PL218527B1 - Palnik na paliwo gazowe, zwłaszcza palnik pilotujący służący do zapalania mieszanki paliwowo-powietrznej i podtrzymania płomienia palnika głównego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest palnik na paliwo gazowe, zwłaszcza palnik pilotujący służący do zapalenia mieszanki paliwowo-powietrznej i podtrzymania płomienia palnika głównego, znajdujący zastosowanie w przemysłowych systemach spalania, w komorach spalania kotłów energetycznych, pieców hutniczych oraz kotłów grzewczych.

Znane jest urządzenie do wytwarzania i utrzymywania płomienia w palnikach głównych zwanych HRS od nazwy High-Cycle Regenrative Systems Burners wykorzystujące technologie spalania zwaną HITAC od nazwy High Temperature Air Combustion Technology. Palniki mają umieszczone w korpusie: koncentryczny podłużny przewód doprowadzający paliwo gazowe zakończony dyszą paliwa, zaś na zewnątrz na obwodzie znajduje się współśrodkowy przewód doprowadzający powietrze z czterema dyszami powietrza z wylotami skierowanymi ukośnie w stronę wylotu dyszy paliwa w komorze mieszania z świecą zapłonową, w którym komora mieszania przechodzi w rurę ogniową.

Celem wynalazku jest opracowanie nowej konstrukcji palnika, który zapewni ciągły stabilny płomień, służący do zapalania mieszanki paliwowo-powietrznej wytworzonej w palniku głównym i podtrzymaniu płomienia, w zmiennych warunkach pracy palnika głównego, takich jak: temperatura i ciśnienie panujące w komorze palnika, ciśnienie powietrza, ciśnienie gazu, temperatura otoczenia.

Według wynalazku usytuowane wzdłuż osi palnika komora powietrza i komora wstępnego spalania połączone są ze sobą dyszą powietrza, która od strony komory powietrza ma kształt leja w postaci stożka ściętego, a od strony komory wstępnego spalania zakończona jest przelotowym otworem, przy czym komora powietrza w kształcie walcowego cylindra w ścianie bocznej, korzystnie w jej połowie, w osi równoległej do stycznej przekroju poprzecznego walcowego cylindra posiada przewód doprowadzający powietrze, natomiast komora wstępnego spalania w kształcie walcowego cylindra w ścianie bocznej, korzystnie od strony dyszy powietrza posiada przewód doprowadzający z dyszą paliwa gazowego, której oś podłużna jest usytuowana prostopadle do osi podłużnej komory wstępnego spalania, a w części środkowej komory wstępnej znajduje się świeca zapłonowa z wydłużoną elektrodą oraz przeciwelektroda osadzone naprzeciw siebie w ścianie bocznej cylindra, których wspólne linie osiowe są prostopadłe do osi podłużnej komory wstępnego spalania, a wewnątrz ściany bocznej walcowego cylindra komory wstępnego spalania znajduje się pierścieniowe odsadzenie, natomiast za pierścieniowym odsadzeniem ściana boczna walcowego cylindra zakończona jest rurą ogniową z przelotowym otworem. W odmianie wynalazku ściana boczna walcowego cylindra komory wstępnego spalania posiada na zewnątrz płaszcz, pomiędzy którymi znajduje się komora chłodząca.

Palnik według wynalazku charakteryzuje się prostą budową i brakiem skomplikowanych elementów stabilizująco - zawirowujących, na skutek czego jego wytwarzanie jest proste, a koszty produkcji niskie. Palnik nie wymaga regulacji podczas eksploatacji a jego użytkowanie jest bezobsługowe. Wszystkie wiry potrzebne do prawidłowej i stabilnej pracy palnika wytwarzane są poprzez odpowiednie rozmieszczenie dysz powietrznych i gazowych w palniku. Jednocześnie przy prostocie konstrukcji, palnik charakteryzuje się bardzo wysoką odpornością na „zrywanie płomienia, dużą stabilnością pracy i małą wrażliwością na wahania ciśnienia panującego we wnętrzu komory spalania palnika głównego lub komory spalania pieca. Wszystkie te czynniki są bardzo ważne, ponieważ mają one decydujący wpływ na stabilną i nieprzerwaną pracę palnika głównego, a tym samym mają bezpośredni wpływa na ciągłą pracę całego bloku technologicznego, w którym palniki te są zainstalowane.

