, увеличенный поток воздуха для зоны сгорания будет направляться в кольцевую камеру 108. В центральном воздушном канале 120 расположен вращательный диффузор 128 со множеством вентиляционных лопаток 130. Диффузор 128 расположен между направляющими 132 и аксиально может регулироваться для оптимизации сгорания при одновременном снижении выброса оксидных соединений азота. Дополнительно лопатки или лопасти 130 диффузора 128 могут регулироваться в своем угловом положении, чтобы придать оптимальное вращение смеси на воздухе, протекающем через центральный канал 120. Регулируемый вращающий диффузор 128 облегчает образование зоны оптимального низкого давления за фронтом пламени для содействия максимальной рециркуляции в горелке 100.

Чтобы ввести топливо в контакт с воздухом первичного сгорания, протекающего в центральном воздушном канале 120, предусмотрены прижимы 104 первоначального топлива в направленным внутрь газовым патрубком 138, имеющем множество отверстий 152, направляющих топливо в камеру сгорания 124 ниже (по ходу процесса) диффузора 128. Воздух вторичного сгорания будет течь через наружную кольцевую камеру 108 позади концов топливных прижимов 104. Часть вторичного воздуха будет рециркулировать в пламя сгорания, тогда как остальной воздух будет течь за прижимы 104 в зону конечного сгорания 160 позади жаропрочной горловины 158. В этой конструкции фронт первичного пламени будет создаваться в корпусе 122 в зоне сгорания 124 и будет субстехиометрически уменьшать атмосферу с целью устранения кислорода, необходимого для образования NO_x. Сгорание будет завершаться ниже (по ходу процесса) в более холодной зоне сгорания 160.

Описанная модернизированная система 100 показана для снижения уровней NO_x по 40 ppm (частей на миллион) без рециркуляции топочного газа. Это составляет от первоначальных уровней примерно от 55 ppm до 65 ppm. Каждая из систем образует свои зоны смешивания со ступенчато подготовленными зонами сгорания, имеет регулировку пропорций первичного, вторичного и третичного воздуха, используя одну вентиляционную заслонку, и обеспечивает создание зоны оптимального низкого давления за фронтом пламени посредством регулировки диффузора 28, 128. Диффузор 28, 128 может регулироваться либо путем регулирования углового положения лопастей 30, 130, либо путем максимального регулирования положения диффузора 28, 128 относительно топливных струй 38, 138. Регулировка диффузора 28, 128 предназначена управлять длительностью пребывания воздуха для зоны сгорания и топлива в камере сгорания. Лопасти 30, 130 диффузора выполнены пропорционально относительно диаметра центрального воздушного канала 20, 120, так что вращение смеси передается газам, вызывая одно полное вращение до достижения зоны сгорания, тем самым снижая образование кислорода путем управления длительностью пребывания топлива в зоне сгорания. Регулировки управляют длиной камеры между лопастями 28, 128 диффузора и вводом горючего топлива 38, 138 относительно диаметра центрального воздушного канала 20, 120 (длина/диаметр). Шаг (делительный угол) лопастей и осевое положение диффузора 28, 128 регулируется, так что завихрение или вращение первичного воздуха меньше, чем один полный оборот до достижения струй (сопл) 38, 138 (оптимально 0,6 оборота) для обеспечения полного сгорания. Если вращение воздуха для зоны сгорания слишком быстрое, избыточный воздух будет двигаться через зону сгорания, давая возможность образования NO_x, так как скорость воздуха быстрее, чем он может быть использован в сгорании. Дополнительно при слишком большом вращении пламя может быть оттянуто назад к подаче топлива, приводя к взрыву или плавлению топливных прижимов. Аналогичным образом вентиляционная заслонка 26, 126 управляет подачей воздуха, текущего в зону сгорания 24, 124, чтобы поддерживать зону сгорания в стехиометрическом положении, тем самым снижая O₂ и образование азотных оксидов.

