Способ сжигания топливного газа и устройство для его осуществления

 

Использование: для сжигания топливного газа в печах с излучающими стенами в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Сущность изобретения: при первичном смешивании в смесительную камеру горелки подают одновременно газ (топливо) закрученным потоком, создающим разрежение по оси горелки, которое обеспечивает поступление первичного воздуха в количестве 15 - 20% от количества, необходимого для горения и газов рециркуляции в количестве 10 - 15% от общего объема выделяющегося при горении топлива, причем воздух и газы рециркуляции поступают встречными потоками; под воздействием центробежных сил топливовоздушная смесь с газами рециркуляции со скоростью 40 - 50 м/с, выходит из сопла грелки перпендикулярно вторичному воздуху, эжектируемому по воздушной трубе со скоростью 5 - 10 м/с, насыщается газом топочного пространства в пристенной зоне с выравниванием температуры горения, при этом устройство для сжигания газа содержит корпус, внутри которого расположена вихревая смесительная камера, заканчивающаяся тороидальной выходной амбразурой, напротив которой установлен дисковый отражатель, диафрагму, воздушную трубу, причем отношение отверстия в диафрагме к площади сечения первичной камеры равняется 0,25 - 0,45, 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания топливного газа в печах с излучающими стенами топки в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Известен способ сжигания топлива при смешивании его с частью необходимого для горения воздуха, а остальной воздух на горение подается струями в факел (отдельными порциями), выравнивая теплонапряженность излучающей поверхности [1] Известен способ сжигания топливного газа в радиационных газовых горелках с двойным подсосом воздуха [2] К недостаткам данных способов следует отнести сложность технической реализации ступенчатого сжигания топлива, отсутствие рециркуляции дымовых газов в корневую часть факела, малая эффективность снижения окислов азота в дымовых газах.

Наиболее близким к изобретению является принятый за прототип способ сжигания топлива [3] По этому способу в горелку, содержащую корпус, газовые насадки с патрубками и отверстиями, воздухоподводящую трубу, через патрубок подают газ. Одновременно подают воздух в воздухоподводящую трубу и кольцевой зазор. Зажигают топливную смесь и часть образующихся продуктов сгорания (газы рециркуляции) подают в насадок подачи газов рециркуляции. Газы рециркуляции вводят в газовый поток предварительно перед его смешиванием с воздушным потоком.

Недостатки этого способа следующие: сложность контроля дозировки газов рециркуляции при отборе и подаче их на перемешивание с газом при работе горелок в широком диапазоне производительности; наличие большого числа отверстий и патрубков снижает надежность конструкции горелки из-за забивки механическими примесями, окалиной и смолистыми составляющими топлива; подача дымовых газов с высокой температурой в самостоятельный канал горелки требует использования дорогостоящих легированных сталей; трудности с регулированием соотношений топливо-воздух-газы рециркуляции приводит к низкой эффективности подавления процессов образования окислов азота.

Задачей изобретения является снижение образования окислов азота в дымовых газах.

Данная задача достигается тем, что дымовые газы в первичную смесительную камеру вводят одновременно и противоточно первичному воздуху и топливу за счет разрежения в камере, причем соотношение воздух-дымовые газы в первичной камере регулируется, дальнейшее внедрение воздуха в эту смесь происходит в топке печи за счет пересечения воздушного потока из вторичной камеры с газовоздушной смесью, поступающей из первичной камеры.

Сжигание газа осуществляется в газовой горелке [4] К недостаткам этой горелки относится отсутствие необходимых соотношений размеров между конструктивными элементами, обеспечивающих снижение образования окислов азота в эксплуатационный период.

Для достижения эффективного снижения окислов азота, отношение площади отверстий в диафрагме к площади сечения первичной смесительной камеры необходимо выполнить в пределах 0,24-0,45.

На чертеже приведен общий вид горелки для реализации предлагаемого способа сжигания топливного газа.

Газовая горелка содержит корпус 1, внутри которого расположена смесительная камера 2, заканчивающаяся тороидальной выходной амбразурой 3, против которой соосно установлен дисковый отражатель 4, завихритель с газовыми каналами 5, диафрагму 6 с отверстием для подачи первичного воздуха 7, воздушную трубу 8, образующую вторичную смесительную камеру 9.

Газовая горелка работает следующим образом.

Топливный газ поступает в газовые каналы 5 и смесительную камеру 2, закрученный поток топливного газа создает разрежение по оси смесительной камеры, куда подсасываются из окружающей среды воздух и с противоположной стороны дымовые газы из топки печи; топливовоздушная смесь вместе с дымовыми газами поступает на тороидальную амбразуру 3 и разворачивается в плоский диск. При выходе из сопла смесь газов захватывает воздух, поступающий во вторичную смесительную камеру 9 и вместе с ним настилается на кладку печи. С помощью дискового отражателя можно изменять соотношение воздух-дымовые газы в первичной смесительной камере 2.

Известно, что для уменьшения образования окислов азота необходимо снижать температуру в топке, уменьшать концентрацию кислорода в зоне реагирования и сокращать время пребывания газов в зоне высоких температур.