To rozwiązanie konstrukcyjne oparte na kilku obszarach stabilizacji płomienia spowodowało, że praca palnika jest niezwykle stabilna, gdyż pierwsza i bardzo silna stabilizacja płomienia następuje bezpośrednio w miejscu wtrysku paliwa w strugę powietrza, bezpośrednio za dyszą powietrza 3. Zjawisko to powoduje silne rozgrzewanie się ścianek komory wstępnego spalania 4, które to ścianki ulokowane są na zewnątrz palnika zasadniczego, a tym samym jest możliwy kontakt obsługi lub elementów systemu, ze ścianką komory wstępnego spalania 4 nagrzaną do temperatury nawet kilkuset stopni

Celsjusza. Aby tej sytuacji zapobiec, komorę wstępnego spalania osłonięto zewnętrznym płaszczem, a pomiędzy ściankę zewnętrzną komory wstępnego spalania 4 a płaszcz ochronny wprowadza się strumień powietrza chłodzącego ten element w ilości takiej aby temperatura płaszcza zewnętrznego nie była wyższa niż 150°C. Zabieg obniżenia temperatury tego elementu ma również na celu wydłużenie żywotności palnika.

Wynalazek w przykładzie wykonania pokazano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia palnik w widoku bocznym, fig. 2 - przekrój A - A poprzeczny palnika z fig. 1 pokazujący komorę powietrza w przekroju w miejscu osadzenia przewodu doprowadzającego powietrze, fig. 3 - przekrój B - B poPL 218 527 B1 przeczny palnika z fig. 1 pokazujący w przekroju komorę wstępnego spalania wraz z przekrojem dyszy paliwa gazowego z widokiem końcówki dyszy powietrza oraz przekrój komory chłodzenia, komory wstępnego spalania wraz z króćcem doprowadzającym powietrze do komory chłodzenia, fig. 4 - przekrój C - C poprzeczny palnika z fig. 1 pokazujący w przekroju komorę wstępnego spalania wraz z przekrojem świecy zapłonowej z przeciw elektrodą, fig. 5 - przekrój D - D poprzeczny palnika z fig. 1, fig. 6 - przekrój E - E poprzeczny palnika z fig. 1.

Palnik zawiera: komorę powietrza 1 z przewodem doprowadzającym 2, dyszę powietrza 3, komorę wstępnego spalania 4, komorę chłodzenia 5 komory wstępnego spalania 4, dyszę paliwa gazowego 6, świece zapłonową 7 z przeciw elektrodą 8, rurę ogniową 9 i czujnik płomienia 10, które umieszczone są w korpusie 11 wyposażonym w kołnierz mocujący 12. Komora powietrza 1, dysza powietrza 3, komora wstępnego spalania 4, czujnik płomienia 10 usytuowane są na tej samej osi wzdłużnej 13 korpusu 11.

Komora wstępnego spalania w postaci walcowego cylindra podzielona jest na dwie strefy za pomocą pierścieniowego odsadzenia nieznacznie zmniejszającego przekrój poprzeczny komory wstępnego spalania. Świeca zapłonowa osadzona poprzez połączenie gwintowe w ścianie komory prostopadle do osi wzdłużnej 13 komory, po przeciwnej stronie w ścianie komory wstępnego spalania ma osadzoną przeciwelektrodę, którą stanowi pręt osadzony w korpusie, wkręcany poprzez połączenie gwintowe.

Rura ogniowa 9 pełni rolę stabilizatora procesu spalania. Rura ta w zależności od potrzeb może być wykonana z różnych materiałów począwszy od stali żaroodpornych, poprzez różnego rodzaju stopy metali, a skończywszy na spiekach ceramicznych. Możliwość stosowania różnego rodzaju materiałów do wykonania tego elementu, pozwala stosować palnik w szerokim spektrum temperatur jak i środowisk, od obojętnych, poprzez silnie utleniające, do środowisk agresywnych.

