ГОРЕЛКА

Настоящее изобретение относится к горелке, содержащей

первый трубчатый канал, имеющий, по меньшей мере, одну концевую часть, имеющую выпускное отверстие, с прямолинейной осью;

второй трубчатый канал, являющийся внешним и коаксиальным по отношению к первому каналу, с которым он ограничивает свободное пространство по существу кольцеобразного сечения, содержащий на одном конце соответствующее выпускное отверстие, окружающее выпускное отверстие указанного первого канала;

средство для подачи в первый канал и в свободное пространство независимых текучих сред, включающих в себя топливо и текучую среду, поддерживающую горение, соответственно, или наоборот.

Горелки вышеуказанного типа находят широкое, но не исключительное применение для частичного или полного окисления углеводородов, например для получения синтез-газа, топливного газа или восстановительного газа.

В этом случае первый канал (внутренний канал) горелки, например, пересекается газовым потоком, содержащим кислород (текучую среду, поддерживающую горение), тогда как второй канал (внешний канал), например, пересекается углеводородным потоком (топливом), причем оба указанных канала имеют соответствующие выпускные отверстия, обращенные к камере сгорания, находящейся вне горелки.

В следующем описании на вышеуказанную область применения будет сделана ссылка только для упрощения.

Что касается использования вышеуказанного типа горелки, то техническим недостатком, на который ссылаются главным образом, является термический износ выпускных отверстий, который вызывает нарушение работы горелки. Это имеет отрицательные последствия, например необходимость регламентных работ и даже замены концевой части горелки. Такие регламентные работы предусматривают, кроме того, остановку оборудования, действующего совместно с горелкой, с последующими производственными и экономическими потерями.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для преодоления указанных недостатков на предшествующем уровне техники было предложено регулирование и уменьшение температуры в горелке. Таким образом, в патенте ЕР 0640679 описаны различные средства, например охлаждающие змеевики, смонтированные на внешней стороне горелки или камеры охлаждения, ограниченные вблизи выпускных отверстая, и, наконец, использование газового потока, содержащего текучий модератор температуры, который пересекает соответствующий канал горелки соосно с реагентами, подаваемыми в каналы.

Кроме того, в этой области применения предложены горелки, имеющие полости.

Эти полости имеют толщину каналов, обеспечивающих подачу.

Несмотря на общее регулирование температуры, такие устройства, как оказалось, имеют низкую эффективность в части регулирования и уменьшения температуры в выпускных отверстиях.

Фактически было обнаружено, что независимо с помощью охлаждающих средств, используемых в соответствии с предшествующим уровнем техники, концевая часть выпускных отверстий подвержена быстрому термическому износу, приводящему к нарушению работы горелки.

Вышеуказанный недостаток имеет место вследствие - среди других - повышенной температуры, обнаруженной в выпускных отверстиях горелки (величина температуры составляет 1000°С и более), приводящей к возникновению высокоскоростных и высокотемпературных вихрей газа на концах таких отверстий и к коррозионным воздействиям, вызываемым текучими средами.

Эти недостатки особенно имеют место в концевой части выпускного отверстия внутреннего канала (первого канала) и в присутствии текучих сред, содержащих водород и кислород.

Для преодоления вышеуказанного недостатка, характерного для предшествующего уровня техники, устройство, соответствующее настоящему изобретению, обеспечивает движение текучей среды в направлении наружу из первого канала (внутреннего канала), обеспечивающее защиту этого канала от коррозионного действия высокотемпературных газов, препятствуя, в частности, оказанию коррозионных воздействий.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следовательно, технической проблемой, которую решает настоящее изобретение, является необходимость создания горелки, в частности, но не исключительно предназначенной для частичного или полного окисления углеводородов, имеющей такие конструктивные и функциональные элементы, чтобы предотвращать возникновение постепенно усиливающихся высокоскоростных и высокотемпературных постоянных газовых вихрей в выпускном отверстии первого канала горелки.

В соответствии с настоящим изобретением проблему решают посредством выпускного отверстия первого канала, имеющего поверхность с осевой симметрией, раззенкованную в направлении к внешней стороне этого канала. Другими словами, выпускное отверстие первого канала предпочтительно является раззенкованным в направлении к внешней стороне этого канала.

