RU2788804C1

RU2788804C1 - Turbulent nozzle

Info

Publication number: RU2788804C1
Application number: RU2022111491A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов; Никита Эдуардович Сельвестров
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2023-01-24

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: present invention relates to energy and can be used in oil and gas-oil burners of heat generating installations. The turbulent nozzle contains a cylindrical body, the bottom of which is made in the form of a diffuser and is mounted from the outside on the outer side of the end of the fuel supply tube, the spray head is equipped with outlet holes located along its periphery, and a central hole closed by a heating sleeve facing the combustion chamber and located in inside, in the center of the heating sleeve, there is an exhaust pipe connected by its left end to the fuel supply pipe and closed from the right end by a perforated valve pressed by an elastic element that rests on the inner surface of the end cover of the heating sleeve, in which the exhaust pipe is located in such a way that that between them there is an annular circulation channel connected to the cavity of the cylindrical body, and the nozzle itself is placed coaxially in the burner body, inside which the primary and secondary air channels are arranged concentrically and which is placed, in turn, in a firebox mbrazuru. An annular turbulator is mounted on the end of the nozzle body, consisting of a ring, support heels attached to its outer end, and guide vanes also attached to the outer end of the ring and support heels opposite each outlet with an inclination angle α relative to the tangent at the point of connection of the blade with the outer ring edge.

EFFECT: invention allows to reduce fuel consumption and pollution of the surrounding atmosphere by its unburned residues.

1 cl, 7 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в мазутных и газомазутных горелках теплогенерирующих установок для уменьшения расхода топлива и загрязнения окружающей атмосферы его несгоревшими остатками.The present invention relates to the energy industry and can be used in fuel oil and gas-oil burners of heat generating installations to reduce fuel consumption and pollution of the surrounding atmosphere with its unburned residues.

Известна вихревая форсунка, содержащая корпус, размещенный внутри трубы-воздуховода с образованием с ним кольцевого зазора, камеру смешения с входом и выходом, размещенную в корпусе, газопровод и топливоподающую трубку, сообщенные с камерой смешения, причем в корпусе установлен диффузор, расположенный между топливоподающей трубкой и завихрителем, который соединен с газопроводом и выполнен в виде кольца с прямоугольным вырезом, внутренний радиус которого очерчен по спирали Архимеда и установлен в корпусе между диффузором и камерой смешения [Патент РФ №2187753. F23D 11/44, 2012].Known vortex nozzle containing a housing placed inside the pipe-air duct with the formation of an annular gap with it, a mixing chamber with an inlet and outlet placed in the housing, a gas pipeline and a fuel supply tube connected to the mixing chamber, and a diffuser is installed in the housing located between the fuel supply tube and a swirler that is connected to the gas pipeline and is made in the form of a ring with a rectangular cutout, the inner radius of which is outlined along the Archimedes spiral and is installed in the housing between the diffuser and the mixing chamber [RF Patent No. 2187753. F23D 11/44, 2012].

Основным недостатком известной вихревой форсунки является то, что тяжелые углеводороды не успевают испариться в диспергированных каплях мазута и полностью сгореть, в результате чего остается несгоревший углерод, частицы сажи оседают на теплообменных поверхностях, уносятся потоком дымовых газов, возникают значительные потери от химического и механического недожога мазута, что снижает ее экономическую и экологическую эффективность.The main disadvantage of the known vortex nozzle is that heavy hydrocarbons do not have time to evaporate in dispersed fuel oil drops and burn completely, resulting in unburned carbon, soot particles deposited on heat exchange surfaces, carried away by the flue gas flow, significant losses occur from chemical and mechanical underburning of fuel oil. which reduces its economic and environmental efficiency.

