Універсальний пальниковий пристрій для спалювання природного газу і біогазу

Реферат: Універсальний пальниковий пристрій для спалювання природного газу і біогазу містить корпус, в якому співвісно розміщений кільцевий колектор, лопатковий завихрювач і кільцеву газову камеру з соплами для подачі основного природного газу на вихідному кінці корпусу. Колектор виконаний у вигляді співвісних труб різного діаметра з кільцевим зазором між ними з закритими вхідним і вихідним торцями і встановленою посередині перегородкою, патрубками і основними соплами для подачі біогазу і додаткового природного газу, розміщеними на боковій стінці зовнішньої труби кільцевого колектора з вхідного і вихідного кінців. Лопатковий завихрювач розміщений між патрубками для подачі біогазу і додаткового природного газу. Містить додаткові біогазові сопла, виконані на боковій поверхні внутрішньої труби кільцевого колектора у вхідній її частині, і додаткові сопла для додаткового природного газу, виконані також на боковій поверхні внутрішньої труби кільцевого колектора, але у вихідній її частині. Забезпечується покращення змішування палива з первинним повітрям. UA 113224 C2 (12) UA 113224 C2 UA 113224 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 пальниковий пристрій для спільного спалювання природного газу і біогазу (патент України на винахід № 89870, МПК (2009) F23D 14/00, опубл. 10.03.2010), 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 вихідним торцем і біогазовими соплами на вихідному кінці бокових стінок 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 біля вихідного торця корпусу встановлена периферійна газова камера з патрубком для подачі основного газу і газовими соплами по колу. Причому, сопла для біогазу і сопла для природного газу спрямовані назустріч один 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. Відомий також пальник для сумісного спалювання біогазу та природного газу (патент України на корисну модель № 94034, МПК (2014.01) F23D 14/00, 23D 17/00, опубл. 27.10.2014), що містить підключений до повітропроводу і приєднаний до амбразури котла корпус, на вихідному кінці якого встановлено паливорозподільний пристрій природного газу з соплами по колу, а всередині корпусу співвісно розташовано кільцевий паливорозподільний пристрій біогазу з соплами по колу, виконаний з двох співвісних труб з заглушками з обох торців. На зовнішній трубі співвісних труб всередині корпусу пальника встановлений повітряний завихрювач. Вихідний торець паливорозподільного пристрою біогазу розташований у вхідній частині амбразури, а у вхідному та вихідному торцях його внутрішньої труби встановлено суцільні заглушки. Сопла для подачі біогазу розташовані між соплами для подачі природного газу і амбразурою котла з відносною відстанню між осями сопел, що дорівнює А=0,040,40 D, де D діаметр корпусу пальника. Але конструкції відомих пальників мають ряд недоліків. Розташування біогазових сопел в кінці кільцевого колектора (тобто ближче до амбразури) зменшує шлях змішування забаластованого біогазу з повітрям і, тим самим, знижує якість змішування і збільшує довжину факела і можливість появи в продуктах згорання палива оксидів вуглецю зверх нормативного рівня. Відомо також, що 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 шуму і вібрації, яка, як свідчить практика, може призводити до руйнування обладнання поблизу пальника. Крім того, конструкція внутрішньої труби співвісних труб з закритими торцями не дозволяє організувати подачу вторинного повітря крізь трубу меншого діаметра співвісних труб і забезпечити двостадійне спалювання палива для зниження токсичних оксидів азоту, тобто покращення екологічних показників котла. Найбільш близьким за технічними ознаками до пропонованого пристрою є універсальний пальниковий пристрій для спалювання природного газу і біогазу (патент України на винахід № 102483 МПК F23D 14/02 (2006.1), опубл. 10.07.2013), який містить підключений до повітропроводу циліндричний корпус, всередині якого співвісно розміщений кільцевий колектор, виконаний з двох співвісних труб - зовнішньої і внутрішньої, розташованих як труба в трубі з зазором по колу вздовж всієї довжини колектора, торці якого заглушені. Посередині зазору встановлено кільцеву перегородку, яка розділяє весь зазор на вхідну і вихідну частини. На вхідному кінці зовнішньої груби кільцевою колектора розташовані біогазові сопла з патрубком для подачі біогазу до вхідної частини кільцевого колектора, а в вихідному кінці - сопла додаткового природного газу і патрубок для подачі його до вихідної частини кільцевого колектора. У вихідній частині циліндричного корпусу пальника встановлена кільцева газова камера з патрубком для подачі основного природного газу крізь газові сопла, що розташовані по колу кільцевої газової камери. До вихідного торця циліндричного корпусу пальника приєднана амбразура. На поверхні зовнішньої труби кільцевого колектора посередині встановлений лопатковий завихрювач для закручування дуттьового повітря в циліндричному корпусі 1 UA 113224 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 пальника, а вихідна частина внутрішньої труби кільцевого колектора з'єднана з вхідною частиною амбразури. У відомому