Пальник для спалювання газу

1. Пальник для спалювання газу, що включає корпус з камерою приготування первинної горючої суміші та зоною горіння, канал подачі газу та канал подачі первинного повітря, що з'єднані з камерою приготування первинної горючої суміші, а також канал подачі вторинного повітря, який відрізняється тим, що зона горіння розділена на дві послідовно розташовані уздовж осі корпусу ділянки горіння: ділянку горіння первинної горючої суміші і C2 2 UA 1 3 газу і повітря, кінетичне горіння - з повним попереднім (у пальнику) змішуванням газу і повітря до утворення однорідної суміші. При дифузійному горінні газ і повітря в межах пальника не контактують. Змішування компонентів, що беруть участь в горінні, здійснюється в камері згорання. Процес горіння при цьому затягується з утворенням відносно довгого факела горіння. При кінетичному горінні змішування палива з окислювачем (повітрям) відбувається в пальнику. При достатній температурі в зоні горіння процес горіння відбувається швидко з утворенням короткого факела горіння. У пальниках, що реалізовують принцип кінетичного горіння, найважливішою умовою ефективності спалювання газу є підтримка стехіометричного складу газоповітряної суміші, тобто суміші, в якій на заданий об'єм газу приходиться необхідна для горіння кількість повітря і, крім того, газ і повітря повинні бути перемішані між собою. В цьому випадку відбувається збільшення швидкості горіння і, як наслідок, зростання температури в зоні горіння. Остання обставина сприяє активізації процесу горіння газу, дозволяє одержати якнайповніше спалювання газу при відсутності втрат теплоти від хімічного недопалювання, скорочує втрати тепла з вихідними газами. Рядом експериментальних досліджень і експлуатаційних спостережень доведено, що кінетичне спалювання газу в котлах підвищує їх КПД на 15-20 %. При цьому продукти згорання містять істотно менше шкідливих продуктів недопалювання - оксидів вуглецю і азоту (http://www.bibliotekar.ru/spravochnik4/12.htm). У запропонованому пальнику реалізовано принцип кінетичного спалювання. Більшість газових пальників теплоенергетичних установок, як і запропонований пальник, виконані з примусовою подачею повітря за допомогою нагнітаючого або витяжного вентилятора. Подачу газу і повітря в газовому пальнику здійснюють по окремих каналах. У багатьох конструкціях газових пальників, як і в запропонованому пальнику, для поліпшення умов змішування, потоку повітря або газу надають обертального руху або завихрення, для чого компоненти горючої суміші вводять тангенціальне в пальник циліндричної форми або використовують завихрювачі у вигляді встановлених під кутом лопаток. На опалювальних котлах малої і середньої потужності широке розповсюдження знайшли газові пальники типів ГА, ГГВ. Короткофакельний газовий пальник ГА-106 з примусовою подачею повітря складається і корпуса з патрубками підводу повітря і газу, трубної решітки з газовими трубками, розташованими в порожнині корпусу. Газ через патрубок підводу газу і розподільну камеру надходить на вхід газових трубок. Повітря подається через патрубок підводу повітря в простір між газовими трубками. На вихідній стороні кожної газової трубки виконана насадка-форсунка з направляючими лопатками, які турбулізують (закручують) потік повітря, що надходить до форсунок з міжтрубного простору. У середній частині пальника змонтована труба з 96799 4 відкидною кришкою, яка служить для введення запальника і для спостереження за процесом горіння. До корпуса приварені фланець для кріплення пальника до камери згорання, а також патрубки для манометрів контролю тиску газу і повітря. Вільний простір між насадками-форсунками в усті пальника ущільнений вогнетривкою футерівкою, що захищає пальник від перегріву і забезпечує надходження повітря тільки до насадок-форсунок газових трубок. Газовий пальник вихрового типу ГГВ містить корпус з двома патрубками - для повітря і газу, газову і повітряну кільцеві камери, які розташовані коаксіально і сполучені, відповідно, з патрубками підведення повітря і газу, завихрювач повітря, виконаний у вигляді похилих лопаток, встановлених на виході повітряної кільцевої камери, для створення закрученого (турбулентного) повітряного потоку і утворення якісної газоповітряної суміші, конічний