Способ для осуществления сжигания низкокалорийного горючего газа при помощи по меньшей мере одной горелки, содержащей наконечник на центральной оси (х), согласно которому создают смесь топливного газа и воздуха горения, вращающуюся вокруг центральной оси. Способ отличается тем, что содержит следующие этапы, на которых перед наконечником горелки нагнетают поток невоспламеняемой предварительной смеси, содержащей смесь воздуха предварительного смешивания и топливного газа, дополнительный поток для достижения порога воспламенения смеси перед наконечником горелки, при этом поток нагнетается в центр потока предварительной смеси в виде центрального дополнительного потока и/или вокруг потока предварительной смеси в виде периферийного дополнительного потока. Объектом настоящего изобретения являются также горелка, выполненная с возможностью осуществления способа, и установка для сжигания, использующая горелку.

[0001] Способ сжигания низкокалорийного горючего газа при помощи по меньшей мере одной горелки, содержащей наконечник на центральной оси (х), согласно которому создают предварительную смесь, содержащую воздух предварительного смешивания и топливный газ, отличающийся тем, что предварительная смесь является невоспламеняемой, причем способ содержит следующие этапы, на которых перед наконечником горелки нагнетают

[0002] Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный поток является воздушным потоком.

[0003] Способ по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что поток предварительной смеси получают путем введения воздуха предварительного смешивания в горючий газ.

[0004] Способ по п.3, отличающийся тем, что указанное введение производят в кессоне, соединенном с горелкой.

[0005] Способ по одному из пп.3 или 4, отличающийся тем, что указанное введение производят на входе (8) горючего газа в горелку путем нагнетания воздуха предварительного смешивания в горючий газ таким образом, чтобы этот нагнетаемый воздух предварительного смешивания увлекал горючий газ в пространство предварительного смешивания, осуществлял предварительное смешивание за счет завихрений, создаваемых в результате нагнетания, и направлял предварительную смесь в сторону наконечника горелки, создавая при этом вращение вокруг центральной оси.

[0006] Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что дополнительный поток нагнетают с вращением в том же направлении вращения, что и поток предварительной смеси.

[0007] Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что:

[0008] Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание горючего газа и воздуха горения осуществляют путем включения разделенного на части необходимого количества газа в воздух или воздуха в газ в виде множества направленных струй.

[0009] Горелка для сжигания низкокалорийного горючего газа, содержащая наконечник на центральной оси (х), отличающаяся тем, что содержит средства создания невоспламеняемой предварительной смеси, содержащей воздух предварительного смешивания и горючий газ, причем горелка выполнена с возможностью нагнетания перед наконечником (6) горелки

[0010] Горелка по п.9, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью разделения воздушного потока по меньшей мере на один поток воздуха предварительного смешивания и на дополнительный воздушный поток, содержащий по меньшей мере один центральный дополнительный воздушный поток и/или один периферийный дополнительный воздушный поток.

[0011] Горелка по любому из пп.9 или 10, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью нагнетания с вращением дополнительного потока в том же направлении вращения, что и поток предварительной смеси.

[0012] Горелка по одному из пп.9-11, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью нагнетания:

[0013] Горелка по одному из пп.9-12, отличающаяся тем, что содержит средства (11, 17, 21) для введения воздуха предварительного смешивания в топливный газ и для получения потока предварительной смеси.

[0014] Горелка по п.13, отличающаяся тем, что средства введения содержат средства (17) нагнетания для осуществления первого постоянного нагнетания воздуха предварительного смешивания в пространство (16) предварительного смешивания на входе наконечника горелки, при этом упомянутое пространство предназначено для сообщения с камерой (ZB), содержащей топливный газ, при этом упомянутое нагнетание осуществляют таким образом, чтобы увлекать топливный газ в пространство (16) предварительного смешивания, осуществить предварительное смешивание за счет завихрений, возникающих в результате нагнетания, и направить предварительную смесь в сторону наконечника (6) горелки, создавая при этом вращение вокруг центральной оси (х).

[0015] Горелка по одному из пп.13 или 14, отличающаяся тем, что средства включения содержат вторые средства (21) нагнетания воздуха предварительного смешивания, при этом упомянутые средства нагнетания выполнены с возможностью постепенного включения воздуха параллельно центральной оси в зависимости от уровня используемой мощности и с возможностью направления потока предварительной смеси в сторону наконечника горелки.

[0016] Горелка по одному из пп.9-15, отличающаяся тем, что содержит цилиндрический кессон (7), содержащий

[0017] Горелка по п.16, отличающаяся тем, что содержит центральную трубку (13), центрованную по центральной оси (х) внутри цилиндрического кессона (7) и расположенную между двумя концами (26а, 26b) кессона, при этом упомянутая трубка содержит

[0018] Горелка по п.17, отличающаяся тем, что содержит второе лопаточное устройство (19), расположенное внутри и вблизи передней части центральной трубки, при этом упомянутые лопатки закреплены на центральном стержне (51) между поверхностью (50) стержня и внутренней стенкой (52) центральной трубки.

[0019] Горелка по п.15 или 17, отличающаяся тем, что второе нагнетание воздуха осуществляют при помощи отверстий (22), находящихся на стенке (23), выполненной в виде заплечика центральной трубки, при этом упомянутая стенка отделяет пространство (16) предварительного смешивания от задней части центральной трубки, сообщающейся с воздушным кессоном (ZC), при этом упомянутые отверстия перекрываются клапанами, управляемыми калиброванными пружинами или управляемыми приводами.

[0020] Горелка по п.16, отличающаяся тем, что содержит высверленные выходные каналы в виде сопел (20а, 20b), сообщающиеся с пространством (30) предварительного нагнетания в двойной стенке и выходящие наружу на внутренней стенке (25) кессона, или в виде эквивалентных средств, при этом упомянутые сопла расположены в виде венца и смещены по отношению к радиальной оси (R) кессона и направлены вперед.

