RU2126515C1 - Method of combustion of gaseous fuel, device for its realization and swirler for realization of device - Google Patents

Method of combustion of gaseous fuel, device for its realization and swirler for realization of device Download PDF

Info

Publication number
RU2126515C1
RU2126515C1 RU98118065A RU98118065A RU2126515C1 RU 2126515 C1 RU2126515 C1 RU 2126515C1 RU 98118065 A RU98118065 A RU 98118065A RU 98118065 A RU98118065 A RU 98118065A RU 2126515 C1 RU2126515 C1 RU 2126515C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
mixture
air
stream
central body
Prior art date
Application number
RU98118065A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.А. Аксенов
Г.В. Преснов
А.П. Тишин
И.А. Тишин
Original Assignee
Тишин Анатолий Петрович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тишин Анатолий Петрович filed Critical Тишин Анатолий Петрович
Priority to RU98118065A priority Critical patent/RU2126515C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2126515C1 publication Critical patent/RU2126515C1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Abstract

FIELD: power engineering, applicable in units of heating systems, for instance, in furnaces of ovens and boilers. SUBSTANCE: the method consists in formation of flows of mixture of fuel and air with a different relation of components and successive burning of the mixture in flows; at burning of the second flow of mixture it is combined with unburned remain fuel of the first mixture flow and combustion products of this flow, and the relation of flow rates in flows is selected from the condition of obtaining a mixture in the zone of combustion, having an average value of excess- air coefficient within αu<αm<αl,, where αu and αl-respectively the upper and lower concentration limits of mixture explosive range. The device for realization of the method of combustion of gaseous fuel has a body, connected to the breast of the furnace, carrying an insert forming ducts for feeding the flows of mixture of fuel and air to the breast of the furnace for their swirling, as well as a center body installed inside the first duct for axial movement, and fuel distribution unit made in the form of an annular chamber with ports for feeding fuel to the ducts. The swirler for realization of the device has three or more blades connected by bushes and made in the form of parts of tapered surface and shifted relative to the longitudinal axis. EFFECT: stabilized tongue of burning, completeness of combustion of fuel and low concentration of nitrogen oxides in outgoing gases, and the swirler provides for stabilization of the tongue of burning without heating of structural members. 27 cl, 9 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в агрегатах систем отопления, например, в топках печей и котлов. The present invention relates to energy and can be used in units of heating systems, for example, in furnaces of furnaces and boilers.

Известен способ сжигания газообразного топлива, включающий получение смеси топлива с воздухом, разделение этой смеси на два потока, подачу потоков встречно-наклоненными и соударение этих потоков с получением веерообразного факела, при этом до соударения топливовоздушных потоков коэффициенты избытка воздуха в их внутренних и периферийных слоях поддерживают соответственно большим и меньшим стехиометрического [1]. A known method of burning gaseous fuels, including obtaining a mixture of fuel with air, dividing this mixture into two streams, feeding the flows counter-inclined and impacting these flows to obtain a fan-shaped torch, while before the collision of the fuel-air flows, the excess air coefficients in their inner and peripheral layers support respectively larger and smaller stoichiometric [1].

Использование этого способа обеспечивает возможность сжигания части топлива в нестехиометрическом соотношении с воздухом, что должно уменьшать концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания. Вместе с тем в исходных струях топливовоздушной смеси в областях между участками, где α>1 и α<1, а также при перемешивании двух потоков до начала горения на границах областей α>1и α<1 получают смесь околостехиометрического состава, при сгорании которой образуется максимальное количество оксидов азота. Using this method provides the possibility of burning part of the fuel in a non-stoichiometric ratio with air, which should reduce the concentration of nitrogen oxides in the combustion products. At the same time, in the initial jets of the air-fuel mixture in the regions between the regions where α> 1 and α <1, as well as when two streams are mixed before burning, at the boundaries of the regions α> 1 and α <1, a mixture of near stoichiometric composition is obtained, upon combustion of which the maximum amount of nitrogen oxides.

Аналогом-прототипом является способ сжигания газообразного топлива, включающий получение смеси топлива с воздухом, формирование потока смеси, его турбулизацию и поджигание, а также контролирование заданной длины факела при горении смеси[2]. An analogue of the prototype is a method of burning gaseous fuel, which includes obtaining a mixture of fuel with air, forming a mixture flow, turbulizing it and setting it on fire, as well as controlling a predetermined torch length during mixture burning [2].

Этот способ не исключает возможности проскока пламени и зажигания топливовоздушной смеси внутри горелки, что недопустимо. Кроме того, поскольку состав смеси при этом способе должен быть близок к стехиометрическому, количество оксидов азота, образующихся при горении, может быть близким к максимальному. This method does not exclude the possibility of flame penetration and ignition of the air-fuel mixture inside the burner, which is unacceptable. In addition, since the composition of the mixture in this method should be close to stoichiometric, the amount of nitrogen oxides formed during combustion can be close to the maximum.

Известно устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива, содержащее присоединенные к амбразуре топки под углом друг к другу два корпуса, разделенные вставками на две продольные части каждый, причем по продольной оси каждого корпуса установлено центральное тело, а в вершине угла, образованного корпусами устройства, к амбразуре подведен выход трубки подачи топлива [1]. A device is known for implementing a method of burning gaseous fuel, comprising two bodies connected to the embrasure of the furnace at an angle to each other, separated by inserts into two longitudinal parts each, with a central body installed along the longitudinal axis of each body, and to the top of the angle formed by the device bodies the embrasure has led the output of the fuel supply pipe [1].

Недостатком устройства является возможность загорания периферийной части смеси вблизи амбразуры. Кроме того, возможность стабилизации факела в данном устройстве представляется проблематичной. The disadvantage of this device is the possibility of tanning the peripheral part of the mixture near the embrasure. In addition, the possibility of stabilization of the torch in this device seems problematic.

Аналогом-прототипом является устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива, содержащее присоединенный к амбразуре топки корпус с установленной в нем вставкой, образующей смесительные каналы для подачи в амбразуру соответствующих потоков смеси топлива с воздухом, и турбулизирующую решетку[2]. An analogue of the prototype is a device for implementing a method of burning gaseous fuel, comprising a housing attached to the embrasure of the furnace with an insert installed therein, forming mixing channels for feeding into the embrasure the corresponding flows of the fuel-air mixture, and a turbulent grate [2].

Устройство не обеспечивает уменьшение содержания оксидов азота в продуктах сгорания, а, кроме того, не исключает возможности проскока пламени и зажигания топливовоздушной смеси внутри горелки. The device does not provide a reduction in the content of nitrogen oxides in the products of combustion, and, in addition, does not exclude the possibility of flame penetration and ignition of the air-fuel mixture inside the burner.

Известен тангенциально-лопаточный завихритель, содержащий внутренний канал и лопатки, установленные под углом к касательной окружности внутреннего канала [3]. Known tangentially-blade swirl, containing the inner channel and the blades mounted at an angle to the tangent circumference of the inner channel [3].

Завихритель обеспечивает возможность создания закрученного воздушного потока, но возникающая при этом зона обратного течение проходит внутрь канала, что приводит к возможности контакта факела горения с элементами конструкции устройства. The swirler provides the ability to create a swirling air flow, but the resulting reverse flow zone passes into the channel, which leads to the possibility of contact of the flame with the structural elements of the device.

Наиболее близким аналогом-прототипом является завихритель фирмы "АВВ", выполненный из двух лопастей в виде половин усеченного корпуса, смещенных относительно оси и соединенных с помощью втулок [4]. The closest analogue to the prototype is the swirl of the company "ABB", made of two blades in the form of halves of a truncated body, offset relative to the axis and connected using bushings [4].