Paliwo do powietrza dostarczane jest do palnika w stosunku zbliżonym do składu stechiometrycznego λ = 1, zakres ten może się wahać od λ = 0,6 do λ = 1,6, korzystnie od λ = 0,8 do λ = 1,2.

Działanie palnika jest następujące: stycznie do cylindrycznej ścianki komory powietrznej 1 palnika, przez przewód doprowadzający 2 wprowadzane jest powietrze z prędkością kilkudziesięciu m/s. Styczne podawanie powietrza skutkuje wytworzeniem wiru w komorze powietrznej 1 palnika. W komorze powietrznej 1 prędkość powietrza mierzona wzdłuż osi wzdłużnej 13 jest niska, natomiast prędkość obwodowa strugi powietrza jest wysoka. Wirujący strumień powietrza, przepływa następnie przez dyszę powietrzną 3, w której osiąga prędkość mierzoną wzdłuż osi wzdłużnej 13 na poziomie kilkudziesięciu m/s przy zachowaniu dużej prędkości obwodowej i trafia do komory wstępnego spalania 4 palnika, gdzie prostopadle do kierunku przepływu powietrza w strumień powietrza przez dyszę paliwa gazowego 6 wtryskiwany jest gaz z prędkością kilkudziesięciu m/s. W komorze wstępnego spalania 4 powstaje bogata mieszanka paliwowo-powietrzna, która wirując zostaje zapalona od iskry elektrycznej generowanej przez świecę zapłonową 7. Po zapalaniu mieszanki prąd podawany na świecę zapłonową 7 jest odcinany, a powstały płomień jest stabilizowany aerodynamicznie w obszarze układu: dysza powietrzna 3 z dyszą paliwa gazowego 6, świecy zapłonowej 7 z przeciwelektrodą 8, na pierścieniowym odsadzeniu 14, posiadającym ostre krawędzie, znajdującym się za zestawem świeca zapłonowa 7 przeciwelektrodą 8 oraz w rozgrzanej rurze ogniowej 9.

Rozwiązanie zagadnienia technicznego oparte na kilku obszarach stabilizacji płomienia spowodowało, że praca palnika jest niezwykle stabilna, ale zaowocowało, że pierwsza i bardzo silna stabilizacja płomienia następuje bezpośrednio w miejscu wtrysku paliwa w strugę powietrza, bezpośrednio za dyszą powietrza 3. Zjawisko to powoduje silne rozgrzewanie się ścianek komory wstępnego spal ania 4, które to ścianki ulokowane są na zewnątrz palnika zasadniczego, a tym samym jest teoretycznie możliwy kontakt obsługi lub elementów systemu, ze ścianką komory wstępnego spalania 4 nagrzaną do temperatury nawet kilkuset stopni Celsjusza. Aby tej sytuacji zapobiec komorę wstępnego spalania 4 osłonięto zewnętrznym płaszczem 15, a pomiędzy ściankę zewnętrzną komory wstępnego spalania 4, a płaszcz 15 wprowadzano strumień powietrza chłodzącego ten element, w ilości takiej aby temperatura na zewnątrz płaszcza 15 nie przekraczała 150°C. Zabieg obniżenia temperatury tego elementu ma na celu również wydłużenie żywotności palnika.

Palnik pilotujący ma za zadanie zapewnić ciągły stabilny płomień, służący do zapalenia mieszanki paliwowo-powietrznej wytworzonej w palniku głównym i potrzymaniu płomienia. Palnik pilotujący montowany jest bezpośrednio na palniku głównym, a wylot płomienia skierowany jest do komory palnika głównego. Palnik wyposażony jest w czujnik płomienia 10, oraz w świecę zapłonową 7 z przeciwelektrodą 8. Zadaniem czujnika płomienia 10 jest monitorowanie płomienia powstającego wewnątrz

PL 218 527 B1 palnika i w przypadku jego zaniku wysłanie odpowiedniego komunikatu do jednostki sterującej, która z kolei wysyła sygnał do organów wykonawczych, które odcinają dopływ paliwa do palnika. Świeca zapłonowa 7 z przeciwelektrodą 8 służy do wytworzenia iskry elektrycznej, od której zapalana jest mieszanka paliwowo-powietrzna wytwarzana we wnętrzu palnika.