пальнику весь об'єм біогазу і додаткового природного газу направляють через свої сопла в циліндричний корпус пальника в потік первинного повітря. А основний природний газ крізь свої сопла направляють вже в суміш первинного повітря з біогазом і додатковим природним газом біля амбразури. Але в межах навантаження котла до 40 %, що має місце у період від квітня до жовтня кожного поточного року, пальник, як правило, працює без використання основного природного газу, тобто на біогазі і додатковому природному газі чи тільки на додатковому природному газі за умов відсутності біогазу. При цьому в первинному повітрі, яке направляють в кільцевий канал циліндричного корпусу пальника, створений внутрішньою стінкою корпусу і поверхнею зовнішньої труби кільцевого колектора, може з'явитися можливість створення в первинному повітрі багатої паливоповітряної суміші, де вміст палива сягає більше 15 %. Для цієї суміші, яка навіть при відсутності біогазу створюється тільки подачею додаткового природного газу, може невистачити часу для рівномірного перемішування палива з повітрям і згоряння може супроводжуватися хлопками і бути неповним. А це може призводити до руйнування вихідної частини пальника і амбразури котла, а в продуктах згоряння - появи значної кількості оксидів вуглецю. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення конструкції універсального пальникового пристрою для спалювання природного газу і біогазу, в якому, внаслідок виконання додаткових біогазових сопел і додаткових сопел для додаткового природного газу, у вхідній і вихідній частинах внутрішньої труби кільцевого колектора, забезпечується покращення змішування палива з первинним повітрям, що призводить до покращення процесів горіння, які впливають на зменшення довжини факела, оксидів вуглецю в продуктах згоряння, і, за рахунок цього, поширюється межа впровадження пальників з малою довжиною факелів в топках різних геометричних розмірів, а також покращуються екологічні показники. Поставлена задача вирішена завдяки тому, що 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 закритими вхідним і вихідним торцями і встановленою посередині перегородкою, патрубками і основними соплами для подачі біогазу і додаткового природного газу, розміщеними на боковій стіні зовнішньої труби кільцевого колектора з вхідного і вихідного кінців його, а також лопатковий завихрювач, розміщений між патрубками для подачі біогазу і додаткового природного газу, і кільцеву газову камеру з соплами для подачі основного природного газу на вихідному кіпці корпусу, згідно з винаходом, оснащений додатковими біогазовими соплами, виконаними на боковій поверхні внутрішньої труби кільцевого колектора у вхідній її частинні додатковими соплами для додаткового природного газу, виконаними на боковій поверхні внутрішньої труби кільцевого колектора, але у вихідній її частині. Додатковими відмітними ознаками універсального пальникового пристрою є те, що відношення живих перерізів основних біогазових сопел до живих перерізів додаткових біогазових сопел становить 3:2 і відношення живих перерізів основних сопел для додаткового природного газу до живих перерізів додаткових сопел для додаткового природного газу - також 3:2, а живі перерізи каналів для первинного і вторинного повітря однакові. Сукупність відмітних ознак винаходу дозволяє в період експлуатації пальника без використання основного природного газу одержувати в первинному дуттьовому повітрі нормальну паливоповітряну суміш з концентрацією палива 10-11 %, що робить її більш реакційною в порівнянні з багатою сумішшю з концентрацією палива у 1415 % і тим самим покращується процес згоряння палива, що призводить до зменшення довжини факела і концентрації оксидів вуглецю, а також дозволяє одержувати більші можливості для зниження оксидів азоту за рахунок підмішування частини біогазу до вторинного повітря як забаластованого палива, яким є біогаз відносно природного газу. На кресленні представлений поздовжній розріз пропонованого універсального пальникового пристрою для спалювання природного газу і біогазу. Пальниковий пристрій містить підключений до повітропроводу 1 циліндричний корпус 2, всередині якого співвісно розміщений кільцевий колектор 3, виконаний з двох співвісних труб різного діаметра - зовнішньої 4 і внутрішньої 5, розташованих як труба в трубі з зазором по колу вздовж всієї довжини колектора. Посередині вздовж 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. Між внутрішньою поверхнею циліндричного корпусу і зовнішньою поверхнею зовнішньої труби кільцевого колектора розташовано канал для первинного дуттьового повітря, а всередині внутрішньої труби кільцевого колектора розташовано канал для вторинного 2 UA 113224 C2 5 10 15 20 25 30 35 дуттьового повітря. На вхідному кінці зовнішньої труби кільцевого колектора виконані основні біогазові сопла 11, а на вхідному кінці внутрішньої труби - додаткові біогазові сопла 12. На вхідному кінці зовнішньої труби кільцевого колектора встановлений також патрубок 13 для подачі біогазу в пальник. На вихідному кінці зовнішньої труби кільцевого колектора виконані основні сопла 14 для подачі в пальник додаткового природного газу, а на вихідному кінці внутрішньої труби - додаткові