RU2099636C1

RU2099636C1 - Method and device for burning liquid fuel

Info

Publication number: RU2099636C1
Application number: RU96102521A
Authority: RU
Inventors: Ф.М. Гайнуллин; Н.Т. Сулейманов; П.И. Чайкин; М.М. Ханнанов
Original assignee: Башкирский институт патентоведения и сертификации
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 1997-12-20

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: water vapor is used as a gas sprayer of fuel. Vapor is fed in two portions. The smaller portion is fed at the inlet to the device. The large portion is fed at its outlet. The first portion is set in tangent-axial motion, whereas the second one is set in axial motion with a speed that exceeds a sonic speed. The total amount of vapor in both portions is no less than 50%, by weight, of fuel weight. The device has mixing head at the inlet, Laval nozzle at the outlet, and nozzles inclined to the longitudinal axis at an angle of 30-60°. EFFECT: enhanced efficiency. 7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для распыления мазута, нефти, газоконденсата и суспензий в топках котлов и печей. The invention relates to a power system and can be used for spraying fuel oil, oil, gas condensate and suspensions in the furnaces of boilers and furnaces.

Известен способ подачи топлива в топку форсункой, где жидкое топливо подают самотеком по периферийному каналу, а по центральному каналу внутреннего корпуса подают пар, который, встречаясь на выходе с топливом, разбивает его на частицы. A known method of supplying fuel to the furnace with a nozzle, where liquid fuel is fed by gravity through the peripheral channel, and steam is supplied through the central channel of the inner case, which, when it meets the fuel outlet, breaks it into particles.

Недостатком этого способа является низкое качество распыливания из-за малой скорости истечения (самотеком) вязкого топлива, отсутствие завихряющих потоков распылителя и предварительного эмульгирования топлива. The disadvantage of this method is the low quality of atomization due to the low flow rate (gravity) of viscous fuel, the absence of swirling flows of the atomizer and preliminary emulsification of the fuel.

Известен способ сжигания жидкого топлива путем его смещения с воздухом (распылитель) в ультразвуковом поле, причем исходную вязкость топлива поддерживают на уровне (1, 39 40) ВУ и перед смешением воздуха с топливом в него вводят воду в количество 1 20 вес. от количества топлива для образования водотопливной эмульсии, причем процесс образования последней, также как и смешение с воздухом, проводят в ультразвуковом поле. Данный способ выбран за прототип. There is a method of burning liquid fuel by displacing it with air (atomizer) in an ultrasonic field, and the initial viscosity of the fuel is maintained at the level of (1, 39 40) WU and before mixing air with fuel, water is introduced into it in an amount of 1 20 weight. from the amount of fuel for the formation of a water-fuel emulsion, and the process of formation of the latter, as well as mixing with air, is carried out in an ultrasonic field. This method is selected for the prototype.

Недостатком данного способа является низкая эффективность распыливания, не обеспечивающая мелкодисперсной структуры водотопливной эмульсии. Это объясняется тем, что функции эмульгирования выполняет ультразвуковое поле, высокая частота которого не обеспечивает грубого перемешивания первоначальных масс топлива и воды. Это ведет к неравномерности распыла, что снижает тепловые параметры процесса горения. Кроме того, добавка даже максимально заявленного количества воды в 20 вес. дает незначительную экономию топлива сопоставимую с затратами на создание ультразвукового поля. The disadvantage of this method is the low spraying efficiency, which does not provide a finely divided structure of a water-fuel emulsion. This is because the ultrasonic field performs the emulsification function, the high frequency of which does not provide rough mixing of the initial masses of fuel and water. This leads to uneven spray, which reduces the thermal parameters of the combustion process. In addition, the addition of even the maximum declared amount of water in 20 weight. gives insignificant fuel savings comparable to the cost of creating an ultrasonic field.

Цель изобретения повышение качества сжигания топлива с целью снижения его удельного расхода. The purpose of the invention is to improve the quality of fuel combustion in order to reduce its specific consumption.

