Пылегазовая вертикально-щелевая прямоточная горелка

 

Использование: в энергетике и может быть использовано на котлах ГЭС, сжигающих пылеугольное и газообразное топливо в режимах совместного и раздельного их ввода в топки. Сопла 3, 4, 5 установлены в коробе 1 соответственно в нижней, средней и верхней его частях, причем расстояние между внешней поверхностью сопл 3 подачи угольной пыли и огибающей внешних поверхностей близрасположенных сопл 4 подачи газа, а также между огибающей внешних поверхностей сопл 4 газа и внешней поверхностью сопл 5 подачи дополнительного воздуха равны 0,07 - 0,2 высоты короба 1, а расстояние по высоте между нижней образующей короба 1 и внешней поверхностью близлежащих сопл 3 подачи угольной пыли 0,05 - 0,2 высоты короба 1. 10 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах ТЭС, сжигающих пылеугольное и газообразное топлива в режимах совместного и раздельного их ввода в топки с тангенциальной компоновкой горелочных устройств.

Известна пылегазовая вертикально-щелевая прямоточная горелка для тангенциальных топочных камер, содержащая амбразуру с коробом подвода основного воздуха, имеющих вытянутое по высоте прямоугольное сечение, встроенные в короб без касания его корпуса сопла ввода угольной пыли и природного газа с разгонными и выхлопными участками, причем выхлопные участки заглублены в короб относительно амбразуры, а сами разгонные и выхлопные участки параллельны боковым стенам короба [1] Недостатком этой горелки является высокий уровень концентрации оксидов азота и бенз(а) пирена в отводимых из зоны горения продуктах сгорания, а также значительное потребление топлива и воздуха при организации процесса горения из-за высокой степени недожога и неэффективного теплообмена в топке, что обуславливает низкие значения КПД котельно-топочного оборудования и, кроме того, вызывает повышенный расход электроэнергии на привод вентиляторов (для подачи воздуха на горение) и дымососов (соответственно для отвода избыточного количества продуктов сгорания). Попытка разделить места ввода топлива, газа и воздуха через отдельные сопла по методу [1] решает только часть задачи: снижается количество вредных выбросов оксидов азота и улучшаются теплообменные характеристики в топочной камере, что влечет улучшение КПД котла при пониженных потерях тепла с уходящими газами, однако из-за высокой степени механического недожога топлива сохраняются низкими абсолютные значения КПД котла и существенный перерасход электроэнергии на привод вентиляторов и дымососов, сохраняются высокие значения концентрации бенз(а)пирена.

Известна пылемазутная горелка, содержащая амбразуру с подключенными к ней соплами основного и дожигающего воздуха, пыли и мазута. Сопла имеют разгонные и выхлопные участки, причем первые параллельны между собой, вторые повернуты друг относительно друга под разными углами, что растягивает факел по ширине тангенциальной топки с замедлением активности процесса тепловыделения и одновременно улучшает теплообменные характеристики в камере сгорания [2] При работе этих горелок также обеспечиваются более низкие значения КПД котла. Однако сохраняются высокая степень недожога топлива, особенно при совместном сжигании пыли и мазута и соответственно значительный перерасход электроэнергии на привод вентиляторов и дымососов; высоки концентрации окиси углерода и бенз(а)пирена.

Известна также пылеугольная прямоточная вертикально-щелевая горелка, содержащая воздухоподающий корпус прямоугольного сечения, подключенный к диффузорной амбразуре, в котором расположены с равномерным шагом каналы угольной пыли и газов рециркуляции, причем встроенные каналы не касаются стен воздушного короба и заглублены относительно амбразуры на определенное расстояние; пылеугольные каналы имеют разгонные и выхлопные участки, которые параллельны стенам воздушного короба; выхлопные участки оборудованы стабилизирующими насадками [3] При реализации данного устройства снижается концентрация оксидов азота и улучшаются теплообменные характеристики факела. Однако при совместном сжигании с природным газом возникают уже известные выше проблемы, а именно увеличиваются концентрации окиси углерода и бенз(а)пирена, степень недожога топлива, ухудшается КПД котла, увеличиваются затраты электроэнергии на привод вентиляторов и дымососов при выработке определенного количества пара.