Такой завихритель обеспечивает возможность создания закрученного потока с высокой степенью турбулентности и наличием на оси потока вблизи выхода зоны возвратного течения, обеспечивающей стабилизацию факела горения. Однако для этого завихрителя при прочих равных условиях характерна большая длина, необходимая для получения требуемой площади проходного сечения образующихся при сдвиге половинок конуса щелей для подвода воздуха. Such a swirler makes it possible to create a swirling flow with a high degree of turbulence and the presence on the flow axis near the outlet of the return flow zone, which ensures stabilization of the flame. However, ceteris paribus, all other things being equal, is characterized by a large length necessary to obtain the required area of the flow cross section of the slots for the air supply formed during the shift of the halves of the cone.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе сжигания газообразного топлива, включающем формирование потоков смеси топлива с воздухом, поджигание смеси в потоках и их горение, потоки формируют с различным соотношением составляющих смеси, причем обеспечивают качество перемешивания топлива с воздухом, а коэффициенты избытка воздуха для этих потоков выбирают соответственно для первого потока αв<α1<1,0 и для второго потока α2>αн, где αв и αн - соответственно верхний и нижний концентрационные пределы воспламеняемости смеси, α1 и α2 - коэффициенты избытка воздуха соответствующих потоков, при этом, после получения указанного соотношения составляющих смеси в потоках, вначале поджигают смесь в первом потоке, а, после сгорания 30% и более этой смеси, остаток смеси в первом потоке и образовавшиеся продукты сгорания объединяют со вторым потоком смеси и производят дожигание объединеннных потоков, причем соотношение расходов смеси первого и второго потоков выбирают из условия получения в зоне горения смеси топлива с воздухом, имеющей среднее значение коэффициента избытка воздуха в диапазоне αв<αср<αн.The essence of the invention lies in the fact that in the method of burning gaseous fuel, including the formation of flows of a mixture of fuel and air, igniting the mixture in the streams and burning them, the flows are formed with different ratios of the components of the mixture, moreover, they ensure the quality of mixing the fuel with air, and the excess air coefficients for of these streams, respectively, are selected for the first stream α in <α 1 <1,0 and for the second stream α 2 > α n , where α in and α n are the upper and lower concentration limits of the flammability of the mixture, α 1 and α 2 the coefficients of excess air of the respective streams, in this case, after obtaining the specified ratio of the components of the mixture in the streams, first burn the mixture in the first stream, and, after burning 30% or more of this mixture, the remainder of the mixture in the first stream and the resulting combustion products are combined with the second mixture stream and the afterburning of the combined flows is performed, the ratio of the flow rates of the mixture of the first and second flows being selected from the condition of obtaining in the combustion zone a mixture of fuel with air having an average value of the coefficient ear in the range α <α cf. <α n.

Качество перемешивания топлива с воздухом в исходных потоках при этом обеспечивают по заданной величине среднеквадратического отклонения от величины требуемой концентрации топлива в каждом потоке. The quality of mixing fuel with air in the feed streams is ensured by a given value of the standard deviation from the value of the required fuel concentration in each stream.

Кроме того, закручивают воздушные потоки, участвующие в формировании потоков топлива с воздухом, например, закручивают воздушный поток, участвующий в формировании первого или второго потоков в смеси. При этом смесь топлива с воздухом в первом потоке могут закручивать путем подачи в воздушный поток, участвующий в формировании первого потока, топлива струями, векторы скорости которых устанавливают перпендикулярными к радиусу и вектору скорости воздушного потока и проходящими на расстоянии L от оси этого потока, где L ≤ R1n, а R1n - эквивалентный радиус первого потока.In addition, the air flows participating in the formation of fuel flows with air are swirling, for example, the air flow participating in the formation of the first or second flows in the mixture is swirling. In this case, the mixture of fuel with air in the first stream can be twisted by feeding into the air stream participating in the formation of the first stream, fuel jets, the velocity vectors of which are set perpendicular to the radius and velocity vector of the air stream and passing at a distance L from the axis of this stream, where L ≤ R 1n , and R 1n is the equivalent radius of the first stream.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива, содержащее присоединенный к амбразуре топки корпус с установленной в нем вставкой, образующей каналы для подачи в амбразуру соответствующих потоков смеси топлива с воздухом? и завихритель, снабжено центральным телом и узлом раздачи топлива, установленным вблизи входного сечения вставки, соединенным трубопроводом с источником топлива и выполненным с возможностью подачи топлива в первый и второй каналы, выходные сечения которых выполнены с учетом условий: S1 + S2 ≥ SA и S2 = (0,05 - 0,5)S1, где S1 и S2 - площади выходного поперечного сечения соответственно первого и второго каналов, а SA - площадь амбразуры, при этом длина вставки l ≥ dэ, где dэ - эквивалентный диаметр амбразуры, центральное тело установлено внутри первого канала с возможностью осевого перемещения или без нее, причем площадь поперечного сечения центрального тела Sцт≤ 0,5 S1, где все обозначения соответствуют указанным ранее.The essence of the invention lies in the fact that a device for implementing a method of burning gaseous fuel, comprising a body attached to the embrasure of the furnace with an insert installed therein, forming channels for supplying into the embrasure the corresponding flows of the fuel mixture with air? and a swirl, equipped with a central body and a fuel distribution unit installed near the inlet section of the insert, connected by a pipeline to a fuel source and configured to supply fuel to the first and second channels, the output sections of which are made subject to the conditions: S 1 + S 2 ≥ S A and S 2 = (0.05 - 0.5) S 1 , where S 1 and S 2 are the output cross-sectional areas of the first and second channels, respectively, and S A is the embrasure area, with the insertion length l ≥ d e , where d e - equivalent diameter of the embrasure, a central body mounted within the first anal axially movable or not, wherein the central body of the cross-sectional area S ≤ 0.5 S DH 1, wherein all the symbols correspond to those indicated earlier.

При этом вставка выполнена в виде пластины, причем первый и второй каналы образованы корпусом устройства и промежутками под и над пластиной соответственно, или в виде поверхности вращения, например, в виде обечайки, причем первый канал образован внутри обечайки, а второй - между обечайкой и корпусом или, например, в виде основной и дополнительных обечаек, концентрично установленных в первом канале. The insert is made in the form of a plate, the first and second channels being formed by the device body and the gaps below and above the plate, respectively, or in the form of a surface of revolution, for example, in the form of a shell, the first channel being formed inside the shell and the second between the shell and the body or, for example, in the form of primary and secondary shells concentrically installed in the first channel.

Кроме того, вставка своим выходным сечением установлена на расстоянии l1 ≤ 0,5 dэ от амбразуры или внутри амбразуры.In addition, the insert with its output section is installed at a distance of l 1 ≤ 0.5 d e from the embrasure or inside the embrasure.

При этом центральное тело своим выходным сечением установлено с отклонением от выходного сечения вставки в сторону амбразуры или в сторону от амбразуры на расстояние до d1э, где d1э эквивалентный диаметр выходного сечения первого канала.In this case, the central body with its outlet cross section is set with a deviation from the outlet cross section of the insert towards the embrasure or away from the embrasure at a distance of d 1e , where d 1e is the equivalent diameter of the output section of the first channel.

Кроме того, центральное тело выполнено со сквозным каналом, входом соединенным с трубопроводом для подачи воздуха, а выходом расположенным на выходном сечении центрального тела, причем к этому выходному сечению подведен трубопровод для подачи топлива, а на выходе канала центрального тела установлен завихритель. In addition, the Central body is made with a through channel, an inlet connected to the pipe for supplying air, and an output located on the output section of the Central body, moreover, a pipe for supplying fuel is connected to this output section, and a swirler is installed at the output of the channel of the Central body.

При этом узел раздачи топлива выполнен в виде кольцевой камеры, образованной двумя цилиндрическими поверхностями с кольцевыми заглушками по торцам, причем узел раздачи топлива может быть выполнен в виде участка центрального тела, соответствующая часть сквозного канала которого выполнена в виде внутренней поверхности кольцевой камеры узла раздачи топлива. В узле раздачи в цилиндрических поверхностях выполнены отверстия, количество, расположение и диаметры которых выбраны с учетом обеспечения требуемой раздачи топлива в каналы устройства. Кроме того, отверстия выполнены или в наружной цилиндрической поверхности кольцевой камеры, и тогда диаметр внутренней поверхности кольцевой камеры выполнен соответствующим диаметру центрального тела, своей частью установленного внутри этой камеры, или отверстия выполнены на внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры, тогда диаметр этой поверхности выполнен соответствующим внутреннему диаметру корпуса устройства. При этом в отверстиях установлены трубки, входами соединенные с внутренней полостью камеры узла раздачи топлива, причем часть трубок выходами размещена в первом канале, а другая часть трубок выходами установлена во втором канале устройства, причем длина и количество трубок выполнены с учетом обеспечения возможности распределения, в том числе равномерного распределения топлива по поперечному сечению каналов. In this case, the fuel distribution unit is made in the form of an annular chamber formed by two cylindrical surfaces with annular plugs at the ends, the fuel distribution unit can be made in the form of a portion of the central body, the corresponding part of the through channel of which is made in the form of the inner surface of the annular chamber of the fuel distribution unit. Holes are made in the distribution unit in cylindrical surfaces, the number, arrangement and diameters of which are selected taking into account the required distribution of fuel into the channels of the device. In addition, the holes are made either in the outer cylindrical surface of the annular chamber, and then the diameter of the inner surface of the annular chamber is made corresponding to the diameter of the central body partly installed inside this chamber, or the holes are made on the inner cylindrical surface of the annular chamber, then the diameter of this surface is made corresponding to the inner the diameter of the device. In this case, tubes are installed in the holes, with inlets connected to the internal cavity of the chamber of the fuel distribution unit, and some of the tubes with outputs located in the first channel, and the other part of the tubes with outputs installed in the second channel of the device, the length and number of tubes being made to allow distribution, including uniform distribution of fuel over the cross section of the channels.

Кроме того, по длине трубок выполнены отверстия, размещенные в местах, где касательные к поверхности трубок параллельны вектору скорости набегающего потока воздуха, а трубки в поперечном сечении выполнены, например, овальными. In addition, holes are made along the length of the tubes in places where the tangents to the surface of the tubes are parallel to the velocity vector of the incoming air flow, and the tubes in the cross section are made, for example, oval.

