RU2521188C1

RU2521188C1 - Radiant burner

Info

Publication number: RU2521188C1
Application number: RU2012147958/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Арутюнов; Владимир Михайлович ШМЕЛЕВ; Оксана Вячеславовна Шаповалова; Аян Нурумович Аян Нурумович Рахметов
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-06-27
Also published as: RU2012147958A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to devices for the generation of heat and infrared radiation and can be used in various home appliances and production processes for heating and drying, including those purposes implying the usage of low-calorific fuel, for example, biogas, as well as for reforming of hydrocarbon gases. A radiant burner comprises a casing with an annular cover, a hollow radiating cap piece made from the material being permeable to gas and being set in the casing, and a system for the supply of air-fuel mixture including a cavity for the dispensing of the air-fuel mixture. The radiating cap piece is made in the form a three-dimensional matrix permeable to gas, and the air-fuel mixture supply pipeline is partially set inside the matrix cavity and connected to the fuel dispensing cavity. The matrix cavity in its cross section is of polygonal, circular or ellipse shape. The matrix is made from perforated ceramics, metal mesh, pressed metal wire, wire gauze, foamed metal. The matrix cavity height exceeds the maximal dimension of its cross section. The air-fuel mixture supply pipeline is fitted by a heat exchanger set inside the matrix cavity. The heat exchanger is made as a coiled pipeline set coaxially to the inner surface of the matrix cavity. The air-fuel mixture supply pipeline is fitted by a heat exchanger set above the matrix cavity which is closed on its top by a cover permeable to gas.

EFFECT: technical result consists in the fact the both very rich and very lean fuel mixtures can be used as well as in reduced emissions of NO_x into the atmosphere.

7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для получения тепла и инфракрасного излучения и может быть использовано в различных бытовых устройствах и технологических процессах для нагрева и сушки, а также для риформинга углеводородных газов.The invention relates to devices for generating heat and infrared radiation and can be used in various household devices and processes for heating and drying, as well as for reforming hydrocarbon gases.

В настоящее время в связи с потребностью в новых газохимических технологиях и ужесточением экологических требований к процессам сжигания возникает интерес к использованию поверхностного горения для решения соответствующих технологических задач, в том числе связанных с химической конверсией природного газа. Проблема заключается в необходимости создания горелочных устройств, в которых возможно сжигание или парциальное окисление смесей как очень бедного, так и очень богатого составов. Если экологически чистые горелки, в которых осуществляется эффективное горение смеси стехиометрического состава, востребованы, в первую очередь, для бытовых нужд, то горелочные устройства для сжигания смесей ультрабедного состава могут найти применение, например, в камерах сгорания газотурбинных установок. В свою очередь, горелочные устройства на смесях очень богатого состава представляют интерес в качестве риформеров для конверсии природного газа. Большой интерес представляет также возможность сжигания низкокалорийного топлива, например, биогаза.Currently, due to the need for new gas-chemical technologies and toughening environmental requirements for combustion processes, there is an interest in the use of surface combustion for solving relevant technological problems, including those related to the chemical conversion of natural gas. The problem is the need to create burner devices in which the burning or partial oxidation of mixtures of both very poor and very rich compositions is possible. If environmentally friendly burners, in which efficient combustion of stoichiometric mixtures are carried out, are in demand, first of all, for domestic needs, then burner devices for burning mixtures of ultra-poor composition can be used, for example, in the combustion chambers of gas turbine plants. In turn, burners on mixtures of a very rich composition are of interest as reformers for the conversion of natural gas. Of great interest is the possibility of burning low-calorie fuels, such as biogas.