Stabilizacja płomienia oparta jest o aerodynamikę strugi, znamienny jest brak w palniku wyraźnych elementów mechanicznych jak: łopatek, zawirowywaczy, na których płomień jest stabilizowany.

W wirującą strugę powietrza wypływającą z dyszy powietrza 3, prostopadle do kierunku przepływu powietrza, wprowadzany jest z dużą prędkością kilkudziesięciu m/s gaz w tym miejscu następuje pierwsza stabilizacja płomienia, następnie płonąca, wirująca struga, napotyka przeszkodę w postaci elektroda świecy zapłonowej 7 - przeciwelektrodą 8 i tu następuje kolejna stabilizacja płomienia. Idąc dalej w kierunku przepływu produktów spalania, paląca się mieszanina zawierająca duże ilości rodników trafia na pierścieniowe odsadzenie 14 gdzie występuje trzeci obszar stabilizacji płomienia, aż trafia do rozgrzanej rury ogniowej 9 gdzie występuje czwarty ostatni obszar stabilizacji. Tak duża ilość punktów stabilizujących płomień powoduje, że praca palnika jest bardzo stabilna i nie jest wrażliwa na przeciwciśnienie panujące w komorze spalania.

Palnik pracuje w wysokich temperaturach zarówno otoczenia jak i w komorze spalania, odporny jest na duże i szybkie skoki ciśnienia w komorze spalania oraz na wysoką agresywność środowiska wewnątrz komory spalania. Temperatura płomienia: jest to temperatura substratów częściowego procesu spalania w tym dużej ilości rodników opuszczających palnik i jest ona powyżej temperatury samozapłonu paliw węglowodorowych, tlenku węgla i wodoru. Proces spalania przy wylocie z rury ogniowej 9 palnika nie jest skończony. Palnik jest montowany na palnikach głównych i służy do uruchamiania palników głównych. Możliwe jest także zastosowanie palnika jako palnika głównego w układach podgrzewania małej mocy.

Claims (2)

1. Palnik na paliwo gazowe, zwłaszcza palnik pilotujący służący do zapalenia mieszanki paliwowo-powietrznej i podtrzymania płomienia palnika głównego, który zawiera komorę powietrza i komorę wstępnego spalania, znamienny tym, że usytuowane wzdłuż osi (13) palnika komora powietrza i komora wstępnego spalania połączone są ze sobą dyszą powietrza (3), która od strony komory powietrza ma kształt leja w postaci stożka ściętego, a od strony komory wstępnego spalania zakończona jest przelotowym otworem, przy czym komora powietrza w kształcie walcowego cylindra w ścianie bocznej, korzystnie w jej połowie, w osi równoległej do stycznej przekroju poprzecznego walcowego cylindra posiada przewód doprowadzający (2) powietrze, natomiast komora wstępnego spalania w kształcie walcowego cylindra w ścianie bocznej, korzystnie od strony dyszy powietrza posiada przewód doprowadzający z dyszą paliwa gazowego, której oś podłużna jest usytuowana prostopadle do osi podłużnej komory wstępnego spalania, a w części środkowej komory wstępnej znajduje się świeca zapłonowa (7) z wydłużoną elektrodą oraz przeciwelektroda (8) osadzonych naprzeciw siebie w ścianie bocznej cylindra, których wspólne linie osiowe są prostopadłe do osi podłużnej komory wstępnego spalania, a wewnątrz ściany bocznej walcowego cylindra komory wstępnego spalania znajduje się pierścieniowe odsadzenie (14), natomiast za pierścieniowym odsadzeniem (14) ściana boczna walcowego cylindra zakończona jest rurą ogniową z przelotowym otworem.

2. Palnik według zastrz. 1, znamienny tym, że ściana boczna walcowego cylindra komory wstępnego spalania posiada na zewnątrz płaszcz, pomiędzy którymi znajduje się komora chłodząca (5).