Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СЖИГАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ

Изобретение относится к устройствам для сжигания газов в теплонапряженных технологических установках и может быть использовано в нефтехимической, энергетической, металлургической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Одной из проблем, возникающих при сжигании промышленных стоков, является обеспечение максимально возможной полноты сгорания компонентов топлива, и получение продуктов сгорания с минимальным содержанием вредных веществ, не превышающих предельно допустимые нормы.

Известен способ подачи компонентов топлива при помощи соосно-струйной форсунки, содержащей полый наконечник, в выходной части которого выполнены радиально расположенные пазы, и соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3÷2,5s, где s - толщина луча. (Патент РФ №2291977, МПК: F02K 9/52, F23D 11/12).

Указанный способ реализуется следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по каналу внутри наконечника подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения. Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную улучшает условия разрушения струи и позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Такое воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.

Горючее из полости горючего по зазору между наконечником и втулкой подается в зону горения, при этом струя горючего принимает форму профилированной кольцевой щели между наконечником и втулкой, т.е. становится эквидистантной струе окислителя.

Основным недостатком данной форсунки является то, что фронт пламени приближается к огневому днищу, что приводит к повышенным тепловым потокам в огневое днище и пристеночную часть огневой стенки камеры сгорания.

Известен способ подачи компонентов топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя при помощи соосно-струйной форсунки, содержащей полый наконечник, соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы (Патент РФ №2161719, МПК: F02K 9/52, F23D 11/12).

Указанный способ реализуется следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по каналу внутри наконечника подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.

Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную улучшает условия разрушения струи и позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Такое воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.

Горючее из полости горючего по зазору между наконечником и втулкой подается в зону горения, при этом струя горючего принимает форму профилированной кольцевой щели между наконечником и втулкой, т.е. становится эквидистантной струе окислителя.

Основным недостатком данной форсунки является то, что фронт пламени достаточно близко приближается к огневому днищу, что приводит к повышенным тепловым потокам в огневое днище и пристеночную часть огневой стенки камеры сгорания.

Известен способ сжигания газа при помощи газовой горелки, содержащей корпус с установленными на входе коллектором, наклонные сопла которого размещены между лопатками завихрителя, причем сопла коллектора на выходе снабжены газоструйными вихревыми генераторами акустических колебаний (авторское свидетельство СССР №954714, кл. F23D 14/62, 1982).

Вращающийся поток воздуха, образующийся лопатками завихрителя, взаимодействует с пульсирующими вихревыми потоками газа, образованными вихревыми генераторами акустических колебаний, в результате чего происходят высокотурбулентное перемешивание газа и воздуха и интенсификация химических реакций горения, чем обеспечивается полнота сгорания газового топлива.

Недостатком известной газовой горелки является низкая эффективность сжигания газового топлива, особенно в широком диапазоне производительности, что является следствием сосредоточенного взаимодействия газа в виде вихревых потоков только в одном поперечном сечении потока воздуха, что не может обеспечить достижения полного и однородного смешения потоков воздуха и газа, особенно в широком диапазоне производительности.

Известен способ сжигания газа при помощи газовой горелки, содержащая конфузорный смеситель с отверстиями, подключенный на входе к корпусу, а на выходе к цилиндрическому соплу с выходной тороидальной амбразурой, кольцевой коллектор с патрубком подачи газа, причем смеситель подключен к коллектору рядами отверстий (авторское свидетельство СССР №1186895, кл. F23D 14/02, 1985).

Указанная горелка обеспечивает высокую эффективность сжигания топливного газа в горелке за счет получения однородной смеси в результате рассредоточенного взаимодействия струй газа и воздуха в объеме конфузора смесителя.