Благодаря особой конфигурации вышеуказанного выпускного отверстия настоящее изобретение обеспечивает возможность решения простым и очень эффективным способом проблемы термического износа внутреннего канала (первого канала), то есть, как было указано ранее со ссылкой на предшествующий уровень техники, канала, главным образов подверженного воздействию такой коррозии.

Фактически, к удивлению было обнаружено, что с выпускным отверстием первого канала, раззенкованным в направлении к внешней стороне, становится возможным поддерживать выходящую через него текучую среду так, чтобы канал постоянно находился в контактном взаимодействии со всей поверхностью выпускного отверстия, полностью предохраняя, следовательно, такую поверхность от воздействия высокотемпературной газов.

Предпочтительно получают смесь текучей среды, выходящей из первого канала, с текучей средой, выходящей из свободного пространства, ограниченного между первым и вторым каналами, причем такой второй канал расположен в начале выпускного отверстия первого канала.

Другими словами, получение выпускного отверстия первого канала с поверхностью, имеющей осевую симметрии, раззенкованной в направлении к внешней стороне этого канала, предпочтительно дает возможность предотвращения образования области тени (области, не имеющей отношение к прохождению первичной текучей среды), расположенной между конечной частью первого канала и точкой смешивания реагентов текучей среды.

В соответствии с испытанием, проведенным автором этой заявки, в такой области тени - горелок, соответствующих предшествующему уровню техники, - при высокой температуре имеют место высокотемпературные турбулентные потоки текучей среды, причем форма высокоскоростных постоянных вихрей ответственна за быстрый термический износ выпускного отверстия первого канала.

Такое преимущество главным образом увеличивается в случае текучей среды, проходящей внутри первого канала, выходящей из последнего с движением по спирали.

По этой причине горелка, соответствующая настоящему изобретению, предпочтительно содержит дополнительные средства для побуждения движения по спирали текучей среды, подаваемой в первый канал вблизи, по меньшей мере, концевой части.

Таким образом, текучая среда, выпускаемая из первого канала, расширяется в направлении к внешней стороне, упрощая постоянное сцепление такой текучей среды с раззенкованной поверхностью выпускного отверстия, предотвращая еще более надежным способом преждевременное неравномерное распределение текучей среды из выпускного отверстия и, следовательно, образование области тени ниже по технологической цепочке от выпускного отверстия, где проходит поток высокотемпературного газа.

С целью получения оптимального сцепления текучей среды, выходящей из первого канала, с выпускным отверстием описано три предпочтительных варианта осуществления настоящего изобретения.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения поверхность, имеющая осевую симметрию, выпускного отверстия первого канала предпочтительно является конической (конической раззенковкой).

Особенно удовлетворительные результаты были получены с помощью поверхности, имеющей осевую симметрию, которая имеет конусность, составляющую 20-80°, а предпочтительно - 30-60°.

В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения поверхность выпускного отверстия с осевой симметрией первого канала имеет в осевом сечении криволинейный профиль.

В этом случае особенно удовлетворительные результаты были получены благодаря касательной криволинейного профиля, наклон которой непрерывно изменяется относительно прямолинейной оси концевой секции первого канала от 0° до максимум 90°.

В соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения поверхность, имеющая осевую симметрию, выпускного отверстия первого канала содержит в осевом сечении часть с криволинейным профилем и часть с прямолинейным профилем.

Этот вариант осуществления настоящего изобретения является особенно предпочтительным ввиду того, что он обеспечивает возможность получения простой и очень точной конфигурации раззенковки выпускного отверстия первого канала.

В этом отношении участок с прямолинейным профилем расположен предпочтительно в наиболее периферийной области поверхности с осевой симметрией.

В соответствии с этим вариантом осуществления особенно удовлетворительные результаты были получены при угле, образованном участком прямолинейного профиля относительно прямолинейной оси концевой части первого канала, составляющем 30-90°, а предпочтительно 40-80°.

Элементы и преимущества настоящего изобретения станут очевидными главным образом из описания примера варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, сделанного со ссылкой на чертеж для иллюстрации, но не для ограничения настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

На чертеже представлено схематическое осевое сечение горелки, соответствующей предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

На чертеже ссылочным номером 1 указан элемент горелки, а более конкретно ее оконечная часть, соответствующая предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Горелка 1 содержит первый трубчатый канал 2, имеющий, по меньшей мере, концевую часть 3 с прямолинейной осью 12, имеющей выпускное отверстие 4.