[0021] Горелка по п.20, отличающаяся тем, что содержит первый ряд сопел (20а), имеющих наклон от 5 до 45 ° вперед и от 30 до 65 ° по отношению к радиальной оси (R), и второй ряд сопел (20b), имеющих наклон от 25 до 65 ° вперед и от 30 до 70 ° по отношению к радиальной оси.

[0022] Горелка по п.18, отличающаяся тем, что содержит конусный отражатель (18), расположенный на выходе центральной трубки (13) и отстоящий от нее таким образом, чтобы обеспечивать расходящийся выпуск центрального воздушного потока.

[0023] Горелка по п.22, отличающаяся тем, что конусный отражатель (18) расположен на конце осевого стержня (51), проходящего через центральную трубку.

[0024] Горелка по п.23, отличающаяся тем, что конусный отражатель (18) содержит периферические зубцы (52) и центральные отверстия (43), выходящие внутрь канала центрального стержня.

[0025] Установка для сжигания топливного газа способом по любому из пп.1-8, при этом установка включает зону топки, зону, содержащую или сообщающуюся с низкокалорийным топливным газом, и зону, содержащую или сообщающуюся с воздухом горения, отделенные друг от друга, и по меньшей мере одну горелку по любому из пп. 9-24, наконечник которой выходит в зону топки, причем горелка содержит цилиндрический кессон, соединенный с зоной, содержащей или сообщающейся с низкокалорийным топливным газом, и задний конец горелки, соединенный с зоной, содержащей или сообщающейся с воздухом горения.

[0026] Установка по п.25, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере две горелки, выполненные с возможностью создания в общем направлении общего результирующего вращательного движения их потоков смеси перед наконечником горелки.

Объектом настоящего изобретения является способ для сжигания низкокалорийного горючего газа без вспомогательного поддерживающего факела при помощи горелки, содержащей наконечник на центральной оси, в которой создают смесь горючего газа и воздуха горения, вращающуюся вокруг центральной оси перед наконечником горелки.

Объектом изобретения является также конструкция горелки, в частности высокопроизводительной горелки для осуществления способа, а также любая установка для сжигания газа, использующая такую горелку.

Изобретение может применяться, в частности, в следующих установках:

газовые котлы, работающие на газе пониженной теплотворности, отходящем газе (колошниковый газ), биогазе и газе, получаемом при разложении отходов, газе, получаемом в результате различных процессов;

вышки и факелы для сжигания низкокалорийного газа, остаточного газа и биогаза;

печи и шкафы для нагрева и сушки различных материалов и изделий;

печи и устройства для сушки и тепловой обработки отходов различных производственных процессов;

установки для сжигания летучих органических соединений «ЛОС ». Эти соединения выделяются при сушке или тепловой обработке в различных процессах; часто речь идет о парах растворителей или масел, которые находятся при очень низкой концентрации (от нескольких процентов до нескольких частей на миллион или следовые количества) в нейтральных газах-носителях или в воздухе. Их можно улавливать при помощи соответствующих фильтров или уничтожать термическими способами. Низкая концентрация не позволяет производить их непосредственное сжигание, а большой объем воздуха, в котором они находятся, существенно нарушает горение в «классических » горелках.

Под низкокалорийным газом следует понимать любой газ с низкой теплотворной способностью (НТС), менее 3000 ккал на 1 м ³ , и, в частности, любой низкокалорийный газ с теплотворной способностью ниже 1000 ккал, который, в частности, связан с объектом настоящего изобретения.

Вместе с тем, горелку в соответствии с настоящим изобретением можно использовать и для сжигания более высококалорийных газов или остаточных газов.

Как правило, горелки для низкокалорийных или остаточных газов содержат различные каналы подачи топлива к наконечнику горелки, при этом каналы выполнены, в частности, коаксиально таким образом, чтобы получить один или несколько топливных венцов с центром на оси горелки.

Это топливо, как правило, подается в поток воздуха горения или на его периферию.

В результате соблюдения вышеуказанных условий получают достаточную смесь воздух/топливо, обеспечивающую локализованное и стабилизированное горение на наконечнике горелки.

На высокопроизводительных котлах (> 100 МВт), которые содержат несколько горелок (> 4 горелок), воздух для горения обычно подается из камеры, общей для различных горелок, и приводится во вращение заслонками, регулируемыми снаружи при помощи угловых передач и тяг.

Как правило, воздух для горения подается к наконечнику горелки в виде одного и даже двух потоков.

Обычно горелки содержат трубки для подачи высококалорийного газа в виде периферического венца и вспомогательные трубки (запальная, трубка контроля наличия пламени и т.д.), которые мешают вращению воздушного потока.

Большинство горелок, работающих на низкокалорийном или остаточном газе, имеют сложные конструкции и постоянно требуют регулировки и корректировки и очень жесткого соблюдения условий эксплуатации, при этом они часто подвержены нарушениям, связанным с нестабильностью горения, отрывом пламени, которые могут привести к незапланированным остановкам установки.

Горелки такого типа требуют предварительного нагрева топлива и особенно воздуха до высоких температур (250-350 °С) для улучшения горения, что требует наличия соответствующего оборудования и дополнительных затрат.

Низкокалорийное топливо обычно очень трудно сжигать, так как оно в основном содержит нейтральные газы и подается в больших объемах и при низком давлении.

Его смешивание с воздухом для горения очень трудно осуществить в необходимых пропорциях, учитывая большие объемы, что существенно ограничивает горение и не способствует устойчивости и стабильности структуры получаемого пламени.

Неустойчивость получаемого пламени приводит к большим колебаниям давления в топке, что способствует появлению вибраций в конструкции рассматриваемых котлов или установок.

Поэтому горелки всегда требуют наличия поддерживающего факела, соответствующего 10-20% общей мощности горелки, для обеспечения стабильности основного пламени и безопасности работы установки. Рабочие технические нормы EN 746-2 требуют наличия систем поддерживающего факела в горелках.