Наконец, известна пылегазовая вертикально-щелевая прямоточная горелка, содержащая амбразуру с коробом подвода основного воздуха, имеющих вытянутое по высоте прямоугольное сечение, встроенные без касания его корпуса сопла ввода угольной пыли и газа с разгонными и выхлопными участками; оси всех сопл и короба подвода основного воздуха смещены относительно друг друга [4] Эта горелка обеспечивает низкие значения концентрации оксидов азота и степени недожога топлива. Однако из-за неотработанности узлов ввода топлива и воздуха для реализации высокого экологического эффекта и поддержания высокой эффективности сжигания топлива приходится вводить в горелку большое количество воздуха, что влечет перерасход электроэнергии на привод вентиляторов и дымососов, запиранию проходного сечения горелки воздухом и снижению паропроизводительности котлов. Данная горелка взята за прототип изобретения.

Задача изобретения снижение потребляемого количества воздуха для организации процесса горения при минимальных концентрациях оксидов азота, окиси углерода и бенз(а)пирена в продуктах сгорания и степени недожога топлива при одновременном сжигании газа и пыли угля.

Это достигается тем, что в горелке, содержащей амбразуру с коробом подвода основного воздуха, который имеет вытянутые по высоте боковые стены, встроенные в короб без касания его корпуса сопла ввода угольной пыли, газа и дожигающего воздуха с разгонными и выхлопными участками, причем оси разгонных участков всех встроенных сопл параллельны боковым стенам короба подвода основного воздуха, а выхлопные участки заглублены в короб относительно амбразуры, в нижней части короба подвода основного воздуха установлены пылеугольные сопла, в средней газовые, а в верхней сопла дожигающего воздуха, причем расстояния между близрасположенными пылеугольными и газовыми соплами, а также между газовыми и соплами для ввода дожигающего воздуха равны 0,07-0,2 высоты короба подвода основного воздуха, выхлопные участки всех встроенных сопл повернуты под одним углом относительно горизонтальной оси короба подвода основного воздуха, а расстояние по высоте между нижней образующей короба подвода основного воздуха и близлежащими пылеугольными соплами равно 0,05-0,2 высоты короба подвода основного воздуха. Установкой пылевых каналов снизу, газовых в центре, а воздушных сверху короба подвода основного воздуха при соблюдении указанных геометрических пропорций достигаются максимальные экологические и экономические эффекты. Так, если относительные расстояния между нижней образующей короба и пылевым соплом H₁/B0,05-0,2 и между пылевыми и газовыми соплами H₂/H 0,07 0,2, где Н высота короба подвода основного воздуха, то относительная степень механического недожога пылеугольного топлива (q₄/q₄^исх, где q₄^исх по прототипу, ) относительный расход воздуха (G_b/G_b^исх, где G_b^исх по прототипу, нм³/с) и относительная концентрация оксидов азота в продуктах сгорания (NO_x/NO_x^исx, где NO_x^исх по прототипу, мг/нм³) минимальные величины. Если относительное расстояние между газовыми и воздуходожигательными соплами Н₃/H0,07-0,2, то относительная степень химического недожога топлива (q₃/q₃^исх, где q₃^исх по прототипу,), концентрации углерода (CO/CO^исх, где СО^исх по прототипу,) и бенз(а)пирена (Б/Б^исх, где Б^исх по прототипу мг/нм³) также минимальны. Опыты, проведенные на котле БКЗ-210-140ф. Челябинской ТЭЦ-2 показали, что при Н₁/H0,12 и Н₂/Н 0,12 значения q₄/q₄^исх 0,4; G_b/G_b^исх 0,8; NO_x/NO_x^исх 0,8. При незначительных отклонениях Н₁/Н в большую или меньшую стороны значения q₄/q₄^исх, G_b/G_b^исх, NO_x/NO_x^исх практически не меняются. При достижении H₁/H 0,05; Н₁/H0,2; H₂/H 0,07; H₂/H 0,2 контролируемые параметры несколько увеличиваются (на 5-6%). Но как только H₁/H < 0,05; H₁/H > 0,2; H₂/H < 0,07; H₂/H > 0,2 значения q₄/q₄^исх ≥ ≥ 1,0; G_b/G_b^исх ≥ 1,0; NO/NO_x^исх ≥ 1,0, т.е. резко скачкообразно увеличиваются. Анализ влияния Н₃/H на значения q₃/q₃^исх; СО/CO^исх; Б/Б^исх показал аналогичный характер изменения последних. Так, при Н₃/H= 0,12; q₃/q₃^исх ≈ 0; СО/CO^исх ≈ 0; Б/Б^исх 0,5. При незначительных отклонениях Н₃/Н в большую или меньшую стороны уровни q₃/q₃^исх; СО/CO^исх; Б/Б^исх сохраняются. При достижении Н₃/Н 0,07 и Н₃/H 0,2 параметры q₃/q₃^исх ≈ 0,1; СО/CО^исх ≈ ≈ 0,1; Б/Б^исх ≈ 0,55. Как только Н₃/Н < 0,07 и Н₃/Н > 0,2 параметры q₃/q₃^исх ≥ 1,0; СО/CO^исх ≥ 1,0; Б/Б^исх ≥ 1,00, т.е. резко скачкообразно увеличиваются. Поскольку в пределах Н₁/Н 0,05-0,2; Н₂/Н 0,07-0,2; Н₃/Н 0,07-0,2 контролируемые параметры имеют минимальные значения, данные геометрические соотношения являются оптимальными. Поскольку ранее в литературе данная конструкция описана не была, горелка является новой. Признаки, характеризующие новизну горелки, являются существенными, поскольку в сравнении с прототипом обеспечивают дополнительные экологические и экономические эффекты.