При этом в случае выполнения вставки в виде основной и дополнительных обечаек трубки своими выходными отверстиями размещены в промежутках между обечайками, причем величина bi промежутков между обечайками соответствует условиям bi = (0,05 - 0,5) dэ и bi ≈ аi/2, где аi - расстояние между находящимися на одинаковом удалении от оси устройства выходными отверстиями соседних трубок в i-ом промежутке между, например, обечайками, i ≥ 1, а остальные обозначения соответствуют указанным ранее.Moreover, in the case of inserting in the form of the main and additional shells, the tubes with their outlet openings are placed in the spaces between the shells, and the value b i of the gaps between the shells corresponds to the conditions b i = (0.05 - 0.5) d e and b i ≈ a i / 2, where a i is the distance between the outlet openings of adjacent tubes located at the same distance from the device axis in the i-th gap between, for example, shells, i ≥ 1, and the rest of the notations correspond to those indicated earlier.

Сущность изобретения состоит в том, что в завихрителе для осуществления устройства, выполненном из лопастей в виде частей конической поверхности, полученных, например, путем рассечения поверхности усеченного конуса плоскостями, проходящими через его продольную ось, смещенных параллельно оси корпуса и соединенных, например, втулками, смещение одновременно выполнено по радиусам поперечного сечения исходного корпуса относительно первого сечения каждой части в отсчете, например, по часовой стрелке, количество лопастей выбрано равным n, где n ≥ 3, а величина смещения лопастей выбрана из условия Sщ = (0,2 - 2)Sо, где Sщ - площадь щелей между этими частями, Sо - площадь большего основания исходного конуса, при этом соотношение величины радиуса R большего основания и высоты Н этого конуса выбрано из условия R = (0,05 - 0,5)Н.The essence of the invention lies in the fact that in the swirl for the implementation of a device made of blades in the form of parts of a conical surface, obtained, for example, by dissecting the surface of a truncated cone by planes passing through its longitudinal axis, offset parallel to the axis of the housing and connected, for example, by bushings, the displacement is simultaneously performed along the radii of the cross section of the original housing relative to the first section of each part in the countdown, for example, clockwise, the number of blades is chosen equal to n, where е n ≥ 3, and the displacement of the blades is selected from the condition S Щ = (0.2 - 2) S о , where S щ - the area of the cracks between these parts, S о - the area of the larger base of the original cone, and the ratio of the radius R the larger base and the height H of this cone is selected from the condition R = (0.05 - 0.5) N.

Способ сжигания газообразного топлива обеспечивает возможность стабилизации факела горения, полноту сгорания топлива и низкую концентрацию оксидов азота в уходящих газах. The method of burning gaseous fuels provides the possibility of stabilizing the flame, the completeness of combustion of the fuel and a low concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases.

Устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива обеспечивают возможность стабилизации факела, полноту сгорания топлива с низким содержанием в уходящих газах оксидов азота, а также исключает возможность проскока пламени внутрь горелки. A device for implementing the method of burning gaseous fuels provides the possibility of stabilization of the flame, the completeness of combustion of fuel with a low content of nitrogen oxides in the flue gases, and also eliminates the possibility of flame penetration into the burner.

Завихритель для осуществления устройства при сравнительно малой длине обеспечивает создание завихренного течения небольшой части воздуха с наличием на выходе из завихрителя зоны возвратного течения, "висящей" в потоке, в результате чего обеспечивается стабилизация факела горения без нагрева элементов конструкции. The swirler for the implementation of the device with a relatively small length ensures the creation of a swirling flow of a small part of the air with the presence of a return flow zone "hanging" in the flow at the outlet of the swirl, which results in stabilization of the combustion flame without heating the structural elements.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления способа сжигания газообразного топлива; на фиг. 2 - пример выполнения устройства со вставкой, выполненной в виде основной и дополнительной обечаек и с трубками подвода топлива в каналы; на фиг. 3 схема расположения трубок в поперечном сечении устройства, приведенного на фиг. 2; на фиг. 4 - схема выполнения завихрителя; на фиг. 5 - то же, вид сбоку; на фиг. 6 - общий вид макета этого завихрителя; на фиг. 7 - график изменения концентрации окислов азота при сгорании смеси газообразного топлива с воздухом в зависимости от коэффициента α избытка воздуха в этой смеси; на фиг. 8 - схема факела горелки; на фиг. 9 - фотография факела. In FIG. 1 is a diagram of a device for implementing a method of burning gaseous fuels; in FIG. 2 - an example of a device with an insert made in the form of a primary and secondary shells and with pipes for supplying fuel to the channels; in FIG. 3 shows the arrangement of the tubes in cross section of the device shown in FIG. 2; in FIG. 4 is a schematic diagram of a swirler; in FIG. 5 is the same side view; in FIG. 6 is a general view of the layout of this swirler; in FIG. 7 is a graph of changes in the concentration of nitrogen oxides during combustion of a mixture of gaseous fuel with air, depending on the coefficient α of excess air in this mixture; in FIG. 8 is a diagram of a torch of a burner; in FIG. 9 is a photograph of a torch.

Устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива (фиг. 1) содержит корпус 1, соединенный с коробом 2, связанным, например, с вентилятором (на схеме не показан) для подачи воздуха. В корпусе 1 установлена вставка, выполненная в виде, например, обечайки 3 и предназначенная для организации каналов 4 и 5 для подготовки и подачи смеси топлива с воздухом. Внутри первого канала 4 помещено центральное тело 6, предназначенное для зажигания смеси и стабилизации факела и выполненное в виде цилиндра со сквозным каналом (на фиг. не обозначен), внутри которого установлена трубка 7 подачи топлива, выходом помещенная внутрь завихрителя 8, установленного вблизи выходного сечения центрального тела 6 и предназначенного для обеспечения закрутки потока с получением возвратного течения на оси и, в конечном итоге, стабилизации факела горения. В центральном теле выполнено окно 9 для подачи воздуха через сквозной канал к завихрителю 8. A device for implementing the method of burning gaseous fuels (Fig. 1) comprises a housing 1 connected to a duct 2 connected, for example, to a fan (not shown in the diagram) for supplying air. An insert is installed in the housing 1, made in the form, for example, of a shell 3 and designed to organize channels 4 and 5 for preparing and supplying a mixture of fuel and air. Inside the first channel 4 there is placed a central body 6, designed to ignite the mixture and stabilize the torch and made in the form of a cylinder with a through channel (not indicated in FIG.), Inside which a fuel supply pipe 7 is installed, with the outlet placed inside the swirl 8 installed near the outlet section the central body 6 and designed to ensure swirling the flow to obtain a return flow on the axis and, ultimately, stabilization of the flame. In the central body, a window 9 is made for supplying air through the through channel to the swirler 8.

В первом канале 4 размещен также узел 10 раздачи топлива, предназначенный для подачи топлива в первый и второй каналы 4 и 5 и выполненный в виде кольцевой камеры, образованной цилиндрическими поверхностями 11 и 12 с кольцевыми заглушками 13 по торцам. Узел 10 раздачи топлива соединен с трубопроводом 14 для подвода топлива в полость кольцевой камеры (на фиг. не обозначена), а в цилиндрических поверхностях 11 и 12 выполнены отверстия 15 для подачи топлива в каналы 4 и 5 для образования смеси с воздухом. A fuel distribution unit 10 is also located in the first channel 4, which is designed to supply fuel to the first and second channels 4 and 5 and made in the form of an annular chamber formed by cylindrical surfaces 11 and 12 with annular caps 13 at the ends. The fuel distribution unit 10 is connected to a pipe 14 for supplying fuel to the cavity of the annular chamber (not indicated in FIG.), And holes 15 are provided in the cylindrical surfaces 11 and 12 for supplying fuel to the channels 4 and 5 to form a mixture with air.

Корпус 2 соединен с амбразурой 16 топки. Case 2 is connected to the furnace embrasure 16.

