RU2825927C1 - Low-emission gas burner with external fuel supply - Google Patents
Low-emission gas burner with external fuel supply Download PDFInfo
- Publication number
- RU2825927C1 RU2825927C1 RU2024107969A RU2024107969A RU2825927C1 RU 2825927 C1 RU2825927 C1 RU 2825927C1 RU 2024107969 A RU2024107969 A RU 2024107969A RU 2024107969 A RU2024107969 A RU 2024107969A RU 2825927 C1 RU2825927 C1 RU 2825927C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- burner
- annular
- fuel
- outlet
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 88
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 42
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 29
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 22
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 13
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 7
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 7
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 102220488234 Uromodulin-like 1_F23D_mutation Human genes 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 2
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при организации сжигания высококалорийного газового топлива в топках котлов, камер сгорания и печах.The invention relates to energy and can be used to organize the combustion of high-calorie gas fuel in boiler furnaces, combustion chambers and ovens.
Известна горелка с ультранизкой эмиссией NOx (RU № 2426030 C2, МПК F23D 14/22, F23D 14/32, F23D 14/58, 2007г.), содержащая удлиненный корпус, имеющий периферийную часть, выпускную сторону, смежную с зоной горения, и ось, причем ось проходит через зону горения, одну или более окислительных форсунок, расположенных на выпускной стороне удлиненного корпуса и приспособленных для выпуска газообразного окислителя в зону горения, и одну или более топливных форсунок, расположенных на выпускной стороне удлиненного корпуса и приспособленных для выпуска топлива в зону горения. При этом, по меньшей мере, одна из окислительных и топливных форсунок характеризуется форм-фактором σ, несколько большим 10, причем σ - безразмерный параметр, определяемый как , где P - значение периметра выпускного отверстия и A - площадь выпускного отверстия. По меньшей мере, одна, из одной или более, топливная форсунка и, по меньшей мере, одна, из одной или более, окислительная форсунка расположены на равных радиальных расстояниях от оси. По меньшей мере, одна, из одной или более, топливная форсунка расположена между двумя окислительными форсунками. По меньшей мере, одна, из одной или более, топливная форсунка расположена на радиальном расстоянии от оси, большем радиального расстояния от оси, по меньшей мере, одной, из одной или более, окислительной форсунки. Удлиненный корпус разделен горизонтальной плоскостью, содержащей ось удлиненного корпуса, в котором число окислительных форсунок, расположенных выше плоскости, больше числа окислительных форсунок, расположенных ниже плоскости, и в котором число топливных форсунок, расположенных ниже плоскости, больше числа топливных форсунок, расположенных выше плоскости. Горелка содержит, по меньшей мере, один стабилизатор пламени, расположенный в пределах периферийной части удлиненного корпуса. Стабилизатор пламени приспособлен для горения топлива стабилизатора пламени с одним или несколькими окисляющими газами для формирования продуктов горения и для выпуска продуктов горения в зону горения.A burner with ultra-low NOx emission is known (RU No. 2426030 C2, IPC F23D 14/22, F23D 14/32, F23D 14/58, 2007), comprising an elongated body having a peripheral portion, an outlet side adjacent to the combustion zone, and an axis, wherein the axis passes through the combustion zone, one or more oxidizing nozzles located on the outlet side of the elongated body and adapted to release a gaseous oxidizer into the combustion zone, and one or more fuel nozzles located on the outlet side of the elongated body and adapted to release fuel into the combustion zone. In this case, at least one of the oxidizing and fuel nozzles is characterized by a form factor σ slightly greater than 10, wherein σ is a dimensionless parameter defined as , where P is the value of the outlet opening perimeter and A is the area of the outlet opening. At least one of the one or more fuel injectors and at least one of the one or more oxidizer injectors are located at equal radial distances from the axis. At least one of the one or more fuel injectors is located between two oxidizer injectors. At least one of the one or more fuel injectors is located at a radial distance from the axis greater than the radial distance from the axis of at least one of the one or more oxidizer injectors. The elongated body is divided by a horizontal plane containing the axis of the elongated body, in which the number of oxidizer injectors located above the plane is greater than the number of oxidizer injectors located below the plane, and in which the number of fuel injectors located below the plane is greater than the number of fuel injectors located above the plane. The burner comprises at least one flame stabilizer located within the peripheral portion of the elongated body. The flame stabilizer is adapted for combustion of the flame stabilizer fuel with one or more oxidizing gases for the formation of combustion products and for the release of combustion products into the combustion zone.