Известны разнообразные устройства для сжигания топлива с добавлением газообразного распылителя. Известная форсунка для подачи жидкого топлива и воды в газифицированном состоянии включает вращающийся газифицирующий элемент, выполненный в виде чаши, смеситель для создания газопаровоздушной смеси, выполненный в виде пластины или стакана с эжекторными прорезями. Недостатком данной форсунки является сложная конструкция при низкой эффективности и большая собственная энергоемкость. A variety of devices for burning fuel with the addition of a gaseous atomizer are known. Known nozzle for supplying liquid fuel and water in a gasified state includes a rotating gasification element made in the form of a bowl, a mixer for creating a gas-vapor mixture, made in the form of a plate or glass with ejector slots. The disadvantage of this nozzle is its complex design with low efficiency and large intrinsic energy consumption.

Наиболее близкой по технической сущности является эмульсионная форсунка, содержащая корпус с установленным в нем соплом Лаваля, подключенным с заднего торца к источнику распылителя, а через радиальные отверстия в диффузной части сопла к источнику топлива, причем на выходе из сопла установлено средство для дополнительной турбулизации топливовоздушной смеси, выполненное в виде трубы, на выходе из которой установлен отражатель. The closest in technical essence is an emulsion nozzle containing a housing with a Laval nozzle installed in it, connected from the rear end to the source of the atomizer, and through radial holes in the diffuse part of the nozzle to the fuel source, and a means for additional turbulization of the air-fuel mixture is installed at the outlet of the nozzle made in the form of a pipe, at the outlet of which a reflector is installed.

Недостатком данной форсунки является то, что топливо попадает в сверхзвуковой ламинарный поток распылителя, захватывается им, но процесс перемешивания идет слабо, наличия скачков уплотнения недостаточно для эффективного перемешивания. Для устранения этого недостатка на выходе из форсунки предусмотрен отражатель, турбулизирующий поток, однако в этом месте скорость уже не является максимальной, поэтому качество распыления недостаточно высоко. Кроме того данная конструкция не предусматривает создания водотопливной эмульсии с большим (порядка 50%) количеством распылителя. The disadvantage of this nozzle is that the fuel enters the supersonic laminar flow of the atomizer, is captured by it, but the mixing process is weak, the presence of shock waves is not enough for efficient mixing. To eliminate this drawback, a turbulent flow reflector is provided at the nozzle exit, however, at this point the speed is no longer maximum, therefore the spraying quality is not high enough. In addition, this design does not provide for the creation of a water-fuel emulsion with a large (about 50%) amount of atomizer.

Цель изобретения экономия топлива за счет повышенного содержания воды в водотопливной эмульсии без ухудшения тепловых параметров процесса горения, упрощение конструкции и повышение надежности форсунки. The purpose of the invention is fuel economy due to the increased water content in the water-fuel emulsion without compromising the thermal parameters of the combustion process, simplifying the design and improving the reliability of the nozzle.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе сжигания жидкого топлива путем смешения его с газообразным распылителем, создания водотопливной эмульсии и направления ее в зону горения, в отличие от прототипа в качестве газообразного распылителя используют пар, который подают двумя порциями, меньшая на входе в устройство, большая на выходе из него, причем первой порции водяного пара придают тангенциально-аксиальное движение, а второй аксиальное, со скоростью, превышающей скорость звука. This goal is achieved by the fact that in the known method of burning liquid fuel by mixing it with a gaseous atomizer, creating a water-fuel emulsion and directing it to the combustion zone, in contrast to the prototype, steam is used as a gaseous atomizer, which is supplied in two portions, which is smaller at the inlet of the device , large at the exit from it, with the first portion of water vapor giving a tangential-axial movement, and the second axial, with a speed exceeding the speed of sound.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что общее количество водяного пара в обеих порциях составляет не менее 50 вес. от веса топлива; количество пара в первой порции составляет 10 вес. от веса топлива. Пар подается под давлением, на 3 5 кгс/см² превышающим давление топлива.In addition, the goal is achieved in that the total amount of water vapor in both portions is at least 50 weight. by weight of fuel; the amount of steam in the first portion is 10 weight. by weight of fuel. Steam is supplied at a pressure of 3 5 kgf / cm ² higher than the fuel pressure.