Известна радиационная рекуперативная горелка /RU 2378574, F23D 14/12 2008/, которая состоит из корпуса, внутри которого находится горелочный туннель, противоточного рекуператора, имеющего, как минимум, один туннель для продуктов сгорания и, как минимум, один туннель для окислителя, узла ввода топлива в туннели горелки, соединенного с внешним трубопроводом для подвода топлива, узла ввода окислителя в туннели горелки, соединенного с внешним трубопроводом для подвода окислителя и узла вывода продуктов сгорания, соединенного с внешним трубопроводом для отвода продуктов сгорания, запала. При этом часть корпуса горелки, в которой находится горелочный туннель, выполнена из огнестойких и тугоплавких материалов. Туннели рекуператора для окислителя имеют поверхность теплового контакта с туннелями для продуктов сгорания, по разные стороны от которой направление движения газа в туннелях противоположно. Выход туннеля для окислителя соединен с горелочным туннелем, вход туннеля для продуктов сгорания соединен с горелочным туннелем. Узел ввода топлива герметично соединен с горелочным туннелем. Узел ввода окислителя герметично соединен с входом туннеля рекуператора для окислителя. Узел вывода продуктов сгорания герметично соединен с выходом туннеля рекуператора для продуктов сгорания. Горелочный туннель выполнен внутри корпуса герметичным и изолированным от внешней среды. В рекуператоре дополнительно выполнены один или несколько туннелей для топлива, имеющих поверхность теплового контакта с туннелями рекуператора для продуктов сгорания, по разные стороны от которой направление движения газа в туннелях противоположно. При этом рекуператор размещен внутри корпуса горелки, стены туннелей рекуператора в той его части, которая примыкает к горелочному туннелю, изготовлены из огнестойких и тугоплавких материалов, узел ввода топлива герметично соединен с горелочным туннелем через туннели рекуператора для топлива, а часть внешней поверхности корпуса вблизи горелочного туннеля является радиационной поверхностью горелки.Known radiation recuperative burner / RU 2378574, F23D 14/12 2008 /, which consists of a housing inside which there is a burner tunnel, a counter-flow recuperator having at least one tunnel for combustion products and at least one tunnel for oxidizer, node introducing fuel into the tunnels of the burner connected to an external pipeline for supplying fuel, an oxidizer input unit to the tunnels of the burner connected to an external pipeline for supplying an oxidizing agent and a combustion products outlet unit connected to an external pipeline for removal of combustion products, fuse. At the same time, the part of the burner body in which the burner tunnel is located is made of fire-resistant and refractory materials. The tunnels of the recuperator for the oxidizer have a surface of thermal contact with the tunnels for combustion products, on opposite sides of which the direction of gas movement in the tunnels is opposite. The exit of the tunnel for the oxidizer is connected to the burner tunnel, the entrance of the tunnel for the products of combustion is connected to the burner tunnel. The fuel injection unit is hermetically connected to the burner tunnel. The oxidizer input assembly is hermetically connected to the inlet of the oxidizer recuperator tunnel. The node for the output of combustion products is hermetically connected to the exit of the tunnel of the recuperator for combustion products. The burner tunnel is sealed inside the casing and isolated from the external environment. The recuperator additionally has one or more tunnels for fuel having a thermal contact surface with the tunnels of the recuperator for combustion products, on opposite sides of which the direction of gas movement in the tunnels is opposite. In this case, the recuperator is located inside the burner body, the walls of the recuperator tunnels in the part adjacent to the burner tunnel are made of fireproof and refractory materials, the fuel inlet unit is hermetically connected to the burner tunnel through the fuel recuperator tunnels, and part of the outer surface of the housing is near the burner The tunnel is the radiation surface of the burner.

К недостаткам известного устройства можно отнести его конструктивную сложность, обусловленную тем, что горелка предназначена для получения электроэнергии, а также необходимость использования дорогих тугоплавких материалов, обусловленного высокими температурами внутри горелки.The disadvantages of the known device include its structural complexity, due to the fact that the burner is designed to produce electricity, as well as the need to use expensive refractory materials, due to high temperatures inside the burner.

Наиболее близкой к заявляемой является радиационная горелка /RU 2427758, F23D 14/12, 2011/, содержащая корпус с кольцевой крышкой, перфорированную излучающую насадку, выполненную в виде полости, образованной двумя излучающими поверхностями, размещенными в корпусе, и систему подвода топливовоздушной смеси. Боковая часть корпуса горелки выполнена в виде двух тонкостенных коаксиальных цилиндров, кольцевой зазор между которыми герметичен и вакуумирован, а кольцевая крышка соединена с корпусом через термоизолирующую прокладку. Данное техническое решение выбрано за прототип.Closest to the claimed one is a radiation burner / RU 2427758, F23D 14/12, 2011 /, comprising a housing with an annular cover, a perforated radiating nozzle made in the form of a cavity formed by two radiating surfaces placed in the housing, and a fuel-air mixture supply system. The lateral part of the burner housing is made in the form of two thin-walled coaxial cylinders, the annular gap between which is sealed and evacuated, and the annular cover is connected to the housing through a thermally insulating gasket. This technical solution is selected as a prototype.

К недостаткам прототипа можно отнести повышенные радиационные потери, связанные с горением в факельном режиме.The disadvantages of the prototype include increased radiation losses associated with flaring.

