Універсальний пальниковий пристрій для спалювання природного газу і біогазу

Реферат: Винахід належить до пристроїв для спалювання різних видів палив разом чи окремо, а саме, природного газу і біогазу. Пальниковий пристрій може бути використаний у парових і водогрійних котлах. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення конструкції універсального пальникового пристрою для спалювання природного газу і біогазу, в якому, внаслідок встановлення у вхідній частині кільцевого колектора на боковій поверхні зовнішньої труби біогазових сопел, заглушки у вхідному торці зазору між трубами і посередині зазору перегородки, а також зміни довжини внутрішньої труби кільцевого колектора, забезпечується краще змішування біогазу з повітрям, що приводить до інтенсифікації горіння біогазоповітряної суміші, і двостадійне спалювання палива і, за рахунок цього, зменшується вміст оксидів вуглецю і оксидів азоту в димових газах і виключається вібраційне горіння при низьких навантаженнях, тобто забезпечується стабільне горіння по всьому діапазону навантаження. Універсальний пальниковий пристрій містить підключений до повітропроводу циліндричний корпус, всередині якого співвісно розміщений кільцевий колектор, виконаний з співвісних зовнішньої і внутрішньої труб з зазором між трубами вздовж всієї довжини колектора. Кільцева перегородка посередині зазору розділяє зазор на вхідну і вихідну частини. З торців зазор закритий заглушками. На вхідному кінці зовнішньої труби кільцевого колектора розташовані біогазові сопла і патрубок для подачі біогазу, а на вихідному кінці - сопла і патрубок для подачі додаткового природного газу. В кінці циліндричного корпусу пальника встановлена кільцева камера з соплами і патрубком для подачі основного природного газу. До вихідного торця корпусу пальника приєднана амбразура для стабілізації факела. На поверхні кільцевого колектора посередині встановлений завихрювач повітря, а вихідна частина внутрішньої труби кільцевого колектора з'єднана з вхідною частиною амбразури. Універсальний пальниковий пристрій порівняно з прототипом зменшує шкідливі викиди до атмосфери за рахунок UA 102483 C2 (12) UA 102483 C2 збільшення шляху змішування біогазу з повітрям і організації двостадійного спалювання палива і працює у всьому діапазоні навантаження без вібрації, а за рахунок подачі додаткового природного газу навіть в період малих навантажень і відсутності біогазу взагалі. UA 102483 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до пристроїв для спалювання різних видів палив разом чи окремо, а саме природного газу і біогазу. Пальниковий пристрій може бути використаний у парових і водогрійних котлах. Відомий пальник для спалювання природного газу та біогазу (патент України на винахід 7 №67838, М кл F23D14/12, 2004p.), що містить розташований в щілині котла паливний колектор з отворами на боковій поверхні, розміщений на опорі і виконаний з кутика (опорний кутик). У ці отвори встановлені змінні сопла, що виконані з антикорозійного матеріалу. До опорного кутика з обох боків приєднано повітряний розподільник, виконаний зі смуг листової сталі, які розміщені у шаховому порядку відносно до осей газових сопел. Пальник може опалювати котел природним газом і біогазом одночасно, але тільки в тому випадку, якщо буде встановлено в котлі принаймні два різних за конструкцією пальники, у кожний з яких будуть подавати газ чи біогаз окремо. В один пальник одночасно подавати газ і біогаз неможливо. Відомий також пальниковий пристрій (пальник) для спалювання природного газу і біогазу (патент України на винахід № 89870, МПК (2009) F23D14/00, 2010 р.), що містить підключений до повітропроводу корпус пальника, всередині якого співвісно розміщений кільцевий колектор, виконаний у вигляді двох співвісних труб різного діаметра, розміщених як труба в трубі, з закритим з вихідного кінця зазором між трубами і з біогазовими соплами, які виконано на боковій поверхні зовнішньої труби по колу, а перед соплами на цій трубі встановлений співвісно лопатковий