Более близким к предлагаемому изобретению является форсунка для горелки, содержащая цилиндрический корпус, днище которого выполнено в форме диффузора и насажено с наружной стороны на наружную сторону торца топливоподающей трубки, распылительная головка снабжена выпускными отверстиями, размещенными по ее периферии и центральным отверстием, закрытым нагревательной гильзой, обращенной в топочную камеру и расположенной в ней, при этом внутри по центру нагревательной гильзы помещена выпускная трубка, соединенная своим левым торцом с топливоподающей трубкой и закрытая с правого торца перфорированным клапаном, прижатым упругим элементом, который опирается на внутреннюю поверхность торцевой крышки нагревательной гильзы, в которой выпускная трубка расположена таким образом, что между ними имеется кольцевой циркуляционный канал, соединенный с полостью цилиндрического корпуса, а сама форсунка размещена коаксиально в корпусе горелки, внутри которого устроены концентрично каналы первичного и вторичного воздуха и помещенном, в свою очередь, в амбразуре топки [Патент РФ №2564482. F23D 11/44, 2015]. Closer to the proposed invention is a burner nozzle containing a cylindrical body, the bottom of which is made in the form of a diffuser and is mounted on the outer side of the end of the fuel supply tube, the spray head is equipped with outlet holes located along its periphery and a central hole closed by a heating sleeve, facing the combustion chamber and located in it, while inside in the center of the heating sleeve there is an exhaust pipe connected by its left end to the fuel supply pipe and closed from the right end by a perforated valve pressed by an elastic element that rests on the inner surface of the end cover of the heating sleeve, in in which the outlet tube is located in such a way that between them there is an annular circulation channel connected to the cavity of the cylindrical body, and the nozzle itself is placed coaxially in the burner body, inside which the primary and secondary channels are arranged concentrically fresh air and placed, in turn, in the embrasure of the furnace [RF Patent No. 2564482. F23D 11/44, 2015].

Основным недостатком известной форсунки для горелки является слабая турбулизация потоков мазутовоздушной смеси на выходе из отверстий распылительной головки, в результате чего снижается интенсивность горения в факеле, скорость теплопередачи от факела к нагревательной гильзе и скорость термического крекинга мазута в полости распылительной головки, остается несгоревший углерод, частицы сажи оседают на теплообменных поверхностях, уносятся потоком дымовых газов, возникают потери от химического и механического недожога мазута, что снижает ее экономическую и экологическую эффективность.The main disadvantage of the known nozzle for the burner is the weak turbulence of the oil-air mixture flows at the outlet of the spray head openings, resulting in a decrease in the combustion intensity in the torch, the heat transfer rate from the torch to the heating sleeve and the rate of thermal cracking of fuel oil in the cavity of the spray head, unburned carbon, particles soot settles on heat exchange surfaces, is carried away by the flow of flue gases, there are losses from chemical and mechanical underburning of fuel oil, which reduces its economic and environmental efficiency.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение экономической и экологической эффективности турбулентной форсунки.The technical result of the invention is to increase the economic and environmental efficiency of the turbulent nozzle.

Технический результат достигается турбулентной форсункой, содержащей цилиндрический корпус, днище которого выполнено в форме диффузора и насажено с наружной стороны на наружную сторону торца топливоподающей трубки, распылительная головка снабжена выпускными отверстиями, размещенными по ее периферии и центральным отверстием, закрытым нагревательной гильзой, обращенной в топочную камеру и расположенной в ней, внутри по центру нагревательной гильзы помещена выпускная трубка, соединенная левым торцом с топливоподающей трубкой и закрытая с правого торца перфорированным клапаном, прижатым упругим элементом, опирающимся на внутреннюю поверхность торцевой крышки нагревательной гильзы, причем нагревательная гильза и выпускная трубка выполнены таким образом, что между ними имеется кольцевой циркуляционный канал, соединенный с полостью цилиндрического корпуса, на торец корпуса форсунки насажен кольцевой турбулизатор , состоящий из кольца, опорных пяток, прикрепленных к его наружному торцу и направляющих лопаток, прикрепленных также к наружному торцу кольца и опорным пяткам напротив каждого выпускного отверстия с углом наклона α относительно касательной в точке соединения лопатки с наружной кромкой кольца, а сама форсунка размещена коаксиально в корпусе горелки, внутри которого устроены концентрично каналы первичного и вторичного воздуха и помещенном, в свою очередь, в амбразуре топки.The technical result is achieved by a turbulent nozzle containing a cylindrical housing, the bottom of which is made in the form of a diffuser and is mounted from the outside on the outer side of the end of the fuel supply tube, the spray head is equipped with outlet holes located along its periphery and a central hole closed by a heating sleeve facing the combustion chamber and located in it, inside in the center of the heating sleeve, an outlet tube is placed, connected by the left end to the fuel supply tube and closed from the right end by a perforated valve pressed by an elastic element resting on the inner surface of the end cap of the heating sleeve, the heating sleeve and the outlet tube being made in this way that between them there is an annular circulation channel connected to the cavity of the cylindrical body, an annular turbulator is mounted on the end of the nozzle body, consisting of a ring, support heels attached to its outer end and, for example, influencing blades, also attached to the outer end of the ring and the supporting heels opposite each outlet with an angle of inclination α relative to the tangent at the point of connection of the blade with the outer edge of the ring, and the nozzle itself is placed coaxially in the burner body, inside which the channels of primary and secondary air are arranged concentrically and placed, in turn, in the embrasure of the firebox.