Завихритель 8 (фиг. 4 - 6) выполнен в виде трех лопастей 17, предназначенных для закручивания поступающего через щели 18 между ними потока и полученных путем, например, рассечения поверхности усеченного конуса тремя плоскостями, проходящими через продольную ось конуса и смещением полученных частей поверхности параллельно этой оси по радиусам поперечного сечения исходного конуса относительно первого сечения каждой части в отсчете по часовой стрелке и соединенных, например, втулками (на фиг. не показаны). При этом величина смещения этих частей выбрана из условия Sщ = (0,2 - 2)Sо, где Sщ - площадь щелей между частями, Sо - площадь большого основания конуса, причем Sщ = nck, где n - количество щелей (соответствует количеству лопастей), с - ширина щели, k - длина щели. Отсюда следует, что при прочих равных условиях выполнение завихрителя трех- и более лопастным позволяет уменьшить его длину по сравнению с, например, двухлопастным завихрителем. Соотношение величин радиуса R большего основания исходного усеченного конуса и его высоты Н выбрано из условия R = (0,05 - 0,5)Н. В данном примере выполнения завихрителя R = 0,2H, a Sщ = Sо.The swirler 8 (Fig. 4-6) is made in the form of three blades 17 designed to twist the flow coming through the slots 18 between them and obtained by, for example, dissecting the surface of a truncated cone by three planes passing through the longitudinal axis of the cone and shifting the obtained parts of the surface in parallel of this axis along the radii of the cross section of the original cone relative to the first section of each part in the countdown clockwise and connected, for example, by bushings (not shown in Fig.). The displacement of these parts is selected from the condition S u = (0.2 - 2) S o , where S u is the area of the gaps between the parts, S o is the area of the large base of the cone, and S u = nck, where n is the number of gaps (corresponds to the number of blades), c is the width of the slit, k is the length of the slit. It follows that, ceteris paribus, the implementation of a swirl with three or more blades allows to reduce its length in comparison with, for example, a two-bladed swirl. The ratio of the values of the radius R of the larger base of the initial truncated cone and its height H is selected from the condition R = (0.05 - 0.5) N. In this example, the implementation of the swirler R = 0.2H, a S u = S o .

Устройство снабжено стандартными деталями, например вентилями, и аппаратурой, например манометром, регулирования расхода воздуха и топлива (на фиг. не показаны), предназначенными для задания требуемого соотношения составляющих смеси. The device is equipped with standard parts, such as valves, and equipment, such as a pressure gauge, regulating the flow of air and fuel (not shown in Fig.), Designed to set the desired ratio of the components of the mixture.

Вставка 3 может быть выполнена в виде, например пластины (на фиг. не показана), в этом случае каналы 4 и 5 будут размещены в корпусе 1 соответственно под и над пластиной или в виде основной и дополнительных обечаек (см. , например, фиг. 2, где вставка выполнена в виде основной обечайки 3 и одной дополнительной обечайки 19, концентрично установленной в первом канале 4). The insert 3 can be made in the form, for example, of a plate (not shown in FIG.), In this case channels 4 and 5 will be placed in the housing 1, respectively, below and above the plate or in the form of the main and additional shells (see, for example, FIG. 2, where the insert is made in the form of a main shell 3 and one additional shell 19 concentrically installed in the first channel 4).

Здесь приведен также пример (фиг. 2 и 3) выполнения узла 10 раздачи топлива с отверстиями на внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры, причем диаметр этой поверхности выполнен соответствующим внутреннему диаметру корпуса 2. При этом в отверстиях установлены трубки 20, входами соединенные с полостью камеры узла 10 раздачи топлива, причем часть трубок (20.1) выходами размещена в первом (4) канале, а другая часть трубок (20.2) выходами установлена во втором (5) канале. Кроме того, здесь часть (половина) количества трубок 20.1 выходами установлена между основной обечайкой 3 и дополнительной обечайкой 19, а другая часть трубок (20.1.2) выходами установлена между дополнительной обечайкой 19 и центральным телом 6. При этом величина bi промежутков между основной 3 и дополнительной 19 обечайками и между дополнительной обечайкой 19 и центральным телом 6 выбраны из условия bi = (0,05 - 0,5)dэ, где dэ - эквивалентный диаметр амбразуры 16 топки. (В случае выполнения амбразуры круглой в поперечном сечении dэ равен диаметру dA этого сечения).Here is also an example (Fig. 2 and 3) of the assembly of the fuel distribution unit 10 with openings on the inner cylindrical surface of the annular chamber, the diameter of this surface being made corresponding to the internal diameter of the housing 2. In this case, tubes 20 are installed in the openings and connected to the chamber chamber 10 fuel distribution, and part of the tubes (20.1) outputs placed in the first (4) channel, and the other part of the tubes (20.2) outputs installed in the second (5) channel. In addition, here a part (half) of the number of tubes 20.1 with outputs is installed between the main shell 3 and the additional shell 19, and the other part of the tubes (20.1.2) with outputs is installed between the additional shell 19 and the central body 6. Moreover, the value of b i of the gaps between the main 3 and an additional 19 shells and between the additional shell 19 and the central body 6 are selected from the condition b i = (0.05 - 0.5) d e , where d e is the equivalent diameter of the embrasure 16 of the furnace. (In the case of embrasures round in cross section, d e is equal to the diameter d A of this section).

Кроме того, здесь также соблюдено условие: bi ~ ai/2, где ai - расстояние между находящимися на одинаковом удалении от оси устройства выходными отверстиями соседних трубок в i-ом промежутке между, например, обечайками.In addition, the condition is also met here: b i ~ a i / 2, where a i is the distance between the outlet openings of adjacent tubes at the same distance from the device axis in the i-th gap between, for example, the shells.

На приведенном примере вставка 3 своим выходным сечением помещена внутри амбразуры 16 топки, однако она может быть установлена на расстоянии l1 ≤0,5 dэ от амбразуры 16.In the above example, insert 3 with its output section is placed inside the embrasure 16 of the furnace, however, it can be installed at a distance of l 1 ≤0.5 d e from the embrasure 16.

Центральное тело 6 своим выходным сечением может быть установлено с отклонением от выходного сечения вставки 6 на расстоянии ±d1э, где d1э - эквивалентный диаметр выходного сечения первого (4) канала, при этом центральное тело выполнено с возможностью перемещения в осевом направлении для регулирования параметров канала 4 с целью обеспечения оптимального режима работы устройства. В случае выполнения вставки в виде обечайки круглой в поперечном сечении d1э = d1 (фиг. 1). Здесь также эквивалентный радиус первого потока R1п порядка d1/2.The central body 6 with its output section can be installed deviating from the output section of the insert 6 at a distance of ± d 1e , where d 1e is the equivalent diameter of the output section of the first (4) channel, while the central body is made with the possibility of movement in the axial direction to adjust the parameters channel 4 in order to ensure optimal operation of the device. In the case of the insert in the form of a round shell in the cross section d 1e = d 1 (Fig. 1). Here is also the equivalent radius of the first stream R 1p of order d 1/2 .

Количество отверстий в узле 10 раздачи топлива, их диаметры и расположение подбирают исходя из требуемой концентрации топлива в смеси и равномерности ее перемешивания, с учетом конкретной геометрии горелки. The number of holes in the fuel distribution unit 10, their diameters and location are selected based on the required concentration of fuel in the mixture and the uniformity of its mixing, taking into account the specific geometry of the burner.

Поскольку общего решения этой задачи или инженерных зависимостей для нахождения решения пока не найдено, приемлемым путем определения этих факторов является либо численное моделирование процессов течения топлива и воздуха и их перемешивания [5, 6, 7], либо стендовый эксперимент с измерением распределения концентрации [8]. Since a general solution to this problem or engineering dependencies for finding a solution has not yet been found, an acceptable way to determine these factors is either a numerical simulation of the processes of fuel and air flow and their mixing [5, 6, 7], or a bench experiment with measurement of the concentration distribution [8] .

Так в реализованном примере устройства при dА =340 мм для раздачи топлива в первом (4) канале в узле 10 раздачи топлива было выполнено по 18 отверстий диаметром 9 мм и 5 мм, расположенных на цилиндрической поверхности двумя рядами, отстоящими на расстоянии 130 мм, причем отверстия для раздачи топлива во второй (5) канал не выполнялись.So in the implemented example of the device with d A = 340 mm, for the fuel distribution in the first (4) channel in the fuel distribution unit 10, 18 holes with a diameter of 9 mm and 5 mm were made, located on a cylindrical surface in two rows spaced 130 mm apart, moreover, the holes for the distribution of fuel in the second (5) channel were not performed.

Известно, что оксиды азота, образующиеся при сжигании газообразного углеводородного топлива, не содержащего в своем составе связанного азота, можно в известной мере условно разделить на два вида - термические и быстрые [9]. Последние точнее назвать оксидами фронтовыми, т.е. образующимися вблизи фронта пламени за время порядка нескольких миллисекунд в результате реакций, связанных с углеводородными радикалами (СН, СН2) и неравновесными повышенными значениями концентрации О и ОН. Концентрация оксидов образующихся на фронте горения относительно невелика и составляет величину порядка 50 мг/нм3 (приведено к NO2 и α =1,4).It is known that nitrogen oxides formed during the combustion of gaseous hydrocarbon fuel that does not contain bound nitrogen can, to a certain extent, be conditionally divided into two types - thermal and fast [9]. The latter are more precisely called front-line oxides, i.e. formed near the flame front over a period of the order of several milliseconds as a result of reactions associated with hydrocarbon radicals (CH, CH 2 ) and nonequilibrium increased values of the concentration of O and OH. The concentration of oxides formed at the combustion front is relatively low and amounts to about 50 mg / nm 3 (reduced to NO 2 and α = 1.4).