завихрювач. До зовнішньої труби кільцевого колектора поблизу вхідного кінця приєднаний патрубок для подачі біогазу. А поблизу вихідного торця корпусу встановлена периферійна газова камера з патрубком для подачі основного газу і газовими соплами по колу. При цьому сопла для біогазу і сопла для природного газу спрямовані назустріч одне до одного і розташовані одні від других на відстані 0,15…0,25 діаметра периферійної газової камери. А до вихідного торця корпусу приєднана амбразура пальника. Але конструкція відомого пальника має ряд вад. Розташування біогазових сопел в кінці кільцевого колектора (тобто ближче до амбразури) зменшує шлях змішування дуже забаластованого біогазу з повітрям і, тим самим, знижує якість змішування і збільшує довжину факела, а також можливість появи в продуктах згорання палива оксидів вуглецю зверх нормативного рівня. А відкритий передній торець зазору між трубами кільцевого колектора не виключає проникнення повітря з корпуса пальника через зазор до біогазу і попереднього змішування повітря з біогазом. А це реальна можливість до утворення локальної вогненебезпечної суміші, що може привести до хлопка і виходу пальника з ладу. Крім того, виробництво біогазу неритмічне у деяких технологіях харчової промисловості (спиртове та цукрове виробництва) та на станціях аерації міст. При цьому накопичення біогазу недостатньо, щоб його використовувати як стабільне паливо. Навіть станції аерації, що виробляють біогаз в порівняно великих об'ємах, не є постійним і надійним постачальником цього палива до своїх котелень. Всі інші опалювальні котельні в системах теплопостачання міст і селищ біогаз взагалі не використовують. В умовах відсутності біогазу пальник працює на основному паливі природному газі в нормальному режимі тільки в межах навантаження від 100 % до 40 % (наприклад, в котлах ДЕ-16). Далі при зниженні навантаження спалювання газу попадає (входить) в режим вібраційного горіння, що призводить до неприємного сприйняття шуму і самої вібрації, яка, як свідчить практика, може приводити до руйнації обладнання поблизу пальника. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення конструкції універсального пальникового пристрою для спалювання природного газу і біогазу, в якому, внаслідок встановлення у вхідній частині кільцевого колектора на боковій поверхні зовнішньої труби біогазових сопел і заглушки у вхідному торці зазору між трубами і посередині зазору перегородки, а також зміни довжини внутрішньої труби кільцевого колектора, забезпечується краще змішування біогазу з повітрям, що приводить до інтенсифікації горіння біогазоповітряної суміші, і двостадійне спалювання палива і, за рахунок цього, зменшується вміст оксидів вуглецю і оксидів азоту в димових газах і виключається вібраційне горіння при низьких навантаженнях, тобто забезпечується стабільне горіння по всьому діапазону навантаження. Поставлену задачу вирішено завдяки тому, що універсальний пальниковий пристрій для спалювання природного газу і біогазу, що містить корпус, в якому співвісно розміщений кільцевий колектор, виконаний у вигляді двох співвісних труб різного діаметра з кільцевим зазором між ними, з закритим вихідним торцем, патрубком і соплами для подачі палива, лопатковий завихрювач і кільцеву газову камеру з соплами по колу на вихідному кінці корпусу, згідно з винаходом, оснащений перегородкою посередині кільцевого зазору кільцевого колектора, у вхідній частині якого виконані додаткові паливні сопла і встановлені заглушка і патрубок для подачі палива, а труба меншого діаметра кільцевого колектора подовжена на 1 UA 102483 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 величину L/D=0,1…0,3, де L - відстань між вихідними торцями труб більшого і меншого діаметра кільцевого колектора, D - діаметр кільцевої газової камери. Сукупність відмітних ознак винаходу дозволяє одержати порівняно більший шлях змішування біогазу з повітрям, що покращує процес змішування і інтенсифікує горіння біогазоповітряної суміші, і це для забаластованого палива, яким є