Эти поддерживающие факелы получают с использованием высококалорийных газов (природный газ, сжиженный нефтяной газ (СНГ): бутана и пропана.

Соблюдение этого требования еще больше усложняет конструкцию горелки и неизбежно приводит к значительным дополнительным эксплуатационным затратам, учитывая стоимость высококалорийных газов.

Эксплуатация этих горелок часто требует наличия воздуха в большом избытке, чтобы обеспечить все топливные фракции кислородом для полного сгорания и повысить качество продуктов сгорания, что резко снижает производительность, увеличивает удельный расход высококалорийного газа и, следовательно, повышает эксплуатационные затраты и неизбежно приводит к увеличению выброса загрязняющих веществ.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков.

В частности, в изобретении предлагается концепция горелки, которая позволяет

по мере возможности отказаться от использования поддерживающего высококалорийного газа;

отказаться от нагрева газа или воздуха горения;

снизить содержание кислорода в дымах;

устранить вибрации;

снизить потребление электрической энергии для систем вентиляции воздуха и дымов.

Основной принцип способа состоит в максимальном разделении на части объема воздуха, необходимого для горения, и в его как можно раннем и как можно тесном включении в топливный газовый поток (или наоборот), повышая качество смеси за счет подачи высокоскоростных струй, создавая турбулентные потоки и максимально приводя смесь во вращение, чтобы снизить осевую скорость смеси и обеспечить компактность и непрерывность горения.

Для снижения осевой скорости и увеличения площади пламени бедный газ приводят во вращение при помощи лопаток, и часть воздуха горения подают в виде периферийного потока на выходе горелки.

Поскольку низкокалорийный газ занимает большой объем, то затрудняется смешивание топливных элементов этого газа с кислородом воздуха горения. Для решения этой проблемы, согласно изобретению, воздух делят на части и выбранные количества вводят постепенно в поток низкокалорийного газа.

Таким образом, способ состоит в получении предварительной смеси воздух-топливо (за пределами порога воспламенения) предпочтительно в корпусе горелки и в подаче на наконечник горелки только дополнительного воздуха по обе стороны от этой смеси в виде высокоскоростных струй (более 60 м/с), которые охватывают газ в виде «сэндвича ».

Воздух горения, подаваемый на наконечник горелки, имеет следующие специальные высокоскоростные потоки:

центральный воздух нагнетается с вращением и в виде расходящегося потока для проникновения в низкокалорийный газ;

периферийный воздух нагнетается в виде сходящегося потока и при сильном вращении.

Каждый из этих двух воздушных потоков выполняет функцию создания барьера для возможного «возврата пламени » в режиме малой мощности или во время остановки установки.

В этой связи объектом настоящего изобретения является способ для осуществления сжигания низкокалорийного горючего газа при помощи по меньшей мере одной горелки, содержащей наконечник или форсунку горелки на центральной оси, согласно которому создают смесь топливного газа и воздуха горения, вращающуюся вокруг центральной оси.

Способ отличается тем, что содержит следующие этапы, на которых перед форсункой горелки нагнетают

поток невоспламеняемой предварительной смеси, содержащей смесь воздуха предварительного смешивания и топливного газа,

дополнительный поток для достижения порога воспламенения смеси перед наконечником горелки, при этом поток нагнетается в центр потока предварительной смеси в виде центрального дополнительного потока и/или вокруг потока предварительной смеси в виде периферийного дополнительного потока.

Согласно частным вариантам осуществления способа

дополнительный поток является воздушным потоком;

поток предварительной смеси получают путем включения воздуха предварительного смешивания в топливный газ;

включение производят в кессоне, соединенном с горелкой;

включение производят на входе топливного газа в горелку путем нагнетания воздуха предварительного смешивания в топливный газ таким образом, чтобы увлечь топливный газ в пространство предварительного смешивания, произвести предварительное смешивание за счет завихрений, создаваемых в результате нагнетания, и направить предварительную смесь в сторону наконечника горелки, одновременно создавая вращение вокруг центральной оси;

смешивание топливного газа и воздуха горения осуществляют путем включения разделенного на части необходимого количества газа в воздух или воздуха в газ в виде множества направленных струй.

Согласно другому варианту осуществления способа:

а) центральный дополнительный воздушный поток нагнетают с вращением перед наконечником горелки и в виде расходящегося потока для проникновения в поток предварительной смеси;

б) периферийный дополнительный поток нагнетают в виде сходящегося потока и с сильным спиралевидным вращением.

Объектом настоящего изобретения является также горелка для низкокалорийного топливного газа, содержащая наконечник на центральной оси и средства подачи смеси топливного газа и воздуха горения с вращением вокруг центральной оси, при этом горелка отличается тем, что не содержит ни смесительной камеры, ни камеры сгорания.

В основном горелка отличается тем, что выполнена с возможностью нагнетания перед наконечником горелки

потока невоспламеняемой предварительной смеси, содержащей смесь воздуха предварительного смешивания и топливного газа,

дополнительного потока для достижения порога воспламенения смеси перед наконечником горелки, при этом упомянутый поток нагнетается в центр потока предварительной смеси в виде центрального дополнительного потока и/или вокруг потока предварительной смеси в виде периферийного дополнительного потока.

Согласно частному варианту выполнения горелку выполняют с возможностью разделения воздушного потока по меньшей мере на один поток воздуха предварительного смешивания и на один дополнительный воздушный поток, содержащий по меньшей мере один центральный дополнительный воздушный поток и/или один периферийный дополнительный воздушный поток.

Объектом настоящего изобретения является также установка для сжигания топливного газа, использующая способ или содержащая по меньшей мере одну горелку в соответствии с настоящим изобретением.