насадок в усті пальника для стабілізації факела горіння, оглядову трубу для спостереження за процесом горіння. Газ подається через сопла з газової кільцевої камери, підхоплюється закрученим потоком повітря і згорає в конічному насадку устя пальника. Розпалювання пальника здійснюється полум'ям запальника через оглядову трубу. Загальними ознаками пальників типу ГА, ГГВ, як аналогів, та рішення, що заявляється, є: корпус з камерою приготування горючої суміші та зоною горіння, канал подачі газу та канал подачі повітря, що з'єднані з камерою приготування горючої суміші. У газових пальниках типу ГА, ГГВ реалізовано принцип одноступінчатого кінетичного спалювання газу зі всіма вище вказаними перевагами кінетичного процесу горіння. Оскільки газові пальники типу ГА, ГГВ призначені, в основному, для спалювання природного газу, що має більш-менш постійні енергетичні характеристики, то проблеми управління стехіометричним складом суміші газповітря і забезпечення стабільності горіння розв'язуються досить просто, оскільки практичний розкид регульованих параметрів горіння при спалюванні природного газу незначний. Піролізний же газ, наприклад в котлах газогенераторного типу, завжди характеризується специфічним набором горючих речовин залежно від виду і стану палива, що викликає значні труднощі в створенні горючої суміші заданого стехіометричного складу в змінних умовах процесу горіння, вимагає глибокого регулювання параметрів горіння, що відсутнє в пальниках типу ГА, ГГВ. Для підвищення ефективності спалювання газоподібного палива і зниження токсичних викидів використовують пальникові пристрої з двоступінчастим спалюванням газу. У пальникових пристроях такого типу повітря дуття розділяється на первинне і вторинне. В результаті утворюються дві зони (стадії) горіння: горіння палива в суміші з первинним повітрям і допалювання продуктів згорання після першої стадії в потоці вторинного повітря. Впровадження таких пальників дозволяє понизити викиди в атмосферу: оксидів азоту - на 5 20-40 %. CO на 20-50 % (http://www.engecology.com/3.html). Так, відомий пальниковий пристрій за патен6 том Російської Федерації № 2122154, МПК F23D 17/00, 20.11.1998, який містить корпус з колектором газоподібного палива, встановленим з утворенням кільцевого каналу первинного повітря і кільцевого каналу вторинного повітря. У колекторі газоподібного палива виконані осьові і радіальні газові отвори. Через осьові отвори газ змішується з первинним повітрям, через радіальні - надходить в потік вторинного повітря. У кільцевих каналах первинного і вторинного повітря встановлені лопатки завихрювачі. У кільцевому каналі вторинного повітря встановлена циліндрична перегородка між корпусом пальника і колектором газоподібного палива. Перед входом у завихрювач вторинного повітря встановлена сітка. Радіальні отвори газового колектора розміщені перед сіткою по ходу вторинного повітря. Пальниковий пристрій працює таким чином. Подається первинне повітря і виконується продування каналу вторинного повітря, подається газоподібне паливо і підпалюється горюча суміш. Далі регульованою подачею первинного, вторинного повітря і газу встановлюється потрібний по продуктивності режим роботи пальника. При цьому дотримується на кожному режимі пропорційність витрат первинного, вторинного повітря і газу в наступних співвідношеннях. Витрата первинного повітря і газоподібного палива 15 - 25 % від сумарного. Витрата вторинного повітря і газу в сумі складає 75 - 85 % від сумарного. Загальними ознаками аналога та рішення, що заявляється, є: корпус з камерою приготування первинної горючої суміші та зоною горіння, канал подачі газу та канал подачі первинного повітря, що з'єднані з камерою приготування первинної горючої суміші, а також канал подачі вторинного повітря. Пальниковий пристрій, як аналог, призначений, в основному, для спалювання природного газу з більш-менш стабільними характеристиками. Проблеми глибокого регулювання складу суміші газ-повітря і забезпечення стабільності горіння при спалюванні піролізного газу, наприклад, в котлах газогенераторного типу, який характеризується специфічним набором горючих речовин в залежності від виду і стану палива та значним розбігом параметрів горіння зазначеним аналогом не вирішуються. Як прототип вибрано