Как следует из чертежа, концевая часть 3 имеет форму прямолинейной цилиндрической части.

На чертеже ссылочным номером 5 указан второй трубчатый канал, внешний и соосный по отношению к первому каналу 2, с которым он ограничивает свободное пространство 6 по существу кольцевого сечения, имеющий, по меньшей мере, один конец 7 и соответствующее выпускное отверстие 8, окружающее выпускное отверстие 4 первого канала 2.

Соответствующая длина каналов 2 и 5 не является критической в соответствии с настоящим изобретением. В одном примере, иллюстрируемом на чертеже, внешний канал 5 имеет немного большую длину по сравнению с длиной внутреннего канала 2.

Кроме того, горелка 1 содержит специальные средства, предназначенные для обеспечения подачи в первый канал 2 и в свободное пространство 6 независимых текучих сред, включающих в себя соответственно топливо и поддерживающую горение текучую среду или наоборот.

Такие средства, которые сами по себе не являются обычными и поэтому не показаны в элементе горелки, иллюстрируемом на чертеже, содержат, например, приемные входные патрубки подачи текучих реагентов для обоих каналов 2 и 5.

Горелка 1, соответствующая настоящему изобретению, отличается от горелок, соответствующих предшествующему уровню техники, в том отношении, что выпускное отверстие 4 первого канала 2 предпочтительно содержит одну поверхность 9 с осевой симметрией, раззенкованную в направлении наружу от этого канала.

В частности, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, иллюстрируемым на чертеже, выпускное отверстие 4 содержит в осевом сечении участок 10, имеющий криволинейный профиль, и участок 11, имеющий прямолинейный профиль.

Кроме того, участок 11, имеющий прямолинейный профиль, предпочтительно расположен в периферийной части выпускного отверстия 4. В этом случае механическая конструкция выпускного отверстия 4 внутреннего канала 2 становится значительно проще.

Особенно удовлетворительные результаты в отношении сцепления выходящего потока текучей среды с внутренним каналом 2 с выпускным отверстием 4 были получены при получении участка 11, имеющего прямолинейный профиль, так, чтобы образовывать угол с осью 12 прямолинейной концевой части 3, составляющий, например, 50-70°.

В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения также предпочтительно, хотя и не показано на чертеже, чтобы поверхность 9 с осевой симметрией выпускного отверстия 4 первого канала 2 была конической или в альтернативном варианте осуществления профиль в осевом сечении был криволинейным.

В первом случае поверхность 9, имеющая осевую симметрию, является конической, например, конусность составляет 40-50°.

Во втором случае касательная криволинейного профиля относительно прямолинейной оси 12 концевой части 3 первого канала 2 изменяет свое положение, предпочтительно непрерывно от 0 до максимальной величины, составляющей 90°.

Необходимо отметить, что во всех этих вариантах осуществления настоящего изобретения концевая часть с прямолинейной осью внешней стенки 2а первого канала 2 (горизонтальная на чертеже) завершается в вершине 13 раззенкованного выпускного отверстия 4. Фактически, к удивлению было обнаружено, что в этом случае оптимальное сцепление было получено при текучей среде, выходящей из канала 2, с выпускным отверстием 4, и, следовательно, оно способно полностью предохранять часть канала 2 от коррозионного воздействия высокотемпературных газов.

Для обеспечения гарантии более хорошего сцепления текучей среды, выходящей из канала 2, с выпускным отверстием 4, предпочтительно побуждать поток текучей среды двигаться по спирали в концевой секции 3. В этом случае, когда текучая среда достигает выпускного отверстия 4, она расширяется, входя в контактное взаимодействие с раззенкованной поверхностью 9.

В этом случае горелка 1, соответствующая предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, иллюстрируемая на чертеже, содержит предпочтительные средства, предназначенные для движения текучей среды, подаваемой в первый канал 2, по спирали вблизи концевой части 3.

Такие средства содержат, например, одно или более ребер 14, соответственно спрофилированных и, в конечном счете, расположенных под углом относительно продольной оси 12, расположенных вблизи конца несущего стержня 15, который проходит коаксиально на заданную длину в проходе 16, ограниченном первым каналом 2.

Ребра 14 предусмотрены так, чтобы сообщать текучей среде требуемое вращение или завихрение. Предпочтительно, чтобы было предусмотрено множество ребер 14, проходящих по спирали на стержне 15.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, который не иллюстрируется, такие средства могут быть, например, получены путем соответствующего профилирования первого канала 2 или стержня 15.