Недостатком этой горелки является низкая эффективность работы центрального стабилизатора по поддержанию основного факела вследствие большой удаленности факела центрального стабилизатора от зоны горения топлива из топливных форсунок и отсутствия прямого попадания излучения от факела центрального стабилизатора в зону инжекции топлива из топливных форсунок. Более того, заглубление факела центрального стабилизатора может привести к повреждениям элементов конструкции горелки за счет высоких температур в зоне горения топлива на выходе из центрального стабилизатора. Также в данной конструкции горелки эффективность эжекции дымовых газов топливными струями из топливных форсунок может быть низкой в силу расположения выходных частей каналов горелки и форсунок в одной плоскости со стенами топки или камеры, на которых установлена горелка, что может привести к снижению интенсивности разбавления окислителя и нагрева смеси топлива с газами в данной области и, как следствие, менее эффективному снижению скорости образования NOx. Дополнительно в данной конструкции горелки можно отметить отсутствие вихревого аппарата в каналах подачи окислителя, что снижает эффективность дожигания топлива из-за слабого перемешивания с окислителем, существенно затягивает процесс выгорания топлива и приводит к увеличению дальнобойности факела горелки.The disadvantage of this burner is the low efficiency of the central stabilizer in maintaining the main flame due to the large distance of the central stabilizer flame from the fuel combustion zone from the fuel injectors and the lack of direct radiation from the central stabilizer flame into the fuel injection zone from the fuel injectors. Moreover, deepening the central stabilizer flame can lead to damage to the burner structural elements due to high temperatures in the fuel combustion zone at the outlet of the central stabilizer. Also, in this burner design, the efficiency of flue gas ejection by fuel jets from the fuel injectors can be low due to the location of the outlet sections of the burner channels and injectors in the same plane with the walls of the furnace or chamber on which the burner is installed, which can lead to a decrease in the intensity of oxidizer dilution and heating of the fuel-gas mixture in this area and, as a consequence, to a less effective reduction in the NOx formation rate. Additionally, in this burner design, it is possible to note the absence of a vortex device in the oxidizer supply channels, which reduces the efficiency of fuel afterburning due to weak mixing with the oxidizer, significantly delays the fuel burnout process and leads to an increase in the range of the burner torch.
Наиболее близкой по технической сущности является модернизированная прямоточно-вихревая горелка (RU № 216775 U1, МПК F23D 14/22, 2022г.), содержащая воздушный канал, аксиальный завихритель, газораздающие трубки, расположенные вокруг последнего симметрично продольной оси канала, формирующие периферийный канал топливного газа, и центральный канал топливного газа. Газораздающие трубки периферийного канала топливного газа на выходе снабжены удлиняющими газовыми трубками с выпускными соплами, которые заведены в топку и расположены по периметру амбразуры. На газовых соплах могут быть установлены смесители для организации контролируемого качества эжекции. Данная горелка обеспечивает снижение выбросов NOx при сжигании газообразного топлива.The closest in technical essence is a modernized direct-flow vortex burner (RU No. 216775 U1, IPC F23D 14/22, 2022), containing an air channel, an axial swirler, gas-distributing tubes located around the latter symmetrically to the longitudinal axis of the channel, forming a peripheral channel of fuel gas, and a central channel of fuel gas. The gas-distributing tubes of the peripheral channel of fuel gas at the outlet are equipped with extension gas tubes with outlet nozzles, which are inserted into the furnace and located along the perimeter of the embrasure. Mixers can be installed on the gas nozzles to organize controlled ejection quality. This burner provides a reduction in NOx emissions during combustion of gaseous fuel.
Недостатком этой горелки является низкая эффективность работы центрального стабилизатора по воспламенению топлива вследствие большой удаленности факела центрального стабилизатора от зоны горения топлива, выходящего через выпускные сопла периферийного канала топливного газа. Более того, вывод удлиняющих газовых трубок в непосредственной близости от зоны горения топлива из центрального канала топливного газа с высокими локальными температурами среды снижает надежность конструкции и продолжительность работы горелки. Также эффективность эжекции дымовых газов топливными струями из выпускных сопел может быть низкой в силу глубокого выноса смесителей в область топки, в то время как подача воздуха и смешение его с дымовыми газами топочной камеры происходит значительно раньше. Это может привести к повышению концентрации окислителя в смеси газов в области подачи топлива через выпускные сопла периферийного канала топливного газа, что негативно скажется на эффективности снижения скорости образования NOx.The disadvantage of this burner is the low efficiency of the central stabilizer in fuel ignition due to the large distance of the central stabilizer flame from the fuel combustion zone exiting through the outlet nozzles of the peripheral channel of the fuel gas. Moreover, the output of the extension gas tubes in the immediate vicinity of the fuel combustion zone from the central channel of the fuel gas with high local temperatures of the environment reduces the reliability of the design and the duration of the burner operation. Also, the efficiency of the ejection of flue gases by fuel jets from the outlet nozzles can be low due to the deep removal of the mixers into the combustion chamber area, while the air supply and its mixing with the flue gases of the combustion chamber occurs much earlier. This can lead to an increase in the concentration of the oxidizer in the gas mixture in the area of fuel supply through the outlet nozzles of the peripheral channel of the fuel gas, which will negatively affect the efficiency of reducing the rate of NOx formation.