Фиг. 10-13 показывают дальнейшие варианты реализации модернизированных горелок с низким содержанием NO_x в отходящих газах, иллюстрируя преобразование хорошо известных традиционных горелок. Фиг. 10 и 11 иллюстрируют модернизацию при преобразовании горелки 200, обычно известную как "Горелка Цурна". Фиг. 12 и 13 иллюстрируют модернизацию горелки 300, известную как "Горелка Коэна". Обе представляют дальнейшие примеры модернизации систем, которые могут содержать принципы и отличительные признаки настоящего изобретения.

На фиг.10 и 11 система горелки 200 включает в себя серию топливных прижимов 238 и воздушный смеситель 202, соединенный с валом 234. Воздух для зоны сгорания подается в одинарную камеру 204 через вентиляционную заслонку 226 управления воздушным потоком. Преобразование этой системы в горелку с низким содержанием NO_x в отходящих газах требует образования внутренней центральной камеры 222 для образования центрального воздушного канала 220 и наружной кольцевой камеры 242. В этом преобразовании внутренняя камера 222 содержит первую стенку 223 и большего диаметра вторую стенку 225. Дополнительно вентиляционный диффузор 228 устанавливается с возможностью регулирования в стенке 223 с кольцевым зазором 232, и многочисленные топливные патрубки 239, 241 направляют топливо в индивидуальные зоны сгорания преобразованной горелки 200. В этой системе 200 воздух для зоны сгорания от вентиляционной заслонки 226 течет в центральный воздушный канал 220 и наружный кольцевой проход 242. Первичный воздух течет через канал 220, в котором вращающий диффузор 228 вводит вращающуюся смесь. Вторичный воздух течет через зазор 243 между первой и второй стенками для вторичных смеси и сгорания. Третичный воздух течет в зону 260 вторичных смеси и сгорания. Третичный воздух течет в зону 260 третичного сгорания. Так как горелка 200 Пурна является горелкой на высоком водороде в качестве топлива, топливо подается непосредственно в зоны сгорания для полного сгорания. Как в случае других вариантов реализации, угловое и осевое положения диффузора 228 и смесь воздуха для зоны сгорания управляются, чтобы снизить выбросы NO_x.

Как показано на фиг.12 и 13, горелка Коэна 300 содержит основную камеру 302 и внутреннюю зону 322. Топливные прижимы 338 направляют топливо в зону сгорания. Преобразование требует монтажа вентиляционного диффузора 328, который может регулироваться в осевом и угловом положении, и патрубка 328 спидера, соединенного с топливными прижимами. В результате этого правильная смесь образуется диффузором 328 в то время, как топливо направляется внутрь патрубком 338.