Термические оксиды образуются, можно считать приближенно, в результате окисления атмосферного азота по известному механизму, именуемому обычно механизмом Зельдовича [9]. Характерное время образования термических оксидов составляет несколько десятков и сотен миллисекунд, а их типичная концентрация в топках современных котлов - от величины 150-300 мг/нм3 для случая работы горелок на холодном (~20oС) воздухе, до 500-1500 мг/нм3 для случая работы на воздухе, подогретом до 250-350oС.Thermal oxides are formed, it can be considered approximately, as a result of oxidation of atmospheric nitrogen by the well-known mechanism, usually referred to as the Zeldovich mechanism [9]. The characteristic time of the formation of thermal oxides is several tens and hundreds of milliseconds, and their typical concentration in the furnaces of modern boilers is from 150-300 mg / nm 3 for the case of burners in cold (~ 20 o С) air, up to 500-1500 mg / nm 3 for the case of work in air, heated to 250-350 o C.

Расчеты показывают, что концентрация термических оксидов азота сильно зависит от состава сжигаемой смеси. На фиг. 7 приведена расчетная зависимость концентрации термических NОx, образующихся при сжигании предварительно перемешанной смеси топлива с воздухом, в зависимости от коэффициента избытка воздуха [10] . Из рассмотрения графика видно, что при сжигании гомогенной смеси с коэффициентом избытка воздуха α<0,8 и α>1,4 термические оксиды практически не образуются.Calculations show that the concentration of thermal nitrogen oxides strongly depends on the composition of the mixture burned. In FIG. Figure 7 shows the calculated dependence of the concentration of thermal NO x formed during the combustion of a pre-mixed mixture of fuel with air, depending on the coefficient of excess air [10]. From consideration of the graph it is seen that when a homogeneous mixture is burned with an excess air coefficient α <0.8 and α> 1.4, thermal oxides practically do not form.

Практически все реальные горелки водогрейных и паровых котлов (тепловой мощностью порядка 1 МВт и более - до 50-100 МВт) работают с подачей топлива непосредственно в зону горения или перед ней [9]. При этом факел горения является преимущественно диффузионным, т.е. сгорание топлива происходит при коэффициенте избытка воздуха α≈1. По данным фиг.7 видно, что при этом образуется максимальное количество оксидов азота. Все известные способы снижения концентрации NO в продуктах сгорания основаны на уходе от стехиометрического сжигания, однако существующие конструкции горелок и топок не обеспечивают получения результатов, сильно отличающихся от приведенных выше. Almost all real burners of hot water and steam boilers (with a thermal power of the order of 1 MW or more - up to 50-100 MW) operate with fuel supply directly to or in front of the combustion zone [9]. In this case, the combustion torch is predominantly diffusion, i.e. fuel combustion occurs when the coefficient of excess air α≈1. According to Fig.7 it is seen that this produces the maximum amount of nitrogen oxides. All known methods for reducing the concentration of NO in combustion products are based on avoiding stoichiometric combustion, however, the existing designs of burners and furnaces do not provide results that differ greatly from those given above.

Ситуация может быть радикально улучшена, если подавать в зону горения предварительно перемешанную смесь топлива, например метана, с воздухом при значении, например, αв<α1<0,85. При сгорании этой смеси концентрация термических оксидов будет весьма мала. Затем через некоторое время продукты сгорания смешивают с воздухом или "бедной" смесью, т.е. смесью с α2>αв. За время, прошедшее после сгорания смеси с αв<α1<0,85 до смешения ее продуктов горения с воздухом, продукты неполного горения охладятся вследствие излучения энергии, а воздух или "бедная" смесь, подаваемая в зону дожигания, частично смешаются с топочными газами. В результате при дожигании не будет достигнута температура адиабатического сгорания и итоговое количество оксидов азота будет ниже обычного. В этом состоят основные теоретические предпосылки создания малотоксичной горелки.The situation can be radically improved if a pre-mixed mixture of fuel, for example methane, with air is supplied to the combustion zone with a value of, for example, α in <α 1 <0.85. When this mixture is burned, the concentration of thermal oxides will be very small. Then, after some time, the combustion products are mixed with air or a “lean” mixture, i.e. a mixture with α 2 > α century . In the time elapsed after the mixture is burned with α at <α 1 <0.85 before the mixture of its combustion products is mixed with air, the products of incomplete combustion are cooled due to energy radiation, and the air or the “lean” mixture supplied to the afterburning zone is partially mixed with the furnace gases. As a result, the adiabatic combustion temperature will not be reached upon afterburning and the total amount of nitrogen oxides will be lower than usual. This is the main theoretical background for creating a low-toxic burner.

Кроме того, при реализации изложенной выше схемы сжигания надо решить вопросы стабилизации пламени и исключить проскок, т.е. загорание смеси внутри горелки, выбором геометрии проточной части с исключением возможности возникновения в потоке зон с малой скоростью и концентрацией топлива в пределах воспламеняемости, поскольку горючую смесь образуют до амбразуры. При этом необходимо обеспечить требуемое качество смеси, т.е. низкое значение средней величины пульсаций концентрации топлива. In addition, when implementing the above combustion scheme, it is necessary to solve the problems of stabilization of the flame and eliminate the slip, i.e. ignition of the mixture inside the burner, by choosing the geometry of the flowing part with the exception of the possibility of zones in the flow at low speed and fuel concentration occurring within the flammability range, since the combustible mixture is formed before embrasure. It is necessary to ensure the required quality of the mixture, i.e. low value of average pulsations of fuel concentration.

Смесь, поступающая через первый (4) канал, горит со скоростью, определяемой турбулентными пульсациями первого потока W' и нормальной скоростью распространения фронта ламинарного пламени Uл.The mixture entering through the first (4) channel burns at a speed determined by the turbulent pulsations of the first stream W 'and the normal velocity of propagation of the laminar flame front U l .

Из рассмотрения схемы факела (фиг.8) видно [9], что граница струи, состоящей из зоны 1 (первый 4 канал) и зоны 2 (второй 5 канал) распространяется в типичном случае во внешнюю сторону под углом φc≈13o, а во внутреннюю под углом φм≈7o. Фронт горения при скорости турбулентного горения, которую очень приближенно можно принять равной W', распространяется при степени турбулентности W'/W = 0,1 под углом φг≈6o. При встрече в точке III границы зоны смешения II и фронта горения I начнется догорание продуктов неполного сгорания смеси, поступающей через первый 4 канал.From consideration of the flame pattern (Fig. 8), it is seen [9] that the boundary of the jet consisting of zone 1 (first 4 channel) and zone 2 (second 5 channel) extends in a typical case to the outside at an angle φ c ≈13 o , and to the inside at an angle φ m ≈ 7 o . The combustion front at a turbulent burning rate, which can be very approximately taken equal to W ', propagates at a degree of turbulence W' / W = 0.1 at an angle φ g ≈6 o . When meeting at point III the boundary of mixing zone II and combustion front I, the afterburning of products of incomplete combustion of the mixture entering through the first 4 channel will begin.

Если принять, что диаметр d1 вставки (диаметр первого 4 канала) составляет, например, d1 = 0,8dA, т. е. r1/rA =0,8, то по этим данным можно оценить долю смеси первого потока, выгоревшую к моменту начала догорания.If we assume that the diameter d 1 of the insert (diameter of the first 4 channels) is, for example, d 1 = 0.8d A , i.e., r 1 / r A = 0.8, then from these data we can estimate the fraction of the mixture of the first stream burned out by the time the burn-out begins.

Пусть радиус факела в точке IV будет примерно равен радиусу центрального тела 6, составляющему, например, r4 = rц.т = 0,3 rA.Let the radius of the torch at point IV be approximately equal to the radius of the central body 6, for example, r 4 = r c.t = 0.3 r A.

Тогда радиус факела в точке III будет

Figure 00000002

или
Figure 00000003

Долю Z выгоревшей смеси первого потока можно принять равной Z= (r3/r1)2, и после подстановки принятых выше значений для r1 и r4 получаем Z=0,6.Then the radius of the torch at point III will be
Figure 00000002

or
Figure 00000003

The fraction Z of the burnt mixture of the first stream can be taken equal to Z = (r 3 / r 1 ) 2 , and after substituting the above values for r1 and r4, we get Z = 0.6.

Отсюда следует, что к моменту начала догорания сгорит более половины первичной смеси. It follows that by the time the burn-out begins, more than half of the primary mixture will burn.

Увеличить долю сгоревшей смеси первого потока можно путем увеличения скорости турбулентного горения Uт и диаметра dц.т центрального тела.It is possible to increase the proportion of the burnt mixture of the first stream by increasing the turbulent combustion rate U t and the diameter d c t of the central body.

Скорость турбулентного горения возрастает при закрутке потока. Однако влияние закрутки неоднозначно, поскольку при этом возрастает и угол раскрытия струи, т.е. скорость перемешивания. The turbulent combustion rate increases as the flow swirls. However, the influence of the swirl is ambiguous, since the angle of the jet also increases, i.e. mixing speed.

Устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива работает следующим образом. A device for implementing the method of burning gaseous fuels works as follows.

С помощью регулировочных вентилей и аппаратуры через короб 1 производят подачу в устройство воздуха и по трубопроводу 14 газообразного топлива, например метана, в требуемых для соответствующих каналов пропорциях. При этом топливо через узел 10 раздачи топлива вдувают струями поперек проходящего потока воздуха и в результате взаимодействия потока воздуха и струй топлива происходит их перемешивание. В результате получают смесь топлива с воздухом, причем в соответствии с заданным соотношением составляющих смесь топлива с воздухом в первом канале 4 получают с коэффициентом избытка воздуха, лежащем в диапазоне αв<α1<1,0, а смесь топлива с воздухом во втором канале получают в диапазоне α2>αн. (Здесь, как указано ранее, α1, α2, αн и αв - коэффициенты избытка воздуха соответственно в первом и втором потоках (каналах), а также нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения смеси углеводородного топлива с воздухом. Для смеси, например метана, с холодным воздухом αн и αв соответственно будут близки к 0,6 и 1,8.Using the control valves and equipment through the box 1, air is supplied to the device and through the pipe 14 gaseous fuel, for example methane, in the proportions required for the respective channels. In this case, the fuel is blown through the fuel distribution unit 10 in jets across the passing air stream and, as a result of the interaction of the air stream and the fuel jets, they are mixed. The result is a mixture of fuel with air, and in accordance with a predetermined ratio of the components of the mixture of fuel with air in the first channel 4 receive with a coefficient of excess air lying in the range α in <α 1 <1.0, and the mixture of fuel with air in the second channel receive in the range α 2 > α n (Here, as described above, α 1, α 2, α n and α in - an air ratio in the first and second streams (channels), and the lower and upper concentration limits of ignition of the hydrocarbon fuel-air mixture to the mixture, for example. methane, with cold air α n and α in respectively will be close to 0.6 and 1.8.

С помощью завихрителя 8 производят закрутку потока воздуха, проходящего через центральное тело 6, в результате которой около оси устройства возникает возвратное течение. Using a swirler 8, a swirl of the air flow passing through the central body 6 is produced, as a result of which a return flow arises near the axis of the device.

В область возвратного течения через трубку 7 подают топливо, которое поджигают, например, с помощью электроразрядника или внешнего запального устройства (на фиг. не показаны) и устанавливают стабильно горящий факел центрального тела. Этот факел служит для поджигания основного факела, который образуют при течении смеси, поступающей через первый канал 4. После зажигания основного факела факел центрального тела можно отключать и стабилизировать горение на возвратной зоне потока, возникающей от завихрителя на выходе из канала центрального тела 6. Fuel is supplied to the return flow area through the tube 7, which is set on fire, for example, by means of an electric discharger or an external ignition device (not shown in FIG.) And a stable burning torch of the central body is installed. This torch serves to ignite the main torch, which is formed during the flow of the mixture entering through the first channel 4. After ignition of the main torch, the torch of the central body can be turned off and combustion can be stopped on the return flow zone arising from the swirl at the outlet of the channel of the central body 6.

В зону горения в область факела, соответствующую сгоранию 30% и более смеси первого потока (область зоны горения на фиг.8), подают смесь топлива с воздухом из второго канала, объединяют эту смесь с недогоревшими остатками смеси, поступающей из первого канала, и производят дожигание объединенной смеси и продуктов сгорания смеси первого канала. A mixture of fuel with air from the second channel is fed into the combustion zone in the torch region corresponding to the combustion of 30% or more of the mixture of the first stream (region of the combustion zone in Fig. 8), this mixture is combined with unburned residues of the mixture coming from the first channel, and produced afterburning of the combined mixture and combustion products of the mixture of the first channel.

Путем выбора геометрии проточной части обеспечивают расход смеси в первом и втором потоках и в объединенном потоке получают смесь с коэффициентом избытка воздуха, имеющем среднее значение в диапазоне αв<αср<αн.By choosing the geometry of the flow part, the flow rate of the mixture in the first and second flows is provided, and in the combined stream a mixture is obtained with an excess air coefficient having an average value in the range α in <α cp <α n .

Контроль качества перемешивания топлива с воздухом, а также регулировку места объединения второго потока смеси с остатками смеси первого канала производят с помощью лабораторной измерительной аппаратуры [3] предварительно при стендовых испытаниях устройства для осуществления способа сжигания газообразного топлива или при помощи численного моделирования [5]. The quality control of mixing fuel with air, as well as adjusting the place of combining the second stream of the mixture with the remains of the mixture of the first channel, is carried out using laboratory measuring equipment [3] previously during bench tests of the device for implementing the method of burning gaseous fuel or using numerical simulation [5].

При этом качество предварительного перемешивания топлива с воздухом оценивают величиной σ среднеквадратического отклонения от среднего значения концентрации, относительная величина которого в данном случае не должна превышать

Figure 00000004
, т. е. сжигаемая смесь должна быть возможно ближе к гомогенной.In this case, the quality of preliminary mixing of fuel with air is estimated by the value of σ standard deviation from the average concentration value, the relative value of which in this case should not exceed
Figure 00000004
, i.e., the mixture burned should be as close to homogeneous as possible.

При подаче потока подводимый в завихритель 8 воздух впускают через щели 18 (как показано на фиг.6), а на выходе завихрителя (за плоскостью большого основания конус) получают закрученный поток, имеющий высокую степень турбулентности (до 35%) и создающий на оси "висящее" в потоке возвратное течение, которое обеспечивает стабилизацию факела. When the flow is supplied, the air supplied to the swirl 8 is let in through the slots 18 (as shown in FIG. 6), and at the swirl outlet (behind the plane of the large base of the cone) a swirl flow is obtained, which has a high degree of turbulence (up to 35%) and creates on the axis " hanging "in the flow return flow, which provides stabilization of the torch.

Приведенная на фиг. 9 фотография факела получена при испытаниях устройства для осуществления способа сжигания газообразного топлива мощностью 8 МВт, созданного в соответствии со схемой, представленной на фиг.1, и с завихрителем, выполненным в соответствии с конструкцией, приведенной на фиг.6, на водогрейном котле ПТВМ - 100. Referring to FIG. 9 a photograph of the torch was obtained during testing of a device for implementing a method of burning gaseous fuel with a capacity of 8 MW, created in accordance with the scheme shown in FIG. 1, and with a swirl made in accordance with the design shown in FIG. 6 on a PTVM boiler - 100.

Измеренная при испытаниях устройства концентрация оксидов азота в уходящих газах не превысила 80 мг/нм3, что в 2-3 раза ниже, чем при работе известных горелок.The concentration of nitrogen oxides in the flue gases, measured during the tests of the device, did not exceed 80 mg / nm 3 , which is 2-3 times lower than during operation of the known burners.

Источники информации
1. Патент РФ 2050509 от 08.06.93.Sources of information
1. RF patent 2050509 from 06/08/93.

2. Патент РФ 1700337 от 13.03.89. 2. RF patent 1700337 from 03/13/89.

3. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива, 2-е изд., перераб. и доп., Л.: Недра, 1987, с.40-43. 3. Isserlin A.S. Fundamentals of burning gas fuel, 2nd ed., Revised. and add., L .: Nedra, 1987, pp. 40-43.

4. Sattelmayer Th. et al, Second Generation Law-Emission Combustors for ABB Gas Turbinen: Burner Development and tests at Atmospheric Pressure, ASME-90-GT-162. 4. Sattelmayer Th. et al, Second Generation Law-Emission Combustors for ABB Gas Turbinen: Burner Development and tests at Atmospheric Pressure, ASME-90-GT-162.

5. Аксенов А. А., Гудзовский А.В. Программный комплекс Flov Vision для решения задач аэродинамики и теплопереноса методами численного моделирования // Третий съезд Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, конденционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике (АВОК), 22-25 сент. 1993, Москва, Сб.докладов, с.114-119. 5. Aksenov A. A., Gudzovsky A.V. Flov Vision software package for solving aerodynamics and heat transfer problems by numerical simulation methods // Third Congress of the Association of Engineers for Heating, Ventilation, Air Condensation, Heat Supply and Building Thermophysics (ABOK), September 22-25. 1993, Moscow, Sat. Dokladov, pp. 114-119.

6. Gavriliouk V.N., Denisov O.P., Nakechny V.P., Odintsov E.V., Sergienko A.A., Sobachkin A.A., Numerical Simulaition of Working Processes in Rocket Engine Combustion Gramber, IAF-93-S.2.463, 1993. 6. Gavriliouk V.N., Denisov O.P., Nakechny V.P., Odintsov E.V., Sergienko A.A., Sobachkin A.A., Numerical Simulaition of Working Processes in Rocket Engine Combustion Gramber, IAF-93-S.2.463, 1993.

7. CFDS - Flow3D Userguide, AEA Technology, UK Oxfordshire, 1994. 7. CFDS - Flow3D Userguide, AEA Technology, UK Oxfordshire, 1994.