Согласно предпочтительному отличительному признаку установка использует или содержит по меньшей мере две горелки, выполненные с возможностью создания в общем направлении общего результирующего вращательного движения их потоков смеси перед наконечником горелки.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного иллюстративного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых

фиг. 1 изображает вид установки для сжигания низкокалорийного газа, оборудованной горелкой согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 - вид в разрезе по оси А-А фиг. 1;

фиг. 3 - вид справа по В фиг. 1 задней части горелки;

фиг. 4 - вид в частичном разрезе балки по плоскости сечения С-С фиг. 2;

фиг. 5 - частичный вид снизу по D-D фиг. 4;

фиг. 6 - отдельный главный вид кессона 7 горелки, показанной на фиг. 1;

фиг. 7, 8, 9 - вид кессона, показанного на фиг. 6, соответственно: в разрезе по Е-Е, справа по F, слева по G;

фиг. 10, 11 и 11А - соответственно главный отдельный вид центральной трубки 13 горелки, показанной на фиг. 1, вид слева по Н и вид справа;

фиг. 12 - главный отдельный вид центрального стержня 50, показанного на фиг. 1;

фиг. 13 - вид варианта выполнения факельного конуса центрального стержня;

фиг. 14 - вид детали I, показанной на фиг. 9;

фиг. 15, 16 - вид в разрезе соответственно по плоскостям L-L и K-K фиг. 14.

На фиг. 1 показана установка 1 для сжигания низкокалорийного горючего газа, в которой использована горелка 2, расположенная между четырьмя основными частями ZA, ZB, ZC, ZD, разделенными тремя стенками 3, 4, 5.

Эти части представляют собой соответственно зону ZA топки, где происходит сгорание, зону ZB, содержащую или сообщающуюся с низкокалорийным топливным газом, зону ZC, содержащую или сообщающуюся с воздухом горения, наружную зону ZD, доступную для обслуживающего персонала.

Установка является, например, установкой для производства горячего пара с производительностью 40 т/ч, в которой необходимо сжигать колошниковый газ при окружающей температуре (влажность 2,5% Н ₂ О), подаваемый под низким давлением ( <300 мм водяного столба по относительной величине) и имеющий средний состав при сухом газе N ₂ 58%, Н ₂ 1,7%, СО ₂ 20,3%, СО 20% (теплотворная способность 660 ккал/м ³ ). Продукты сгорания должны содержать менее 50 частей на миллион СО при содержании кислорода в дымах менее 1%.

Воспламенение этого газа происходит, когда в смеси присутствует от 35 до 75% газа.

Горелка содержит наконечник 6, выходящий в зону А топки, при этом наконечник центрирован по центральной оси X, которая в данном случае является главной осью горелки, поскольку эта горелка имеет общую форму тела вращения вокруг этой оси.

Горелка содержит также средства питания наконечника, которые выполнены с возможностью нагнетания потока воздуха и топливного газа с вращением вокруг центральной оси с центром на наконечнике горелки.

На этот наконечник, образующий передний конец горелки, или перед ним, слева на фигуре, подают поток топливного газа и воздуха для горения, который приводится во вращение вокруг центральной оси, при помощи средств питания этого наконечника, выполненных для этой цели и описанных ниже.

Горелка содержит также центральный кессон 7, соединенный с наконечником и находящийся на его входе (относительно направления потоков), расположенный в зоне ZB между стенками 3 и 4 и содержащий по меньшей мере один канал 8, выходящий в эту зону ZB.

В зоне ZC находится задний конец 7В горелки, соединенный с кессоном 7 и находящийся на его входе, содержащий по меньшей мере один подвод для по меньшей мере одного входа воздуха зоны ZC.

В предпочтительном примере выполнения подачу воздуха полностью осуществляют через заднюю сторону горелки, что имеет следующие преимущества:

обеспечивается герметичность комплекса,

облегчается доступ к средствам управления воздухом предварительного смешивания,

обеспечивается возможность установки горелки в воздушном кессоне,

в зависимости от варианта применения обеспечивается возможность реализации раздельного питания разным воздухом горения.

В зону ZD выходят различные трубки, проложенные между топкой и наружным пространством, проходящие через горелку, среди которых, в случае необходимости, можно проложить трубку контроля пламени, запальную трубку и другие трубки или оборудование, известные специалистам (не показаны).

Согласно варианту осуществления изобретения, способ может содержать первый этап, на котором воздушный поток, предназначенный для горения, делят, по меньшей мере, на поток воздуха предварительного смешивания и дополнительный воздушный поток. Дополнительный воздушный поток состоит, по меньшей мере, из одного центрального воздушного потока и/или одного периферийного воздушного потока.

В представленном примере используют одновременно центральный воздушный поток и периферийный воздушный поток для лучшей эффективности и гибкости применения и разделение осуществляют при помощи различных входов воздуха сзади горелки или при подаче воздуха в горелку.

Для этого в представленном примере горелку выполняют с возможностью разделения воздуха, поступающего из пространства ZC, на несколько потоков. Она содержит несколько входов или подводов на своем заднем конце: центральный подвод 9 для поступления центрального воздушного потока, периферийный подвод 10 для поступления периферийного воздуха и, по меньшей мере, один главный подвод 10А для поступления воздуха предварительного смешивания. Как будет указано ниже, можно добавить также другие подводы.

В варианте осуществления этот этап деления можно осуществить по-другому, например через наружные трубки снаружи горелки, и каждый из воздушных потоков может быть подведен по этим независимым и наружным трубкам.

На втором этапе этого варианта осуществления перед наконечником горелки нагнетают поток предварительной смеси, содержащий смесь воздуха предварительного смешивания и топливного газа, с вращением вокруг центральной оси, при этом поток предварительной смеси является невоспламеняемым, поскольку значения концентрации газа находятся далеко за пределами интервала воспламенения, например превышают порог воспламенения. Действительно, в описанном примере переходят от 100%-ной концентрации бедного газа к уровню концентрации газа 80-85% (в смеси газ+воздух), тогда как пределы воспламенения составляют от 30 до 73% газа в смеси.

