RU2244212C1

RU2244212C1 - Burner

Info

Publication number: RU2244212C1
Application number: RU2003113830/06A
Authority: RU
Inventors: И.Г. Шеин (RU); И.Г. Шеин; О.Ф. Бризицкий (RU); О.Ф. Бризицкий; С.В. Мишанин (RU); С.В. Мишанин; нчук Т.В. Лукь (RU); Т.В. Лукьянчук; Н.В. Пелепейченко (RU); Н.В. Пелепейченко
Original assignee: Российская Федерация в лице Министерства Российской Федерации по атомной энергии-Минатом
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2005-01-10

Abstract

FIELD: combustion.

SUBSTANCE: burner has piping fuel collector made for permitting vertical movement, air duct provided with a piping collector, and distributing grid.

EFFECT: enhanced efficiency.

6 dwg

Description

Изобретение относится к газовым горелками и может найти применение в газовой, химической, металлургической и других отраслях промышленности для сжигания топлива.The invention relates to gas burners and may find application in gas, chemical, metallurgical and other industries for fuel combustion.

Известно горелочное устройство (Н.Л.Стаскевич "Газоснабжение городов", 1954 г., стр.79), служащее для сжигания газообразного топлива по диффузионному принципу, когда газ и воздух подаются к месту сгорания параллельными потоками в спутном направлении (в одном направлении), где и происходит их перемешивание за счет молекулярной и/или турбулентной диффузии. Однако ему присущи низкая эффективность смесеобразования (сжигания), вследствие недостаточной турбулизации газовых струй, и увеличенный размер факела (особенно при близких по величине выходных скоростях топлива и окислителя), работа с повышенным коэффициентом избытка воздуха, что приводит к неравномерности подачи воздуха к отдельным огневым каналам, затрудняет поддержание оптимального соотношения воздуха и топлива во всем диапазоне работы горелочного устройства, приводя к химическому недожогу, препятствуя эффективному использованию горелочного устройства при переменных режимах функционирования.A burner device is known (N.L. Staskevich "Gas supply to cities", 1954, p. 79), which is used to burn gaseous fuels according to the diffusion principle, when gas and air are supplied to the combustion site in parallel flows in one direction (in one direction) where they are mixed due to molecular and / or turbulent diffusion. However, it is characterized by low efficiency of mixture formation (burning) due to insufficient turbulence of gas jets, and an increased torch size (especially at similar output speeds of fuel and oxidizer), work with a higher coefficient of excess air, which leads to uneven air supply to individual fire channels , makes it difficult to maintain the optimal ratio of air and fuel in the entire range of operation of the burner device, leading to chemical underburning, hindering the effective use th burner device with variable modes of operation.

Существует горелочное устройство, в котором используется согласованная раздача топлива и окислителя (а.с. SU 1809244, F 23 D 14/20, опубл. 15.04.93, БИ №14). Недостатком указанной конструкции является необходимость проведения точного расчета геометрии многосопловых коллекторов и точного соблюдения технологии их изготовления, отсутствие возможности регулировать параметры факела, недостаточно эффективное смесеобразование и увеличенное тепловое напряжение топочного пространства (т.к. конструкция не позволяет регулировать скорость подачи и направление движения газов, не обеспечивает одинакового для каждого отверстия соотношения топлива и окислителя), что ухудшает эффективность работы аппарата.There is a burner device in which a coordinated distribution of fuel and oxidizing agent is used (a.s. SU 1809244, F 23 D 14/20, publ. 15.04.93, BI No. 14). The disadvantage of this design is the need for accurate calculation of the geometry of multi-nozzle collectors and exact observance of the technology of their manufacture, the inability to adjust the flame parameters, insufficiently effective mixture formation and increased thermal stress of the furnace space (since the design does not allow controlling the feed rate and direction of gas movement, provides the same ratio of fuel and oxidizer for each hole), which degrades the working efficiency a apparatus.