Поставленная цель достигается также устройством для сжигания жидкого топлива, содержащим корпус с расположенным в нем соплом Лаваля, подключенным входом к источнику распылителя, в котором в отличие от прототипа внутри корпуса соосно соплу Лаваля расположен трубопровод, вход которого через смесительную головку связан с источником топлива, а выход совмещен с критическим сечением сопла Лаваля, причем смесительная головка соединена с источником распылителя и снабжена тангенциально-наклонными к продольной оси соплами, выполненными с возможностью подачи по ним внутрь трубопровода распылителя, в качестве которого используют водяной пар. Угол наклона осей отверстий сопел продольной оси устройства 30 60^o. При определении площадей поперечных сечений каналов подачи пара к смесительной головке и к соплу Лаваля, и канала подачи топлива выполняется соотношение:
F_c.г.+F_с.л.=K1•K2•(0,5F_т)
где F_с.г. площадь поперечного сечения канала подачи пара к смесительной головке;
F_с.л. площадь поперечного сечения канала подачи пара к соплу Лаваля;
F_т площадь поперечного сечения канала подачи топлива;
K₁ коэффициент, учитывающий вязкость мазута;
K₂ коэффициент, учитывающий давление мазута.The goal is also achieved by a device for burning liquid fuel, comprising a housing with a Laval nozzle located in it, connected to an atomizer source, in which, unlike the prototype, a pipeline is located coaxially with the Laval nozzle, the inlet of which is connected through the mixing head to the fuel source, and the output is aligned with the critical section of the Laval nozzle, and the mixing head is connected to the source of the atomizer and provided with nozzles tangentially inclined to the longitudinal axis, made with The supply of water through them into the pipe of the atomizer, which is used as water vapor. The angle of inclination of the axes of the holes of the nozzles of the longitudinal axis of the device 30 60 ^o . When determining the cross-sectional areas of the steam supply channels to the mixing head and to the Laval nozzle, and the fuel supply channel, the ratio is:
F _c.g. + F _s.l. = K1 • K2 • (0.5F _t )
where F _s.g. Cross-sectional area of the steam supply channel to the mixing head;
F _S.L. cross-sectional area of the steam supply channel to the Laval nozzle;
F _t the cross-sectional area of the fuel supply channel;
K ₁ coefficient taking into account the viscosity of fuel oil;
K ₂ coefficient taking into account the pressure of fuel oil.

Кроме того, размер поперечного сечения сопел определяется из соотношения

где f_i размер поперечного сечения i-го сопла;
n количество сопел.In addition, the cross-sectional size of the nozzles is determined from the ratio

where f _i the cross-sectional size of the i-th nozzle;
n number of nozzles.

На фиг. 1 дан пример конкретной реализации заявляемого устройства; на фиг. 2 вид А смесительной головки; на фиг. 3 разрез по Б-Б фиг. 2. In FIG. 1 gives an example of a specific implementation of the inventive device; in FIG. 2 type A mixing head; in FIG. 3 a section along BB of FIG. 2.

