CZ6691U1 - Nízkoemisní kombinovaný plynový hořák - Google Patents

Description

Oblast techniky

Řešení se týká výkonového nízkoemisního kombinovaného plynového hořáku, vhodného pro současné spalování jednoho i více druhů topných plynů o nízké nebo proměnlivé výhřevnosti, majících odlišné vlastnosti, který je využitelný zejména v oblasti energetiky, hutního průmyslu a plynárenství.

Dosavadní stav techniky

V současné době jsou běžné výkonové kombinované hořáky, které jsou konstruovány na spalování jednoho druhu topného plynu. Tyto hořáky jsou opatřeny jedním přívodem topného plynu, jedním přívodem plynu zapalovacího a jedním přívodem plynu stabilizačního. Topným plynem se přitom rozumí plyn o nízké, nebo o proměnlivé výhřevnosti. Jako zapalovací plyn a jako stabilizační plyn se používá plyn o vysoké výhřevnosti. Jako stabilizační plyn se někdy používá i topný plyn, pokud má dostatečnou kvalitu. Do hořáku se vhání kromě spalovaných plynů také vzduch, nebo jiné plynné médium obsahující kyslík. Proto bývají hořáky opatřeny také přívodem vzduchu. Vzduch nebo kyslíkaté médium bývá přiváděn jediným přívodem a prostory pro rozvod vzduchu jsou navzájem propojeny. Některé hořáky jsou opatřeny dvěma přívody vzduchu, jejich rozvodné prostory však nejsou odděleny, jsou propojeny. Každý ze spalovaných plynů tak nemá svůj vlastní, specificky seřízený přívod vzduchu, nýbrž přívod vzduchu je regulován pro všechny spalované plyny společně. Regulace se realizuje prostřednictvím regulační klapky, umístěné ve společném jediném přívodu. Rozvod topného plynu a zapalovacího a/nebo stabilizačního plynu je realizován zpravidla prostřednictvím rozvodných trubic a meziprostor mezi nimi. Rozvodné trubice jsou ukončeny ústím umístěným ve vzduchové komoře, které je opatřeno alespoň jedním vířičem. Vířič bývá ve formě vířivé, nebo proudové plynové hubice hořáku. Vzduch, topný plyn a stabilizační plyn a/nebo zapalovací plyn se tak přivádí navzájem oddělenými prostorami až na místo smísení, které se nachází v ústí na výstupu hořáku. Tam bývají za účelem dokonalého smísení umístěny směšovací vířivé lopatky. Množství vzduchu na vstupu do vzduchové komory je regulováno prostřednictvím klapky, která je uložena otočně ve vstupním kanálu, s osou otáčení ve středu vstupního kanálu, kolmo k jeho ose. Nevýhodou stávajících hořáků je, že jimi lze spalovat pouze jeden druh topného plynu. Stabilizační plyn nebo zapalovací plyn u stabilizačních hořáků nelze považovat v tomto smyslu za druhý topný plyn, protože musí být vysoké kvality a slouží jen pro zapalování nebo stabilizaci hoření topného plynu o nižší výhřevnosti. V energetice, hutním průmyslu a plynárenství, mají-li být spalovány současně dva nebo více druhů topných plynů, musí být použito několik hořáků, což je prostorově, manipulačně i ekonomicky náročné. Stávající hořáky jsou také nevýhodné tím, že je omezena kvalita spalování v důsledku nemožnosti jeho kvalitní regulace spalování a že mají relativně vysoké emise nežádoucích zplodin.

