RU2362945C1

RU2362945C1 - Radiative burner

Info

Publication number: RU2362945C1
Application number: RU2007139527/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Шмелев (RU); Владимир Михайлович ШМЕЛЕВ
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН); Владимир Михайлович ШМЕЛЕВ
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-07-27
Also published as: RU2007139527A

Abstract

FIELD: heat-and-power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to heat-and-power engineering, particularly, to radiative burner and can be used for domestic and industrial needs in different heat-and-power installations, in combustion chamber of gas-turbine installation, heaters, dryers, stoves. Radiative burner contains case, injector in the form of gas nipple with mixing tube and radiating jet in three-dimensional configuration. Jet is implemented from elements in the form of multitude of cylinders or right-angle prismes, located inside the burner case and implemented from thermal-resistant thin-walled permeable material, herewith clearance X between radiating surfaces of elements is X=H/a, where H -height of elements; a=2 - 20.

EFFECT: invention increases operational characteristics of burner: leads to abrupt increasing of burner specific power, provides making of burner facility as light and compact, and increase its field of application.

2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к радиационным горелкам, и может применяться для бытовых и промышленных нужд в различных теплоэнергетических установках, в камерах сгорания газотурбинных установок, обогревателях, сушилках, печах.The invention relates to a power system, in particular to radiation burners, and can be used for domestic and industrial needs in various heat power plants, in the combustion chambers of gas turbine plants, heaters, dryers, furnaces.

Известна промышленная горелка (патент США №5174744, 29.12.92) с низкими выбросами CO и NO_x в атмосферу, которая состоит из узла смешения топлива и окислителя, перфорированной керамической плиты (насадки), над которой происходит сжигание газа, и легкого сетчатого экрана, который, нагреваясь пламенем горелки, увеличивает температуру излучающей поверхности насадки и способствует окислению CO в CO₂, уменьшая выбросы CO в атмосферу, при этом экран устанавливается над горелочной плитой на расстоянии, зависящем от длины пламени.Known industrial burner (US patent No. 5174744, 29.12.92) with low emissions of CO and NO _x into the atmosphere, which consists of a unit for mixing fuel and oxidizer, a perforated ceramic plate (nozzle) over which gas is burned, and a light mesh screen, which, being heated by the flame of the burner, increases the temperature of the radiating surface of the nozzle and promotes the oxidation of CO in CO ₂ , reducing CO emissions, the screen is mounted above the burner stove at a distance depending on the length of the flame.

Недостатком такой горелки является недостаточное снижение выброса окиси углерода, слабая механическая прочность легкого сетчатого экрана и его покрытия в виде специальной керамической пены, а также существенное усложнение изготовления горелки.The disadvantage of this burner is the insufficient reduction of carbon monoxide emissions, the weak mechanical strength of the light mesh screen and its coating in the form of a special ceramic foam, as well as a significant complication of the manufacture of the burner.

Известна радиационная горелка (Авторское свид. СССР №2084762, F23D 14/12, 1994), содержащая корпус с примыкающим к нему рефлектором, инжектор в виде газового сопла и размещенной во входном участке корпуса смесительной трубки, отражатель, выполненный напротив выходного среза последней, и размещенные в выходном участке корпуса с образованием камеры горения керамическую излучающую насадку с плоской входной и излучающей поверхностями и сетку-экран.Known radiation burner (Author's certificate. USSR No. 2084762, F23D 14/12, 1994), comprising a housing with an adjacent reflector, an injector in the form of a gas nozzle and a mixing tube located in the inlet portion of the housing, a reflector made opposite the outlet cut of the latter, and placed in the output section of the housing with the formation of the combustion chamber is a ceramic radiating nozzle with a flat input and radiating surfaces and a mesh screen.

Недостатком данной горелки является наличие крышки-экрана, который увеличивает гидравлическое сопротивление, ухудшает устойчивость горения при низких давлениях топлива и не обеспечивает снижения содержания окиси углерода в продуктах сгорания ниже 0,008%.The disadvantage of this burner is the presence of a cover-screen, which increases the hydraulic resistance, affects the stability of combustion at low fuel pressures and does not reduce the content of carbon monoxide in the combustion products below 0.008%.

Известна промышленная горелка повышенной тепловой мощности с температурой излучателя 1473-1723K (А.К.Родин. Газовое лучистое отопление. Л.: Недра, 1987, с.21-23, рис.2.4) с керамической насадкой, имеющей ряд прямоугольных щелей, выполненных по типу плоского внезапного расширения.A well-known industrial burner with increased thermal power with a radiator temperature of 1473-1723K (A.K. Rodin. Radiant gas heating. L .: Nedra, 1987, p.21-23, Fig. 2.4) with a ceramic nozzle having a number of rectangular slots made by type of flat sudden expansion.