Технической задачей настоящего изобретения является снижение образования NOx при сжигании высококалорийного газообразного топлива с обеспечением надежности конструкции и стабильности горения при режимах работы горелки на различных нагрузках.The technical objective of the present invention is to reduce the formation of NOx during combustion of high-calorific gaseous fuel while ensuring the reliability of the design and combustion stability under burner operating modes at various loads.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно утверждать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.No solutions have been identified from the prior art that have features that coincide with the distinctive features of the invention. Therefore, it can be stated that the proposed technical solution meets the condition of an inventive step.
Технический результат достигается тем, что низкоэмиссионная газовая горелка с внешней подачей топлива содержит центральный канал подачи топлива по оси горелки, вокруг которого и соосно с ним расположен воздушный канал с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем, а также топливные трубки периферийного газового коллектора, установленные в воздушном канале на одинаковом расстоянии от оси горелки. Согласно изобретению, воздушный канал разделен на внутренний кольцевой воздушный канал с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем и внешний кольцевой воздушный канал. При этом на выходе из горелки внешний кольцевой воздушный канал разделен вставкой на два кольцевых канала, в ближайшем к оси горелки из которых установлен лопаточный завихритель с регулируемой круткой, причем высота h кольцевого канала с установленным лопаточным завихрителем и высота H внешнего кольцевого воздушного канала имеют определенное соотношение. Выход из прямоточного кольцевого канала горелки частично перекрыт стенкой, через которую проходят топливные трубки от периферийного газового коллектора, заканчивающиеся соплами раздачи топлива на уровне выхода из кольцевых каналов горелки, причем площадь перекрытия s прямоточного кольцевого канала стенкой и площадь поперечного сечения S прямоточного кольцевого канала имеют определенное соотношение. Горелка может быть заглублена в топку, причем расстояние L, на которое выход из воздушных кольцевых каналов отстоит от стенки топки, и диаметр D внешней стенки внешнего кольцевого канала имеют определенное соотношение.The technical result is achieved in that the low-emission gas burner with external fuel supply comprises a central channel for supplying fuel along the burner axis, around which and coaxially with it an air channel with a vane swirler installed at the outlet of the channel is located, as well as fuel tubes of the peripheral gas manifold installed in the air channel at the same distance from the burner axis. According to the invention, the air channel is divided into an internal annular air channel with a vane swirler installed at the outlet of the channel and an external annular air channel. In this case, at the outlet of the burner, the external annular air channel is divided by an insert into two annular channels, in the one closest to the burner axis of which a vane swirler with adjustable twist is installed, wherein the height h of the annular channel with the installed vane swirler and the height H of the external annular air channel have a certain ratio. The outlet from the straight-through annular channel of the burner is partially blocked by a wall through which the fuel tubes from the peripheral gas manifold pass, ending with fuel distribution nozzles at the level of the outlet from the annular channels of the burner, wherein the area of the blocking s of the straight-through annular channel by the wall and the cross-sectional area S of the straight-through annular channel have a certain ratio. The burner can be deepened into the furnace, wherein the distance L, by which the outlet from the air annular channels is separated from the furnace wall, and the diameter D of the outer wall of the outer annular channel have a certain ratio.
Конструкция низкоэмиссионной газовой горелки с внешней подачей топлива представлена на чертежах:The design of a low-emission gas burner with external fuel supply is shown in the drawings:
на фиг. 1 - продольный разрез низкоэмиссионной газовой горелки;Fig. 1 - longitudinal section of a low-emission gas burner;
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.in Fig. 2 - view A in Fig. 1.