Предлагаемая турбулентная форсунка для горелки изображена на фиг. 1-7 (на фиг.1 общий вид, на фиг. 2, 3 разрезы, фиг. 4-узел форсунки, 5-7 - кольцевой турбулизатор и его узлы).The proposed turbulent nozzle for the burner is shown in Fig. 1-7 (figure 1 is a general view, Fig. 2, 3 sections, Fig. 4-nozzle assembly, 5-7 - annular turbulator and its nodes).

Предлагаемая турбулентная форсунка состоит из цилиндрического корпуса 1, днище 2 которого выполнено в форме диффузора и насажено с наружной стороны на наружную сторону торца топливоподающей трубки 3, распылительная головка 4 снабжена выпускными отверстиями 5, размещенными по ее периферии и центральным отверстием 6, закрытым нагревательной гильзой 7, обращенной в топочную камеру и расположенной в ней, внутри по центру нагревательной гильзы 7 помещена выпускная трубка 8, соединенная левым торцом с топливоподающей трубкой 3 и закрытая с правого торца перфорированным клапаном 9, прижатым упругим элементом 10, опирающимся на внутреннюю поверхность торцевой крышки нагревательной гильзы 7, причем нагревательная гильза 7 и выпускная трубка 8 выполнены таким образом, что между ними имеется кольцевой циркуляционный канал 11, соединенный с полостью 12 цилиндрического корпуса 1, на торец корпуса 1 форсунки насажен кольцевой турбулизатор 13, состоящий из кольца 14, опорных пяток 15, прикрепленных к его наружному торцу и направляющих лопаток 16, прикрепленных также к наружному торцу кольца 14 и опорным пяткам 15 напротив каждого выпускного отверстия 5 с углом наклона α относительно касательной в точке соединения лопатки 16 с наружной кромкой кольца 14, а сама форсунка размещена коаксиально в корпусе горелки 17, внутри которого устроены концентрично каналы первичного и вторичного воздуха 18 и 19, соответственно, и помещенном, в свою очередь, в амбразуре топки 20.The proposed turbulent nozzle consists of a cylindrical body 1, the bottom 2 of which is made in the form of a diffuser and is mounted from the outside on the outer side of the end of the fuel supply tube 3, the spray head 4 is equipped with outlet holes 5 located along its periphery and a central hole 6 closed by a heating sleeve 7 facing the combustion chamber and located in it, inside the center of the heating sleeve 7, an outlet tube 8 is placed, connected by the left end to the fuel supply tube 3 and closed from the right end by a perforated valve 9, pressed by an elastic element 10, resting on the inner surface of the end cover of the heating sleeve 7, moreover, the heating sleeve 7 and the outlet tube 8 are made in such a way that between them there is an annular circulation channel 11 connected to the cavity 12 of the cylindrical body 1, an annular turbulator 13 is mounted on the end of the body 1 of the nozzle, consisting of a ring 14, support heels 15, attached to its outer end and guide vanes 16, also attached to the outer end of the ring 14 and the support heels 15 opposite each outlet 5 with an angle of inclination α relative to the tangent at the junction of the blade 16 with the outer edge of the ring 14, and the nozzle itself is placed coaxially in the burner body 17 , inside which the channels of primary and secondary air 18 and 19 are arranged concentrically, respectively, and placed, in turn, in the embrasure of the furnace 20.

При .этом, размер опорных пяток 15 и направляющих лопаток 16 (H и R) зависит от числа выпускных отверстий 5 и производительности форсунки, а угол наклона лопатки 16 α зависит от расстояния от нее до выпускного отверстия 5 и шага между самими отверстиями 5, поэтому вышеуказанные величины определяют визуально для каждого типа форсунки, причем высоту лопатки 16 H, определяют, исходя из расчетной компактной высоты топливовоздушной струи, вытекающей из выпускного отверстия 5 при средней производительности форсунки. At the same time, the size of the support heels 15 and guide vanes 16 (H and R) depends on the number of outlet holes 5 and the performance of the nozzle, and the angle of inclination of the blade 16 α depends on the distance from it to the outlet hole 5 and the pitch between the holes themselves 5, therefore the above values are determined visually for each type of injector, and the blade height 16 H is determined based on the estimated compact height of the air-fuel jet flowing out of the outlet 5 at an average nozzle output.