С этой целью образование горючей смеси осуществляется в два этапа - первичное смешивание газа, воздуха и дымовых газов в горелке и вторичное смешивание с воздухом и дымовыми газами в топке печи. Роль первичного смешивания трех компонентов является определяющей, поскольку оно обеспечивает необходимое минимальное концентрационное соотношение для обеспечения стабильного горения в топке печи. Подача газов рециркуляции в газовый поток снижает уровень температур, так как зона горения увеличивается в объеме и снижается количество тепла, выделяющееся в единице объема. Уменьшается также и концентрация кислорода в зоне реагирования, так как сама зона увеличивается в размерах за счет дымовых газов. Все это приводит к снижению содержания окислов азота в дымовых газах.

В нашем случае в первичную смесительную камеру эжектируется из окружающей среды 15-20% от теоретического количества воздуха, необходимого для сжигания топлива; из топки печи в зону разрежения эжектируется 10-15% дымовых газов, образующихся при горении топлива.

Известно, что для устойчивого горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы смесь имела определенные концентрационные пределы (так, для метана - 5-15% об. этана 3,2-12,9% об.), то есть для начального горения, например, метана необходимо примерно 7 м³ воздуха на 1 м³ метана. В нашем случае на 1 м³ топлива в первичную камеру эжектируется 2,5-3,5 м³ воздуха, что в 1,5-2 раза меньше нижнего предела загорания топливного газа и это гарантирует безопасную работу горелки, исключая проскок пламени и горение топлиповоздушной смеси в корпусе горелки.

В то же время наличие первичной смесительной камеры, как показывает опыт эксплуатации заявляемой горелки, обеспечивает снижение образования окислов азота в дымовых газах на 20-30% по сравнению с традиционными инжекционными горелками.

Способствует снижению окислов азота также особенность перемешивания газов из первичной смесительной камеры с воздухом, выходящим из воздушной трубы, то есть смешение в самой топочной камере. С тора газовой горелки топливовоздушная смесь с дымовыми газами выходит со скоростью 40-50 м/с, захватывает воздушных поток, выходящий из вторичной камеры со скоростью 5-10 м/с, разворачивается в плоский диск и настилается на кладку печи. По мере удаления топливовоздушной смеси от устья горелки за счет увеличения объема и снижения концентрации кислорода в зоне реагирования, внедрения продуктов сгорания из топки печи происходит снижение максимальной температуры горения, выравнивание ее по кладке печи и, как следствие, снижение образования окислов азота.

Описанный выше способ сжигания топливного газа, соблюдение всех необходимых соотношений газ-воздух-дымовой газ и, как следствие, снижение образования окислов азота в дымовых газах, может быть реализован только при условии выполнения геометрических соотношений в конструкции заявляемой горелки, то есть отношение площади отверстия в диафрагме к площади сечения первичной смесительной камеры равно 0,25-0,45.

Заявляемые отношения геометрических размеров элементов газовой горелки объясняются следующим образом.

При отношении более 0,45 резко возрастает эжекция воздуха из окружающей среды в первичную смесительную камеру. Это приводит к росту концентрации кислорода в топливовоздушной смеси; на выходе смеси из сопла горелки из-за ускорения подготовки топливовоздушной смеси происходит уменьшение фронта пламени (горящего диска) на излучающих стенах топки, пламя концентрируется у сопла горелки, резко возрастают температура горения и содержание окислов азота в дымовых газа. Кроме этого, появляется опасность проскока пламени в корпус горелки, так как топливовоздушная смесь приближается к нижнему порогу воспламенения (особенно при малых производительностях по топливному газу), что приводит к обгоранию металла и выходу горелок и строя.

При отношении менее 0,25 в первичную смесительную камеру поступает недостаточное количество воздуха, чтобы стабилизировать процесс горения на выходе в топку печи. Загорание топливовоздушной смеси происходит на большом расстоянии от сопла горелки, что сопровождается отрывом пламени или вибрационным горением, нарушается тепловой режим печи.

Формула изобретения

1. Способ сжигания топливного газа путем подачи в зону горения потоков газа, воздуха и газов рециркуляции, причем смешивание и горение горючей смеси ведут в две стадии: первичное в горелке; вторичное в топочной камере, отличающийся тем, что при первичном смешивании в смесительную камеру горелки подают одновременно топливный газ закрученным потоком, создающим разрежение по оси горелки, с обеспечиванием поступления или подсоса первичного воздуха в количестве 15 20% от количества, необходимого для горения, и газов рециркуляции в количестве 10 15% от общего объема выделяющегося при горении топлива, причем воздух и газы рециркуляции поступают встречными потоками, при этом под воздействием центробежных сил топливовоздушную смесь с газами рециркуляции со скоростью 40 50 м/с направляют из сопла горелки перпендикулярно к вторичному воздуху, эжектируемому по воздушной трубе со скоростью 5 10 м/с, и насыщают газами топочного пространства в пристенной зоне с выравниванием температуры горения.

2. Устройство сжигания газа, содержащее корпус, внутри которого расположена вихревая смесительная камера, заканчивающаяся тороидальной выходной амбразурой, напротив которой установлен дисковый отражатель, диафрагму и воздушную трубу, отличающееся тем, что отношение площади отверстия в диафрагме к площади сечения первичной камеры равняется 0,25 0,45.

РИСУНКИ

Рисунок 1