Фиг. 14 показывает другую горелку 400, представляющую вариант реализации настоящего изобретения, который рециркулирует топочный газ для индуцирования и смешивания с топливом и соплах эжектора 438 (выпускных соплах). В результате этого топочный газ принудительно подвергается рециркуляции для смешивания непосредственно с топливным горючим, приводя к улучшенному разбавлению пламени и снижению температуры. В типичных системах рециркуляции газообразного топлива 20% рециркуляции топочного газа приводит к разбавлению пламени и снижению температуры примерно до 7% В противоположность этому 5% рециркуляции в системе 400 дает уровни разбавления 8-9% В системе принудительной рециркуляции 400 на фиг.14 отверстие (канал) 450 выпускных сопл 438 сообщается с камерой 442. Топочный газ из зоны сгорания 424 рециркулирует в камеру 442 через трубопровод 441. Топливо течет в конец 444 сопл 438 из камеры 440, которая сообщается с трубопроводом 418. В результате этого, когда горючее топливо побуждается в сопла 438, рециркулируемый топочный газ будет втягиваться в сопла 438 и смешиваться с горючим топливом перед сгоранием, так как смесь течет из выпускных сопл. Как альтернатива, окружающий воздух может подаваться в камеру 442 для смешивания с горючим топливом аналогично системе с принудительным воздухом первого варианта реализации. Этот принцип смешивания рециркулируемого топочного газа с топливом перед сгоранием может также применяться к модернизированным системам путем индуцирования этой смеси до того, как топливо достигнет зоны сгорания горелки. Устройство Вентури может быть включено в топливную линию для индуцирования предпочтительной смеси. Регулируемые аспекты системы горелки согласно настоящему изобретению предназначены регулироваться для специальной системы сгорания, которая будет использоваться. Угловое положение лопастей диффузора, осевое положение диффузора и отверстие вентиляционной заслонки могут все устанавливаться индивидуально в соответствии с известными параметрами системы горелки, именно тип топлива, требуемая температура, скорость сгорания и т.п. Это в частности важно в системе модернизированного преобразования, где установлены рабочие параметры. В настоящем изобретении первичное сгорание происходит у топливных сопл 38, 138, где происходит первоначальное смешивание топлива и воздуха. Продукты первичного сгорания, которые примерно на 60% сгораемые, поступают в футерованную жаропрочным материалом зону сгорания 24, 124, где происходит дальнейшее смешивание с воздухом для зоны сгорания от центрального воздушного канала 20, 120 и диффузора 28, 128. Вторичное сгорание производится в этой высоко управляемой зоне, где переизлучение от жаропрочного материала нагревает продукты, тем самым ускоряя процесс сжигания, который потребляет примерно 80% оставшихся горючих продуктов. Конечное третичное сгорание происходит в зоне печи, где происходит ламинарное смешивание. Таким образом, система образует три разных зоны сгорания и рециркуляции в двух зонах с результатом низкого содержания NO_x в отходящих газах. Разные зоны сгорания образуются путем создания зон низкого давления в горелке, именно непосредственно ниже (по ходу процесса) вентиляционного диффузора 28, 128 и на выходе обходного воздуха. Зона низкого давления смежно с диффузором находится под воздействием шага вентиляционных лопастей 30, 130 когда вентиляционный диффузор открывается, давление позади пламени снижается. Это требует регулирования отношения первичного ко вторичному или третичному воздуху через использование вентиляционной заслонки 26, 126. Необходимо оптимизировать это отношение для управления воздухом, текущим в горелку, тем самым управляя уровнями O₂, чтобы произвести оптимальное сгорание без увеличения образования эмиссий NO_x.

Несколько средств регулировки системы горелки согласно настоящему изобретению создает систему очистки от NO_x, в которой уровни эмиссии могут оптимально управляться в полном диапазоне требуемых уровней модулируемой горелки. Система очистки от NO_x автоматически регулирует угловое и осевое положение вентиляционного диффузора, чтобы изменять индекс завихрения смешивания воздуха для зоны сгорания, отношение воздуха центральной зоны к воздуху кольцевой зоны, и уровни O₂ в горелке в диапазоне всех требуемых уровней горелки. Эти регулировки могут определяться оптимально в диапазоне всех этих уровней горелки, так что когда эти уровни достигаются, система очистки автоматически регулирует компоненты системы для снижения уровней эмиссии. Типичные предшествующие известные горелки имеют свои уровни эмиссии, установленные для работы в номинальном рабочем диапазоне, жертвуя уровнями эмиссии, когда требуемые уровни выходят за этот диапазон. Несколько регулирующих средств согласно настоящему изобретению обеспечивают непрерывное автоматическое управление уровнями эмиссии во всех рабочих требуемых диапазонах. Современные горелки требуют непрерывного контроля уровней NO_x от горелки. Данные от этих систем контроля могут использоваться для автоматического регулирования системы очистки от NO_x согласно настоящему изобретению.

Формула изобретения

1. Горелка для снижения выбросов окислов азота при сгорании, содержащая камеру с центральным воздушным каналом для подачи по крайней мере части воздуха для зоны горения, множество сопел, радиально разнесенных вокруг центрального канала, сообщенных с источником топлива и выполненных с возможностью выпуска выходящего из них агента в зону первичного сгорания, лопастной завихритель, расположенный в центральном канале, и средство для управления объемом воздуха, подаваемого через центральный канал в зону горения, а также узел подачи вторичного воздуха, размещенный в зоне упомянутых сопел, отличающаяся тем, что сопла, сообщенные с источником топлива, и узел подачи вторичного воздуха выполнены в виде множества эжекторов, впускные сопла которых направлены в центральный канал для подачи в него смеси топлива и воздуха.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что завихритель содержит множество лопастей, установленных с возможностью регулирования делительного угла между ними для оптимизации вращения смеси воздуха с горючим газом, подаваемым на сжигание.

3. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что лопастной завихритель установлен с возможностью аксиального перемещения в центральном воздушном канале для изменения расстояния относительно зоны первичного сгорания.

4. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что узел подачи вторичного воздуха к эжекторам выполнен принудительно активного типа.

5. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит камеру рециркуляции топочного газа, сообщенную с упомянутыми эжекторами.

6. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит канал третичного воздуха, выходной участок которого направлен за зону первичного горения по ходу потока для образования зоны конечного сгорания.

7. Горелка по п. 6, отличающаяся тем, что средство для управления объемом воздуха выполнено в виде заслонки, перераспределяющей объемы воздуха между узлом вторичного воздуха, а также каналами третичного и первичного воздуха, путем изменения объема подаваемого в последний.

8. Горелка по п. 7, отличающаяся тем, что она содержит горловину, выполненную в виде заменяемых элементов из жаропрочного материала.

9. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что образующая центрального канала выполнена в виде съемной обечайки.

10. Горелка по п. 7, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью независимого регулирования продольного перемещения завихрителя, изменения делительного угла между лопастями последнего, а также изменения объема смеси, подаваемой впускными соплами эжекторов.

11. Горелка для снижения выбросов окислов азота при сгорании, содержащая камеру с центральным воздушным каналом, сообщенным с источником воздуха через регулирующую заслонку и снабженным лопастным завихрителем, множество сопел, радиально разнесенных вокруг центрального канала, сообщенных с источником топлива и выполненных с возможностью впуска выходящего из них агента ниже по ходу потока лопастного завихрителя, и узел подачи вторичного воздуха, размещенный в зоне упомянутых сопел, отличающаяся тем, что сопла, сообщенные с источником топлива, и узел подачи вторичного воздуха выполнены в виде множества эжекторов для образования топливовоздушной смеси, направленных впускными соплами в центральный канал для подачи указанной смеси в зону первичного горения, горелка также дополнительно содержит жаропрочную горловину и канал подачи третичного воздуха с выходным участком, расположенным за указанной горловиной в зоне конечного сгорания, а лопастной завихритель установлен с возможностью продольного перемещения относительно впускных сопел эжекторов.

12. Горелка по п. 11, отличающаяся тем, что каждый эжектор выполнен в виде сообщенного с источником топлива патрубка с по крайней мере одним отверстием в боковой стенке, подключенным к источнику вторичного воздуха.

13. Горелка по п.12, отличающаяся тем, что патрубок и отверстие в его боковой стенке выполнены с возможностью регулирования их проходных сечений.

14. Горелка по п. 11, отличающаяся тем, что лопасти завихрителя установлены с возможностью регулирования делительного угла между ними.

15. Горелка по п. 11, отличающаяся тем, что регулирующая заслонка выполнена в виде поворотных жалюзи, установленных с возможностью перераспределения объемов воздуха между источником вторичного воздуха, а также каналами третичного и первичного воздуха путем изменения объемов воздуха, подаваемого в последний.

16. Горелка, содержащая камеру с установленным в ней корпусом, образующим центральный канал и наружный кольцевой зазор, сообщенные с источником воздуха через средство регулирования объемов последнего, радиально разнесенные вокруг корпуса сопла, подключенные к источнику топлива, и установленный в центральном канале лопастной завихритель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средство для подачи топочных газов в центральный канал, корпус выполнен в виде модернизирующего вкладыша, лопастной завихритель установлен в воздушном канале с возможностью аксиального перемещения для изменения расстояния до выходных участков сопел, а средство для изменения объемов воздуха, подаваемого в центральный канал и наружный зазор, выполнено в виде селективного распределителя.