Наиболее близкой по конструкции и технической сущности к предлагаемому горелочному устройству является многосопловая горелка с периферийной осесимметричной выдачей топливных газовых струй в прямоточный поток воздуха (Б.М.Кривоногов "Повышение эффективности сжигания газа и охрана окружающей среды", 1986 год, стр.18). Недостатком указанной конструкции является раздача газовых струй параллельно воздушному потоку и близкое расположение выходных отверстий сопел к металлическому корпусу горелки, что приводит к его перегреву. Кроме того, горелка не позволяет обеспечить регулирование скорости и направления движения газов без изменения конструкции и габаритов топочного пространства и горелки.The closest in design and technical nature to the proposed burner device is a multi-nozzle burner with peripheral axisymmetric delivery of fuel gas jets into a direct-flow air stream (B. M. Krivonogov "Improving the efficiency of gas combustion and environmental protection", 1986, p. 18). The disadvantage of this design is the distribution of gas jets parallel to the air flow and the proximity of the outlet openings of the nozzles to the metal housing of the burner, which leads to its overheating. In addition, the burner does not allow for regulation of the speed and direction of gas movement without changing the design and dimensions of the furnace space and the burner.

Задача изобретения - повышение эффективности (экономичности) работы горелочного устройства путем улучшения качества смешения и регулирования параметров факела, снижение теплового напряжения топочного пространства.The objective of the invention is to increase the efficiency (efficiency) of the operation of the burner device by improving the quality of mixing and controlling the parameters of the torch, reducing the thermal voltage of the furnace space.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве горелочном подача топлива осуществляется через многоканальный (многосопловой) трубчатый коллектор с группой вертикальных отверстий, обладающий возможностью вертикального перемещения, воздуховод, размещенный под топливным коллектором. Окислитель подается в камеру сгорания через воздушный коллектор, расположенный под топливным коллектором симметрично относительно него и камеры сгорания. Конструкция воздушного коллектора подобна конструкции топливного коллектора, но в нем вместо сопел выполнены пазы, ориентированные вниз камеры сгорания, что позволяет, за счет дробления воздушного потока на отдельные струи и предложенной ориентации их выхода, во-первых, увеличить время пребывания воздуха в горячей зоне, осуществив его дополнительный подогрев, во-вторых, турбулизировать поток воздуха при развороте струй в камере сгорания, в-третьих, снизить тепловое напряжение топки. После выхода из коллектора поток воздушных струй разворачивается и устремляется к воздушной распределительной решетке, выполненной из прутков различного профиля, образуя с подвижным топливным коллектором воздухораспределительные каналы переменного проходного сечения, при этом минимальный размер проходного сечения меньше диаметра многоканальных трубок топливного коллектора, а вертикальные оси топливных отверстий (сопел) и воздухораспределительных каналов совмещены. Оптимизация смесеобразования достигается путем перемещения топливного коллектора относительно воздушной распределительной решетки, в результате чего происходит изменение проходного сечения воздушных каналов и, как следствие, скорости и направления движения воздушного потока относительно направления движения топлива из сопел. Все это позволяет улучшить качество смешения, повысить эффективность сжигания топлива (экономичность), снизить тепловое напряжение топки и регулировать параметры факела в тех случаях, когда заранее невозможно выставить требования к длине факела.The problem is solved in that in the proposed burner device, the fuel is supplied through a multi-channel (multi-nozzle) tubular manifold with a group of vertical holes with the possibility of vertical movement, an air duct located under the fuel manifold. The oxidizing agent is supplied to the combustion chamber through an air manifold located symmetrically relative to it and the combustion chamber under the fuel collector. The design of the air manifold is similar to the design of the fuel manifold, but instead of nozzles, it has grooves oriented downwards of the combustion chamber, which allows, due to crushing of the air flow into individual jets and the proposed orientation of their exit, firstly, to increase the residence time of air in the hot zone, having carried out its additional heating, secondly, to turbulize the air flow when the jets turn in the combustion chamber, and thirdly, to reduce the thermal voltage of the furnace. After exiting the manifold, the stream of air jets unfolds and rushes to the air distribution grill made of rods of various profiles, forming air-distributing channels of variable flow cross-section with a movable fuel manifold, while the minimum size of the flow cross-section is smaller than the diameter of the multi-channel pipes of the fuel manifold, and the vertical axis of the fuel holes (nozzles) and air distribution channels are combined. The optimization of mixture formation is achieved by moving the fuel manifold relative to the air distribution grill, which results in a change in the flow area of the air channels and, as a result, the speed and direction of air flow relative to the direction of movement of the fuel from the nozzles. All this allows to improve the quality of mixing, increase the efficiency of fuel combustion (efficiency), reduce the thermal voltage of the furnace and adjust the parameters of the torch in cases where it is impossible to set requirements for the length of the torch in advance.

