RU2243447C2

RU2243447C2 - Burner

Info

Publication number: RU2243447C2
Application number: RU2002135776/06A
Authority: RU
Inventors: В.А. Асосков (RU); В.А. Асосков; В.А. Алексеев (RU); В.А. Алексеев; к О.Б. Лесн (RU); О.Б. Лесняк; В.Е. Ситников (RU); В.Е. Ситников; В.А. Акулов (RU); В.А. Акулов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Энергомашкорпорация"
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2004-12-27

Abstract

FIELD: burning of gaseous fuel in furnaces of power generation boilers, combustion chambers of gas-turbine or vapor-gas plants and in industrial furnaces.

SUBSTANCE: burner includes gas adapter with gas supplying openings, chamber for preliminarily mixing fuel and air fed through air duct and at least two blade swirlers mounted at inlets of burning zone. Downstream part of chamber for preliminarily mixing is divided by means of partitions coaxially arranged in it at least by two compartments. Each compartment except central one has additional duct for supplying air.

EFFECT: simplified design and regulation of system for feeding fuel, enhanced efficiency of fuel combustion, desired ecological characteristics.

3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания газообразного топлива в топках энергетических котлов, камерах сгорания газотурбинных и парогазовых установок, а также в промышленных печах и других топливосжигающих устройствах.The invention relates to energy and can be used to burn gaseous fuel in the furnaces of energy boilers, combustion chambers of gas turbine and combined cycle plants, as well as in industrial furnaces and other fuel-burning devices.

Известна горелка (патент США №4587809), содержащая камеру предварительного смешения, на входе в которую имеются топливные отверстия, а на выходе - лопаточный завихритель. Воздух, попадая в камеру предварительного смешения, смешивается с газообразным топливом, образуя гомогенную газо-воздушную смесь, которая, проходя через завихритель, попадает в зону обратных токов за завихрителем, где сгорает. Недостатком аналога является узкий диапазон устойчивой работы.Known burner (US patent No. 4587809), containing a pre-mixing chamber, at the entrance to which there are fuel holes, and at the exit is a blade swirl. Air entering the pre-mixing chamber mixes with gaseous fuel, forming a homogeneous gas-air mixture, which, passing through the swirler, enters the reverse current zone behind the swirler, where it burns. The disadvantage of an analogue is a narrow range of stable operation.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является горелка по патенту РФ №2012839, выбранная в качестве прототипа.Closest to the proposed invention is a burner according to the patent of the Russian Federation No. 20122839, selected as a prototype.

Горелка содержит центральный лопаточный завихритель, центральный газовый насадок с двумя каналами подвода топлива и с газораздающими отверстиями, размещенными между лопатками центрального завихрителя, наружный кольцевой газораздающий коллектор с газораздающими отверстиями, соединенный с газовым насадком, и наружный лопаточный завихритель, в межлопаточном пространстве и перед входными кромками лопаток которого организована камера предварительного смешения топлива с воздухом.The burner contains a central blade swirl, a central gas nozzle with two fuel supply channels and gas distribution holes located between the blades of the central swirl, an external annular gas distribution manifold with gas distribution holes connected to the gas nozzle, and an external blade swirl, in the interscapular space and in front of the inlet edges the blades of which the chamber of preliminary mixing of fuel with air is organized.

Получение требуемых экологических характеристик, полноты выгорания и достаточной стабилизации факела на всех нагрузках в рассматриваемой горелке достигается при оптимальном избытке воздуха с помощью организации предварительного смесеобразования топлива с воздухом и создания двух зон окисления топлива, из которых центральная является диффузионной и выполняет функции “пилотной” горелки.Obtaining the required environmental characteristics, completeness of burnout, and sufficient flame stabilization at all loads in the burner in question is achieved with an optimal excess of air by organizing preliminary mixture formation of fuel with air and creating two zones of fuel oxidation, of which the central one is diffusion and acts as a “pilot” burner.