-1CZ 6691 Ul

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje navržené řešení. Jeho podstatou je, že je navržen nízkoemisní výkonový kombinovaný plynový hořák, který je opatřen alespoň dvěma přívody vzduchu a současně alespoň dvěma přívody topného plynu a alespoň jedním přívodem stabilizačního a/nebo zapalovacího plynu, přičemž jak jednotlivé přívody vzduchu, tak i jednotlivé přívody topného plynu a přívod pomocného plynu, čili stabilizačního a/nebo zapalovacího plynu, mají každý své samostatné rozvodné prostory, jejichž výstupy se nachází v ústí hořáku. Média z každého přívodu jsou v tomto hořáku rozváděna prostřednictvím rozvodných prostor odděleně, a to až k ústí hořáku, kde dochází k hoření. Každý spalovaný plyn tak může mít přívod vzduchu, který je podle potřeby regulovatelný. To umožňuje vytvoření diferencovaných směsí na ústí hořáku a jejich individuální regulaci podle konkrétních vlastností plynu, výkonu hořáku a emisí tak, aby docházelo k optimálnímu spalování. Hořák umožňuje současné spalování jednoho, dvou i více druhů topných plynů o nízké kvalitě, proměnlivých vlastnostech a odlišné výhřevnosti. Je vhodný především pro topné plyny, které jsou odpadními plyny v energetice, plynárenství a hutnictví. V minimální uvedené verzi přívodů, kdy je hořák opatřen jedním přívodem vzduchu pro dva přívody topného plynu, má tento jeden regulovaný přívod vzduchu následné rozvodné prostory rozděleny tak, že mají dva výstupy, každý pro jeden výstup topného plynu.

Optimální počet přívodů vzduchu u navrženého hořáku závisí na druhu, kvantitě a kvalitativních vlastnostech spalovaných plynů. Pro hořák se stabilizačním a zapalovacím plynem je nutný alespoň jeden přívod vzduchu pro zapalovací plyn, alespoň jeden přívod vzduchu pro stabilizační plyn a alespoň jeden přívod vzduchu pro topné plyny. To umožňuje sladění přívodů a dokonalou regulaci spalování tak, že je minimální tvorba nežádoucích emisí. Je třeba, aby již při výrobě byl hořák zkonstruován podle toho, jaké topné plyny v něm budou spalovány. Pro některé topné plyny může lépe vyhovovat složitější varianta hořáku, a to hořák mající pro každý přívod topného plynu samostatný přívod i rozvodné prostory vzduchu, regulované samostatně podle aktuální potřeby prostřednictvím alespoň jedné klapky v každém z těchto přívodů vzduchu.

Jako rozvodné prostory jsou nově použity nejen rozvodné trubice, ale také další meziprostory v hořáku nacházející se vně těchto trubic. Tím se rozumí meziprostory nacházející se v základní skříni a přídavných skříních hořáku. Rozvodné prostory každého média jsou účelně vytvořeny tak, aby byly odděleny od ostatních rozvodných prostor. Jsou tedy využity nejen prostory v trubicích, jako jsou prostory uvnitř trubic nebo mezikruží mezi do sebe vloženými rozvodnými trubicemi, ale i jiné meziprostory nacházející se v tělese hořáku, jako jsou meziprostory mezi rozvodnými trubicemi, přírubami a stěnami skříní hořáku. Využití meziprostor v hořáku pro rozvod médií je prostorově účelné. Tyto meziprostory lze již při výrobě hořáku podle potřeby objemově a tvarově přizpůsobit budoucí potřebě průtoku s ohledem na konkrétní vlastnosti používaných plynů.

Ústí rozvodných prostor všech hořáku, přibližně v jedné rovině.

médií je umístěno v ústí Ústí je opatřeno hubicemi

-2CZ 6691 Ul a vířivými vložkami pro zajištění promísení spalovaného plynu a vzduchu. Typ každé hubice nebo turbulentní vložky je zvolen podle tepelného výkonu a vlastností plynu, což umožňuje upravit podmínky pro spalování zejména s ohledem na konkrétní i proměnlivé vlastnosti spalovaného plynu a požadovaný výkon hořáku. Hubice nebo turbulentní vložky mohou být vyměnitelné, aby bylo možno provádět opravy a měnit požadovanou délku plamene. Vířivé vložky i hubice jsou výhodně opatřeny rotačními prvky s tangenciálním vývodem ve stejném směru. Rotace všech médií na jejich výstupu je tudíž souběžná, což podstatně zvýší stabilitu zapalování a hoření všech plynů a sníží nežádoucí emise zplodin.