На фиг. 1 дополнительно показаны: А - зона интенсивного горения топлива, подаваемого через центральный канал подачи топлива, с высокими локальными температурами газов (стабилизатор факела горелки); Б - зона с высокой концентрацией окислителя и низкими температурами газов; В - зона дожигания топлива, подаваемого через топливные трубки периферийного газового коллектора, с умеренными температурами газов; Г - зона внутренней рециркуляции горячих продуктов реакций с низкой концентрацией окислителя.Fig. 1 additionally shows: A - zone of intensive combustion of fuel supplied through the central fuel supply channel, with high local gas temperatures (burner flame stabilizer); B - zone with high oxidizer concentration and low gas temperatures; B - zone of afterburning of fuel supplied through fuel tubes of the peripheral gas manifold, with moderate gas temperatures; G - zone of internal recirculation of hot reaction products with low oxidizer concentration.
Низкоэмиссионная газовая горелка с внешней подачей топлива устанавливается на стене топки 1 котла. Она содержит центральный канал 2 подачи топлива с установленным на выходе газораздающим насадком 3. Вокруг центрального канала 2 и соосно с ним последовательно расположены каналы: внутренний кольцевой канал 4 воздуха с установленным на выходе из канала лопаточным завихрителем 5 и внешний кольцевой канал 6 воздуха. Внутренний кольцевой канал 4 воздуха оборудован входным патрубком 7, а внешний кольцевой канал 6 воздуха оборудован входным патрубком 8. Через внешний кольцевой канал 6 воздуха сонаправлено оси горелки проходят топливные трубки 9 периферийного газового коллектора, на выходе из которых установлены сопла раздачи топлива 10. Рекомендуемое оптимальное число топливных трубок 9 периферийного газового коллектора составляет 8-12. Во внешнем кольцевом канале 6 воздуха на выходе из горелки установлена вставка 11 (обечайка), разделяющая его на два кольцевых канала. Область между вставкой 11 и внешней стенкой внутреннего кольцевого канала 4 воздуха образует на выходе из горелки кольцевой канал 12, в котором установлен лопаточный завихритель 13 с регулируемой круткой, причем высота h кольцевого канала 12 соотносится с высотой H внешнего кольцевого канала 6 воздуха следующим образом:A low-emission gas burner with external fuel supply is mounted on the wall of the boiler furnace 1. It comprises a central channel 2 for fuel supply with a gas dispensing nozzle 3 installed at the outlet. Channels are arranged sequentially around the central channel 2 and coaxially with it: an internal annular air channel 4 with a vane swirler 5 installed at the outlet of the channel and an external annular air channel 6. The internal annular air channel 4 is equipped with an inlet branch pipe 7, and the external annular air channel 6 is equipped with an inlet branch pipe 8. Fuel tubes 9 of the peripheral gas manifold pass through the external annular air channel 6 in the direction of the burner axis, at the outlet of which fuel dispensing nozzles 10 are installed. The recommended optimal number of fuel tubes 9 of the peripheral gas manifold is 8-12. In the outer annular air channel 6 at the outlet of the burner, an insert 11 (shell) is installed, dividing it into two annular channels. The area between the insert 11 and the outer wall of the inner annular air channel 4 forms an annular channel 12 at the outlet of the burner, in which a vane swirler 13 with adjustable swirl is installed, and the height h of the annular channel 12 is related to the height H of the outer annular air channel 6 as follows:
где h - высота кольцевого канала 12;where h is the height of the annular channel 12;
Н - высота внешнего кольцевого канала 6 воздуха.H is the height of the outer annular air channel 6.
Область между вставкой 11 и внешней стенкой внешнего кольцевого канала 6 воздуха образует прямоточный кольцевой канал 14, выход из которого частично перекрыт стенкой 15 с углублениями в области топливных трубок 9 периферийного газового коллектора, причем площадь перекрытия s соотносится с площадью поперечного сечения S кольцевого канала 14 следующим образом:The area between the insert 11 and the outer wall of the outer annular air channel 6 forms a straight-through annular channel 14, the outlet of which is partially blocked by a wall 15 with recesses in the area of the fuel tubes 9 of the peripheral gas manifold, wherein the area of the blockage s is related to the cross-sectional area S of the annular channel 14 as follows:
где s - площадь, перекрытая стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14;where s is the area covered by wall 15 at the outlet of the annular channel 14;
S - площадь поперечного сечения кольцевого канала 14.S is the cross-sectional area of the annular channel 14.
Горелка может быть заглублена в топку, причем расстояние L, на которое выход из кольцевых каналов горелки отстоит от стенки топки 1 котла соотносится с диаметром D внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха следующим образом:The burner can be recessed into the firebox, and the distance L at which the outlet from the annular channels of the burner is located from the wall of the firebox 1 of the boiler is related to the diameter D of the outer wall of the annular air channel 6 as follows:
где L - расстояние, на которое выход из воздушных кольцевых каналов горелки отстоит от стенки топки 1 котла;where L is the distance at which the outlet of the burner's air annular channels is located from the wall of the boiler's firebox 1;
D - диаметр внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха.D is the diameter of the outer wall of the annular air channel 6.