сопла 1 5 для подачі додаткового природного газу. На вихідному кінці зовнішньої труби кільцевого колектора встановлений також патрубок 16 для подачі додаткового природного газу. У вихідній частині циліндричного корпусу пальника встановлена кільцева газова камера 17 з патрубком 18 для подачі основного природного газу та газовими соплами 19, розташованими по колу кільцевої газової камери. Вихідний торець циліндричного корпусу пальника з'єднано з амбразурою 20. На поверхні зовнішньої труби між патрубками для подачі біогазу і додаткового природного газу встановлений лопатковий завихрювач 21 для закручування первинного дуттьового повітря в циліндричному корпусі пальника, а вихідна частина внутрішньої труби кільцевого колектора з'єднана з вхідною частиною амбразури. При цьому відношення живих перерізів основних біогазових сопел до живих перерізів додаткових біогазових сопел становить 3:2 і відношення живих перерізів основних сопел для додаткового природного газу до живих перерізів додаткових сопел для додаткового природного газу - також 3:2, а живі перерізи каналів для первинного і вторинного повітря однакові. 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 подають дуттьове повітря через повітропровід 1 в циліндричний корпус 2 пальника, де його поділяють на первинне повітря і вторинне. Первинне повітря подають в канал для первинного повітря і закручують його за допомогою завихрювача 21. Вторинне повітря подають не закрученим потоком в канал для вторинного повітря. Після цього у пальник подають паливо. Основний природний газ через патрубок 18, газову камеру 17 і газові сопла 19 подають в корпус пальника поблизу з'єднання його з амбразурою 20. Одночасно при цьому біогаз через патрубок 13, зазор 7 і основні сопла 11 та додаткові 12 подають в первинне і вторинне повітря, відповідно, а додатковий природний газ через патрубок 16, зазор 8, основні сопла 14 і додаткові 15 - в закручену суміш первинного повітря з однією частиною біогазу і в суміш вторинного повітря з другою частиною біогазу. Закручену паливоповітряну суміш первинного повітря з біогазом і додатковим газом в кінці кільцевого каналу змішують з основним природним газом і створюють нормальну суміш первинного повітря з основним природним газом, з біогазом і додатковим газом, яку підпалюють на вході в амбразуру. В цей же час вторинне повітря з другою частиною біогазу і додаткового газу створюють бідну суміш, яку подають до фронту горіння і, тим самим, організують двостадійне спалювання палива з забаластованим біогазом вторинного повітря. Факел через амбразуру 20, входить у топку котла. Для аргументації одержаного результату наводимо в таблиці дані випробування пальника за найближчим аналогом і дані випробувань пропонованого пальника. 40 Таблиця Результати випробувань пальників Вміст оксиду вуглецю, Вміст оксиду азоту, 3 3 CO, мг/м NOX, мг/м №№ Навантаження, за за за п/п % найближ. пропонований найближ. пропонований найближ. пропонований аналогом аналогом аналогом 1 2 3 4 5 6 7 8 1 100 1,8 1,7 120 110 178 170 2 80 1,6 1,55 130 120 160 150 3 60 1,3 1,2 145 135 135 125 4 40 0,9 0,7 130 115 112 100 Середньостатистична 1,4 1,27 131 120 146 136 величина Довжина факела, Lф, м 3 3 UA 113224 C2 5 В запропонованому пальнику довжина факела зменшується на 9 %, вміст в продуктах згорання оксидів вуглецю на 8,4 % і оксидів азоту па 7 %. При цьому при малих навантаженнях (40 % і менше) пальники працювали в нормальному режимі, без вібрації. Універсальний пальниковий пристрій в порівнянні з найближчим аналогом зменшує геометричні розміри факела і знижує шкідливі викиди до атмосфери за рахунок збільшення шляху змішування однієї частини біогазу з первинним повітрям, а другої частини з вторинним повітрям, яке, в свою чергу, баластується біогазом і додатково знижує оксиди азоту. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 1. 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 закритими вхідним і вихідним торцями і встановленою посередині перегородкою, патрубками і основними соплами для подачі біогазу і додаткового природного газу, розміщеними на боковій стінці зовнішньої труби кільцевого колектора з вхідного і вихідного кінців його, а також лопатковий завихрювач, розміщений між патрубками для подачі біогазу і додаткового природного газу, і кільцеву газову камеру з соплами для подачі основного природного газу на вихідному кінці корпусу, який відрізняється тим, що він оснащений додатковими біогазовими соплами, виконаними на боковій поверхні внутрішньої труби кільцевого колектора у вхідній її частині, і додатковими соплами для додаткового природного газу, виконаними також на боковій поверхні внутрішньої труби кільцевого колектора, але у вихідній її частині. 2. Універсальний пальниковий пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що відношення живих перерізів основних біогазових сопел до живих перерізів додаткових біогазових сопел сопел становить 3:2 і відношення живих перерізів основних сопел для додаткового природного газу до живих перерізів додаткових сопел для додаткового природного газу - також 3:2, а живі перерізи каналів для первинного і вторинного повітря однакові. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4