Konstrukčně nejvhodnější je, pokud je nízkoemisní kombinovaný plynový hořák uspořádán stavebnicově pomocí alespoň jedné příruby, na níž jsou upevněny rozvodné trubice jednoho druhu spalovaného plynu. Příruby umožňují vzájemné upevnění skříní hořáku a vytvářejí současně potřebné přepažení rozvodných prostor. Při použití přírub je hořák stavebnicový podle potřeby a lze jej snadno sestavit i demontovat, zejména za účelem montáže, oprav, případných úprav, nebo za účelem změny počtu přívodů spalovaných plynů a vzduchu. Optimální je, pokud má každý druh spalovaného plynu rozvodné trubice upevněny na jedné přírubě, například na jedné přírubě mohou být upevněny rozvodné trubice pro stabilizační plyn, na jiné pro topný plyn. Pak jsou v hořáku uspořádány rozvodné trubice pomocí přírub vyjímatelně, podle druhů spalovaných plynů. To umožňuje konstrukční úpravu hořáku podle požadovaného počtu spalovaných plynů a jejich vlastností, jako například použití většího či menšího počtu trubic, širších či užších průměrů rozvodných trubic podle aktuální potřeby kombinace přiváděných množství a poměrů plynů a vzduchu, apod.

Přívody vzduchu jsou za účelem regulace opatřeny regulační klapkou, která je uchycena otočně na vstupu do vzduchové komory, s osou otáčení umístěnou u stěny vstupu do vzduchové komory. Klapka je opatřena koncovým ohybem. Ohyb je takového tvaru a sklonu, aby při pootevření klapky při přivádění vzduchu vytvořila klapka v přívodu dýzu. Takto konstruovaná a uchycená klapka má lineární charakteristiku, na rozdíl od stávajících klapek umístěných s osou otáčení ve středu vzduchové komory. Stanovení množství přiváděného vzduchu je podstatně jednodušší a je možná plynulá regulace výkonu hořáku, emisí, průběhu spalování a délky plamene. Regulační klapka je v počtu alespoň jedné umístěna v přívodu vzduchu pro topné plyny a v přívodu vzduchu pro stabilizační plyn. Pro přívod vzduchu pro zapalovací plyn postačuje ovládání běžným způsobem, například prostřednictvím ventilu.

Přívody topných plynů, stabilizačního plynu a jejich přívody vzduchu jsou vedeny s výhodou shora, aby spalovaná média byla přiváděna se spádem, což umožňuje aby i u nečistých surových plynů nečistoty z hořáku plynule odcházely a dokonale se spalovaly.

Hlavní výhodou navrženého výkonového kombinovaného hořáku je, že umožňuje spalovat v jednom zařízení současně více druhů topných plynů různých vlastností. V důsledku možnosti regulace spalování každého plynu, umožňuje také snížení emisí škodlivin. Je vhodný k využití všude tam, kde je požadováno hospodárně spalovat dva a více druhů i odpadních plynů s velkým regulačním rozsahem, zejména v oblasti energetiky, hutního průmyslu a plyná-3CZ 6691 Ul renství.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je blíže objasněno pomocí výkresů, kde znázorňují obr. 1 podélný částečný řez plynovým hořákem pro dva druhy topných plynů a obr. 2 pohled na hořák ze strany opačné ústí hořáku.

Příklad provedení technického řešení

Příkladným provedením technického řešení je výkonový nízkoemisní kombinovaný plynový hořák pro spalování dvou druhů odpadních topných plynů podle obr. 1 a obr. 2.

Základ tělesa hořáku tvoří základní skříň 1. Na ní je proveden první z celkem tří přívodů vzduchu 2. do tělesa hořáku. Tento a další přívod vzduchu 2, na hořáku umístěné nahoře a ústící do samostatných vzduchových komor 3.' » 2' ' t jsou opatřeny každý jednou regulační klapkou 4.. Ta je uchycena otočně na hřídeli 5, umístěné u stěny těchto přívodů vzduchu 2. Na jednom konci hřídele 5 je upevněno protizávaží 6 ke klapce 4, druhý konec je určen pro připojení pohonu ovládání. Konec regulační klapky 4 je opatřen ohybem pro vytvoření vstupní dýzy. Vstupní dýza se v důsledku tohoto ohybu vytváří v přívodu vzduchu 2 při pootevření regulační klapky 4.

Na základní skříni 1 jsou uchyceny přídavné skříně 7, které jsou v tomto konkrétním případě tři. První přídavná skříň 7' je upevněna k základní skříni 1, další přídavné skříně 7’', 7''' následují. Přídavné skříně 7 jsou uloženy za sebou a současně do sebe tak, že podle potřeby vytvářejí labyrint využitelný jako rozvodné prostory.