Низкоэмиссионная газовая горелка с внешней подачей топлива работает следующим образом.The low emission gas burner with external fuel supply operates as follows.
Через газораздающую насадку 3 центрального канала 2 подачи топлива подают высококалорийное топливо и производят розжиг горелки посредством запальника (не показан), установленного во внутреннем кольцевом канале 4 воздуха. Для этого по входному патрубку 7 в кольцевой канал 4 подают воздух, необходимый для воспламенения и горения топлива. Лопаточный завихритель 5 на выходе из кольцевого канала 4 закручивает поток воздуха, что позволяет улучшить смешение топлива с воздухом и создать стабилизирующую зону А за счет образования приосевой зоны обратных токов горячих топочных газов, тем самым повысив стабильность воспламенения топлива в данной области. За счет высокого избытка воздуха стабилизирующая зона А характеризуется интенсивным горением топлива с высокими локальными температурами газов и фактически является устойчивым стабилизатором пламени для всей горелки.High-calorific fuel is supplied through the gas-distributing nozzle 3 of the central channel 2 of the fuel supply, and the burner is ignited by means of an igniter (not shown) installed in the inner annular air channel 4. For this purpose, air necessary for ignition and combustion of the fuel is supplied through the inlet pipe 7 into the annular channel 4. The blade swirler 5 at the outlet of the annular channel 4 swirls the air flow, which improves the mixing of fuel with air and creates a stabilizing zone A due to the formation of a paraxial zone of reverse currents of hot combustion gases, thereby increasing the stability of fuel ignition in this area. Due to the high excess air, the stabilizing zone A is characterized by intensive combustion of the fuel with high local gas temperatures and is actually a stable flame stabilizer for the entire burner.
После разогрева топки через топливные трубки 9 периферийного коллектора начинают постепенно подавать топливо одновременно с подачей воздуха через входной патрубок 8 в кольцевой канал 6. При достижении номинальной нагрузки расход топлива через топливные трубки 9 периферийного коллектора составляет не менее 75% от общего расхода топлива на горелку. Установленная во внешнем кольцевом канале 6 воздуха вставка 11 разделяет воздушный поток на две части. Одна часть проходит через кольцевой канал 12 с регулируемым лопаточным завихрителем 13 и образует зону Б, которая характеризуется высокой концентрацией окислителя и низкими температурами. Регулирование крутки лопаточного завихрителя 13 позволяет изменять размеры зоны Б, тем самым снижая или повышая интенсивность перемешивания основной массы окислителя с топливом от периферийного газового коллектора. Направление закручивания потоков во внутреннем кольцевом канале 4 воздуха и кольцевом канале 12 совпадает. Вторая часть воздушного потока проходит через кольцевой канал 14 без закручивания и способствует разделению потока топлива периферийного газового коллектора от основного объема окислителя на начальном участке, в то время как частичное перекрытие канала стенкой 15 позволяет исключить интенсивное перемешивание данной части воздушного потока с топливными струями из топливных трубок 9 периферийного газового коллектора. Таким образом, образование зоны Б с высоким избытком воздуха и низкими температурами позволяет уменьшить протяженность зоны А, что благоприятно сказывается на снижении интенсивности образования «термических» NOx в данной области, а уменьшение интенсивности перемешивания основной массы окислителя с топливом периферийного коллектора на начальном этапе не приводит к образованию высокотемпературных зон и, как следствие, областей с высокой генерацией «термических» NOx. Более того, начало горения поданного через трубки 9 топлива происходит при низком содержании окислителя в смеси газов и температурах выше начала воспламенения топлива (беспламенное горение), что позволяет обеспечить низкоэмиссионное сжигание топлива и, как следствие, достаточно низкую концентрацию NOx на выходе.After heating the furnace, fuel is gradually supplied through the fuel tubes 9 of the peripheral manifold simultaneously with air supply through the inlet pipe 8 into the annular channel 6. When the nominal load is reached, the fuel consumption through the fuel tubes 9 of the peripheral manifold is not less than 75% of the total fuel consumption for the burner. Insert 11 installed in the outer annular air channel 6 divides the air flow into two parts. One part passes through the annular channel 12 with an adjustable vane swirler 13 and forms zone B , which is characterized by a high concentration of the oxidizer and low temperatures. Adjusting the twist of the vane swirler 13 makes it possible to change the dimensions of zone B , thereby reducing or increasing the intensity of mixing of the main mass of the oxidizer with the fuel from the peripheral gas manifold. The direction of swirling of the flows in the inner annular air channel 4 and the annular channel 12 coincide. The second part of the air flow passes through the annular channel 14 without swirling and promotes the separation of the fuel flow of the peripheral gas manifold from the main volume of the oxidizer in the initial section, while the partial overlap of the channel by wall 15 makes it possible to exclude intensive mixing of this part of the air flow with fuel jets from the fuel tubes 9 of the peripheral gas manifold. Thus, the formation of zone B with a high excess of air and low temperatures makes it possible to reduce the length of zone A , which has a favorable effect on reducing the intensity of the formation of "thermal" NOx in this area, and a decrease in the intensity of mixing of the main mass of the oxidizer with the fuel of the peripheral manifold at the initial stage does not lead to the formation of high-temperature zones and, as a consequence, areas with high generation of "thermal" NOx. Moreover, the combustion of the fuel supplied through tubes 9 begins at a low oxidizer content in the gas mixture and at temperatures above the start of fuel ignition (flameless combustion), which ensures low-emission combustion of the fuel and, as a consequence, a sufficiently low NOx concentration at the outlet.