Недостатками такой щелевой горелки являются возникновение проскока пламени при снижении удельной тепловой нагрузки из-за чрезмерной ширины каналов и возникновение в пространстве между перегородками при высокой тепловой нагрузке факельного режима горения с повышенной температурой в зоне горения, приводящей к увеличению окислов азота в продуктах сгорания. Другими недостатками являются слабая механическая прочность длинных тонких перегородок между каналами, а также (из-за их прогрева) широкая диаграмма направленности излучения.The disadvantages of such a slit burner are the occurrence of flame penetration when the specific heat load decreases due to the excessive width of the channels and the appearance of a flare mode of combustion in the space between partitions with a high heat load in the combustion zone, which leads to an increase in nitrogen oxides in the combustion products. Other disadvantages are the weak mechanical strength of the long thin partitions between the channels, as well as (due to their heating) a wide radiation pattern.

Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является радиационная горелка, содержащая корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и керамическую перфорированную излучающую насадку, в которой керамическая перфорированная излучающая насадка выполнена с возможностью исполнения дополнительно функций экрана и рефлектора, для чего она выполнена в объемной конфигурации в виде полостей с поперечным размером и глубиной не менее 10 мм, причем перфорированными являются только дно полостей или только стенки, или стенки и дно (RU 2151957, F23D 14/12, 27.06.2000).The closest technical solution to the technical nature and the achieved result is a radiation burner containing a housing, an injector in the form of a gas nozzle with a mixing tube and a ceramic perforated emitting nozzle, in which a ceramic perforated emitting nozzle is configured to perform additional functions of the screen and reflector, for which it made in a volumetric configuration in the form of cavities with a transverse size and depth of at least 10 mm, and only the bottom is perforated cavities or only walls, or walls and bottom (RU 2151957, F23D 14/12, 06/27/2000).

Сгорание топливно-воздушной смеси в этой горелке происходит в приповерхностной зоне внутри полостей. Горелка обладает хорошими экологическими параметрами и повышенной удельной мощностью W₁, отнесенной к единице площади выходного сечения горелки. Однако применение керамической перфорированной излучающей насадки не позволяет увеличить удельную мощность горелки свыше W₁=500-1000 кВт/м² и создать компактное и легкое горелочное устройство, так как для обеспечения стабильного горения необходимо использовать толстостенную керамическую перфорированную излучающую насадку (толщиной 12-15 мм). При этом предельная удельная поверхностная мощность горения W₀, отнесенная к суммарной площади керамической излучающей насадки, ограничена величиной W₀=150-180 кВт/м².The combustion of the air-fuel mixture in this burner occurs in the near-surface zone inside the cavities. The burner has good environmental parameters and increased specific power W ₁ , referred to the unit area of the output section of the burner. However, the use of a ceramic perforated emitting nozzle does not allow to increase the specific power of the burner above W ₁ = 500-1000 kW / m ² and to create a compact and lightweight burner device, since to ensure stable combustion it is necessary to use a thick-walled ceramic perforated emitting nozzle (12-15 mm thick ) In this case, the maximum specific surface burning power W ₀ , referred to the total area of the ceramic radiating nozzle, is limited to W ₀ = 150-180 kW / m ² .

Задачей изобретения является создание высокоэффективной радиационной горелки, обладающей повышенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками, которая обеспечит резкое увеличение удельной мощности горелки, позволит сделать горелочное устройство легким и компактным и позволит, кроме того, расширить область его применения.The objective of the invention is the creation of a highly efficient radiation burner with improved energy and operational characteristics, which will provide a sharp increase in the specific power of the burner, will make the burner device light and compact and will, in addition, expand its field of application.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в радиационной горелке, содержащей корпус, инжектор в виде газового сопла со смесительной трубкой и излучающую насадку в объемной конфигурации, излучающая насадка выполнена из элементов в виде множества цилиндров или прямоугольных призм, расположенных внутри корпуса горелки и выполненных из жаростойкого тонкостенного проницаемого материала, при этом зазор X между излучающими поверхностями элементов составляет X=H/a, где H - высота элементов; a=2-20.The solution to this problem is achieved by the fact that in a radiation burner containing a housing, an injector in the form of a gas nozzle with a mixing tube and a radiating nozzle in a volumetric configuration, the radiating nozzle is made of elements in the form of a variety of cylinders or rectangular prisms located inside the burner body and made of heat-resistant thin-walled permeable material, while the gap X between the radiating surfaces of the elements is X = H / a, where H is the height of the elements; a = 2-20.