Недостатком такой конструкции является необходимость двухканального подвода газообразного топлива к горелке и связанное с этим усложнение конструкции системы топливоподачи и ее регулирования, а также затрудненный переброс пламени к соседним горелкам устройства, в состав которого они входят, на пусковых режимах, когда газообразное топливо подается только в центральную зону горелки, а через наружный завихритель поступает холодный воздух, окружающий факел, что также снижает полноту выгорания топлива.The disadvantage of this design is the need for a two-channel supply of gaseous fuel to the burner and the related complication of the design of the fuel supply system and its regulation, as well as the difficulty of transferring the flame to the neighboring burners of the device in which they are included in starting conditions, when gaseous fuel is supplied only to the central burner zone, and cold air enters the torch through the external swirl, which also reduces the completeness of fuel burnout.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции системы топливоподачи и ее регулирования и увеличение полноты выгорания топлива при условии сохранения требуемых экологических характеристик.The objective of the invention is to simplify the design of the fuel supply system and its regulation and increase the completeness of fuel burnout, while maintaining the required environmental characteristics.

Для решения поставленной задачи в горелке, содержащей газовый насадок с газораздающими отверстиями, камеру предварительного смешения топлива с воздухом, поступающим в нее по воздушному проходу и, по меньшей мере, два лопаточных завихрителя, установленных на входах в зоны горения, согласно изобретению нижняя по потоку часть камеры предварительного смешения, посредством соосно установленных в ней перегородок, разделена по меньшей мере на два отсека, при этом каждый отсек, кроме центрального, имеет дополнительный канал подвода воздуха.To solve the problem in a burner containing a gas nozzle with gas distribution holes, a chamber for preliminary mixing of fuel with air entering it through an air passage and at least two blade swirlers installed at the entrances to the combustion zones, according to the invention, the downstream part the preliminary mixing chamber, by means of coaxially installed partitions in it, is divided into at least two compartments, with each compartment, except the central one, has an additional air supply channel.

От прототипа предлагаемая горелка отличается тем, что нижняя по потоку часть камеры предварительного смешения разделена на несколько отсеков, каждый из которых, кроме центрального, имеет дополнительный канал подвода воздуха и представляет собой камеру предварительного смешения для одной из зон горения.The proposed burner differs from the prototype in that the downstream part of the preliminary mixing chamber is divided into several compartments, each of which, except for the central one, has an additional air supply channel and represents a preliminary mixing chamber for one of the combustion zones.

Наличие в камере предварительного смешения общего пространства позволяет иметь только один подвод топлива для питания всех зон горения. Подача топлива по одному каналу существенно упрощает систему топливоподачи, за счет снижения числа топливоподающих коллекторов, а также регулирующей и запорной арматуры.The presence of a common space in the premixing chamber allows only one fuel supply to power all combustion zones. The supply of fuel through one channel greatly simplifies the fuel supply system, by reducing the number of fuel supply manifolds, as well as control and shutoff valves.

Наличие при этом дополнительных каналов для подвода воздуха во все отсеки, кроме центрального, позволяет создавать газовоздушную смесь различной концентрации в разных зонах горения, при этом горелка в целом всегда работает в “бедном” режиме, что обеспечивает сохранение требуемых экологических характеристик.The presence of additional channels for supplying air to all compartments, except the central one, allows creating a gas-air mixture of various concentrations in different combustion zones, while the burner as a whole always works in a “poor” mode, which ensures the preservation of the required environmental characteristics.

Подача в центральную зону горения более “богатой”, по сравнению с остальными зонами, газовоздушной смеси обеспечивает горелку “пилотным” источником пламени, что позволяет сжигать очень “бедные” газовоздушные смеси в периферийных зонах, обеспечивая необходимый диапазон устойчивой работы горелки.The supply of a richer gas mixture to the central combustion zone, as compared to other zones, provides the burner with a “pilot” flame source, which makes it possible to burn very “poor” gas mixtures in the peripheral zones, providing the necessary range of stable burner operation.

Поскольку процесс горения происходит сразу во всех зонах горения, то отсутствует пелена холодного воздуха вокруг факела, что облегчает переброс пламени к соседним горелкам и повышает полноту выгорания топлива.Since the combustion process occurs immediately in all combustion zones, there is no veil of cold air around the torch, which facilitates the transfer of flame to neighboring burners and increases the completeness of fuel burnout.