Это предполагает, что предварительное смешивание и приведение во вращение осуществляют заранее, что будет пояснено ниже.

Для улучшения горения и обеспечения устойчивости пламени желательно и необходимо получить предварительную смесь как можно раньше.

Для этого второго этапа в описанном примере горелку выполняют с возможностью получения предварительной смеси внутри самой горелки, в данном случае в так называемом пространстве 16 предварительного смешивания кессона 7.

Горелку также выполняют с возможностью приведения во вращение предварительной смеси. В представленном примере это вращение предпочтительно осуществляют также в кессоне на входе наконечника горелки.

Для этого вышеупомянутые подводы 10А воздуха предварительного смешивания выходят в кессон, так же как и отверстия 8 подвода топливного газа, для осуществления предварительного смешивания при помощи средств 11 смешивания, которые будут описаны ниже.

Вместе с тем, в качестве варианта, предварительное смешивание можно осуществлять заранее снаружи горелки, например, в предусмотренной для этой цели камере, в которой соблюдаются условия высокой концентрации, превышающей порог воспламенения.

Для газа, рассматриваемого в этом примере, смешивание производят при концентрации, на 5-20% превышающей порог воспламенения, с низкой концентрацией воздуха (концентрация газа в смеси составляет от 78 до 95%).

Из соображений обеспечения безопасности и эффективности предпочтительно, чтобы концентрация всего подаваемого воздуха была ниже 10-20%.

Для некоторых вариантов способ можно осуществлять с предварительным смешиванием при низкой концентрации газа в тех же пределах от 5 до 20% или в других пределах низкой концентрации для частных вариантов использования биогаза или сжигания ЛОС.

На третьем этапе осуществления дополнительный поток нагнетают в центр потока предварительной смеси в виде центрального дополнительного потока и/или вокруг потока предварительной смеси в виде периферийного дополнительного потока, чтобы достичь порога воспламенения на наконечнике горелки.

В описанном примере нагнетание дополнительного потока осуществляют одновременно в центре и на периферии, чтобы получить лучшую конечную смесь.

Для этого горелку выполняют таким образом, чтобы вывести поток предварительной смеси в виде венца 12, расположенного между центральной трубкой 13 и периферией 14 переднего конца кессона.

Согласно варианту осуществления способа, поток предварительной смеси получают путем включения воздуха предварительного смешивания в горючий газ.

Действительно, низкокалорийные виды топлива, как правило, являющиеся остаточными, подают под очень низким давлением, и с учетом часто используемых больших объемов необходимо облегчить прохождение этих газов за счет эффекта их механического увлечения.

Для этого варианта осуществления горелка содержит упомянутые ранее средства 11 включения, которые нагнетают воздух в топливный газ.

Включение производят непосредственно в закрытом пространстве кессона, содержащего пространство 16 предварительного смешивания (фиг. 2), ограниченное между центральной трубкой 13 и внутренней стенкой 31 кессона.

Согласно варианту осуществления включение производят путем нагнетания воздуха предварительного смешивания на входе топливного газа в горелке таким образом, чтобы

увлечь топливный газ в пространство 16 предварительного смешивания,

осуществить предварительное смешивание за счет завихрений, появляющихся в результате нагнетания, и

направить предварительную смесь в сторону наконечника горелки, одновременно создавая вращение вокруг центральной оси.

Для этого горелка содержит средства нагнетания, содержащие сопла 17 или направленные калиброванные отверстия высокой пропускной способности, расположенные в средствах 11 включения, профилированные и направленные в пространство 16 предварительного смешивания на уровне каналов 8.

Газ, находящийся вблизи и вокруг каналов 8, увлекается за счет разряжения, создаваемого воздушными струями на выходе сопел, направленных соответственно направлению струй, и смешивается за счет завихрения струй. Смесь приводится также во вращение на этом уровне в пространстве предварительного смешивания за счет направления воздушных струй.

Эти средства нагнетания предпочтительно работают в постоянном режиме.

Предпочтительно, чтобы средства включения также содержали вторые средства нагнетания воздуха предварительного смешивания. Эти средства нагнетания выполнены с возможностью включения воздуха параллельно центральной оси и направления потока предварительной смеси в сторону наконечника горелки.

Эти средства нагнетания предпочтительно имеют постепенно меняющийся режим в зависимости от используемого уровня мощности.

В представленном примере эти вторые средства нагнетания могут быть выполнены в виде трубок 21 вокруг отверстий 22 в стенке 23 заднего конца горелки (фиг. 3, 10, 11). Предпочтительно эти трубки имеют разную длину и в данном примере выполнены в количестве пяти. Они расположены внутри пространства предварительного смешивания, начиная от воздушных входов или отверстий 22, выполненных на стенке 23 или задней стороне горелки.

Предпочтительно отверстия 22 перекрываются клапанами (не показаны), управляемыми калиброванными пружинами или электрическими приводами.

Клапаны можно располагать на отверстиях с трубками или без трубок. С одной стороны, трубки позволяют соответствующим потокам избежать взаимных помех и, с другой стороны, подводить воздух в разные точки, обеспечивая его надежное распределение.

Отверстия имеют размер, определенный таким образом, чтобы избежать слишком большой подачи в пределах воспламенения и предотвратить возникновение условий такого сгорания, которое могло бы привести к разрушению горелки.

В качестве варианта можно предусмотреть включение газа в воздух, например, путем перестановки различных входов и регулировки соответствующих значений расхода. Этот вариант возможен, в частности, для нагревания больших объемов воздуха (вариант применения для сушки) или для сжигания ЛОС.

В этом случае газ предварительного смешивания заменяет воздух предварительного смешивания и потоки, при этом предварительная смесь может остаться без изменения, а центральные и периферийные потоки могут относиться, например, к топливному газу вместо воздуха горения.