Существенность отличительных признаков заявленного устройства заключается в применении многофакельной диффузионной горелки в совокупности с воздушной распределительной решеткой и воздуховводом, снабженным разветвленным трубчатым коллектором, выполненным с пазами, ориентированными вниз камеры сгорания, и расположенным под топливным коллектором симметрично относительно него и камеры сгорания. Причем топливный коллектор устройства горелочного имеет возможность вертикального перемещения, образуя с воздушной распределительной решеткой воздухораспределительные каналы переменного проходного сечения, при этом размер проходного сечения каналов распределительной решетки в самом узком месте меньше диаметра многоканальных трубок топливного коллектора, а вертикальные оси топливных отверстий и воздухораспределительных каналов совмещены. Это позволяет регулировать направление и скорость подачи воздуха в зоне смешения. Благодаря предложенной организации процесса смесеобразования повышается эффективность работы устройства горелочного, за счет улучшения качества смешения и сгорания газовоздушной смеси, обеспечивается регулировка параметров факела и снижается тепловое напряжение топочного пространства. Изменение длины факела достигается регулировкой положения топливного коллектора относительно воздушной распределительной решетки и предложенным способом подачи воздуха в камеру сгорания, обеспечивающим турбулизацию и дополнительный подогрев воздушного потока.The significance of the distinguishing features of the claimed device consists in the use of a multi-torch diffusion burner in combination with an air distribution grill and an air duct equipped with a branched tubular manifold made with grooves oriented downwards of the combustion chamber and located symmetrically relative to it and the combustion chamber under the fuel manifold. Moreover, the fuel manifold of the burner device has the ability to move vertically, forming air distribution channels of variable passage section with the air distribution grill, while the size of the passage section of the distribution grid channels in the narrowest place is smaller than the diameter of the multi-channel pipes of the fuel manifold, and the vertical axes of the fuel holes and air distribution channels are aligned. This allows you to adjust the direction and speed of the air in the mixing zone. Thanks to the proposed organization of the process of mixing, the efficiency of the burner device is increased by improving the quality of mixing and combustion of the gas-air mixture, the torch parameters are adjusted, and the thermal stress of the furnace space is reduced. Changing the length of the flame is achieved by adjusting the position of the fuel manifold relative to the air distribution grill and the proposed method of supplying air to the combustion chamber, providing turbulization and additional heating of the air flow.

Процесс горения и смешения при диффузионном горении развивается параллельно. Скорость и полнота сгорания смеси определяются полнотой и скоростью смешения газа и воздуха. В многофакельных горелках, для обеспечения высокого КПД сжигания смеси, особенно важно соблюсти равномерность распределения соответствующих потоков по каналам топлива и окислителя. Кроме того, в диффузионных горелках необходимо иметь большой объем топочной камеры, что отрицательно сказывается на равномерности подвода воздуха к каждому топливному каналу многофакельной горелки и, как следствие, приводит к повышенному избытку воздуха. Конструктивное исполнение предложенного устройства горелочного позволяет обеспечить организованную подачу воздуха непосредственно к корням факелов за счет эжектирующего эффекта топливных струй, что способствует хорошей подготовке газовоздушной смеси и поддержанию минимально необходимого избытка воздуха.The process of combustion and mixing during diffusion combustion develops in parallel. The speed and completeness of combustion of the mixture are determined by the completeness and speed of mixing gas and air. In multi-torch burners, in order to ensure a high efficiency of burning the mixture, it is especially important to maintain a uniform distribution of the respective flows through the fuel and oxidizer channels. In addition, in diffusion burners it is necessary to have a large volume of the combustion chamber, which negatively affects the uniformity of air supply to each fuel channel of a multi-torch burner and, as a result, leads to an increased excess of air. The design of the proposed burner device allows for an organized air supply directly to the roots of the flames due to the ejecting effect of the fuel jets, which contributes to the good preparation of the gas-air mixture and the maintenance of the minimum necessary excess air.