Hořák je opatřen dvěma přívody topných plynů 8, 9, a to přívodem prvního topného plynu 8, ústícím do druhé přídavné skříně 7' ' a druhého topného plynu 9, ústícím do první přídavné skříně 7'. Dále je opatřen přívodem stabilizačního plynu 10, ústícím do třetí přídavné skříně 7''' a přívodem zapalovacího plynu 11. umístěným na konci hořáku. Každý ze spalovaných plynů 8, 9, 10.

má zajištěn potřebný přítok vzduchu 2. Přívod vzduchu 2, umístěný na konci hořáku proti přívodu zapalovacího plynu 11, je pro zapalovací plyn 11, zbývající dva, opatřené klapkou 4, jsou jeden pro stabilizační plyn 10 a jeden pro topné plyny 8, 9. Rozvod každého spalovaného plynu 8, 9, 10, 11, a také rozvod vzduchu 2 z každého přívodu vzduchu 2 je realizován samostatnými rozvodnými prostorami, odděleně od ostatních médií a s vyústěním ve společném ústí 12 hořáku. Přívody obou topných plynů 8, 9. a stabilizačního plynu 10 i přívody vzduchu 2 pro jejich spalování jsou vedeny shora, se spádem. Rozvod zapalovacího plynu 11 a stabilizačního plynu 10 je realizován prostřednictvím rozvodných trubic 13, a to centrálně uložené zapalovací trubice 13' pro zapalovací plyn 11 a stabilizační trubice 13'' pro stabilizační plyn 10. Zapalovací trubice 13' sestává z dvojice v sobě uložených rozvodných trubic 13, k rozvodu je zde využito i mezikruží 14, takže také zde jsou rozvodné prostory rozváděných médií, tj. zapalovacího plynu 11 a pro něj přiváděného vzduchu 2, až k ústí hořáku odděleny. V ústí 12 hořáku je zapalovací trubice 13'

-4CZ 6691 Ul na jejím konci opatřena hubicí 16 pro zajištění smísení zapalovacího plynu 11 a vzduchu 2.

Další hubice 16 se nachází na i koncích ostatních rozvodných trubic 13 v ústí 12 hořáku, mimo to jsou tam umístěny také vířiče 17 ve formě lopatek.

Rozvod prvního topného plynu 8 je realizován za jeho přívodem nejprve prostřednictvím meziprostor 15 ve druhé přídavné skříni 7'', vymezených labyrintem vytvořeným mezi přírubami 18, stěnami druhé přídavné skříně 7'' a první vzduchové komory 3' a poté je realizován prostřednictvím topných trubic 13''', které na uvedené meziprostory 15 navazují. Rozvod druhého topného plynu 9 je realizován prostřednictvím oddělených meziprostor 15 hořáku mezi vzduchovými komorami 3', 3_' ', nejprve v první přídavné skříni 7' a následně v základní skříni 1. Jak je patrné, k rozvodu prvního topného plynu χ a stabilizačního plynu 10 jsou jako část jejich rozvodných prostor využity meziprostory 15 v hořáku, k rozvodu druhého topného plynu 9. jsou využity výhradně meziprostory 15.

Ústí 12 hořáku je opatřeno prvky k míšení médií. Na ústí zapalovací trubice 13 ' pro míšení vzduchu 2 a zapalovacího plynu 11, na ústí stabilizačních trubic 13 ¹' pro míšení vzduchu 2 a stabilizačního plynu 10 a na ústí topných trubic 13.’ ' ' pro míšení vzduchu 2 a prvního topného plynu χ jsou to hubice 16. Na ústí rozvodných prostor přivádějících druhý topný plyn 9 jsou to vířiče 17. Prvky pro míšení médií, tj. hubice 16 a vířiče 17, jsou opatřeny rotačními prvky s tangenciálním vývodem uloženým ve stejném směru (na obrázcích nejsou znázorněny).