По мере удаления от горелки происходит постепенное (поэтапное) перемешивание окислителя из зоны Б с недогоревшим топливом, поступающим в топку через сопла раздачи топлива 10. В результате дожигания образуется обширная зона В с умеренными температурами газов, состоящая как из неизрасходованного окислителя, так и из продуктов реакций в результате горения топлива на начальном участке (беспламенное горение на периферии и горение в зоне А), поэтому в данной области скорость образования NOx является незначительной.As the distance from the burner increases, there is a gradual (stage-by-stage) mixing of the oxidizer from zone B with the unburned fuel entering the furnace through the fuel distribution nozzles 10. As a result of afterburning, a large zone B is formed with moderate gas temperatures, consisting of both unused oxidizer and reaction products as a result of fuel combustion in the initial section (flameless combustion on the periphery and combustion in zone A ), therefore, in this area, the rate of NOx formation is insignificant.
Прямоточно-вихревой характер распространения горелочных струй и заглубление горелки в топку способствуют образованию во внешней пригорелочной области зоны пониженного давления (зона Г) и затягиванию в данную область продуктов реакций преимущественно из зоны В. Высокая скорость топливных струй на выходе из сопел раздачи топлива 10 вызывает эжекцию дымовых газов из зоны Г, в результате чего происходит смешение топлива с горячими дымовыми газами, снижение концентрации окислителя и повышение температур смеси топлива с дымовыми газами выше температуры самовоспламенения. Это создает благоприятные условия для беспламенного горения со сниженными скоростями образования NOx в данной области.The straight-through vortex nature of the propagation of the burner jets and the deepening of the burner into the furnace contribute to the formation of a low-pressure zone (zone G ) in the outer near-burner region and the drawing of reaction products into this region primarily from zone B. The high velocity of the fuel jets at the outlet of the fuel distribution nozzles 10 causes the ejection of flue gases from zone G , resulting in the mixing of the fuel with the hot flue gases, a decrease in the concentration of the oxidizer and an increase in the temperature of the fuel mixture with the flue gases above the autoignition temperature. This creates favorable conditions for flameless combustion with reduced rates of NOx formation in this region.
Благодаря тому, что подача топлива из трубок 9 происходит в область с низким содержанием окислителя и высокой температурой газов, способствующими появлению радикалов CH и CH2, в зоне Г также проходят реакции восстановления NOx, которые образовались в зоне В после дожигания топлива. Данное обстоятельство позволяет дополнительно снизить концентрацию NOx на выходе.Due to the fact that the fuel supply from tubes 9 occurs in the area with a low oxidizer content and high gas temperature, which contribute to the appearance of CH and CH2 radicals, in zone G there also occur reactions of NOx reduction, which were formed in zone B after the fuel was burned. This circumstance allows for an additional reduction in the NOx concentration at the outlet.
