Вихрови горелки

ТоплоенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2015

Kато устройство, грижещо се за контрола и регулирането на процесите по постоянното изгаряне на горивото в дадена отоплителна система, е важно горелките да са съобразени с изискванията за безопасност. От друга страна обаче, от горивните системи се очаква да отговарят на постоянно нарастващите очаквания за повишаване на енергийната ефективност и екологосъобразността на конкретното производство.

Подходящо решение, набиращо все по-голяма популярност в различни сфери на индустрията, са т. нар. вихрови горелки. Те намират приложение в различни производства с екстремни условия на работа, както и в електроцентрали, използващи въглеводородни горива и горивни смеси.

Вихровите горелки се основават на нов принцип на функциониране на самия горивен процес, а именно подаването на гориво и „първичен” и „вторичен” въздух поотделно, като последният се завихря. Чрез вихровите горелки прахообразната горивна смес и вторичният въздух се подават в пещта във вид на усукани струи.

Нискоемисионните вихрови горелки работят с производителност от 4 до 11-12 t/h, което определя тяхната топлинна мощност от 25 до 75 МW.

Структурата на горивната смес, която излиза от вихровите горелки, до голяма степен зависи от вида и конструкцията на завихрящите устройства. Когато устройството завихря в една спирала, завъртането на потока зависи от съотношението на площта на напречното сечение на усукване на входа на тръбата към квадрата на диаметъра на изходната секция, чиято препоръчана стойност е в диапазона 0,4-0,6. Лопатковите устройства се изработват с въртящи се по допирателната или неподвижни перки на входа на канала за вторичен въздух или с осеви перки на изхода на канала за вторичния въздух.

Вихровите горелки са се доказали при парогенераторите със средна производителност и там те намират най-голямо приложение. С прехода към мощни и свръхмощни парогенератори ролята на този вид горелки намалява.

Устройство на вихровите горелки

Вихровите горелки се състоят от горивна камера и пламъчна тръба, които са отделени една от друга чрез регулатор, контролиращ изгарянето на горивовъздушната смес. В горивната камера са разположени една изпарителна система, инсталирана към вътрешната страна на стената на камерата, запалваща система и втора изпарителна система с отвор за подаване на въздух.

В предната част е монтиран и центробежен компресор, който е фиксиран върху цилиндричната горивна камера, на която е монтиран и фланец с радиални отвори за всмукване на въздух. Възпламеняващото устройство е разположено в корпуса на компресора срещу специален отвор, през който постъпва горивовъздушната смес. Изпарителят на горивната камера е с ъглов преход към цялата площ на фланеца и е свързан коаксиално с вътрешната част на стената на горивната камера по дължината на тръбата.

Метод на изгаряне на горивото

Методът на изгаряне на горивовъздушната смес при вихровите горелки се състои в отделно подаване на гориво и окислител (обикновено въздух) чрез разпределение и възпламеняване на горивото под формата на тънък филм. Двете струи се сблъскват с лопатковите устройства и се смесват, като горивовъздушната смес се разлива по лопатките, образувайки тънък слой, който се разпръсква към стените на горивната камера. Сместа се завихря и възпламенява в горивната камера.

Горящата смес затопля отново контактните зони и благодарение на топлообмена през стените на лопатките загрява предварително слоевете подавано гориво и окислител преди смесването им. Скоростта на подаване на струите гориво и окислител се поддържа между 6 и 8 m/sec, а ъгълът на сблъскване на двете струи със стената на камерата - между 90 и 120° по посока на стичането на горивовъздушния филм.

Нискозавихрящи горелки

В основата на низкозавихрящите горелки е лопатково завихрящо устройство с два канала за движение на флуидите. Двата реагента - горивото и оксидантът, преминават през отворите на централния канал и празните места между лопатките. Тази конструкция осигурява ниско и равномерно завихряне, което произвежда стабилен пламък.

Нисковихровото изгаряне е аеродинамичен метод за стабилизация на пламъка. Разработен първоначално за научни цели, методът постепенно се доказва като фундаментално различна и по-ефективна алтернатива на високовихровото изгаряне поради специфичния турбулентен поток и качествата на пламъка. Технологията позволява висока гъвкавост при проектирането на различни конструкции нисковихрови горелки.

Благодарение на отличните си възможности за изгаряне на ултратънки слоеве горивовъздушна смес и произвеждане на изключително тънки пламъци, които излъчват много малки количества азотни оксиди, иновативният нисковихров метод постепенно се утвърждава като ултранискоемисионна, опростена и стабилна технология при нискоемисионните горелки, интегрирани в индустриални отоплители и газови турбини за производството на електричество.

Нисковихровото изгаряне може да бъде изпълнено по два начина. Оригиналният подход използва малки струи гориво и окислител, като подаващите дюзи сами генерират завихрянето благодарение на оттласкването на струята от стената на горивната камера и движението й в окръжност около оста на въртене в посоката на стичане на горивовъздушната смес.

Впръскването на предварително смесен флуид

от гориво и окислител е широко разпространена технология при вихровите горелки. За целта се използват газообразни горива, които се смесват равномерно с количество въздух, по-голямо от необходимото за изгарянето им. Получава се горене с излишък на въздух. При този метод пламъкът съзнателно бива отслабен с цел потискане образуването на азотни оксиди чрез поддържане на по-ниска температура на пламъка.

Отслабването на пламъка, за съжаление, води до някои нежелани ефекти, включително високи емисии на въглероден монооксид, непълно изгаряне, а понякога и нестабилност на пламъка. Такава нестабилност би могла да предизвика сериозни колебания в налягането в горивната камера, което от своя страна да повреди или блокира двигателите и оборудването. Нисковихровото изгаряне може да се справи с предизвикателствата на изгарянето на предварително миксирана горивовъздушна смес и да се възползва от всички негови предимства.

С повишените изисквания към екологичната политика на производствата в световен мащаб се счита, че внедряването на решения като нискоемисионни горелки, каквито са вихровите, е добро решение за намаляване на вредното влияние върху околната среда. Използването им, наред с екологичните ползи, елиминира необходимостта от използването на допълнително оборудване. Нискоемисионните вихрови горелки са относително евтино и лесно за приложение решение, като тяхно основно предимство е възможността да бъдат монтирани както на съществуващи, така и на нови котли.

Статията е реализирана със съдействието на доц. д-р инж. Пенка Златева


Top