Недостатком известной вихревой газовой горелки является понижение эффективности сжигания газового топлива в горелке при изменении производительности, особенно в широком диапазоне производительности.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сжигания предварительно подготовленной смеси при помощи вихревой газовой горелки, содержащей конфузорный смеситель с отверстиями, подключенный на входе к корпусу, а на выходе к цилиндрическому соплу с выходной тороидальной амбразурой, кольцевой коллектор с патрубком подачи газа, смеситель подключен к коллектору рядами отверстий, при этом оси отверстий смесителя направлены под острым углом к радиальным плоскостям, отверстия в стенках конфузорного смесителя выполнены в виде конических камер закручивания с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнековыми каналами, причем конические камеры направлены меньшими основаниями внутрь конфузорного смесителя, горелка снабжена расположенным в корпусе центральным цилиндрическим соплом с перфорациями в стенках, и заглушенным со стороны выхода и соединенным с патрубком подачи газа, горелка также снабжена патрубком подачи воздуха, подсоединенным тангенциально к корпусу на входе и под острым углом к его оси с направлением в сторону выхода для придания вращения воздушному потоку, корпус имеет форму усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием к выходу, перфорации центрального сопла выполнены в виде отверстий с осями, направленными под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим сопла в сторону выхода и в направлении вращения воздушного потока в корпусе, в отверстиях сопла выполнены винтовые каналы (патент РФ №2115064, МПК: F23D 14/02, F23D 14/62 - прототип).

Указанный способ реализуется следующим образом.

Топливный газ подается по патрубку в центральное сопло, проходит через отверстия с винтовыми каналами в корпус, в котором происходит вращательное перемещение воздуха, в результате происходит смешение газа с воздухом при касательных взаимодействиях вихрей газа, выходящих из сопла через отверстия с винтовыми каналами.

Топливный газ также подается по патрубку в полость кольцевого коллектора, проходит через конические камеры закручивания в стенках конфузорного смесителя с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнековыми каналами, в результате внутрь конфузорного смесителя рассредоточенно вводятся в тангенциальных направлениях закрученные газовые вихри, которые взаимодействуют с воздухом, поступающим из корпуса, образуя в конфузорном смесителе закрученный газовоздушный поток, в котором происходит одновременно интенсивное мелкомасштабное смешение газа в виде вихрей с воздухом. Вращающийся газовоздушный поток из конфузорного смесителя поступает в цилиндрическое сопло с выходной тороидальной амбразурой и на сгорание в топку.

Конические камеры закручивания газового потока с центральными струйными отверстиями и винтовыми шнеками направлены осями под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим конфузорного смесителя в сторону цилиндрического сопла, что обеспечивает, прежде всего, тангенциальный ввод газа в смесителе и образование закрученного потока газовоздушной смеси в смесителе в направлении к цилиндрическому соплу. На выходе из конических камер газовые вихри взаимодействуют во вращающемся газовоздушном потоке с воздухом, в результате чего происходит интенсивное мелкомасштабное смешение газа с воздухом, обеспечивающее получение однородной газовоздушной смеси.

Основным недостатком указанного способа горелки является значительная сложность смесеобразования при недостаточно высокой эффективности сжигания газового топлива в горелке.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности сжигания газового топлива в горелке за счет интенсивного мелкомасштабного смешения газа с воздухом с помощью газоструйных вихревых генераторов в двух сечениях потока воздуха.

Решение указанной задачи достигается тем, что, в предложенном способе сжигания промышленных стоков, заключающемся в подаче промышленных стоков в смесь горючего, преимущественно, газа, с воздухом, и последующем сжигании образовавшейся смеси в газовой горелке устройства для сжигания промышленных стоков, согласно изобретению, газовую горелку выполняют с цилиндрической обечайкой с профилированным входом и выходом, которую устанавливают на раме, причем в выходной части обечайки располагают запальную и дежурную горелки, при этом внутри указанной обечайки, предпочтительно, по ее оси, располагают форсунку для распыливания жидкого компонента, преимущественно, промышленных стоков, причем выходную часть осевого канала форсунки выполняют профилированной, при этом внутри обечайки, напротив выходной части форсунки, предпочтительно, соосно или практически соосно с ней, устанавливают полое тороидальное кольцо для подачи воздуха, на внутренней поверхности которого выполняют сквозные каналы, соединяющие полость внутри упомянутого кольца с окружающей средой, при этом в выходной части обечайки устанавливают горелки для подачи газа, преимущественно, с общим коллектором, которые выполняют в виде полых цилиндрических обечаек, внутреннюю полость которых соединяют с общим коллектором подачи газа, причем во входной части обечаек указанных горелок выполняют каналы для подачи воздуха, а в выходной части устанавливают рассекатель, преимущественно, в виде звездообразной профилированной фигуры, причем продольные оси указанных горелок наклоняют вовнутрь, при этом промышленные стоки подают в форсунку для распыливания жидкого компонента, преимущественно, струйную, расположенную внутри цилиндрической обечайки горелки и подают к выходу из форсунки, при этом выходную часть струи профилируют, подавая ее через выходную профилированную часть осевого канала форсунки, после чего в центр спрофилированной струи промышленных стоков подают, предпочтительно, под углом к продольной оси горелки, воздух в виде дискретных струй, предпочтительно, со скоростью звука, из полого тороидального кольца для подачи воздуха, на внутренней поверхности которого выполнены сквозные каналы, соединяющие полость внутри упомянутого кольца с окружающей средой, после чего на выходе из обечайки горелки подготовленную смесь, преимущественно, из жидких промышленных стоков и воздуха сжигают, подавая в центр струи газ из горелок, установленных по периметру выходной части цилиндрической обечайки и предварительно зажженных при помощи дежурной и запальной горелок перед подачей промышленных стоков в форсунку для распыливания жидкого компонента.