На фиг.1 изображены камера сгорания с предлагаемым устройством горелочным; на фиг.2 - вид А; на фиг.3, 4, 5, 6 - камера сгорания с устройством горелочным, продольный разрез.Figure 1 shows the combustion chamber with the proposed device burner; figure 2 - view A; figure 3, 4, 5, 6 - combustion chamber with a burner device, a longitudinal section.

Устройство горелочное представляет собой многоканальный топливный коллектор 1, выполненный из стальных трубок различного сечения, установленный внутри камеры сгорания 2. Подача окислителя в зону горения осуществляется принудительно через воздушный коллектор 3, размещенный ниже топливного коллектора, имеющего форму разветвленного трубчатого коллектора с пазами 4, ориентированными вниз камеры сгорания 2. Перемещение топливного коллектора 1 относительно воздушной распределительной решетки 5 осуществляется путем вращения резьбовой втулки 6. Воздушная распределительная решетка 5 предназначена для равномерного распределения и подачи воздуха к топливным отверстиям 8 многоканального топливного коллектора 1. Воспламенение газовоздушной смеси осуществляется от внешнего источника пламени (на чертежах не показан).The burner device is a multi-channel fuel manifold 1 made of steel tubes of various sections, installed inside the combustion chamber 2. The oxidant is supplied to the combustion zone by force through an air manifold 3 located below the fuel manifold, which has the form of a branched tubular manifold with grooves 4 oriented downward combustion chambers 2. The movement of the fuel manifold 1 relative to the air distribution grid 5 is carried out by rotating the threaded bushings ki 6. Air distribution grill 5 is designed for uniform distribution and air supply to the fuel holes 8 of the multi-channel fuel manifold 1. Ignition of the gas-air mixture is carried out from an external flame source (not shown in the drawings).

Устройство горелочное работает следующим образом. Топливо (CPU) в камеру сгорания 2 подается через выполненные вертикально отверстия 8 в многоканальном трубчатом коллекторе 1. Окислитель (воздух) подается через воздушный коллектор 3, размещенный ниже топливного коллектора 1. Оптимальное смесеобразование достигается предварительным распределением топлива и воздуха с их дополнительным подогревом внутри камеры сгорания 2, соблюдением соответствующего направления движения и соотношения потоков топлива и окислителя. При перемещении топливного коллектора 1 относительно воздушной распределительной решетки 5 меняется сечение и сопротивление проходных воздухораспределительных каналов 7, что позволяет добиться более эффективного смесеобразования и сократить (увеличить) высоту факелов многосоплового устройства горелочного. Такая возможность регулировки особенно важна, когда необходимо работать в широком диапазоне расходов топлива. Она позволяет организовать устойчивое горение во всем диапазоне регулирования, уменьшить вероятность химического недожога и токсичных выбросов, обеспечивает функционирование горелки с меньшим коэффициентом избытка воздуха, что повышает эффективность ее работы.The burner device operates as follows. Fuel (CPU) is supplied to the combustion chamber 2 through vertically made openings 8 in the multi-channel tubular manifold 1. Oxidizing agent (air) is supplied through the air manifold 3 located below the fuel manifold 1. Optimum mixture formation is achieved by preliminary distribution of fuel and air with their additional heating inside the chamber combustion 2, observing the corresponding direction of motion and the ratio of fuel and oxidizer flows. When the fuel collector 1 is moved relative to the air distribution grill 5, the cross section and resistance of the air passage channels 7 pass through, which allows for more efficient mixture formation and a reduction (increase) in the torch height of the multi-nozzle burner device. This adjustment ability is especially important when you need to work in a wide range of fuel consumption. It allows you to organize sustainable combustion in the entire control range, reduce the likelihood of chemical underburning and toxic emissions, ensures the operation of the burner with a lower coefficient of excess air, which increases its efficiency.

Claims

A burner device comprising a multichannel tubular fuel manifold with a group of vertical openings, an air inlet arranged under the fuel manifold, characterized in that the fuel manifold is vertically movable, the air inlet is provided with a branched tubular manifold made with grooves oriented downwards of the combustion chamber and located symmetrically with respect to fuel collector, the device is equipped with an air distribution grill made of rods of various profile, forming air distribution channels of variable flow cross-section with the fuel manifold, while the minimum size of the flow cross-section is smaller than the diameter of the multi-channel pipes of the fuel manifold, and the vertical axes of the fuel holes and air distribution channels are aligned.