Работа турбулентной форсунки осуществляется следующим образом (общая работа горелки не рассматривается). При наличии на выходе из выпускных отверстий 5 капель мазута, нагретых до температуры кипения (мазут подогревается в пусковом подогревателе, который на фиг. 1-7 не показан) и первичного воздуха из канала первичного воздуха 18 (завихритель на фиг. 1-7 не показан), срабатывает автоматика и происходит розжиг мазутовоздушной смеси, подача вторичного воздуха из канала вторичного воздуха 19, в результате чего образуется факел, омывающий наружную поверхность нагревательной гильзы 7, температура которого превышает 1000°С. В тоже время мазут из топливоподающей трубки 3 и выпускной трубки 8 через отверстия перфорированного клапана 9 (при малой нагрузке и закрытом клапане 9) и через щель между торцом трубки 8 и отверстия перфорированного клапана 9 (при больших нагрузках и открытом клапане 9) поступает в циркуляционный канал 11. При выходе топливовоздушного потока из выпускных отверстий 5и его воспламенении с образованием одиночных газовых факелов, они ударяются о наклонную плоскость и частично приобретают вращательное движение, которое далее передается общему газовому факелу. При соприкосновении вращающегося высокотемпературного газового потока факела с наружной поверхностью нагревательной гильзы 7 (которая находится в зоне топки) от него через стенку гильзы 7 происходит более интенсивная передача тепла (по сравнению с прямоугольным газовым факелом) потоку мазута, движущемуся по кольцевому циркуляционному каналу 11, который нагревается при этом до температуры термического крекинга (500-600°С). В результате нагрева мазута до этой температуры в циркуляционном канале 7 и полости 12 происходит процесс высокотемпературного крекинга при низком давлении, сопровождаемый деструкцией тяжелых углеводородов мазута на более легкие [Смидович Е.В. - Технология переработки нефти и газа. Ч. 2-я. Крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных газов, 1980, с. 61-75]. Для минимального коксообразования время нагрева мазута в циркуляционном канале 11 должно быть ограниченным, что регулируется температурой и скоростью движения мазута в циркуляционном канале 11. Деструктурированный мазут, представляющий собой парогазожидкостную смесь (в результате процесса термического крекинга значительная часть тяжелых углеводородов мазута распадается на более легкие, которые закипают с образованием пара) из отверстия 6 поступает в полость 12, где его динамическое давление преобразуется в статическое и из выпускных отверстий 5 поступает в зону горения. При этом образующиеся частицы кокса также увлекаются потоком деструктурированного мазута за счет его высокой скорости. В зоне горения, за счет вращательного движения факела и его турбулизации, парогазожидкостные частицы деструктурированного мазута, транспортирующие на своей поверхности частицы кокса из зоны крекинга и имеющие меньшее содержание тяжелых углеводородов и более равномерный состав, чем недеструктурированный мазут, быстро испаряются и быстро сгорают совместно с частицами кокса, в результате чего уменьшаются потери от химической и механической неполноты сгорания топлива (q₃ и q₄). Изменение мощности горелки и, соответственно, нагрузки по топливу осуществляется за счет возрастания давления на перфорированный клапан 9, сжимающего упругий элемент 10 с образованием щели между клапаном 9 и торцом трубки 8. При этом процесс нагрева мазута до температуры крекинга регулируется автоматически в зависимости от расхода топлива. Так, при малом расходе мазута скорость его движения в циркуляционном канале 11 снижается, интенсивность обогрева нагревательной гильзы 7 снижается (границы факела удаляются от гильзы 7), поэтому количество тепла, воспринятого мазутом также снижается. При большом расходе мазута скорость его движения в циркуляционном канале 11 увеличивается, интенсивность обогрева нагревательной гильзы 7 также увеличивается за счет увеличения скорости вращательного движения и турбулизации факела (границы факела приближаются к гильзе 7), как и количество тепла, воспринятого мазутом. The operation of the turbulent nozzle is carried out as follows (the overall operation of the burner is not considered). If there are 5 drops of fuel oil at the outlet from the outlet holes, heated to the boiling point (fuel oil is heated in the starting heater, which is not shown in Fig. 1-7) and primary air from the primary air channel 18 (the swirler in Fig. 1-7 is not shown ), the automation is activated and the oil-air mixture is ignited, secondary air is supplied from the secondary air channel 19, as a result of which a torch is formed, washing the outer surface of the heating sleeve 7, the temperature of which exceeds 1000 ° C. At the same time, fuel oil from the fuel supply pipe 3 and the outlet pipe 8 through the holes of the perforated valve 9 (at low load and closed valve 9) and through the gap between the end of the tube 8 and the hole of the perforated valve 9 (at high loads and open valve 9) enters the circulation channel 11. When the air-fuel flow exits the outlet holes 5 and ignites with the formation of single gas torches, they hit the inclined plane and partially acquire rotational motion, which is then transferred to the common gas torch. When the rotating high-temperature gas flow of the torch comes into contact with the outer surface of the heating sleeve 7 (which is located in the furnace zone), a more intense heat transfer occurs from it through the wall of the sleeve 7 (compared to a rectangular gas torch) to the flow of fuel oil moving along the annular circulation channel 11, which heated at the same time to the temperature of thermal cracking (500-600°C). As a result of heating the fuel oil to this temperature in the circulation channel 7 and cavity 12, a high-temperature cracking process occurs at low pressure, accompanied by the destruction of heavy fuel oil hydrocarbons into lighter ones [Smidovich E.V. - Technology of oil and gas processing. Part 2. Cracking of crude oil and processing of hydrocarbon gases, 1980, p. 61-75]. For minimal coke formation, the fuel oil heating time in the circulation channel 11 must be limited, which is controlled by the temperature and speed of the fuel oil in the circulation channel 11. boil with the formation of steam) from the hole 6 enters the cavity 12, where its dynamic pressure is converted into static pressure and from the outlet holes 5 enters the combustion zone. In this case, the resulting coke particles are also carried away by the flow of destructured fuel oil due to its high speed. In the combustion zone, due to the rotational movement of the flame and its turbulence, the vapor-gas-liquid particles of destructured fuel oil, transporting coke particles from the cracking zone on their surface and having a lower content of heavy hydrocarbons and a more uniform composition than non-destructurized fuel oil, quickly evaporate and quickly burn out together with particles coke, resulting in reduced losses from chemical and mechanical incompleteness of fuel combustion (q ₃ and q ₄ ). The change in the burner power and, accordingly, the fuel load is carried out due to an increase in pressure on the perforated valve 9, which compresses the elastic element 10 with the formation of a gap between the valve 9 and the end of the tube 8. In this case, the process of heating the fuel oil to the cracking temperature is automatically controlled depending on the fuel consumption . Thus, at a low consumption of fuel oil, the speed of its movement in the circulation channel 11 decreases, the heating intensity of the heating sleeve 7 decreases (the boundaries of the torch move away from the sleeve 7), so the amount of heat absorbed by the fuel oil also decreases. With a high consumption of fuel oil, the speed of its movement in the circulation channel 11 increases, the heating intensity of the heating sleeve 7 also increases due to an increase in the rotational speed and turbulence of the torch (the boundaries of the torch are approaching the sleeve 7), as well as the amount of heat perceived by the fuel oil.