8. Секундов А.А., Казарин Ф.В., Миклашевский И.Р., Пичков К.Н. Результаты экспериментального исследования смесителя дутьевого воздуха. НТО, НИЦ, ЭКОЛЭН, М., 1993. 8. Sekundov A.A., Kazarin F.V., Miklashevsky I.R., Pichkov K.N. The results of an experimental study of a blast air mixer. NTO, SIC, ECOLEN, M., 1993.

9. Сигал И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: Недра, 2-е изд., перераб. и доп., 1988. 9. Seagal I. Ya. Protection of the air basin during fuel combustion. - L .: Nedra, 2nd ed., Revised. and add., 1988.

10. Тишин А.П., Худяков В.А., Артамонов А.К. Исследование возможностей уменьшения концентрации окислов азота при сжигании топлива в теплоэнергоагрегатах, изд. ЦНИИмаш, г.Калининград М.О., 1994, с.60. 10. Tishin A.P., Khudyakov V.A., Artamonov A.K. Investigation of the possibilities of reducing the concentration of nitrogen oxides during fuel combustion in thermal power plants, ed. TsNIImash, Kaliningrad M.O., 1994, p. 60.

Claims (27)

1. Способ сжигания газообразного топлива, включающий формирование потоков смеси топлива с воздухом, поджигание смеси в потоках и ее горение, отличающийся тем, что потоки формируют с различным соотношением составляющих смеси, причем обеспечивают качество перемешивания топлива с воздухом, а коэффициенты избытка воздуха для этих потоков выбирают, соответственно, для первого потока αв<α1<1,0 и для второго потока α2>αн, где αв и αн - соответственно верхний и нижний концентрационные пределы воспламеняемости смеси, α1 и α2 - коэффициенты избытка воздуха соответствующих потоков, при этом после получения указанного соотношения составляющих смеси в потоках вначале поджигают смесь в первом потоке, а после сгорания 30% и более этой смеси остаток смеси в первом потоке и образовавшиеся продукты сгорания объединяют со вторым потоком смеси и производят дожигание объединенных потоков.1. A method of burning gaseous fuel, including the formation of flows of a mixture of fuel and air, ignition of the mixture in the flows and its combustion, characterized in that the flows are formed with different ratios of the components of the mixture, moreover, they ensure the quality of mixing the fuel with air, and the excess air coefficients for these flows respectively, for the first stream α in <α 1 <1,0 and for the second stream α 2 > α n , where α in and α n are the upper and lower concentration limits of the flammability of the mixture, α 1 and α 2 are respectively chosen air of the corresponding streams, while after obtaining the specified ratio of the components of the mixture in the streams, the mixture is first ignited in the first stream, and after combustion of 30% or more of this mixture, the remainder of the mixture in the first stream and the resulting combustion products are combined with the second stream of the mixture and the combined streams are afterburned . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что качество перемешивания обеспечивают по заданной величине среднеквадратического отклонения от величины требуемой концентрации топлива в потоке. 2. The method according to claim 1, characterized in that the mixing quality is ensured by a given value of the standard deviation from the value of the required fuel concentration in the stream. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что закручивают воздушные потоки, участвующие в формировании потоков смеси топлива с воздухом. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the air streams involved in the formation of the fuel-air mixture flows are twisted. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что закручивают воздушный поток, участвующий в формировании первого потока смеси топлива с воздухом. 4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that they wind the air stream participating in the formation of the first stream of a mixture of fuel and air. 5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что закручивают воздушный поток, участвующий в формировании второго потока смеси. 5. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the air flow participating in the formation of the second mixture stream is twisted. 6. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что смесь топлива с воздухом в первом потоке закручивают путем подачи в воздушный поток, участвующий в формировании первого потока, топлива струями, векторы скорости которых устанавливают перпендикулярными к вектору скорости воздушного потока и радиусу и проходящими на расстоянии L от оси этого потока, где L ≤ R1n, где R1n эквивалентный радиус первого потока.6. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the mixture of fuel with air in the first stream is twisted by feeding into the air stream participating in the formation of the first stream, fuel jets, the velocity vectors of which are set perpendicular to the air velocity vector and radius and passing at a distance L from the axis of this stream, where L ≤ R 1n , where R 1n is the equivalent radius of the first stream. 7. Устройство для осуществления способа сжигания газообразного топлива, содержащее присоединенный к амбразуре топки корпус с установленной в нем вставкой, образующей каналы для подачи в амбразуру соответствующих потоков смеси топлива с воздухом и завихритель, отличающееся тем, что устройство снабжено центральным телом и узлом раздачи топлива, установленным вблизи входного сечения вставки, соединенным трубопроводом с источником топлива и выполненным с возможностью подачи топлива в первый и второй каналы, которые выполнены с учетом условий: S1 + S2 ≥ Sa и S2 = (0,05 - 0,5) S1, где S1 и S2 - площади выходного поперечного сечения соответственно первого и второго каналов, а Sa площадь амбразуры, при этом длина вставки l ≥ dэ, где dэ - эквивалентный диаметр амбразуры, центральное тело установлено внутри первого канала с возможностью осевого перемещения, причем площадь поперечного сечения центрального тела Sц.т выбрана с учетом условия Sц.т ≤ 0,5S1, где все обозначения соответствуют указанным ранее.7. A device for implementing a method of burning gaseous fuel, comprising a housing attached to the embrasure of the furnace with an insert installed therein, forming channels for supplying into the embrasure of the respective flows of the fuel-air mixture and a swirl, characterized in that the device is provided with a central body and a fuel distribution unit, installed near the inlet section of the insert, connected by a pipeline to a fuel source and configured to supply fuel to the first and second channels, which are made taking into account the ovium: S 1 + S 2 ≥ S a and S 2 = (0.05 - 0.5) S 1 , where S 1 and S 2 are the output cross-sectional areas of the first and second channels, respectively, and S a is the embrasure area, for the insertion length l ≥ d e , where d e is the equivalent diameter of the embrasure, the central body is installed inside the first channel with the possibility of axial movement, and the cross-sectional area of the central body S c. t is selected taking into account the condition S c. t ≤ 0,5S 1 where all the notations correspond to those indicated earlier. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что вставка выполнена в виде пластины, при этом первый и второй каналы образованы корпусом устройства и промежутками под и над пластиной соответственно. 8. The device according to p. 7, characterized in that the insert is made in the form of a plate, while the first and second channels are formed by the body of the device and the gaps below and above the plate, respectively. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что вставка выполнена в виде поверхности вращения, например, в виде обечайки, при этом первый канал образован внутри обечайки, а второй - между обечайкой и корпусом. 9. The device according to claim 7, characterized in that the insert is made in the form of a surface of revolution, for example, in the form of a shell, while the first channel is formed inside the shell, and the second between the shell and the body. 10. Устройство по пп.7 - 9, отличающееся тем, что вставка установлена своим выходным сечением на расстоянии L1 ≤ 0,5dэ от амбразуры.10. The device according to PP.7 - 9, characterized in that the insert is installed with its output section at a distance of L 1 ≤ 0.5d e from the embrasure. 11. Устройство по пп.7 - 9, отличающееся тем, что вставка установлена своим выходным сечением внутри амбразуры. 11. The device according to PP.7 - 9, characterized in that the insert is installed with its output section inside the embrasure. 12. Устройство по пп. 7 - 11, отличающееся тем, что центральное тело своим выходным сечением установлено с отклонением от выходного сечения вставки в сторону амбразуры на расстоянии до d1э, где d1э - эквивалентный диаметр первого канала.12. The device according to paragraphs. 7 to 11, characterized in that the central body with its output section is installed with a deviation from the output section of the insert towards the embrasure at a distance of d 1e , where d 1e is the equivalent diameter of the first channel. 13. Устройство по пп. 7 - 11, отличающееся тем, что центральное тело своим выходным сечением установлено с отклонением от выходного сечения вставки в сторону от амбразуры на расстояние до d1э.13. The device according to paragraphs. 7 - 11, characterized in that the central body with its output section is installed with a deviation from the output section of the insert away from the embrasure at a distance of d 1e . 14. Устройство по пп.7, 12 и 13, отличающееся тем, что центральное тело выполнено со сквозным каналом, входом соединенным с трубопроводом для подачи воздуха, а выходом расположенным на выходном сечении центрального тела. 14. The device according to PP.7, 12 and 13, characterized in that the central body is made with a through channel, an inlet connected to a pipe for supplying air, and an output located on the output section of the central body. 15. Устройство по пп.12 - 14, отличающееся тем, что к выходному сечению центрального тела подведен трубопровод для подачи топлива. 15. The device according to PP.12 - 14, characterized in that the pipeline for supplying fuel is brought to the output section of the central body. 16. Устройство по пп.7 - 15, отличающееся тем, что узел раздачи топлива выполнен в виде кольцевой камеры, образованной двумя цилиндрическими поверхностями с кольцевыми заглушками по торцам, при этом в узле раздачи выполнены отверстия, причем количество отверстий, их расположение и диаметры выбраны с учетом обеспечения требуемой раздачи топлива в каналы устройства. 16. The device according to claims 7 to 15, characterized in that the fuel distribution unit is made in the form of an annular chamber formed by two cylindrical surfaces with annular caps at the ends, while the distribution unit has openings, the number of holes, their location and diameters selected taking into account the required distribution of fuel into the channels of the device. 17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что отверстия выполнены в цилиндрических поверхностях. 17. The device according to clause 16, wherein the holes are made in cylindrical surfaces. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что отверстия выполнены в наружной цилиндрической поверхности кольцевой камеры, причем диаметр внутренней поверхности кольцевой камеры выполнен соответствующим диаметру центрального тела, своей частью установленного внутри кольцевой камеры узла раздачи топлива. 18. The device according to 17, characterized in that the holes are made in the outer cylindrical surface of the annular chamber, and the diameter of the inner surface of the annular chamber is made corresponding to the diameter of the Central body, part of which is installed inside the annular chamber of the fuel distribution unit. 19. Устройство по пп.14 и 16, отличающееся тем, что узел раздачи топлива выполнен в виде участка центрального тела, причем соответствующая часть сквозного канала центрального тела выполнена в виде внутренней поверхности кольцевой камеры узла раздачи топлива. 19. The device according to PP.14 and 16, characterized in that the fuel distribution unit is made in the form of a portion of the central body, and the corresponding part of the through channel of the central body is made in the form of the inner surface of the annular chamber of the fuel distribution unit. 20. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что отверстия выполнены на внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры, причем диаметр этой поверхности выполнен соответствующим внутреннему диаметру корпуса устройства. 20. The device according to p. 17, characterized in that the holes are made on the inner cylindrical surface of the annular chamber, and the diameter of this surface is made corresponding to the inner diameter of the device casing. 21. Устройство по пп.16 - 20, отличающееся тем, что в отверстиях установлены трубки, входами соединенные с внутренней полостью камеры узла раздачи топлива, причем часть трубок выходами размещена в первом канале, а другая часть трубок выходами установлена во втором канале устройства, при этом длина трубок выбрана с учетом обеспечения возможности распределения топлива по поперечному сечению каналов. 21. The device according to PP.16 - 20, characterized in that the holes are installed tubes, inputs connected to the internal cavity of the chamber of the fuel distribution unit, and some of the pipes with outputs placed in the first channel, and the other part of the pipes with outputs installed in the second channel of the device, the length of the tubes is selected taking into account the possibility of distribution of fuel along the cross section of the channels. 22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что длина и количество трубок выбраны с учетом возможности равномерного распределения топлива по поперечному сечению каналов. 22. The device according to item 21, wherein the length and number of tubes are selected taking into account the possibility of a uniform distribution of fuel across the cross section of the channels. 23. Устройство по пп.21 и 22, отличающееся тем, что по длине трубок выполнены отверстия, размещенные в местах, где касательные к поверхности трубок параллельны вектору скорости набегающего потока воздуха. 23. The device according to PP.21 and 22, characterized in that the length of the tubes made holes located in places where the tangents to the surface of the tubes are parallel to the velocity vector of the incoming air flow. 24. Устройство по пп.21 - 23, отличающееся тем, что трубки в поперечном сечении выполнены, например, овальными. 24. The device according to PP.21 - 23, characterized in that the tubes in the cross section are made, for example, oval. 25. Устройство по пп.7, 9 и 21 - 24, отличающееся тем, что вставка выполнена в виде основной и дополнительных обечаек, которые концентрично установлены в первом канале, при этом трубки своими выходными отверстиями размещены в промежутках между обечайками, причем величина bi промежутков между обечайками соответствует условиям bi = (0,05 - 0,5) dэ, и одновременно bi ≈ 1/2 ai, где ai - расстояние между находящимися на одинаковом удалении от оси устройства выходными отверстиями трубок в i-ом промежутке, между, например, обечайками, i ≥ 1, а остальные обозначения соответствуют указанным ранее.25. The device according to PP.7, 9 and 21-24, characterized in that the insert is made in the form of the main and additional shells, which are concentrically mounted in the first channel, while the tubes with their outlet openings are placed in the spaces between the shells, and the value b i the gaps between the shells corresponds to the conditions b i = (0.05 - 0.5) d e , and at the same time b i ≈ 1/2 a i , where a i is the distance between the outlet openings of the tubes at the same distance from the device axis in the gap, between, for example, shells, i ≥ 1, and the remaining notation correspond to those indicated previously. 26. Устройство по пп. 7 - 25, отличающееся тем, что завихритель установлен на выходе канала центрального тела. 26. The device according to paragraphs. 7 - 25, characterized in that the swirl is installed at the outlet of the channel of the Central body. 27. Завихритель для осуществления устройства, выполненный из лопастей в виде частей конической поверхности, полученных, например, путем рассечения поверхности усеченного конуса плоскостями, проходящими через его продольную ось, смещенных параллельно этой оси конуса и соединенных, например, втулками, отличающийся тем, что смещение одновременно выполнено по радиусам поперечного сечения исходного конуса относительно первого сечения каждой части в отсчете, например, по часовой стрелке, количество лопастей выбрано равным n, где n ≥ 3, а величина смещения лопастей выбрана из условия Sщ = (0,05 - 0,5) Sо, где Sщ - площадь щелей между лопастями, Sо - площадь большего основания исходного конуса, при этом соотношение величин радиуса R большего основания и высоты H этого конуса выбрана из условия R = (0,05 - 0,5)H.27. A swirl for the implementation of the device, made of blades in the form of parts of a conical surface, obtained, for example, by cutting the surface of a truncated cone by planes passing through its longitudinal axis, offset parallel to this axis of the cone and connected, for example, by bushings, characterized in that the displacement simultaneously performed along the radii of the cross section of the initial cone relative to the first section of each part in the count, for example, clockwise, the number of blades is chosen equal to n, where n ≥ 3, and for the displacements of the blades, it was selected from the condition S u = (0.05 - 0.5) S o , where S u is the area of the cracks between the blades, S o is the area of the larger base of the original cone, and the ratio of the radius R of the larger base and height of this cone is selected from the condition R = (0.05 - 0.5) H.
RU98118065A 1998-10-06 1998-10-06 Method of combustion of gaseous fuel, device for its realization and swirler for realization of device RU2126515C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98118065A RU2126515C1 (en) 1998-10-06 1998-10-06 Method of combustion of gaseous fuel, device for its realization and swirler for realization of device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98118065A RU2126515C1 (en) 1998-10-06 1998-10-06 Method of combustion of gaseous fuel, device for its realization and swirler for realization of device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2126515C1 true RU2126515C1 (en) 1999-02-20