Согласно варианту осуществления центральный дополнительный воздушный поток нагнетается с вращением перед наконечником горелки в виде расходящегося потока для проникновения в поток предварительной смеси, а периферийный дополнительный воздушный поток нагнетается в виде сходящегося потока и с сильным спиралевидным вращением.

Для этого в данном примере горелку оборудуют конусным отражателем 18 на выходе центральной трубки 13 и лопатками 19 в трубке, которые приводят во вращение центральный воздушный поток. Можно также применять и другие эквивалентные средства, например, такие как направленные калиброванные отверстия или направленные каналы в разделительной стенке.

Предпочтительно, чтобы центральный воздушный поток расходился с углом в вершине от 60 до 180 ° или от 30 до 90 ° по отношению к оси горелки.

Такой способ нагнетания позволяет добиться хорошего проникновения воздуха в предварительную смесь, чтобы наилучшим образом восполнить нехватку воздуха до необходимой концентрации.

В данном примере центральный воздушный поток сначала попадает через вход 9 во внутренний канал трубки 13 вокруг центрального стержня 51.

В случае необходимости, этот центральный воздух может иметь другую функцию, которая будет пояснена ниже и которая состоит в добавлении на основе изначального нагнетания к высококалорийному газу, который распределяется в виде венца вокруг центрального воздуха во время своего использования, в частности во время запуска установки или при недостаточности низкокалорийного газа.

Что касается периферийного дополнительного воздушного потока, горелку выполняют с нагнетательными соплами 20а, 20b, которые располагают на венце 14 переднего конца или передней стороны кессона 26а. Сопла направлены тангенциально к окружности с центром на центральной оси и одновременно вперед. Спиралевидное вращение получают за счет этого двойного наклона сопел.

Периферийный воздух охватывает поток низкокалорийного газа и усиливает его вращение. Он подается на большой скорости и оптимизирует смешивание.

Сопла 20а, 20b питаются через периферийное пространство 30 предварительного нагнетания, находящееся в двойной стенке кессона в передней части кессона, которое, в свою очередь, питается при помощи входных средств 10а, выполненных вблизи заднего конца 26b кессона.

Далее со ссылками на соответствующие фигуры следует описание основных узлов горелки, в частности кессона, центральной трубки и центрального стержня.

Кессон горелки.

Как показано на фиг. 6-9, кессон 7 в основном имеет форму тела вращения и содержит

двойную периферийную стенку, образованную наружной стенкой 24 и внутренней стенкой 25;

передний конец или переднюю сторону 26а, образованную венцом 14, содержащим периферийные средства 20а, 20b нагнетания;

задний конец или заднюю сторону 7В, содержащую различные входы или подводы 10, 10А, по меньшей мере, для периферийного воздушного потока и потока предварительной смеси,

пространство 27 циркуляции воздуха, ограниченное двойной стенкой и обеспечивающее сообщение между двумя концами 26а и 26b,

впускные каналы 8 на двойной периферийной стенке, причем эти каналы обеспечивают соединение между внутренним пространством 16 в кессоне, называемым пространством предварительного смешивания, и наружным пространством;

трубопроводы в виде полых балок 11, выполненные в толще двойной стенки. Эти трубопроводы расположены между каналами 8 между пространством или входом 10а воздушного потока, расположенным на заднем конце 7В, и пространством 30 предварительного нагнетания периферийного воздуха, находящимся на переднем конце;

сопла 17 нагнетания воздуха предварительного смешивания, выполненные под трубопроводами. Сопла выполнены с возможностью осуществления упомянутого первого постоянного нагнетания воздуха предварительного смешивания; указанные трубопроводы и сопла являются частью вышеупомянутых средств включения.

По существу, указанные сопла являются высверленными каналами, выполненными в венце, одной из функций которого является закрывание переднего конца двойной стенки кессона; другой задний конец двойной стенки закрывается стенкой 23В.

Эти высверленные каналы сообщаются с пространством 30 предварительного нагнетания двойной стенки и выходят наружу через внутреннюю стенку кессона; сопла расположены на венце и смещены по отношению к радиальной оси R кессона и имеют наклон вперед по отношению к плоскости, перпендикулярной к кессону.

Сопла имеют разное смещение и разные наклоны в зависимости от очередности. Предложенные углы выбираются в функции от данной мощности горелки и изменяются для другого размера горелки. Эти углы определяют таким образом, чтобы струи из смежных отверстий не мешали друг другу, не попадали в конец трубки 13 и не мешали потоку текучих сред, выходящих из газового венца между 13 и 56, и расходящемуся центральному дополнительному воздушному потоку. Этот расходящийся конус должен почти «сцепляться » с расходящейся периферийной дополнительной струей, угол которой является наиболее острым (в данном случае 15 °). Угол следующего отверстия является более открытым, чтобы продолжать во время вращения работу предыдущего отверстия.

Первый ряд сопел (20а) может иметь наклон вперед под углами от 5 до 45 ° (в данном примере выполнения предпочтительно 15 °) и от 30 до 65 ° по отношению к радиальной оси (R) (в данном примере выполнения предпочтительно 44 °), и второй ряд сопел (20b) имеет наклон вперед от 25 до 65 ° (в данном примере выполнения предпочтительно 45 °) и от 30 до 70 ° по отношению к радиальной оси (в данном примере выполнения предпочтительно 53 °).

Кессон может также содержать отверстия 55, выполненные на внутренней стенке 25 на уровне камеры 30 предварительного нагнетания. Эти отверстия позволяют питать лопаточное устройство 37 из камеры 30 для улучшения смеси воздух/бедный газ между лопатками.

Центральная трубка.

Показанная на фиг. 10 и 11 центральная трубка 13 предназначена для установки с центровкой на центральной оси, и ее размеры определяют таким образом, чтобы она располагалась в продольном направлении между двумя концами кессона и обеспечивала сообщение между ними.