Устройство для сжигания жидкого топлива содержит корпус 1 с соплом Лаваля, к которому присоединен фланец 3, при помощи которого форсунка крепится к горну 4 топки котла (на фиг. 1 горн показан пунктиром). Фланец содержит смесительную головку 5, ко входу которой подходит питательный канал топлива 6, а выход связан со входом трубопровода 7 для первично эмульгированного топлива, выход которого расположен в критическом сечении сопла Лаваля 2. На смесительную головку надет стакан 8, образующий полость 9 для подачи пара в сопла 10 смесительной головки 5. Отверстия сопел 10 (см. фиг. 2 и 3) и выполнены тангенциально-аксиальными, причем угол наклона оси отверстия сопла 10 к оси питательного канала топлива 6 составляет 30 60^o. Паропровод 11 служит для подвода пара через полость 9 к соплам 10 смесительной головки 5, а паропровод 12 через полость 13 подает пар к соплу Лаваля. Канал 14 служит для подвода воздуха в горн 4. Площади поперечных сечений 11 канала подачи к смесительной головке 5, канала 12 подачи пара к соплу Лаваля 2 м канала подачи топлива 6 связаны соотношением
F_с.г. + F_с.л. K1•K2•(0,5 F_т)
где K₁ коэффициент, учитывающий вязкость мазута, зависит от марки мазута и его температуры;
K₂ коэффициент, учитывающий давление мазута.A device for burning liquid fuel comprises a housing 1 with a Laval nozzle, to which a flange 3 is attached, by means of which the nozzle is attached to the furnace 4 of the boiler furnace (in Fig. 1 the furnace is shown by a dotted line). The flange contains a mixing head 5, to the inlet of which a fuel feed channel 6 is suitable, and the outlet is connected to the inlet of the pipeline 7 for primary emulsified fuel, the outlet of which is located in a critical section of the Laval nozzle 2. A glass 8 is placed on the mixing head, forming a cavity 9 for supplying steam in the nozzle 10 of the mixing head 5. The holes of the nozzles 10 (see Fig. 2 and 3) are made tangentially axial, and the angle of inclination of the axis of the hole of the nozzle 10 to the axis of the feed channel of the fuel 6 is 30 60 ^o . The steam line 11 serves to supply steam through the cavity 9 to the nozzles 10 of the mixing head 5, and the steam line 12 through the cavity 13 delivers steam to the Laval nozzle. Channel 14 serves to supply air to the furnace 4. The cross-sectional area 11 of the feed channel to the mixing head 5, channel 12 of the steam supply to the Laval nozzle 2 m of the fuel supply channel 6 are connected by the ratio
F _C.G. + F _s.l. K1 • K2 • (0.5 F _t )
where K ₁ coefficient taking into account the viscosity of fuel oil, depends on the brand of fuel oil and its temperature;
K ₂ coefficient taking into account the pressure of fuel oil.

Площадь поперечного сечения сопел 10 выбирается из соотношения:

где f_i площадь поперечного сечения i-го сопла;
n количество сопел.The cross-sectional area of the nozzles 10 is selected from the ratio:

where f _i the cross-sectional area of the i-th nozzle;
n number of nozzles.

Заявляемый способ с помощью заявляемого устройства реализуется следующим образом:
Топливо подается под давлением 15 кгс/см² по питательному каналу топлива 6, а пар под давлением 18 кгс/см² по паропроводу 11 в полость к соплам 10 смесительной головки 5.The inventive method using the inventive device is implemented as follows:
Fuel is supplied at a pressure of 15 kgf / cm ² through the fuel feed channel 6, and steam at a pressure of 18 kgf / cm ² through a steam line 11 into the cavity to the nozzles 10 of the mixing head 5.