Авторы решали задачу по созданию радиационной горелки, лишенной указанных недостатков. Технический результат заключается в возможности использования как очень богатых, так и очень бедных топливных смесей, а также низкокалорийного топлива, например, биогаза. Предлагаемая горелка может использоваться как конверсии углеводородов в области повышенного содержания топлива, так и для сжигания бедных смесей в избытке окислителя. В этом режиме за счет снижения температуры фронта пламени удается многократно снизить уровень вредных выбросов, прежде всего NO_x.The authors solved the problem of creating a radiation burner devoid of these drawbacks. The technical result consists in the possibility of using both very rich and very poor fuel mixtures, as well as low-calorific fuel, for example, biogas. The proposed burner can be used both for the conversion of hydrocarbons in the field of high fuel content, and for burning lean mixtures in excess of oxidizing agent. In this mode, by reducing the temperature of the flame front, it is possible to repeatedly reduce the level of harmful emissions, primarily NO _x .

Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается радиационная горелка, содержащая корпус с кольцевой крышкой, полую излучающую насадку, выполненную из проницаемого для газа материала, размещенную в корпусе, и систему подвода топливовоздушной смеси, включающую полость для раздачи топлива. Отличительной особенностью предлагаемой горелки является то, что излучающая насадка выполнена в виде объемной проницаемой для газа матрицы, а трубопровод подвода топливовоздушной смеси частично размещен внутри полости матрицы и соединен с полостью для раздачи топлива.To solve this problem, as well as to achieve the claimed technical result, a radiation burner is proposed, comprising a housing with an annular cover, a hollow radiating nozzle made of gas-permeable material placed in the housing, and an air-fuel mixture supply system including a cavity for distributing fuel. A distinctive feature of the proposed burner is that the emitting nozzle is made in the form of a volumetric gas permeable matrix, and the air-fuel mixture supply pipe is partially placed inside the matrix cavity and connected to the fuel distribution cavity.

Полость матрицы может иметь в поперечном сечении форму многоугольника, круга или эллипса.The cavity of the matrix may be in the cross section of the shape of a polygon, circle or ellipse.

Матрица может быть выполнена из перфорированной керамики, металлической сетки, прессованной металлической проволоки, металлоткани или пенометалла.The matrix can be made of perforated ceramic, metal mesh, extruded metal wire, metal fabric or foam metal.

Высота полости матрицы может превышать максимальный размер ее поперечного сечения.The height of the cavity of the matrix may exceed the maximum size of its cross section.

Дополнительно предлагается трубопровод подвода топливовоздушной смеси оснастить теплообменником, расположенным внутри полости матрицы. При этом, в частном случае, теплообменник может быть выполнен в форме спирального трубопровода, размещенного коаксиально внутренней поверхности полости матрицы.In addition, it is proposed to equip the air-fuel mixture supply pipe with a heat exchanger located inside the matrix cavity. In this case, in the particular case, the heat exchanger can be made in the form of a spiral pipe placed coaxially with the inner surface of the matrix cavity.

Также дополнительно предлагается трубопровод подвода топливовоздушной смеси оснастить теплообменником, расположенным над полостью матрицы, которая закрыта сверху проницаемой для газа крышкой.It is also additionally proposed to equip the air-fuel mixture supply pipe with a heat exchanger located above the matrix cavity, which is closed on top by a gas-permeable cover.

Выполнение излучающей насадки в виде объемной проницаемой для газа матрицы с одновременным размещением трубопровода подвода топливовоздушной смеси хотя бы частично внутри полости матрицы и соединением последнего с полостью для раздачи топливовоздушной смеси позволяет сжигать смеси как очень бедного, так и очень богатого составов. Таким образом достигается технический результат.The implementation of the emitting nozzle in the form of a volumetric gas-permeable matrix with simultaneous placement of the pipeline for supplying the air-fuel mixture at least partially inside the matrix cavity and combining the latter with the cavity for dispensing the air-fuel mixture makes it possible to burn mixtures of both very poor and very rich compositions. Thus, a technical result is achieved.