біогаз, створює умови спалювання суміші в меншому об'ємі, а, значить, з більш високою температурою згорання, яка впливає на зменшення вмісту оксидів вуглецю в продуктах згорання, а організація двостадійного спалення палива зменшує кінцеву температуру горіння, що приводить до зниження оксидів азоту в продуктах згорання. Також сукупність відмітних ознак дозволяє при використанні в пальнику біогазового палива і додаткового природного газу при низьких навантаженнях (при витраті газу нижче 40 % від номінальної витрати) працювати без основного газу, але без вібрації, при відсутності біогазу, що часто має місце в практиці його використання, працювати тільки на додатковому газі, і теж без вібрації, а використання заглушки і перегородки в зазорі між трубами кільцевого колектора не дозволяє перемішування в зазорі палив і проникнення дуттьового повітря в зазор і створення навіть локальної паливоповітряної суміші і, ти самим, можливість хлопка чи вибуху. На кресленні представлений поздовжній розріз запропонованого універсального пальникового пристрою для спалювання природного газу і біогазу. Пальник містить підключений до повітропроводу 1 циліндричний корпус 2, всередині якого співвісно розміщений кільцевий колектор 3, виконаний з двох співвісних труб - зовнішньої 4 і внутрішньої 5, розташованих як труба в трубі і, отже, з зазором по колу вздовж всієї довжини колектора. Посередині зазору встановлено кільцеву перегородку 6, яка розділяє весь зазор на вхідну 7 і вихідну 8 частини. З торців зазор закритий заглушками 9 і 10 по колу. На вхідному кінці зовнішньої труби кільцевого колектора розташовані біогазові сопла 11 і патрубок 12 для подачі біогазу до вхідної частини кільцевого колектора, а в вихідному кінці - сопла додаткового природного газу 13 і патрубок 14 для подачі додаткового природного газу до вихідної частини кільцевого колектора. В вихідній частині циліндричного корпусу пальника встановлена кільцева газова камера 15 з патрубком 16 для подачі основного природного газу та газовими соплами 17, розташованими по колу кільцевої газової камери. До вихідного торця циліндричного корпуса пальника приєднана амбразура 18 для стабілізації процесу горіння (стабілізації факела від проскоку і відриву). На поверхні зовнішньої труби кільцевого колектора посередині встановлений лопатковий завихрювач 19 для закручування дуттьового повітря в циліндричному корпусі пальника, а вихідна частина внутрішньої труби кільцевого колектора з'єднана з вхідною частиною амбразури. Універсальний пальниковий пристрій для спалювання природного газу і біогазу працює наступним чином. Після заповнення водою гідравлічної системи водогрійного котла чи доведення рівня води у барабані парового котла до робочого стану у пальник спочатку подають дуттьове повітря через повітропровід 1 в циліндричний корпус 2 пальника, де його поділяють на первинне повітря і вторинне. Первинне повітря направляють в кільцевий канал циліндричного корпусу пальника, створений внутрішньою стінкою корпуса і поверхнею зовнішньої труби 4 кільцевого колектора 3 і закручують його за допомогою завихрювача 19. Вторинне повітря подають центральним прямотоком через внутрішню трубу 5 кільцевого колектора безпосередньо у зону горіння. Після цього у пальник подають паливо. Основний природний газ через патрубок 16, газову камеру 15 і газові сопла 17 подають в корпус пальника поблизу з'єднання його з амбразурою 18. Одночасно при цьому біогаз через патрубок 12, зазор 7 і сопла 11 подають в первинне повітря, а додатковий природний газ через патрубок 14, зазор 8 і сопла 13 - в закручену суміш первинного повітря з біогазом. Завдяки встановленню у зазорі кільцевого колектора перегородки 6 і заглушок 9 і 10 виключається можливість змішування в зазорі первинного повітря з біогазом і біогазу з додатковим природним газом і це не дозволяє створення навіть локальної паливоповітряної суміші і можливості хлопка чи вибуху. Закручену паливоповітряну суміш в кінці кільцевого каналу змішують з основним природним газом і створюють суміш первинного