Конструктивные особенности предлагаемой горелки обеспечивают возникновение сильной радиационной обратной связи от стенок близко расположенных цилиндров или прямоугольных призм и исключают подмешивание холодного окружающего воздуха в зону горения, вследствие чего температура поверхности излучающих элементов насадки повышается, и происходит полное завершение химических реакций, повышается устойчивость горения в широком диапазоне изменения давления топлива. Кроме того, благодаря объемной конструкции насадки из тонкостенных проницаемых элементов возрастает удельная мощность горелки с единицы выходного сечения, при этом снижаются вес и габариты горелки.The design features of the proposed burner provide the occurrence of strong radiation feedback from the walls of closely spaced cylinders or rectangular prisms and exclude the mixing of cold ambient air into the combustion zone, as a result of which the surface temperature of the radiating elements of the nozzle rises and the chemical reactions are completely completed, burning stability increases over a wide range changes in fuel pressure. In addition, due to the volumetric design of the nozzle made of thin-walled permeable elements, the specific power of the burner increases from a unit of the output section, while the weight and dimensions of the burner are reduced.

Предлагаемое техническое решение отображено на прилагаемом чертеже, на котором представлен продольный разрез горелки с объемной насадкой.The proposed technical solution is shown in the attached drawing, which shows a longitudinal section of a burner with a volumetric nozzle.

Радиационная горелка состоит из корпуса 1, инжектора в виде газового сопла 2 со смесительной трубкой 3, излучающей насадки из проницаемых элементов 4, выполненных в виде цилиндров или прямоугольных призм.The radiation burner consists of a housing 1, an injector in the form of a gas nozzle 2 with a mixing tube 3, emitting nozzles from permeable elements 4, made in the form of cylinders or rectangular prisms.

Горелка работает следующим образом. Газ, вытекая из сопла 2 в смесительную трубку 3, инжектирует необходимое количество воздуха, образуя газовоздушную смесь требуемого состава, которая, проникая через проницаемую поверхность элементов насадки, сгорает в пространстве между элементами вблизи их поверхности. Поверхность элементов насадки раскаляется до высокой температуры, являясь источником мощного инфракрасного излучения. Часть излучения запирается в пространстве между элементами, поглощается излучающими поверхностями элементов насадки и увеличивает их температуру до 1000-1200°С, что, в свою очередь, приводит к увеличению радиационного потока с поверхности. Большая глубина насадки затрудняет подмешивание холодного окружающего воздуха в зону химической реакции, а сохранение высокой температуры продуктов, но не превышающей 1200°С, обеспечивает полную завершенность химических реакций, в том числе доокисление CO в CO₂, и не приводит к образованию заметного количества окислов азота.The burner operates as follows. The gas flowing out of the nozzle 2 into the mixing tube 3 injects the required amount of air, forming a gas-air mixture of the required composition, which, penetrating through the permeable surface of the nozzle elements, burns in the space between the elements near their surface. The surface of the nozzle elements is heated to a high temperature, being a source of powerful infrared radiation. Part of the radiation is locked in the space between the elements, absorbed by the radiating surfaces of the nozzle elements and increases their temperature to 1000-1200 ° C, which, in turn, leads to an increase in the radiation flux from the surface. The large nozzle depth makes it difficult to mix cold ambient air into the chemical reaction zone, and maintaining a high temperature of the products, but not exceeding 1200 ° C, ensures the complete completion of chemical reactions, including CO oxidation in CO ₂ , and does not lead to the formation of a noticeable amount of nitrogen oxides .