На фиг.1 представлен продольный разрез радиационной горелки, на фиг.2 и 3 представлены продольный и поперечный разрезы радиационной горелки, оснащенной теплообменником, размещенным внутри полости матрицы, на фиг.4 показан продольный разрез горелки, оснащенной теплообменником, размещенным над полостью матрицы, где 1 - корпус, 2 - кольцевая крышка, 3 - полость для раздачи топлива, 4 - излучающая насадка, выполненная в виде объемной проницаемой для газа матрицы, 5 - трубопровод подвода топливовоздушной смеси, 6 - теплообменник, 7 - крышка матрицы.In Fig.1 shows a longitudinal section of a radiation burner, Fig.2 and 3 shows a longitudinal and transverse section of a radiation burner equipped with a heat exchanger placed inside the cavity of the matrix, Fig.4 shows a longitudinal section of a burner equipped with a heat exchanger located above the cavity of the matrix, where 1 - body, 2 - annular cover, 3 - cavity for fuel distribution, 4 - radiating nozzle, made in the form of a volumetric gas permeable matrix, 5 - air-fuel mixture supply pipe, 6 - heat exchanger, 7 - matrix cover.

Устройство работает следующим образом. По трубопроводу 5 организуют подачу топливовоздушной смеси в полость для раздачи топлива 3, откуда смесь проходит сквозь объемную проницаемую матрицу 4, нагреваясь при этом, и окисляется вблизи внутренней поверхности матрицы. Продукты горения, а также радиационное тепло нагревают смесь, проходящую по трубопроводу 5 или теплообменнику 6 и, тем самым, повышают эффективность радиационной горелки. В случае размещения теплообменника 6 над объемной матрицей 4 (фиг.4), крышка матрицы 7 играет роль вторичного радиационного излучателя.The device operates as follows. The pipeline 5 organizes the flow of the air-fuel mixture into the cavity for the distribution of fuel 3, from where the mixture passes through the permeable bulk matrix 4, heating up and oxidizing near the inner surface of the matrix. The combustion products, as well as radiation heat, heat the mixture passing through the pipe 5 or heat exchanger 6 and, thereby, increase the efficiency of the radiation burner. In the case of placing the heat exchanger 6 above the bulk matrix 4 (figure 4), the cover of the matrix 7 plays the role of a secondary radiation emitter.

Claims

1. Радиационная горелка, содержащая корпус с кольцевой крышкой, полую излучающую насадку, выполненную из проницаемого для газа материала, размещенную в корпусе, и систему подвода топливовоздушной смеси, включающую полость для раздачи топливовоздушной смеси, отличающаяся тем, что излучающая насадка выполнена в виде объемной проницаемой для газа матрицы, а трубопровод подвода топливовоздушной смеси частично размещен внутри полости матрицы и соединен с полостью для раздачи топлива.1. A radiation burner comprising a housing with an annular cover, a hollow radiating nozzle made of gas-permeable material placed in the housing, and an air-fuel mixture supply system including a cavity for distributing the air-fuel mixture, characterized in that the radiating nozzle is made in the form of a volumetric permeable for matrix gas, and the air-fuel mixture supply pipe is partially placed inside the matrix cavity and connected to the cavity for fuel distribution.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что полость матрицы имеет в поперечном сечении форму многоугольника, круга или эллипса.2. The burner according to claim 1, characterized in that the cavity of the matrix has a cross-sectional shape of a polygon, circle or ellipse.

3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что матрица выполнена из перфорированной керамики, металлической сетки, прессованной металлической проволоки, металлоткани, пенометалла.3. The burner according to claim 1, characterized in that the matrix is made of perforated ceramic, metal mesh, extruded metal wire, metal fabric, foam metal.

4. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что высота полости матрицы превышает максимальный размер ее поперечного сечения.4. The burner according to claim 1, characterized in that the height of the cavity of the matrix exceeds the maximum size of its cross section.

5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что трубопровод подвода топливовоздушной смеси оснащен теплообменником, расположенным внутри полости матрицы.5. The burner according to claim 1, characterized in that the pipeline for supplying the air-fuel mixture is equipped with a heat exchanger located inside the cavity of the matrix.

6. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен в форме спирального трубопровода, размещенного коаксиально внутренней поверхности полости матрицы.6. The burner according to claim 5, characterized in that the heat exchanger is made in the form of a spiral pipe placed coaxially with the inner surface of the matrix cavity.

7. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что трубопровод подвода топливовоздушной смеси оснащен теплообменником, расположенным над полостью матрицы, которая закрыта сверху проницаемой для газа крышкой. 7. The burner according to claim 1, characterized in that the pipeline for supplying the air-fuel mixture is equipped with a heat exchanger located above the cavity of the matrix, which is closed on top of a gas permeable cover.