Hořák je rozebíratelný, nebot je uspořádán do sekcí spojených navzájem pomocí oddělitelných přírub 18. Příruby 18. tj. kruhové desky s otvory, jsou oddělitelné pomocí běžných upevňovacích prvků jako šroubů, apod. Umožňují stavebnicovou montáž, nebo demontáž přídavných skříní 7', 7'', 7''’ a základní skříně 1 podle potřeby a současně vytvářejí potřebné uzavření, resp. přepažení rozvodných prostor. Rozvodné trubice 13 jsou na těchto přírubách 18 uspořádány podle druhů spalovaných plynů, a to tak, že každá příruba 18 s trubicemi 13 má na sobě upevněny rozvodné trubice 13 pro jiný druh spalovaného plynu. Jedna příruba 18 má podle znázorněného příkladného provedení připevněny stabilizační trubice .13 ' , jiná topné trubice 13 ' ' ' . Další příruba 18 slouží jako spojovací prvek pro upevnění základní skříně 1 a první přídavné skříně 7’ navzájem a k rozdělení rozvodných prostor mezi nimi, a tedy i meziprostor 15 tak, že vytváří přepážku mezi do nich přiváděnými médii. Také výstup 19 z hořáku je upevněn pomocí jedné příruby 18. Ta již nenese žádné trubice 13 , je v hořáku za účelem přístupnosti k ústí 12 hořáku pro potřeby montáže, údržby, výměny hubic 16 nebo vířičů 17 nebo výstupu 19.

Výstup 19 z hořáku je ve tvaru dýzy. Za účelem hlídání plamene je hořák opatřen kukátkem 20 a hlídačem plamene ve formě signálního zařízení (na obr. 1, 2 není znázorněno).

Zařízení funguje následovně.

Nejprve se otevře přívod vzduchu 2 pro zapalovací plyn 11

-5CZ 6691 Ul a přívod zapalovacího plynu 11 do zapalovací trubice 12' , umístěné v centru hořáku. Jako zapalovací plyn 11 se použije některý ze známých k tomu účelu používaných plynů o vysoké výhřevnosti, například zemní plyn nebo koksárenský plyn, případně propanbutanová směs. Na ústí 12 hořáku se média smísí a jsou zapálena. Poté se otevře přívod vzduchu 2 pro stabilizační plyn 10 a po něm přívod stabilizačního plynu 10 do stabilizační části hořáku. Jako stabilizační plyn 10 se použije také plyn o vysoké výhřevnosti, například koksárenský nebo zemní plyn. Vzduch 2 pro stabilizační plyn 10 a stabilizační plyn 10 proudí navzájem odděleně. Stabilizační plyn 10 proudí prostřednictvím meziprostor 15 ve třetí přídavné skříni 7''' a poté prostřednictvím stabilizačních trubic 13¹', zatímco vzduch 2 pro jeho spalování proudí prostřednictvím vyhrazených meziprostor 15 ve druhé přídavné skříni 7¹', tj. v první vzduchové komoře 2'· Vzduch 2 a stabilizační plyn 10 se mísí v ústí 12, kde se zapálí od hořícího zapalovacího plynu 11. Poté se otevře třetí přívod vzduchu 2 a přívod prvního topného plynu 8, nebo druhého topného plynu 9. Přívod topného plynu 2 a/nebo 9 se reguluje tak, aby se zvětšovalo přiváděné množství topného plynu 2, í i vzduchu 2, až se dosáhne požadovaného tepelného výkonu hořáku. Nakonec se otevře přívod zbývajícího topného plynu 9 nebo 2· ^Jak je patrné, v tomto konkrétním případě mají oba topné plyny 2/ θ společný přívod vzduchu 2, zatímco stabilizační plyn 10 i zapalovací plyn 11 mají každý svůj vlastní přívod vzduchu 2.

První topný plyn 2 vstupuje do meziprostoru 15, načež proudí prostřednictvím topných trubic 13 ^{1 1 1} na ústí 12 do hubic 16. Druhý topný plyn 9 proudí k ústí 12 jiným meziprostorem 15, začínajícím mezi základní skříní 1 a první přídavnou skříní 7' hořáku a přírubami 12, a pak pokračujícím mezikružím mezi vzduchovými komorami 2'z 2''· Na ústí 12 se druhý topný plyn 9 a vzduch 2 mísí pomocí vířičů 17, které tvoří dýzu, zapálí se a hoří.