Прилагаемые чертежи поясняют суть предложения. На фиг.1 показан продольный разрез варианта конструкции горелки, на фиг.2 - сечение горелки по газораздающим отверстиям, на фиг.3 - сечение по дополнительным каналам подачи воздуха.The accompanying drawings explain the essence of the proposal. In Fig.1 shows a longitudinal section of a variant of the design of the burner, Fig.2 is a cross section of the burner through the gas distribution holes, Fig.3 is a section through the additional channels of the air supply.

Горелка (фиг.1, 2, 3) содержит газовый насадок 1, имеющий канал 2 подвода топливного газа с газораздающими отверстиями 3, воздушный проход 4, корпус 5, камеру 6 предварительного смешения, соосно расположенные перегородки 7 и 8, установленные в камере 6 предварительного смешения в нижней по потоку части и разделяющие ее на отсеки 9, 10 и 11, дополнительные каналы 12 и 13 подвода воздуха в отсеки 10 и 11, лопаточные завихрители 14, 15 и 16, установленные на выходе из отсеков 9, 10 и 11, а также зоны горения 17, 18 и 19. Зоны горения расположены последовательно, при этом центральная зона горения 17 начинается сразу за выходным сечением лопаточного завихрителя 14 центрального отсека 9 камеры 6 предварительного смешения и, в данном примере, ограничена по периферии стенкой практически цилиндрической формы. Каждая последующая зона горения располагается ниже по потоку предыдущей и ограничена выходным сечением завихрителя соответствующего ей отсека камеры предварительного смешения и стенкой цилиндрической или иной формы.The burner (1, 2, 3) contains a gas nozzle 1 having a fuel gas supply channel 2 with gas distribution holes 3, an air passage 4, a housing 5, a pre-mixing chamber 6, coaxially located partitions 7 and 8 installed in the pre-chamber 6 mixing in the downstream part and dividing it into compartments 9, 10 and 11, additional channels 12 and 13 for supplying air to compartments 10 and 11, blade swirls 14, 15 and 16 installed at the outlet of compartments 9, 10 and 11, and also the combustion zones 17, 18 and 19. The combustion zones are arranged sequentially, while the prices tral combustion zone 17 begins immediately after the outlet section of the swirler vane 14 of the central compartment premixing chamber 6 and 9, in this example, is bounded on the periphery wall of substantially cylindrical form. Each subsequent combustion zone is located downstream of the previous one and is limited by the output section of the swirler of the corresponding compartment of the preliminary mixing chamber and a wall of cylindrical or other shape.

В данном примере перегородки 7 и 8 имеют цилиндрическую форму. Однако, в зависимости от компоновки горелки, они могут иметь форму полых конусов или иных тел вращения.In this example, the partitions 7 and 8 are cylindrical. However, depending on the configuration of the burner, they may take the form of hollow cones or other bodies of revolution.

На выходе из завихрителей 14, 15 и 16 могут быть установлены практически конические пережимы 20, 21 и 22, что обеспечивает достаточную устойчивость работы горелки на всех нагрузках.At the exit of the swirls 14, 15 and 16, practically conical clamps 20, 21 and 22 can be installed, which ensures sufficient stability of the burner at all loads.

Горелка работает следующим образом.The burner operates as follows.