17. Горелка по п. 16, отличающаяся тем, что средство для подачи топочных газов в центральный канал включает патрубок и соответствующее количество ячеек, сообщенных с этим патрубком и источником топлива и подключенных через упомянутые сопла к центральному каналу.

18. Горелка по п. 17, отличающаяся тем, что лопастной завихритель выполнен с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра корпуса, для образования кольцевого зазора, а лопасти завихрителя установлены с возможностью изменения делительного угла между ними.

19. Горелка по п. 18, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью независимого регулирования продольного перемещения завихрителя, делительного угла между лопастями последнего, а также изменения расхода воздуха, подаваемого в центральный канал.

20. Горелка по п. 16, отличающаяся тем, что селективный распределитель объемов воздуха выполнен в виде заслонки, обеспечивающей управление подачей воздуха, подаваемого в центральный канал для смешения с топочным газом и подачи полученной смеси в зону первичного горения, а также подачей воздуха, подаваемого в наружный кольцевой зазор, объединяющегося с потоком, выходящим из зоны первичного горения в зону вторичного горения.

21. Горелка, содержащая камеру, разделенную соосным корпусом на наружный кольцевой зазор и центральный канал, подключенные оба к источнику воздуха, сообщенные с источником топлива множество сопел, радиально разнесенных вокруг корпуса и направленных выходными участками в центральный канал, снабженный лопастным завихрителем, расположенным выше по ходу потока выходных участков сопел, отличающаяся тем, что соосный корпус выполнен в виде узла модернизации, а лопастной завихритель установлен с возможностью продольного перемещения для изменения расстояния относительно выходных участков сопел.

22. Горелка по п. 21, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит заслонку, установленную с возможностью изменения объемов воздуха, подаваемого через центральный канал в зону первичного горения и через периферийный зазор, выходной участок которого расположен за зоной первичного горения, для образования зоны вторичного горения.

23. Горелка по п. 22, отличающаяся тем, что лопасти завихрителя установлены с возможностью изменения делительного угла между ними.

24. Способ оптимизации сгорания в горелке при одновременном снижении выбросов окислов азота в результате сгорания, заключающийся в том, что через центральный канал и по крайней мере один наружный кольцевой зазор подают регулируемые по объему с помощью заслонки потоки воздуха, причем воздух центрального канала закручивают с помощью лопастного завихрителя и в него после закрутки подают топливо через радиально разнесенные вокруг центрального канала множество сопел, отличающийся тем, что закрутку воздуха регулируют перемещением завихрителя вдоль канала, а также изменением делительного угла между его лопастями.

25. Способ по п. 24, отличающийся тем, что регулирование заслонки, продольного перемещения завихрителя и величину делительного угла между лопастями последнего осуществляют автоматически.

26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что объемы воздуха, подаваемые в центральный канал и наружный кольцевой зазор регулируют перераспределением его количества между ними изменением расхода через центральный канал, а воздух по крайней мере из одного наружного кольцевого зазора подают в обход центрального канала для горения в последующих зонах сгорания.

27. Способ преобразования традиционной горелки в горелку с низким выбросом окислов азота, заключающийся в том, что в камеру с радиально разнесенными множеством топливных сопел в пространство, обрамленное последними, вставляют центральный корпус, образующий в камере центральный канал и наружный кольцевой зазор для подачи соответственно в зоны горения первичного и вторичного воздуха, а в центральном канале устанавливают лопастной завихритель, причем выходные участки сопел направляют в центральный канал для обеспечения подачи топливовоздушной смеси в зону первичного горения, отличающийся тем, что лопастной завихритель устанавливают в центральном канале с возможностью продольного перемещения для изменения расстояния относительно выходных участков сопел и организации оптимального вращения смеси, поступающей в зону первичного горения.

28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что лопасти завихрителя устанавливают с возможностью изменения делительного угла между ними.

29. Способ по п. 27, отличающийся тем, что устанавливают пропорциональное соотношение расхода первичного воздуха, подаваемого через центральный канал в зону горения, к расходу вторичного воздуха через наружный кольцевой зазор, подаваемого в обход первичной зоны горения для организации последующей зоны сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14