V ústí 12 se realizuje potřebné míšení médií pomocí hubic 16 a vířičů 17. Rotační prvky s tangenciálními vývody, kterými jsou opatřeny hubice 16 a vířiče 17 ve stejném směru, zajišťují dokonalé promísení spalovaných plynů 2z θz IQ z ϋ se vzduchem 2. K regulaci přiváděného množství vzduchu 2 pro spalování topných plynů 2z í ^a pro spalování stabilizačního plynu 10 slouží regulační klapky 4. Hořící směs všech plynů 8, 9, 10. H ^a vzduchu 2 vystupuje nakonec dýzou výstupu 19 hořáku do vnějších prostor.

Tímto zařízením bylo dosaženo využití spalování dvou nízkovýhřevných topných plynů 8, 9 s proměnlivými vlastnostmi, dosahující poloviny zákonných emisních limitů, a to s regulačním rozsahem od 15 % do 100 % jmenovitého výkonu hořáku.

Claims (2)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Nízkoemisní kombinovaný plynový hořák pro spalování topných plynů v kombinaci s alespoň jedním pomocným plynem, který je opatřen přívody spalovaných plynů a vzduchu, kde za každým přívodem se nachází na něj navazující rozvodné prostory

-6CZ 6691 Ul s ústím situovaným v ústí hořáku opatřeném alespoň jedním prvkem k víření médií, přičemž hořák má alespoň jeden přívod pomocného plynu a rozvodné prostory jsou pro každý přiváděný spalovaný plyn navzájem oddělené, a také rozvodné prostory vzduchu jsou oddělené od rozvodných prostor spalovaných plynů, vyznačující se tím, že přívody vzduchu /2/ jsou alespoň dva a jsou regulovatelné a přívody topných plynů /8, 9/ jsou alespoň dva, přičemž za každým z těchto přívodů následují rozvodné prostory vedoucí k ústí /12/ hořáku odděleně od prostor vedoucích od kteréhokoliv jiného přívodu.

2. Nízkoemisní kombinovaný plynový hořák podle nároku 1, vyznačující se tím, že je opatřen alespoň dvěma přívody pomocných plynů, a to alespoň jedním přívodem zapalovacího plynu /11/ a alespoň jedním přívodem stabilizačního plynu /10/ a současně je opatřen alespoň třemi přívody vzduchu /2/, z nichž je alespoň jeden přívod vzduchu /2/ pro zapalovací plyn /11/, alespoň jeden přívod vzduchu /2/ pro stabilizační plyn /10/ a alespoň jeden přívod vzduchu /2/ pro první topný plyn /8/ a druhý topný plyn /9/.

3. Nízkoemisní kombinovaný plynový hořák podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že rozvodné prostory v tělese hořáku se nachází nejenom uvnitř rozvodných trubic /13/, ale také v meziprostorách /15/ hořáku nacházejících se vně rozvodných trubic /13/.

4. Nízkoemisní kombinovaný plynový hořák podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že ústí /12/ hořáku je opatřeno hubicemi /16/ a vířiči /17/, které jsou opatřeny rotačními prvky s tangenciálním vývodem ve stejném směru.

5. Nízkoemisní kombinovaný plynový hořák podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že je uspořádán stavebnicově pomocí základní skříně /1/, alespoň jedné přídavné skříně /7', 7'', 7'''/ a alespoň jedné vůči nim oddělitelně upevněné příruby /18/, která je opatřena rozvodnými trubicemi /13/ pro jeden druh spalovaného plynu.

6. Nízkoemisní kombinovaný plynový hořák podle nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že přívody vzduchu /2/ pro spalování topných plynů /8, 9/ a pro spalování stabilizačního plynu /10/ jsou opatřeny alespoň jednou regulační klapkou /4/, která je uchycena otočně u stěny přívodu a je opatřena koncovým ohybem pro vytvoření vstupní dýzy.

7. Nízkoemisní kombinovaný plynový hořák podle nároků 2 až 6, vyznačující se tím, že všechny přívody topných plynů /8, 9/ i přívod stabilizačního plynu /10/ a jejich přívody vzduchu /2/ jsou umístěny na horní straně hořáku.

2 výkresy