пальниковий пристрій для ступінчастого спалювання газоподібного палива за патентом Російської Федерації № 6 2122684, МПК F23R 3/14 F23R 3/34, 27.11.1998. Пальниковий пристрій містить корпус, в якому виконано камеру змішування з лопатками завихрювача, канал первинного повітря, сполучений з камерою змішування, газопровід подачі газу в камеру змішування через відповідний газовий колектор і газові сопла, зону горіння, розташовану на виході камери змішування, канал вторинного повітря, виконаний з можливістю подачі вторинного повітря в зону горіння через похилі вихідні сопла з можливістю закручування потоку, газопровід пода 96799 6 чі газу в потік вторинного повітря через відповідний газовий колектор, а також регулюючу арматуру для управління витратами первинного повітря, вторинного повітря і газу. Пальниковий пристрій працює таким чином. Первинне повітря надходить в корпус пальникового пристрою по повітроводу і далі потрапляє в камеру змішування з лопатковим завихрювачем. У камеру змішування подається газоподібне паливо, що надходить по газопроводу через газовий колектор і вихідні газові сопла. У лопатковому завихрювачі газоподібне паливо змішується з первинним повітрям з коефіцієнтом надлишку повітря 0,75-0,85 і далі гомогенна газоповітряна суміш надходить в зону горіння, де підпалюється. Вторинне повітря по повітроводу і далі через вихідні сопла спільно з паливом в кількості не більше 30 % також надходить в зону горіння. Вторинне повітря у вихідних соплах може закручуватися з напрямом кута закручування, співпадаючим з напрямом закручування первинного повітря, або з протилежним напрямом кута закручування, при цьому струмені вторинного повітря подаються в зону горіння через вихідні сопла, що мають кути нахилу до осі пальника. Таким чином, здійснюється ступінчасте спалювання газоподібного палива, яке забезпечує повне згорання газоподібного палива, дозволяє понизити концентрацію оксидів азоту в продуктах згорання. Для додаткового зменшення оксидів азоту в зону горіння може подаватися вода (водяна пара). Для зниження концентрації оксидів азоту, можлива подача відпрацьованих продуктів згорання спільно з первинним повітрям в зону горіння. Загальними ознаками прототипу та рішення, що заявляється, є: корпус з камерою приготування первинної горючої суміші та зоною горіння, канал подачі газу та канал подачі первинного повітря, що з'єднані з камерою приготування горючої суміші, а також канал подачі вторинного повітря. Даний пальниковий пристрій забезпечує підвищення екологічної чистоти продуктів згорання палива за рахунок його ступінчастого спалювання. У описі прототипу наголошується, що ступінчасте спалювання палива є одним з найперспективніших методів зниження утворення оксидів азоту. Утворюються щонайменше дві зони горіння. У первинну зону горіння подається повітря менше, ніж необхідно теоретично, внаслідок чого відбувається зниження максимальної температури в зоні факела, зниження змісту кисню в ядрі факела, зменшення швидкості реакції утворення оксидів азоту. У вторинній зоні горіння оксиди азоту практично не утворюються із-за розбавлення продуктів допалювання палива продуктами згорання, що надходять з первинної зони горіння, і процес допалювання палива протікає при нижчій температурі. Дослідження, проведені в Інституті газу АН УРСР, показали, що для того, щоб оксиди азоту не утворилися у вторинній зоні горіння, коефіцієнт надлишку повітря в первинній зоні горіння слід вибирати в межах 0,75-0,85. (Стрибав І. Я. Захист повітряного басейну при спалюванні палива. - Л.: Надра, 1988, с. 203-204). 7 Подача частини палива (до 30 %) з вторинним повітрям створює додаткові умови, що призводять до зниження утворення оксидів азоту, за рахунок розтягання процесу спалювання палива, крім цього розширюються межі регулювання процесу спалювання палива при різних навантаженнях роботи пальникового пристрою. Пальниковий пристрій, що вибраний як прототип, як і зазначені вище аналоги, призначений для спалювання природного газу з його більш-менш постійними енергетичними характеристиками. На відміну від природного газу, піролізний газ, наприклад в котлах газогенераторного типу, завжди характеризується специфічним перемінним набором горючих речовин (при роботі котла можуть утворюватися як якісні гази - «водяний» газ, гази з високим вмістом вуглецю - так і бідні гази залежно від виду і стану палива), являє собою суміш горючих газів, виділених при первинній термічній деструкції палива, продуктів горіння самого піролізного газу в реакторі і маси газоподібних продуктів вторинних реакцій, що викликає значні труднощі в забезпеченні горючої суміші заданого складу, стабільності та повноти спалювання газу в змінних умовах процесу горіння. Іноді для стабільного горіння факела потрібно застосовувати підсвічування (у газовий струмінь вводять постійне джерело полум'я), http://www.ekoshina.com.ua/index.phpContenr=16.htm. Стабільність спалювання газу є однією з основних умов, яку необхідно виконувати при проектуванні будь-якого газового пальника, оскільки пальник, що не забезпечує стабільного процесу горіння в заданих межах коливання теплового навантаження або калорійності газу. не може бути допущений до експлуатації із-за небезпеки появи вибухової газоповітряної суміші в печі. Стабільність спалювання газу в основному визначаються температурними режимами та умовами руху потоків газу і повітря в зонах горіння. Ефективне спалювання піролізного газу можливе тільки при можливості глибокого регулювання параметрів горіння, та наявності спеціальних засобів забезпечення стабільності процесу горіння, що недостатньо забезпечено в прототипі. В основу винаходу поставлена задача удосконалення пальника для спалювання газу, в якому за рахунок конструктивних особливостей забезпечується ефективність та стабільність спалювання змінного по складу газу, зокрема піролізного газу в котлах газогенераторного типу. Поставлена задача вирішується тим, що в пальнику для спалювання газу, який містить корпус з камерою приготування первинної горючої суміші та зоною горіння, канал подачі газу та канал подачі первинного повітря, що з'єднані з камерою приготування первинної горючої суміші, а також канал подачі вторинного повітря, відповідно до винаходу, зона горіння розділена на дві послідовно розташовані уздовж осі корпуса ділянки горіння: ділянку горіння первинної горючої суміші і ділянку допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші, канал подачі вторинного повітря з'єднаний з ділянкою допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші, при цьому в зоні горіння встановлено стабілізатор горіння, який виконаний в 96799 8 вигляді центрального стержня, що розташований уздовж осі корпусу в межах зазначених ділянок горіння, порожнистих циліндрів, що розташовані в зазначених ділянках горіння співвісно з центральним стержнем з радіальними зазорами між собою та корпусом, а також теплоємних кілець, що розташовані на вході та виході ділянки горіння первинної горючої суміші співвісно з центральним стержнем. Зазначені ознаки складають суть винаходу. Ділянку горіння первинної горючої суміші доцільно виконати в тепловому екрані, який встановити з кільцевим зазором відносно корпуса з утворенням кільцевого каналу між тепловим екраном та корпусом для підводу первинного повітря. Таке виконання попереджує прямий контакт зони горіння з холодними ділянками корпуса та забезпечує попереднє підігрівання первинного повітря до його змішування з газом та надходження в зону горіння. Ділянку допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші доцільно виконати в патрубку, який встановлено з кільцевим зазором відносно корпуса з утворенням кільцевого каналу між патрубком та корпусом для підводу вторинного повітря. Таке виконання забезпечує попереднє підігрівання вторинного повітря до його надходження в зону горіння. Доцільно теплоємне кільце, що розташоване на вході ділянки горіння первинної горючої суміші, з'єднати з корпусом за допомогою похилих лопаток з утворенням лопаткового завихрювача для більш ефективного змішування газу з первинним повітрям. Центральний стержень стабілізатора горіння доцільно виконати в вигляді трубки. При такому виконанні центральний стержень обтікається гарячими газами як зовні, так і всередині, що покращує умови нагрівання стержня. Істотні ознаки винаходу знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з технічним результатом, що досягається. Так, відмітні ознаки винаходу (зона горіння розділена на дві послідовно розташовані уздовж осі корпусу ділянки горіння - ділянку горіння