Под действием тангенциально-аксиальных потоков пара, топливо завихряется и одновременно перемещается в осевом направлении. Происходит перемешивание топлива с первой, меньшей, порцией пара и его движения к соплу Лаваля 2. По мере продвижения топлива по трубопроводу 7 происходит его эмульгирование и одновременный нагрев за счет того, что в полости 13 также находится пар с давлением 18 кгс/см², что соответствует температуре порядка 200^oC. Вторая, большая, порция пара (около 40 вес. от веса топлива) через паропровод 12 и полость 13 поступает к соплу Лаваля 2, где приобретает сверхзвуковую скорость и увлекает за собой паротопливную эмульсию. Здесь происходит активное перемешивание первичной паротопливной смеси с новой порцией пара, распад первичной смеси на капли, ее диспергирование и подача с большой скоростью в зону горения. Механизм распада первичной (из трубопровода 7) паротопливной эмульсии следующий. Первичная паротопливная эмульсия выходит из трубопровода 7 с относительной небольшой скоростью, встречается со сверхзвуковым потоком второй порции пара. Ввиду большой относительной скорости возникает трение между струями второй порции пара и паротопливной смеси, в результате чего струя последней вытягивается в тонкие отдельные нити. Эти нити быстро распадаются в местах утоньшения и образуют сферические капли. Длительность существования статически неустойчивой формы в виде нитей зависит от относительной скорости пара и топливопаровой смеси и физических свойств топлива. Чем больше относительная скорость, те тоньше нить и меньше период существования ее, тем более дисперсным получается распыл. Чем больше расход пара на единицу массы топлива, тем ровнее распыл.Under the influence of tangential-axial flows of steam, the fuel swirls and simultaneously moves in the axial direction. The fuel is mixed with the first, smaller portion of the steam and its movement to the Laval nozzle 2. As the fuel moves through the pipeline 7, it is emulsified and heated simultaneously due to the fact that in the cavity 13 there is also steam with a pressure of 18 kgf / cm ² , which corresponds to a temperature of the order of 200 ^o C. The second, large, portion of the steam (about 40 wt. by weight of the fuel) through the steam line 12 and the cavity 13 enters the Laval nozzle 2, where it acquires a supersonic speed and carries with it a steam-fuel emulsion. Here, the primary steam-fuel mixture is actively mixed with a new portion of steam, the primary mixture decomposes into droplets, it is dispersed and fed into the combustion zone with high speed. The decomposition mechanism of the primary (from pipeline 7) steam-fuel emulsion is as follows. The primary steam-fuel emulsion leaves the pipeline 7 with a relatively low speed, meets with a supersonic flow of the second portion of steam. Due to the high relative speed, friction arises between the jets of the second portion of steam and the steam-fuel mixture, as a result of which the jet of the latter is pulled into thin individual threads. These threads quickly disintegrate in places of thinning and form spherical droplets. The duration of the existence of a statically unstable shape in the form of threads depends on the relative velocity of the steam and the fuel-vapor mixture and the physical properties of the fuel. The greater the relative speed, the thinner the thread and the shorter the period of its existence, the more dispersed the spray. The greater the steam consumption per unit mass of fuel, the smoother the spray.

Благодаря такой организации процесса сжигания жидкого топлива (мазута) появилась возможность существенной экономии топлива за счет разбавления его водой (в нашем случае водяным паром). Причем первая, меньшая, порция пара позволяет снизить его вязкость, увеличить скорость и повысить температуру, а вторая делает паротопливную смесь мелкодисперсной с размерами частиц 0,08 - 0,4 мкм. Thanks to this organization of the process of burning liquid fuel (fuel oil), it became possible to significantly save fuel by diluting it with water (in our case, water vapor). Moreover, the first, smaller, portion of the steam allows you to reduce its viscosity, increase speed and increase the temperature, and the second makes the steam-fuel mixture finely dispersed with particle sizes of 0.08 - 0.4 microns.

На выходе из сопла Лаваля 2 образуется факел распыла, который качественно сгорает при выходе из горна 4 в топке котла, смешиваясь с потоком воздуха, под давлением 150 250 мм водного столба поступающего по каналу 14 в горн 4. At the exit from the Laval nozzle 2, a spray torch forms, which burns out qualitatively when leaving the furnace 4 in the boiler furnace, mixing with the air stream, under a pressure of 150-250 mm water column entering channel 4 into the furnace 4.