Оптимальным соотношением высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха является 0,4-0,6, а оптимальным соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 является 0,7-0,9. Такие соотношения обеспечивают оптимальное деление потока воздуха между кольцевым каналом 12 и кольцевым каналом 14, а также замедляют на начальном этапе смешение окислителя с топливом, подаваемым через топливные трубки 9. При соотношении высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха менее 0,4 одновременно с соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 более 0,9, а также при соотношении высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха более 0,6 одновременно с соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 менее 0,7 формируется неоптимальный скоростной режим потоков воздуха на выходе из каналов, который приводит к высокой дальнобойности или срыву факела горелки. При соотношении высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха менее 0,4 одновременно с соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 менее 0,7, а также при соотношении высоты h кольцевого канала 12 и высоты H внешнего кольцевого канала 6 воздуха более 0,6 одновременно с соотношением площади s, перекрытой стенкой 15 на выходе из кольцевого канала 14, и площади поперечного сечения S кольцевого канала 14 более 0,9 не обеспечивается оптимальное деление потока воздуха между кольцевым каналом 12 и кольцевым каналом 14, что приводит к нарушению низкоэмиссионного режима горения топлива и повышению концентраций NOx на выходе.The optimal ratio of the height h of the annular channel 12 and the height H of the outer annular air channel 6 is 0.4-0.6, and the optimal ratio of the area s covered by the wall 15 at the outlet of the annular channel 14 and the cross-sectional area S of the annular channel 14 is 0.7-0.9. Such ratios ensure optimal division of the air flow between the annular channel 12 and the annular channel 14, and also slow down the initial stage of mixing the oxidizer with the fuel supplied through the fuel tubes 9. When the ratio of the height h of the annular channel 12 and the height H of the outer annular air channel 6 is less than 0.4 simultaneously with the ratio of the area s blocked by the wall 15 at the outlet of the annular channel 14 and the cross-sectional area S of the annular channel 14 is more than 0.9, and also when the ratio of the height h of the annular channel 12 and the height H of the outer annular air channel 6 is more than 0.6 simultaneously with the ratio of the area s blocked by the wall 15 at the outlet of the annular channel 14 and the cross-sectional area S of the annular channel 14 is less than 0.7, a non-optimal velocity regime of the air flows at the outlet of the channels is formed, which leads to a high range or breakdown of the burner torch. When the ratio of the height h of the annular channel 12 and the height H of the outer annular channel 6 of air is less than 0.4 simultaneously with the ratio of the area s blocked by the wall 15 at the outlet of the annular channel 14 and the cross-sectional area S of the annular channel 14 less than 0.7, and also when the ratio of the height h of the annular channel 12 and the height H of the outer annular channel 6 of air is more than 0.6 simultaneously with the ratio of the area s blocked by the wall 15 at the outlet of the annular channel 14 and the cross-sectional area S of the annular channel 14 more than 0.9, the optimal division of the air flow between the annular channel 12 and the annular channel 14 is not ensured, which leads to a violation of the low-emission fuel combustion mode and an increase in NOx concentrations at the outlet.
Оптимальным соотношением расстояния L, на которое горелка может быть заглублена в топку и диаметра D внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха является 0,1-0,3. Такое соотношение увеличивает интенсивность затягивания во внешнюю пригорелочную область продуктов реакций из зоны В при условии обеспечения надежности работы горелки. При соотношении расстояния L, на которое горелка заглублена в топку, и диаметра D внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха менее 0,1 влияние заглубления горелки в топку на интенсивность затягивания во внешнюю пригорелочную область продуктов реакций из зоны В становится незначительным. При соотношении расстояния L, на которое горелка заглублена в топку, и диаметра D внешней стенки кольцевого канала 6 воздуха более 0,3 возникает риск существенного нагрева выходных элементов горелки, что снижает надежность работы горелки.The optimal ratio of the distance L, to which the burner can be deepened into the furnace and the diameter D of the outer wall of the annular air channel 6 is 0.1-0.3. Such a ratio increases the intensity of drawing reaction products from zone B into the outer near-burner region, provided that the reliability of the burner operation is ensured. When the ratio of the distance L, to which the burner is deepened into the furnace and the diameter D of the outer wall of the annular air channel 6 is less than 0.1, the effect of the burner deepening into the furnace on the intensity of drawing reaction products from zone B into the outer near-burner region becomes insignificant. When the ratio of the distance L, to which the burner is deepened into the furnace and the diameter D of the outer wall of the annular air channel 6 is more than 0.3, there is a risk of significant heating of the burner output elements, which reduces the reliability of the burner operation.