первинної горючої суміші і ділянку допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші, канал подачі вторинного повітря з'єднаний з ділянкою допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші, при цьому в зоні горіння встановлено стабілізатор горіння, який виконаний в вигляді центрального стержня, що розташований уздовж осі корпусу в межах зазначених ділянок горіння. порожнистих циліндрів, що розташовані в зазначених ділянках горіння співвісно з центральним стержнем з радіальними зазорами між собою та корпусом, а також теплоємних кілець, що розташовані на вході та виході ділянки горіння первинної горючої суміші співвісно з центральним стержнем) в сукупності з суттєвими ознаками, загальними з прототипом, забезпечують ефективність та стабільність спалювання змінного по складу газу. зокрема піролізного газу в котлах газогенераторного типу. Пояснюється це наступним. Розділення зони горіння на дві послідовно розташовані уздовж осі корпуса пальника ділянки 9 горіння: ділянку горіння первинної горючої суміші, в яку подається газ і первинне повітря, і ділянку допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші, в яку подаються продукти горіння первинної горючої суміші і вторинне повітря, забезпечує можливість глибокого регулювання співвідношення газ-повітря (окислювач) в умовах спалювання змінного по складу газу, зокрема піролізного газу в котлах газогенераторного типу, склад якого постійно змінюється залежить від виду та стану палива. Так, можливий варіант, коли склад піролізного газу та витрати первинного повітря забезпечують повне згорання піролізного газу на ділянці горіння первинної горючої суміші. В такому випадку необхідність допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші з подачею вторинного повітря не виникає. Коли склад піролізного газу та витрати первинного повітря не забезпечують повне згорання піролізного газу на ділянці горіння первинної горючої суміші, продукти горіння первинної горючої суміші допалюють на ділянці допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші, в яку подають продукти горіння первинної горючої суміші та вторинне повітря в необхідній кількості. Можливості регулювання витратами первинного та вторинного повітря в залежності від складу піролізного газу для забезпечення його повного спалювання практично не обмежені. Стабілізатор горіння, який виконаний в вигляді центрального стержня, що розташований в межах ділянки горіння первинної горючої суміші і ділянки допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші, порожнистих циліндрів, що розташовані в зазначених ділянках горіння співвісно з центральним стержнем з радіальними зазорами між собою та корпусом, а також теплоємних кілець, що розташовані на вході та виході ділянки горіння первинної горючої суміші співвісно з центральним стержнем, разом з можливостями глибокого регулювання витратами первинного та вторинного повітря забезпечує умови ефективного та стабільного процесу горіння змінного по складу газу, зокрема піролізного газу в котлах газогенераторного типу. Нижче наводиться опис пальника для спалювання газу, що заявляється, з посиланнями на креслення, на яких показано: Фіг. 1 - Пальник для спалювання газу, розріз по подовжній осі. Фіг. 2 - Пальник для спалювання газу, переріз А-А на фіг. 1. Фіг. 3 - Пальник для спалювання газу, переріз Б-Б на фіг. 1. Пальник для спалювання газу включає корпус 1 з камерою 2 приготування первинної горючої суміші та зоною горіння, що розділена на дві послідовно розташовані уздовж осі 3 корпуса 1 ділянки горіння - ділянку 4 горіння первинної горючої суміші і ділянку 5 допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші. Ділянка 4 горіння первинної горючої суміші виконана в тепловому екрані 6, що встановлений з кільцевим зазором відносно корпуса 1 з утворенням кільцевого каналу 7 між тепловим екраном 6 та корпусом 1 для підводу первинного повітря. Ділянка 5 допалювання про 96799 10 дуктів горіння первинної горючої суміші обмежена патрубком 8, що встановлений з кільцевим зазором відносно корпуса 1 з утворенням кільцевого каналу 9 між патрубком 8 та корпусом 1 для підводу вторинного повітря. Кільцевий канал 9 виконаний лабіринтним. Газ підводиться до камери 2 приготування первинної горючої суміші через патрубок 