Традиционно считалось, что наличие влаги в мазуте является отрицательным фактором, и строго ограничивалось ГОСТом 10585-75. Известно также, что наличие воды в мазуте снижает его теплоту сгорания. Однако установлено, что наличие влаги в мазуте мало сказывается на его жаропроизводительности. Так, жаропроизводительность мазута, содержащего 50% (в массе) влаги ниже всего на 7% Жаропроизводительность мазута с содержанием влаги 50% близка к жаропроизводительности природного газа и составляет около 2300K. В отличие от неорганизованной влаги, плохо перемешанной с мазутом и затрудняющей ее использование, содержание в мазуте тонкодиспергированной влаги, образующей с мазутом хорошо гомогенизированное топливо, не ухудшает, а улучшает процесс горения. При испарении капель влаги, содержащихся в водотопливной эмульсии, происходит интенсивное испарение мазута, обволакивающего частицу влаги с образованием паров углеводородов в паровоздушной смеси. Все это позволяет достигнуть поставленной цели изобретения экономии топлива без ухудшения тепловых параметров процесса горения с применением простого по конструкции и надежного устройства. It was traditionally believed that the presence of moisture in fuel oil was a negative factor, and was strictly limited to GOST 10585-75. It is also known that the presence of water in fuel oil reduces its calorific value. However, it was found that the presence of moisture in fuel oil has little effect on its heat output. So, the heat output of fuel oil containing 50% (by weight) moisture is only 7% lower. The heat output of fuel oil with a moisture content of 50% is close to the heat output of natural gas and is about 2300K. Unlike unorganized moisture, poorly mixed with fuel oil and making it difficult to use, the content of finely dispersed moisture in fuel oil, which forms a well-homogenized fuel with fuel oil, does not worsen, but improves the combustion process. During the evaporation of droplets of moisture contained in a water-fuel emulsion, intensive evaporation of fuel oil occurs, enveloping a particle of moisture with the formation of hydrocarbon vapors in a vapor-air mixture. All this allows us to achieve the goal of the invention of fuel economy without compromising the thermal parameters of the combustion process using a simple in design and reliable device.

Claims

1. A method of burning liquid fuel by mixing it with a gaseous atomizer, creating a water-fuel emulsion and directing it to the combustion zone, characterized in that water vapor is used as a gaseous atomizer, which is supplied in two portions, smaller at the inlet to the combustion device, large exit from it, with the first portion of water vapor giving a tangential-axial movement, and the second axial with a speed exceeding the speed of sound.

2. The method according to p. 1, characterized in that the total amount of water vapor in both portions is at least 50% by weight of the fuel.

3. The method according to PP. 1 and 2, characterized in that the amount of steam in the first portion is 10% by weight of the fuel.

4. The method according to PP. 1 3, characterized in that the steam is supplied under pressure at 3 5 kgf / cm ² exceeding the pressure of the fuel.

5. A device for burning fuel, comprising a housing with a Laval nozzle located in it and connected to an atomizer source, characterized in that a pipeline is located inside the housing coaxially with the Laval nozzle, the inlet of which is connected to the fuel source through the mixing head and the output is aligned with the critical the cross section of the Laval nozzle, and the mixing head is connected to the source of the spray gun and is provided with nozzles tangentially inclined to the longitudinal axis, made with the possibility of spraying through them into the pipeline la, which is used as steam.

6. The device according to p. 5, characterized in that the angle of inclination of the axes of the holes of the nozzles to the longitudinal axis is 30 60 ^o .

7. The device according to paragraphs. 5 and 6, characterized in that the three cross-sectional areas of the steam supply channels to the mixing head and the Laval nozzle and the fuel supply channel are connected by the ratio
F _C.G. + F _s.l. K ₁ • K ₂ • 0.5 F _t
where F _s.g. Cross-sectional area of the steam supply channel to the mixing head;
F _S.L. cross-sectional area of the steam supply channel to the Laval nozzle;
F _t the cross-sectional area of the fuel supply channel;
K ₁ coefficient taking into account the viscosity of fuel oil;
K ₂ coefficient taking into account the pressure of fuel oil.

8. The device according to paragraphs. 5 7, characterized in that the cross-sectional size of the nozzles is determined from the ratio

where f _i the cross-sectional size of the i-th nozzle;
n number of nozzles