В варианте применения способа, выходную часть осевого канала форсунки выполняют звездообразной с радиальными щелевыми каналами, причем внутри выходной части указанного осевого канала устанавливают с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник, наружная поверхность которого выполняют эквидистантной или практически эквидистантной внутренней поверхности форсунки. Такое исполнение выходной части позволяет изменить выходную часть струи с одновременным уменьшением ее характерного размера и уменьшением длины нераспавшейся части струи, что позволит, в конечном итоге, уменьшить зону смесеобразования и улучшить массово-габаритные характеристики горелки.

В варианте применения способа, выходную часть осевого канала форсунки выполняют звездообразной с радиальными щелевыми каналами, причем внутри выходной части указанного осевого канала устанавливают с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник, наружная поверхность которого выполняют эквидистантной или практически эквидистантной внутренней поверхности форсунки, при этом количество лучей принимают равным четырем.

В варианте применения способа, выходную часть осевого канала форсунки выполняют звездообразной с радиальными щелевыми каналами, причем внутри выходной части указанного осевого канала устанавливают с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник, наружная поверхность которого выполняют эквидистантной или практически эквидистантной внутренней поверхности форсунки, при этом количество лучей принимают равным трем.

В варианте применения способа, выходную часть осевого канала форсунки выполняют в виде полого кольца, причем внутри выходной части указанного осевого канала устанавливают с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник, наружная поверхность которого выполняют эквидистантной или практически эквидистантной внутренней поверхности форсунки.

Такое исполнение выходной части позволяет изменить выходную часть струи с одновременным уменьшением ее характерного размера и уменьшением длины нераспавшейся части струи, что позволит, в конечном итоге, уменьшить зону смесеобразования и улучшить массово-габаритные характеристики горелки.

В варианте применения способа, оси каналов для подачи топливного газа из полого тороидального кольца располагают тангенциально. Такое расположение осей каналов позволяет обеспечить дополнительную закрутку потока топливного газа, подаваемого из каналов, что, в конечном итоге, приведет к улучшению перемешивания составных частей газо-жидкостного потока, компонентов топлива и улучшению смесеобразования

В варианте применения способа, оси горелок для подачи газа располагают тангенциально. Такое расположение осей горелок для подачи газа позволяет обеспечить дополнительную закрутку потока газа, подаваемого из горелок, что, в конечном итоге, приведет к улучшению перемешивания компонентов топлива и улучшению смесеобразования

В варианте применения способа, оси каналов для подачи топливного газа из полого тороидального кольца направляют в сторону, противоположную направлению каналов горелок для подачи топливного газа. Такое расположение осей каналов для подачи топливного газа и осей горелок для подачи топливного газа позволяет обеспечить встречную закрутку потока топливного газа, подаваемого из полого тороидального кольца, и струй топливного газа, подаваемых из горелок, что, в конечном итоге, приведет к улучшению перемешивания составных частей газожидкостного потока, компонентов топлива и улучшению смесеобразования.

Предлагаемая двухпоточная газовая горелка за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - повышение эффективности сжигания газового топлива в горелке за счет интенсивного мелкомасштабного смешения газа с воздухом с помощью газоструйных вихревых генераторов акустических колебаний.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез горелки, на фиг.2 - выносной элемент А - продольный разрез полого тороидального кольца, на фиг.3 - вид сверху на горелку, на фиг.4 - продольный разрез канала подачи промышленных стоков, на фиг.5 - вид спереди на выходной канал подачи промышленных стоков, на фиг.6 - продольный разрез канала подачи промышленных стоков в варианте исполнения, на фиг.7 - вид спереди на выходной канал подачи промышленных стоков в варианте исполнения, на фиг.8 - общий вид горелки в аксонометрии.