Эта трубка содержит

наружную стенку 35, ограничивающую пространство предварительного смешивания вместе с внутренней стенкой 25 или внутренней стороной 31 двойной стенки кессона, и внутреннюю поверхность 52;

средства крепления к кессону и установки воздушного или газового кессона 36, расположенного(ых) в задней части трубки;

первое лопаточное устройство 37, расположенное в передней части трубки, при этом упомянутые лопатки 37 выполнены в пространстве прохождения предварительной смеси между наружной стенкой 37 трубки и внутренней стенкой 25 кессона или внутренней стороной 31; они профилированы таким образом, чтобы создавать вращение потока предварительной смеси во время ее прохождения к выходу кессона; пространство между кессоном и трубкой образует канал 38 (фиг. 1) в виде венца, предназначенный для прохождения потока воздуха предварительного смешивания;

стенку 23, образующую радиальный заплечик центральной трубки, при этом упомянутая стенка отделяет пространство предварительного смешивания от задней части центральной трубки, которая, в свою очередь, сообщается с воздушным кессоном.

Центральный стержень.

Показанный на фиг. 12 центральный стержень 51 предназначен для установки в центральной трубке 13 и центрован по центральной оси.

Горелка содержит также второе лопаточное устройство 19, расположенное внутри и вблизи передней части центральной трубки.

Лопатки закреплены, например, на центральном стержне 51, который проходит через центральную трубку; они выполнены от поверхности стержня 50 до внутренней стенки 52 центральной трубки.

Горелка может также содержать «факельный конус » 18, образующий отражатель, расположенный на выходе центральной трубки и отстоящий от нее таким образом, чтобы обеспечивать расходящийся выпуск центрального воздушного потока. В представленном примере факельный конус расположен на переднем конце осевого стержня 51.

Газ нагнетается на конце стержня под расходящимся углом, который определен рядом калиброванных отверстий 54, выполненных в виде венца вокруг конусного отражателя 18, позволяющего нагнетать газ по максимальной окружности, чтобы возможные струи высококалорийного газа начинались как можно ближе к центральному потоку воздуха горения и имели максимальный импульс при соударении с потоком бедного газа.

Предпочтительно для достижения наилучших результатов конусный отражатель выполняют в виде отражателя 18b, содержащего периферийные зубцы 52 и содержащего центральные отверстия 53, выходящие внутрь канала центрального стержня.

Как правило, размеры горелки определяют таким образом, чтобы при нормальном рабочем режиме в нее заходил дополнительный поток, нагнетаемый на очень высокой скорости, превышающей 100 м/с, тогда как поток предварительной смеси нагнетается со скоростью, находящейся в пределах от 40 до 80 м/с.

В случае необходимости, в варианте выполнения, горелка может содержать вход питания высококалорийным газом. В данном примере высококалорийный газ подается под давлением на периферии центральной трубки непосредственно в пространство предварительного смешивания.

Предпочтительно для сверхпроизводительных горелок (более 20 мегаватт) высококалорийный газ распределяется вокруг центральной трубки таким образом, чтобы максимально смешиваться с предварительной смесью.

Для этого центральная трубка может содержать

кольцевой кессон 36 для захождения и распределения газа вокруг нескольких отверстий, проходящих через заднюю стенку 23, выполненную в виде кольцевого заплечика центральной трубки;

участок 56 трубки, выполненный в виде частичной двойной стенки вокруг центральной трубки таким образом, чтобы направлять газ, входящий в камеру предварительного смешивания, по существу, до середины камеры;

конус 57 соединения двойной стенки с кессоном через заплечик с возможностью сосредоточения высококалорийного газа;

факультативно, кольцевой отражатель 58, установленный на расстоянии от конца двойной стенки таким образом, чтобы заставлять расходиться поток высококалорийного газа и способствовать его перемешиванию с воздухом;

альтернативно или дополнительно к вышеуказанному отражателю, ряд калиброванных отверстий 59, выполненных в центральной трубке в виде венца непосредственно на входе отражателя 58 таким образом, чтобы способствовать нагнетанию центрального дополнительного воздушного потока в поток высококалорийного газа и обеспечивать, таким образом, его расхождение.

Согласно варианту выполнения кессон 36 может быть соединен с трубкой подачи высококалорийного газа (при этом отверстия 10А2 перекрыты) или с другим кессоном 36В, охватывающим кессон 36 и соединенным с трубкой подачи. Калиброванные отверстия, расположенные под расходящимся углом, могут быть выполнены в кольце, соединяющем обе трубки 13 и 56В на переднем конце.

В случае необходимости, участок 56 трубки (двойная стенка) может быть выполнен до конца центральной трубки 13, образуя центральную двойную стенку 56В таким образом, чтобы нагнетать высококалорийный газ непосредственно на наконечник горелки вокруг центрального воздушного потока.

Для горелок меньшей мощности (например, менее 20 мегаватт) высококалорийный газ тоже подается под давлением, но в центральный стержень. Он нагнетается под определенным расходящимся углом через ряд калиброванных отверстий 53, выполненных в виде венца вокруг специального устройства (отражатель с периферийными зубцами 52), которое позволяет нагнетать этот газ по максимальной окружности, чтобы струи высококалорийного газа начинались как можно ближе к воздуху горения и имели максимальный импульс, соударяясь с потоком бедного газа.

Вышеуказанные конфигурации позволяют получить консистентное пламя непрерывной структуры и с максимальной поверхностью (оптимизация теплопередачи в топке). Таким образом, в высококалорийный газ изначально подается воздух горения независимо от состава/пропорции видов топлива: газ одного вида и чистый газ или газовая смесь.