На режиме пуска воздух через воздушный проход 4 подается в общее пространство камеры 6 предварительного смешения, образованной внутренней поверхностью корпуса 5 и внешней поверхностью газового насадка 1, куда по каналу 2 подвода газообразного топлива через газораздающие отверстия 3, выходящие в воздушный проход 4 на входе в камеру 6, подается газообразное топливо и происходит образование первичной газовоздушной смеси. При этом газообразное топливо подается в камеру предварительного смешения в таком количестве, чтобы образовалась умеренно “бедная” газовоздушная смесь такой концентрации, при которой возможно ее воспламенение от внешнего источника и устойчивое горение в “пилотной” зоне горения 17. Первичная смесь поступает в отсеки 9, 10 и 11, при этом в отсеках 10 и 11 она разбавляется воздухом, поступающим туда по дополнительным каналам 12 и 13 подачи воздуха. На выходе из отсеков 9, 10 и 11 расположены соответственно завихрители 14, 15 и 16, которые служат для образования зон обратных токов и стабилизации горения, для более качественного перемешивания газовоздушной смеси и для дозирования смеси, поступающей в каждый из отсеков 9, 10 и 11. Проходные сечения завихрителей выбираются таким образом, чтобы наименьшее количество смеси поступало в зону горения 17, а из оставшейся смеси большее количество поступало бы в более “бедную” зону горения 19. Для этого проходное сечение лопаточного завихрителя 14 выбирается наименьшим. Таким образом, появляется возможность одновременно питать зоны горения 17, 18 и 19 газовоздушной смесью различной концентрации, причем зона горения 17, питаемая из отсека 9, в который поступает более “богатая” первичная газо-воздушная смесь, выполняет функции “пилотного” источника пламени по отношению к зонам горения 18 и 19. Смесь воспламеняется от внешнего источника, образуя факел, который стабилизируется за завихрителем 14 в зоне 17, воспламеняя более “бедную” смесь, поступающую в зоны 18 и 19, за счет чего расширяется диапазон устойчивой работы горелки. При этом образуется общий факел, который стабилизируется в зоне обратных токов за завихрителем 16. Наличие горения во всех зонах на всех режимах облегчает переброс пламени между соседними горелками, что повышает надежность работы самой горелки и устройства, в состав которого они входят. При увеличении расхода топлива на горелку первичная смесь может становиться стехиометрической или умеренно “богатой”, но смесь, поступающая в зоны горения 18 и 19 всегда остается “бедной”, что обеспечивает низкий уровень эмиссии NО_х.In the start-up mode, air through the air passage 4 is fed into the common space of the pre-mixing chamber 6, formed by the inner surface of the housing 5 and the outer surface of the gas nozzle 1, where, through the gas supply channel 2 through gas-distributing openings 3, which exit into the air passage 4 at the chamber inlet 6, gaseous fuel is supplied and a primary air-gas mixture is formed. In this case, gaseous fuel is supplied to the pre-mixing chamber in such an amount that a moderately “poor” gas-air mixture is formed at a concentration at which it can ignite from an external source and stable combustion in the “pilot” combustion zone 17. The primary mixture enters the compartments 9, 10 and 11, while in compartments 10 and 11 it is diluted with air entering there through additional air supply channels 12 and 13. At the exit of compartments 9, 10, and 11, swirlers 14, 15, and 16, respectively, are located, which serve to form reverse current zones and stabilize combustion, for better mixing of the gas-air mixture, and for dosing the mixture entering each of the compartments 9, 10, and 11 The passage sections of the swirls are selected so that the smallest amount of the mixture enters the combustion zone 17, and from the remaining mixture, the larger amount goes to the poorer combustion zone 19. For this, the passage section of the blade swirl 14 the smallest. Thus, it becomes possible to simultaneously feed the combustion zones 17, 18 and 19 with a gas-air mixture of various concentrations, and the combustion zone 17, fed from the compartment 9, into which the richer primary gas-air mixture enters, serves as a “pilot” flame source for relative to the combustion zones 18 and 19. The mixture ignites from an external source, forming a torch, which stabilizes behind the swirl 14 in zone 17, igniting the poorer mixture entering zones 18 and 19, thereby expanding the range of stable operation you are a burner. In this case, a common torch is formed, which stabilizes in the reverse current zone behind the swirler 16. The presence of combustion in all zones in all modes facilitates the transfer of flame between adjacent burners, which increases the reliability of the burner and the device that they are part of. With an increase in burner fuel consumption, the primary mixture may become stoichiometric or moderately “rich”, but the mixture entering the combustion zones 18 and 19 always remains “poor”, which ensures a low level of NO _x emission.

Размеры и количество дополнительных каналов 12 и 13 подачи воздуха, их расположение относительно друг друга, геометрия завихрителей 14, 15 и 16 окончательно определяются для каждого типоразмера горелочного устройства индивидуально в ходе натурных огневых испытаний.The sizes and number of additional air supply channels 12 and 13, their location relative to each other, the geometry of the swirlers 14, 15 and 16 are finally determined for each size of the burner device individually during field fire tests.

Claims

A burner containing a gas nozzle with gas-distributing openings, a chamber for preliminary mixing of fuel with air entering it through an air passage, and at least two blade swirlers installed at the entrances to the combustion zones, characterized in that the lower part of the preliminary mixing chamber by The partitions coaxially installed in it are divided into at least two compartments, with each compartment, except the central one, having an additional air supply channel.