Family

ID=20210934

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98118065A RU2126515C1 (en) 1998-10-06 1998-10-06 Method of combustion of gaseous fuel, device for its realization and swirler for realization of device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2126515C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sattelmayer Th. Et al, Second Generation Low-Emission Combustors for ABB Gas Turbinen: Burner Development and tests at Atmospheric Pressure, ASME-90-GT-162. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8607568B2 (en) Dry low NOx combustion system with pre-mixed direct-injection secondary fuel nozzle
JP2713627B2 (en) Gas turbine combustor, gas turbine equipment including the same, and combustion method
US7631499B2 (en) Axially staged combustion system for a gas turbine engine
US5013236A (en) Ultra-low pollutant emission combustion process and apparatus
US4645449A (en) Methods and apparatus for burning fuel with low nox formation
WO1989002052A1 (en) Gas turbine combustor
JPH06341617A (en) Premixing burner for operating internal combustion engine, combustion chamber of gas turbo group or heating apparatus
US5022849A (en) Low NOx burning method and low NOx burner apparatus
US4604048A (en) Methods and apparatus for burning fuel with low NOx formation
US8596074B2 (en) Gas turbine combustor
CN101539305B (en) Pilot combustor for stabilizing combustion in gas turbine engines
JP4140774B2 (en) Burner tip and seal to optimize burner performance
PL184438B1 (en) Method of controlling operation of the rsfc burner
RU2126515C1 (en) Method of combustion of gaseous fuel, device for its realization and swirler for realization of device
CN1582365A (en) Combustion chamber/venturi cooling apparatus and method for low nox emission combustor
JP4673554B2 (en) Removable ignition chamber filling used for burner
CN114738751A (en) Anti-backfire multi-burner combustor and waste gas treatment method
JPH08247419A (en) Two stage combustion type combustion chamber
RU2768639C2 (en) Radiation wall burner
RU2230257C2 (en) Device for burning gaseous fuel
KR102298340B1 (en) Burner apparatus reducing nitrogen oxide emission
RU2227247C2 (en) Device for fuel combustion
JP2005265394A (en) Mixed combustion type boiler
JP2005265394A6 (en) Mixed fire boiler
EP4253838A1 (en) Gas burner with low nox emission

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131007

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20150510