Геометрические параметры насадки определяются следующим образом. Высота Н - не менее 10 мм - элементов насадки в виде множества близко расположенных цилиндров или прямоугольных призм, расположенных внутри корпуса горелки, сопоставима с протяженностью зоны догорания CO, что обеспечивает полную завершенность химических реакций в условиях, исключающих их «закалку» из-за устранения проникновения холодного окружающего воздуха в зону химической реакции. Диаметр или характерный поперечный размер элементов насадки d также не менее 10 мм, при этом отношение H/d>1, что обеспечивает равномерное распределение газовой смеси по поверхности элементов. Зазор X между излучающими поверхностями элементов должен составлять X=H/a, где a=2-20, что делает возможным эффективное запирание излучения в пространстве между элементами, при этом излучение поглощается излучающими поверхностями элементов насадки и увеличивает их температуру до 1000-1200°С и повышает устойчивость горения в широком диапазоне расхода топлива. Изготовление проницаемых элементов насадки из жаростойкого тонкостенного проницаемого материала, например нихромовой сетки, спрессованной тонкой жаропрочной проволоки, из металлотканого материала, из жаропрочного плетеного керамического материала позволяет обеспечить устойчивое горение при более высокой удельной мощности горения до W₀=200-300 кВт/м², при этом удельная мощность горелки, отнесенная к площади выходного сечения диаметром D, составит: W₁=W₀·4N·d·H/D², где N - число элементов насадки внутри корпуса горелки. Например, для горелки с цилиндрическими элементами насадки при W₀=300 кВт/м², N=7, d=20 мм, H=50 мм, D=68 мм величина W₁=1817 кВт/м². Вес горелки заданной мощности с насадкой из жаростойкого тонкостенного проницаемого материала в 3-5 раз меньше по сравнению с аналогичной конструкцией с применением перфорированной керамики. Соответственно габариты горелочного устройства могут быть уменьшены в 1,5-2 раза.The geometric parameters of the nozzle are determined as follows. The height H - not less than 10 mm - of the nozzle elements in the form of a plurality of closely spaced cylinders or rectangular prisms located inside the burner body is comparable with the length of the CO burn-out zone, which ensures complete completion of chemical reactions under conditions that exclude their "hardening" due to elimination penetration of cold ambient air into the chemical reaction zone. The diameter or characteristic transverse dimension of the nozzle elements d is also not less than 10 mm, and the ratio H / d> 1, which ensures uniform distribution of the gas mixture over the surface of the elements. The gap X between the radiating surfaces of the elements should be X = H / a, where a = 2-20, which makes it possible to effectively block radiation in the space between the elements, while the radiation is absorbed by the radiating surfaces of the nozzle elements and increases their temperature to 1000-1200 ° C and increases combustion stability over a wide range of fuel consumption. The manufacture of permeable nozzle elements from a heat-resistant thin-walled permeable material, for example, a nichrome mesh, pressed thin heat-resistant wire, from metal-woven material, from heat-resistant woven ceramic material allows for stable combustion with a higher specific burning power up to W ₀ = 200-300 kW / m ² , wherein the specific power of the burner, referred to the area of the output section with a diameter D, is: W ₁ = W ₀ · 4N · d · H / D ² , where N is the number of nozzle elements inside the burner body. For example, for a burner with cylindrical nozzle elements at W ₀ = 300 kW / m ² , N = 7, d = 20 mm, H = 50 mm, D = 68 mm, the value of W ₁ = 1817 kW / m ² . The weight of a burner of a given power with a nozzle made of heat-resistant thin-walled permeable material is 3-5 times less compared to a similar design using perforated ceramics. Accordingly, the dimensions of the burner device can be reduced by 1.5-2 times.

Конструкция объемной насадки из цилиндров или прямоугольных призм, расположенных внутри корпуса горелки и выполненных из жаростойкого тонкостенного проницаемого материала, обладает дополнительным достоинством, связанным с технологичностью и простотой изготовления, позволяет решить поставленную задачу и достичь указанный технический результат.The design of the volumetric nozzle made of cylinders or rectangular prisms located inside the burner body and made of heat-resistant thin-walled permeable material has the additional advantage associated with manufacturability and ease of manufacture, allows to solve the problem and achieve the specified technical result.

Экспериментальные исследования показали, что даже в упрощенном конструктивном исполнении предлагаемая радиационная горелка с насадкой из 7 цилиндрических элементов, расположенных внутри корпуса горелки и выполненных из жаростойкой нихромовой сетки с поперечным размером ячейки 0,8 мм, высотой ячейки 50 мм и поперечным размером корпуса 80 мм, имеет высокие энергетические параметры. Горелка устойчиво работала в широком диапазоне расхода газа, имела высокую температуру поверхности до 1200°С в штатном режиме работы при радиационном КПД ~30% и рекордно высокую удельную энергию W₁>1200-1500 кВт/м². Увеличение количества излучающих элементов в насадке приводит к повышению эффективности эксплуатационных параметров горелки.Experimental studies have shown that even in a simplified design, the proposed radiation burner with a nozzle of 7 cylindrical elements located inside the burner body and made of heat-resistant nichrome mesh with a transverse mesh size of 0.8 mm, a cell height of 50 mm and a transverse housing size of 80 mm, has high energy parameters. The burner worked stably in a wide range of gas flow rates, had a high surface temperature of up to 1200 ° C in normal operation with a radiation efficiency of ~ 30% and a record high specific energy W ₁ > 1200-1500 kW / m ² . An increase in the number of radiating elements in the nozzle leads to an increase in the efficiency of the operating parameters of the burner.

Таким образом, все конструктивные элементы горелки направлены на решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата - повышение эксплуатационных характеристик горелки: резко увеличивается удельная мощность горелки, обеспечивается возможность сделать горелочное устройство легким и компактным, и расширяется область его применения.Thus, all the structural elements of the burner are aimed at solving the problem and achieving the specified technical result - increasing the operational characteristics of the burner: the specific power of the burner increases sharply, it is possible to make the burner device light and compact, and its field of application is expanding.

Claims

A radiation burner containing a housing, an injector in the form of a gas nozzle with a mixing tube and a radiating nozzle in a three-dimensional configuration, characterized in that the nozzle is made of elements in the form of a plurality of cylinders or rectangular prisms located inside the burner body and made of heat-resistant thin-walled permeable material, this gap X between the radiating surfaces of the elements is X = H / a, where H is the height of the elements; a = 2-20.