Таким образом, предлагаемая конструкция турбулентной форсунки позволяет проводить термическую деструкцию мазута в самой форсунке, уменьшающую содержание тяжелых углеводородов в нем, в результате чего увеличивается полнота сгорания частиц мазута в зоне горения, снижаются потери от механической и химической неполноты сгорания и выбросы несгоревших остатков топлива в атмосферу. Thus, the proposed design of the turbulent nozzle allows for thermal destruction of fuel oil in the nozzle itself, which reduces the content of heavy hydrocarbons in it, resulting in an increase in the completeness of combustion of fuel oil particles in the combustion zone, losses from mechanical and chemical incomplete combustion and emissions of unburned fuel residues into the atmosphere .

Claims

Turbulent nozzle containing a cylindrical body, the bottom of which is made in the form of a diffuser and is mounted from the outside on the outer side of the end of the fuel supply tube, the spray head is equipped with outlet holes located along its periphery, and a central hole closed by a heating sleeve facing the combustion chamber and located in it, at the same time, an exhaust tube is placed inside in the center of the heating sleeve, connected by its left end to the fuel supply pipe and closed from the right end by a perforated valve pressed by an elastic element that rests on the inner surface of the end cover of the heating sleeve, in which the exhaust tube is located in this way that between them there is an annular circulation channel connected to the cavity of the cylindrical body, and the nozzle itself is placed coaxially in the burner body, inside which the primary and secondary air channels are arranged concentrically and which is placed, in turn, into the embrasure of the furnace, characterized in that an annular turbulator is mounted on the end of the nozzle body, consisting of a ring, support heels attached to its outer end, and guide vanes also attached to the outer end of the ring and the support heels opposite each outlet with an angle of inclination α relative to the tangent at the point of connection of the blade with the outer edge of the ring.