Возможность снижения концентрации NOx при использовании предлагаемой горелки обеспечивается применением современной и перспективной технологии «беспламенного» горения, более известной в данной области техники как Moderate or Intense Low oxygen Dilution combustion (MILD combustion). Данное сжигание характеризуется невидимым или слабозаметным пламенем и равномерным распределением температуры (подавление локальных пиков). Для организации такого горения необходимо нагреть топливо до температуры выше температуры самовоспламенения и сильно разбавить реагенты дымовыми газами перед тем, как они смешаются и вступят в реакцию, а также использовать очень устойчивый стабилизатор пламени. В результате обеспечивается полное и эффективное сгорание в сочетании со значительным сокращением выбросов NOx, что подтверждено экспериментальными данными при имитировании режима «беспламенного» горения топлива на горелке Adelaide Jet in Hot Coflow (Adelaide JHC).The ability to reduce NOx concentrations when using the proposed burner is ensured by the use of a modern and promising technology of "flameless" combustion, better known in this field of technology as Moderate or Intense Low oxygen Dilution combustion (MILD combustion). This combustion is characterized by an invisible or barely noticeable flame and uniform temperature distribution (suppression of local peaks). To organize such combustion, it is necessary to heat the fuel to a temperature above the autoignition temperature and strongly dilute the reagents with flue gases before they mix and react, and also use a very stable flame stabilizer. As a result, complete and efficient combustion is ensured in combination with a significant reduction in NOx emissions, which is confirmed by experimental data when simulating the "flameless" fuel combustion mode on the Adelaide Jet in Hot Coflow (Adelaide JHC) burner.
Использование предлагаемой низкоэмиссионной газовой горелки с внешней подачей топлива позволяет обеспечить низкий уровень концентрации NOx на выходе и стабильное горение топлива при надежной работе горелки на различных нагрузках.The use of the proposed low-emission gas burner with external fuel supply allows for low NOx concentration at the outlet and stable fuel combustion with reliable burner operation under various loads.
Claims (12)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2825927C1 true RU2825927C1 (en) | 2024-09-02 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485398C1 (en) * | 2011-10-20 | 2013-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Энерго Эстейт" | Device for fuel burning and method of fuel burning |
| RU2518759C1 (en) * | 2013-01-23 | 2014-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Энерго Эстейт" | Oil-gas burner |
| RU211642U1 (en) * | 2022-03-28 | 2022-06-16 | Дмитрий Рюрикович Григорьев | Burner device for combustion of low-calorie gas |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2485398C1 (en) * | 2011-10-20 | 2013-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Энерго Эстейт" | Device for fuel burning and method of fuel burning |
| RU2518759C1 (en) * | 2013-01-23 | 2014-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Энерго Эстейт" | Oil-gas burner |
| RU211642U1 (en) * | 2022-03-28 | 2022-06-16 | Дмитрий Рюрикович Григорьев | Burner device for combustion of low-calorie gas |
| RU216775U1 (en) * | 2022-12-23 | 2023-02-28 | Дмитрий Рюрикович Григорьев | Modernized direct-flow swirl burner |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2455569C1 (en) | Burner | |
| US5158445A (en) | Ultra-low pollutant emission combustion method and apparatus | |
| KR100927873B1 (en) | Staged combustion system with ignition-assisted fuel lances | |
| US4928481A (en) | Staged low NOx premix gas turbine combustor | |
| US5013236A (en) | Ultra-low pollutant emission combustion process and apparatus | |
| EP0782681B1 (en) | Ultra low nox burner | |
| US8485813B2 (en) | Three stage low NOx burner system with controlled stage air separation | |
| US8118588B2 (en) | Energy efficient low NOx burner and method of operating same | |
| CA2075150C (en) | Cyclonic combustion | |
| US7621132B2 (en) | Pilot combustor for stabilizing combustion in gas turbine engines | |
| CN107580669B (en) | Low-nitrogen oxide combustion system for movable grate type pellet equipment | |
| EP3152490B1 (en) | Non-symmetrical low nox burner apparatus and method | |
| SK173998A3 (en) | A method for effecting control over a radially stratified flame core burner | |
| RU2825927C1 (en) | Low-emission gas burner with external fuel supply | |
| RU2821304C2 (en) | Burner, device and method of firing ceramic articles | |
| RU2813936C1 (en) | Coaxial stepped burner of flare combustion of fuel-air mixture | |
| RU226942U1 (en) | Low emission vortex pulverized coal burner | |
| RU2799700C1 (en) | Device, burner and method for firing ceramic products | |
| KR102489514B1 (en) | Hot Air Heating System Using Low NOx Burner | |
| CN220269371U (en) | Heating furnace burner | |
| RU2210030C2 (en) | Method and reactor for thermal decontamination of waste gases of commercial carbon production process | |
| US20240210113A1 (en) | Burner, apparatus and method for the firing of ceramic articles | |
| JP2619973B2 (en) | Ultra low pollutant emission combustion method and equipment | |
| EA046069B1 (en) | METHOD OF STAGED FUEL COMBUSTION AND COMBUSTION HEAD | |
| CN116447593A (en) | Heating furnace burner |