Горелку выполняют в виде механических и сварных модулей, что позволяет максимально обеспечить гибкость и простоту проектирования, адаптации, изготовления, установки и обслуживания, учитывая при этом, что

воздух горения может быть более или менее горячим;

для установок с множеством расположенных рядом друг с другом горелок направление вращения текучих сред должно совмещаться, чтобы не нарушать горения и потоков в топке;

она позволяет легко заменить уже существующие горелки;

высококалорийные виды топлива могут иметь разное качество.

Далее следует описание возможных вариантов прохождения различных потоков в зависимости от рабочего режима горелки.

Запальное пламя доставляют к наконечнику горелки через направляющую трубку 60 запальной горелки (фиг. 1). При этом активируется постоянный воздушный контур при помощи насоса (не показан), который нагнетает воздух горения сзади горелки, создавая давление в кессоне ZC питания воздухом.

Часть воздуха горения попадает в двойную стенку 27 кессона (фиг. 6) через входные отверстия 10, например прямоугольные и выполненные в кольцевой стенке 23В, закрывающей двойную стенку сзади, тогда как другая часть проходит напрямую через двойной кессон в направлении сопел 20а, 20b.

Часть этой части заходит в балки 11 (фиг. 8), тогда как другая ее часть проходит непосредственно в камеру 30 предварительного нагнетания периферийного воздуха через так называемую отклоняющую частичную двойную стенку кессона (фиг. 7), которая не содержит каналов и расположена под углом примерно 90 ° между радиальными стенками 32 и 33.

В балках создается давление, и воздух горения выходит из сопел в направлении (фиг. 7), касательном к окружности с центром на центральной оси, и в направлении лопаток первого устройства приведения во вращение.

Горючий газ, который может находиться под небольшим давлением (как правило, ниже 300 мм водяного столба), заходит в поперечном направлении в кессон, увлекаемый воздушными струями на уровне отверстий 8 между балками 11; завихрения производят предварительное смешивание или перемешивание в пространстве 16 предварительного смешивания кессона на входе лопаточного устройства (фиг. 7), в частности, за счет отклонения отклоняющей стенки 31.

Поскольку балки выходят также в камеру 30 предварительного нагнетания периферийного воздуха, они способствуют проникновению в нее воздуха в дополнение к воздуху, проходящему через внутреннее пространство отклоняющей или направляющей двойной стенки 24, 25.

Воздух горения заходит также через вход 9 центральной трубки 13 (фиг. 10, 11) и проходит напрямую на уровень наконечника 6, пройдя через пространство между лопатками второго лопаточного устройства 19 (фиг. 2), где ему сообщается вращательное движение. Этот воздух выходит перед наконечником расходящимся потоком за счет расположенного спереди конусного отражателя 18.

В это же время периферийный воздух нагнетается в камеру 30 (фиг. 9, 14-16) в виде двух турбулентных потоков через периферийные сопла 20а, 20b перед наконечником горелки.

Когда предварительная смесь достигает переднего выхода горелки, куда она нагнетается в виде кольцевого турбулентного потока, она попадает между двумя воздушными потоками, центральным и периферийным, которые проникают в эту смесь, и смешивается с этими потоками.

Направления вращения различных воздушных потоков могут быть противоположными направлению потока предварительной смеси, однако, предпочтительно они вращаются в одном направлении.

В случае необходимости, в камеру предварительного смешивания может поступать дополнительный воздух через трубки 21 или клапаны (фиг. 10, 11), установленные на кольцевой стенке 23, образующей заплечик центральной трубки, и обогащает смесь воздухом.

Воздух может также поступать сзади кессона 36 через отверстия 10А2 и обогащать предварительную смесь.

В случае необходимости (фиг. 6), воздух может выходить из кессона из камеры 30 предварительного нагнетания через отверстия 55, выполненные в нижней стенке кессона, и попадает в радиальном направлении в лопаточное устройство 37 между лопатками. Это позволяет улучшить перемешивание газовой смеси с воздухом.

В случае использования нескольких горелок, расположенных рядом друг с другом в камере сгорания установки, необходимо следить за сцеплением различных турбулентных потоков. Для этого необходимо обеспечить соответствующее направление различных сопел и лопаток. Например, периферийные турбулентные потоки должны быть противоположными между двумя горелками.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества:

пламя является стабильным и устойчивым, и устраняются все вибрации, связанные с нестабильностью горения;

не требуется никакой регулировки;

возможно разделение воздуха горения на более чем две и даже более чем три части;

не требуется дополнительного поддерживающего топлива для компенсации неоднородности смеси или низкой калорийности топливного газа, а также соответствующих устройств или оборудования для его подачи, что позволяет экономить высококалорийное топливо в случае нехватки бедного газа;

возможность нормальной работы с использованием только одного чистого высококалорийного газа;

не требуется нагрева газа или воздуха горения в результате возможности правильного сжигания горелкой газов с очень низкой теплотворностью ( <750 ккал/м ³ ) в виде смеси холодного газа и холодного воздуха. Обычно воздух горения для горелки мощностью 20 МВт нагревают до 200 °С;

обеспечивается снижение содержания кислорода в дымах за счет очень хорошего сгорания благодаря оптимизированной смеси воздух-топливо. Содержание кислорода в дымах снижается до 0,6-1% вместо 2%;

происходит увеличение температуры пламени на 60-80 °С, что обеспечивает повышение теплопередачи в топках (+15%). За счет этого повышается производительность котла;

существенно снижаются потери в дымах (при постоянной температуре), так как объем дымов уменьшается в той же пропорции, что и фактор воздуха, то есть на 10-15%. Производительность котла за счет этого повышается как минимум на порядок. Для котла в 100 МВт она составляет более 10 ГВт ∙ч/год в перерасчете на топливо;

обеспечивается снижение потребления электроэнергии вентиляторами, перемешивающими воздух и дымы, поскольку уменьшаются предназначенные для перемешивания объемы воздуха и дымов, в результате получают возможность уменьшения размера нагнетающих и отсасывающих вентиляторов примерно на 15-20% и снижение их потребления более чем на 10%.