На чертеже ссылочными номерами 17 и 18 указаны полости, полученные в толщине стенки первого канала 2 и второго канала 5 соответственно, предназначенные для прохода охлаждающей текучей среды, например воды, для регулирования температуры каналов 2 и 5.

Однако такие полости 17 и 18 являются полностью факультативными и могут быть исключены в зависимости от температурных условий работы горелки.

Хотя в примере, иллюстрируемом на чертеже, горелка 1 содержит только два трубчатых канала 2 и 5, внутренний и внешний соответственно, настоящее изобретение может предпочтительно найти также применение в горелках, содержащих три или более соосных между собой каналов, предназначенных для подвода реактивных текучих сред.

При использовании горелка 1, соответствующая настоящему изобретению, работает следующим образом.

Первой реактивной текучей среде, например текучей среде, поддерживающей горение, позволяют проходить внутрь первого канала 2 (проход 16), тогда как второй реактивной текучей среде, например топливу, позволяют проходить в свободное пространство 6, ограниченное между внутренним каналом 2 и внешним каналом 5.

Такие текучие среды подают в канал 2 и, соответственно, в свободное пространство 6 посредством подающих средств, описанных выше, но не показанных на чертеже.

Горелка 1, соответствующая настоящему изобретению, может также работать с текучей средой, поддерживающей горение, подаваемой во внешний канал 5, и топливом, подаваемым во внутренний канал 2.

В качестве поддерживающей горение текучей среды может быть использован, например, газовый поток, содержащий кислород, воздух, обогащенный кислородом воздух или предпочтительно чистый кислород.

В качестве топливной текучей среды вместо этого используют поток, содержащий углеводороды, предпочтительно газообразные.

Используемый в этой заявке термин "углеводороды", в общем, относится к углеводороду или углеводородным смесям, насыщенным и/или ненасыщенным, легким и/или тяжелым (например, С1-С6).

Используемый в этой заявке термин "газовый поток, содержащий углеводороды", относится к текучей среде, содержащей газообразные углеводороды, подобные, например, метану или природному газу или газовому потоку, содержащему твердое топливо во взвешенном состоянии (например, порошок угля или сажу) или еще газообразный поток, содержащий жидкие углеводороды в дисперсной системе (например, легкие углеводороды или тяжелые углеводороды, которыми являются лигроин нафта и топочный мазут).

После пересечения прохода 16 внутреннего канала 2, а также свободное пространство 6 между каналами 2 и 5 потоки текучих сред проходят через соответствующие выпускные отверстия 4 и 8 в камеру сгорания вне горелки 1 (не показано), где имеет место сгорание.

Горелка 1, соответствующая настоящему изобретению в частности, но не исключительно, предназначена для частичного или полного окисления газообразных углеводородов.

Благодаря особой раззенкованной конфигурации выпускного отверстия 4 первого канала текучая среда, выходящая из последнего, своевременно отводится и расширяется против всей поверхности 9 такого выпускного отверстия 4, которое, таким образом, предохраняется от коррозионного воздействия высокотемпературных газов, водорода и кислорода, циркулирующих в выпускных отверстиях горелки.

Такое расширение затем дополнительно активируется благодаря наличию во внутреннем канале 2 средств 14 для побуждения движения по спирали текучей среды, выходящей из выпускного отверстия 4.

Наличие потока реактивной текучей среды, которая входит в полное контактное взаимодействие с выпускным отверстием 4 внутреннего канала 2, предпочтительно препятствует образованию постоянных вихрей высокотемпературных газов в выпускном отверстии 4, предохраняя такое выпускное отверстие от преждевременного термического износа.

Необходимо отметить, что выпускные отверстия и концевая часть большинства горелок, соответствующих предшествующему уровню техники, имеют срок действия, составляющий только несколько месяцев, после которого отверстия должны быть заменены при остановке производства.

Благодаря настоящему изобретению срок действия концевой части горелок значительно увеличивается, обеспечивая возможность непрерывной работы в течение нескольких лет без какой-либо необходимости замены и, следовательно, давая возможность горелке работать с длинными рабочими циклами.

В этом случае значительно уменьшаются потери производства и затраты на техническое обслуживание и ремонт.