10. Первинне повітря підводиться в кільцевий канал 7 через патрубок 11. Кільцевий канал 7 з'єднаний з камерою 2 приготування первинної горючої суміші. Вторинне повітря підводиться в кільцевий канал 9 через патрубок 12. Кільцевий канал 9 підводу вторинного повітря з'єднаний з ділянкою 5 допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші. В зоні горіння, яка включає дві послідовно розташовані уздовж осі 3 корпуса 1 ділянки горіння ділянку 4 горіння первинної горючої суміші і ділянку 5 допалювання продуктів горіння первинної горючої суміші, - встановлено стабілізатор горіння, що виконаний в вигляді центрального стержня 13, який розташований уздовж осі 3 корпуса 1 в межах зазначених ділянок горіння 4, 5, порожнистих циліндрів 14, що розташовані в зазначених ділянках горіння 4, 5 співвісно з центральним стержнем 13 з радіальними зазорами між собою та корпусом 1, а також теплоємних кілець 15, 16, що розташовані на вході та виході ділянки 4 горіння первинної горючої суміші співвісно з центральним стержнем 13. Теплоємне кільце 15, яке розташоване на вході ділянки 4 горіння первинної горючої суміші. з'єднане з корпусом 1 за допомогою похилих лопаток 17 з утворенням лопаткового завихрювача газового потоку. Центральний стержень 13 стабілізатора горіння виконаний в вигляді трубки. Пальник для спалювання газу працює наступним чином. Газ через патрубок 10 надходить до камери 2 приготування первинної горючої суміші. При цьому він обтікає теплоємне кільце 15, яке виконує функцію термостабілізатора, тобто обмежує коливання температури газу на вході пальника, і завихрюється лопатковим завихрювачем, що утворений похилими лопатками 17. Первинне повітря підводиться через патрубок 11 та кільцевий канал 7, надходить до камери 2 приготування первинної горючої суміші. В камері 2 здійснюється процес змішування газу з первинним повітрям з утворенням первинної горючої суміші. Процесу змішування сприяє завихрення потоку газу лопатковим завихрювачем. Первинне повітря попередньо підігрівається при проходженні через кільцевий канал 7. Первинна горюча суміш надходить до ділянки 4 горіння первинної горючої суміші, де здійснюються процеси її запалювання та горіння. Гарантованому запалюванню та горінню суміші сприяє наявність центрального стержня 13, який виконує роль свічки запалювання. Виконання стержня 13 порожнистим покращує умови його нагрівання. Процес горіння відбувається в кільцевих зазорах, що утворені порожнистими циліндрами 14, які розташовані на ділянці 4 горіння первинної горючої суміші співвісно з центральним стержнем 13 з радіальними зазорами між собою та елементами корпуса 1. Умови горіння в кільцевих зазорах, 11 утворених порожнистими циліндрами 14, характеризуються зростанням температури горіння у напрямку від периферії до центру. Зазначена конструктивна особливість забезпечує стабільність горіння, сприяє повноті згорання горючих компонентів суміші. Ділянка 4 горіння первинної горючої суміші ізольована тепловим екраном 6, чим запобігається контакт зони горіння з холодним середовищем, що є важливою умовою стабільності горіння. Продукти горіння обтікають теплоємне кільце 16, яке встановлене на виході ділянки 4 горіння первинної горючої суміші і виконує функцію термостабілізатора, тобто обмежує коливання температури продуктів горіння первинної суміші. Продукти горіння далі надходять на ділянку 5 допалювання продуктів горіння первинної горючої 96799 12 суміші. На зазначену ділянку 5 через патрубок 12 та кільцевий канал 9 подають вторинне повітря. При проходженні через кільцевий канал 9 вторинне повітря підігрівається. Виконання кільцевого каналу 9 лабіринтним попереджує безпосередній контакт зони горіння з холодною зоною. На ділянці 5 здійснюються процеси змішування продуктів горіння первинної горючої суміші з вторинним повітрям та допалювання горючих компонентів суміші, що не повністю згоріли на ділянці 4 горіння первинної горючої суміші. Пальник для спалювання газу, що заявляється, забезпечує ефективність, стабільність та екологічну чистоту спалювання змінного по складу газу, зокрема піролізного газу в котлах газогенераторного типу. 13 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 96799 Підписне 14 Тираж 23 прим. 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