повітря з основним природним газом, біогазом і додатковим природним газом, тобто одержують суміш всього палива з недостатньою кількістю повітря (багату суміш), яку підпалюють. В цей же час вторинне повітря прямотоком подають до фронту горіння і, тим самим, організовують двостадійне спалювання палива. Факел через амбразуру 18, входить у топку котла. Для аргументації очікуваного результату в котельні Луганського експериментального спиртзаводу (Чернівецька обл.) пальники за прототипом і пропонований випробували на котлі ДЕ-16. В проведених випробуваннях вимірювали вміст оксидів азоту і оксидів вуглецю в продуктах згорання і довжину факела. В таблицях 1 і 2 наведені результати. 2 UA 102483 C2 Таблиця 1 Результати випробувань пальника за прототипом №№ п/п 1 1. 2. 3. 4. 5. Навантаження, % 2 100 80 60 40 Середньостатистична величина Довжина факела, Вміст оксиду Вміст оксиду азоту, 3 3 3 Lф, м вуглецю, СО, мг/м NOх, мг/м 3 4 5 2,0 130 180 1,8 139 155 1,6 150 130 1,4 155 112 1,7 146 144 Таблиця 2 Результати випробувань пропонованого пальника 1 1. 2. 3. 4. 5. 5 10 15 2 100 80 60 40 Середньостатистична величина 3 1,8 1,6 1,3 0,9 4 120 130 145 130 5 178 160 135 112 1,4 131 125 В запропонованому пальнику довжина факела зменшується на 17 %, вміст в продуктах згорання оксидів вуглецю на 10,3 % і оксидів азоту на 13,2 %. При цьому при малих навантаженнях (на 40 % і менше) пальники працювали в нормальному режимі, тобто без вібрації. Але двостадійне згорання палива в запропонованому пальнику неоднозначно впливає на вміст в продуктах згорання шкідливих викидів. Від місця введення вторинного повітря вміст шкідливих викидів може як зменшуватися, так і збільшуватися. Тому також були проведені випробування пропонованого пальника щодо впливу місця введення вторинного повітря на сумарну токсичність, розраховану за концентрацією в продуктах згорання шкідливих викидів. Токсичність компонента - це число, яке проказує в скільки разів концентрація компонента 3 3 перевищує гранично дозволену концентрацію (для CO - 20 мг/м , NOx - 0,085 мг/м ). Місце введення - це відстань між вихідними торцями труб більшого і меншого діаметра кільцевого колектора (L). Результати наведені в табл. 3. Таблиця 3 Сумарна токсичність продуктів згорання від спалювання палива в пропонованому пальнику при номінальному навантажені Відносна відстань А=L/D* 0 0,1 0,15 0,3 0,5 Загальна токсичність 1888 1595 1419 1476 1900 *D - діаметр кільцевої газової камери. Оптимальна відносна відстань між торцями: А=0,1…0,3. 20 Універсальний пальниковий пристрій порівняно з прототипом зменшує шкідливі викиди до атмосфери за рахунок збільшення шляху змішування біогазу з повітрям і організації 3 UA 102483 C2 5 двостадійного спалювання палива і працює у всьому діапазоні навантаження без вібрації, а за рахунок подачі додаткового природного газу навіть в період малих навантажень і відсутності біогазу взагалі. Тобто, універсальний пальниковий пристрій може нормально працювати не тільки на суміші природного газу і біогазу, а також при відсутності біогазу - на природному газі, і тому є універсальним. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Універсальний пальниковий пристрій для спалювання природного газу і біогазу, що містить корпус, в якому співвісно розміщений кільцевий колектор, виконаний у вигляді співвісних труб різного діаметра з кільцевим зазором між ними, з закритим вихідним торцем, патрубком і соплами для подачі палива, лопатковий завихрювач і кільцеву газову камеру з соплами по колу на вихідному кінці корпусу, який відрізняється тим, що він оснащений перегородкою посередині кільцевого зазору кільцевого колектора, у вхідній частині якого виконані додаткові паливні сопла і встановлені заглушка і патрубок для подачі палива, а труба меншого діаметра кільцевого колектора подовжена на величину L / D  0,1...0,3, де L - відстань між вихідними торцями труб більшого і меншого діаметра кільцевого колектора, D - діаметр кільцевої газової камери. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4