Предложенный способ может быть реализован при помощи газовой горелки, имеющей следующую конструкцию.

Газовая горелка для реализации указанного способа содержит обечайку 1 с профилированным входом 2 и выходом 3, установленную на раме 4. Запальная 5 и дежурная 6 горелки расположены в выходной части упомянутой обечайки 1. Форсунка 7 для распыливания жидкого компонента, преимущественно, промышленных стоков, расположена внутри обечайки 1.

Выходная часть 8 осевого канала форсунки 7 выполнена профилированной. Внутри выходной части 8 указанного осевого канала установлен с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник 9, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки.

Внутри обечайки 1, напротив выходной части 8 форсунки 7, предпочтительно, соосно или практически соосно с ней, установлено полое тороидальное кольцо 10 для подачи топливного газа. На внутренней поверхности кольца 10 выполнены сквозные каналы 11, соединяющие полость внутри упомянутого кольца с окружающей средой. В выходной части обечайки установлены основные горелки 12 для подачи топливного газа, преимущественно, с общим коллектором 13, выполненные в виде полых цилиндрических обечаек. Во входной части основных горелок 12 выполнены каналы 14 для подачи воздуха, а в выходной части установлен рассекатель 15 для стабилизации процесса горения.

Предложенный способ реализуется при помощи газовой горелки следующим образом.

Топливный газ подают в трубопроводы предложенной газовой горелки в виде двух потоков - один поток на основные горелки 12, другой - в полость полого тороидального кольца 10. Топливный газ внутрь каждой основной горелки 12 подают из общего коллектора 13, а воздух - через каналы 14. Для стабилизации процесса горения, в выходной части каждой основной горелки 12 устанавливают рассекатель 15. Поток газа, истекающий из основных горелок, воспламеняют при помощи дежурной 6 и запальной 5 горелок.

Промышленные стоки подают во входную часть форсунки 7 и далее к выходной части 8 осевого канала. Проходя профилированный выходной канал 8, струя промышленных стоков профилируется и приобретает форму выходной части наконечника, в данном случае, форму звезды с четырьмя лучами. Такое профилирование позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи, увеличить периметр контакта компонентов топлива, в данном случае - жидких промышленных стоков и воздуха между собой, и, в конечном итоге, уменьшить длину нераспавшейся части жидкости.

Для регулирования степени профилирования, используют профилированный наконечник 9, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки, установленный с возможностью осевого перемещения внутри форсунки 7. При выдвижении вперед, по потоку, происходит увеличение толщины лучей профилированной струи промышленных стоков в виде звезды с четырьмя лучами, при движении назад, против потока, происходит утонение. Оптимальная толщина лучей струи подбирается в зависимости от режима работы горелки.

В варианте исполнения, выходную часть осевого канала форсунки выполняют в виде полого кольца, причем внутри выходной части указанного осевого канала устанавливают с возможностью осевого перемещения профилированный наконечник 9, наружная поверхность которого эквидистантна или практически эквидистантна внутренней поверхности форсунки.

При выдвижении вперед, по потоку, происходит увеличение ширины полого кольца выходного сечения струи промышленных стоков, при движении назад, против потока, происходит утонение. Оптимальная ширина полого кольца подбирается в зависимости от режима работы горелки.

Из полости полого тороидального кольца 9, через сквозные каналы 10, выполненные в его стенках, внутрь струи смеси промышленных стоков и воздуха подают топливный газ в виде дискретных струй, по числу каналов 10. Газ подают со скоростью звука. В этом случае расширение продуктов смесеобразования происходит по струям топливного газа, как по твердому телу, причем указанные струи в этом случае играют роль пространственной решетки, в виде нескольких лучей с общим центром, расположенным в месте пересечения струй, что также способствует улучшению условий смесеобразования.

Подготовленную таким образом смесь, состоящую из частиц промышленных стоков, воздуха и топливного газа, подает к выходу 3 из обечайки 1, где она воспламеняется при помощи основных горелок 12, имеющих общий коллектор подачи топливного газа 13, и сгорает.

Использование предложенного технического решения позволит упростить систему смесеобразования при подготовке промышленных стоков к сжиганию и повысить эффективность сжигания промышленных стоков.