На фиг.1 8 отображена сущность изобретения; на фиг.9, 10 схема компоновки предлагаемых горелок на стенах топочной камеры.

На фиг.1 показана схема горелки в разрезе; на фиг.2 разрез Г-Г на фиг.1; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 разрез В-В на фиг.1; на фиг.6,7,8 варианты компоновки пылеугольных, газовых и воздушных сопл в пределах короба подвода основного воздуха; фиг.9 вариант схемы компоновки предлагаемых горелок на стенах топки прямоугольного сечения; на фиг.10 то же, для топок квадратного сечения.

Пылегазовая вертикально-щелевая прямоточная горелка по фиг.1-5 имеет короб 1 для ввода основного воздуха, амбразуру 2, подключенную к выхлопному участку короба 1, встроенные в короб 1 сопла соответственно пыли 3, газа 4, дожигающего воздуха 5. Все встроенные сопла имеют разгонные и выхлопные участки соответственно: для пыли 6 и 7; газа 8 и 9; дожигающего воздуха 10 и 11. Расстояния между нижней образующей короба 1 и пылеугольным соплом 3 равно Н₁ 0,05 0,2Н между пылеугольным 3 и газовыми 4 соплами Н₂= 0,07-0,2Н, а между газовыми соплами 4 и соплами дожигающего воздуха 5 Н₃ 0,07 -0,2Н, где Н высота горелки.

Работа горелки осуществляется путем подачи в короб 1 и сопло 5 воздушных потоков, в сопло 3 угольной пыли, а в сопла 4 газа. В амбразуре 2 происходит разогрев и воспламенение топлива. Тепловая мощность горелки, а вместе с ней и нагрузка котла осуществляется путем регулирования расходов воздуха, газа и пыли регуляторами расхода, которые на фигурах не показаны. Независимо от доли сжигаемого топлива конструктивные соотношения Н₁/H 0,05-0,2; Н₂/Н 0,07-0,2; Н₃/Н 0,07-0,2 обеспечивают минимальные выбросы оксидов азота, окиси углерода, бенз(а)пирена, а также минимальные потери тепла с химическим и механическим недожогом топлива, минимальное потребление воздуха. Эффект не зависит от формы и количества сопл 3, 4, 5, равнозначно реализуется по фиг. 2, 6, 7, 8. При компоновке на стенах топки горелки могут подразделяться на 1-2 типоразмера по углу рассогласования выхлопа воздуха и топлива γ, см.фиг. 9, 10. Как правило, угол γ= 5-30^о. Все положительные результаты получены для горелок с фиксированным постоянным углом γ для условий выхлопа топлива и дожигающего воздуха. При отклонениях от условия γ=сonst приводило к снижению экономического или экологического эффектов.

Экономический эффект от внедрения горелок на котле типа БКЗ-210-140ф в сравнении с прототипом определяется выигрышем по расходу топлива на 1%

Формула изобретения

ПЫЛЕГАЗОВАЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ЩЕЛЕВАЯ ПРЯМОТОЧНАЯ ГОРЕЛКА, содержащая амбразуру, короб подвода основного воздуха с вытянутыми по высоте боковыми стенками, сопла подачи угольной пыли, газа и дополнительного воздуха, расположенные в коробе с зазором относительно его стенок и имеющие входные и выходные участки, причем оси входных участков всех сопл параллельны боковым стенкам короба, отличающаяся тем, что сопла подачи угольной пыли, газа и дополнительного воздуха установлены в коробе соответственно в нижней, средней и верхней его частях, причем расстояния между внешней поверхностью сопл подачи угольной пыли и огибающей внешних поверхностей близрасположенных сопл подачи газа, а также между огибающей внешних поверхностей сопл подачи газа и внешней поверхностью сопл подачи дополнительного воздуха равны 0,07 0,2 высоты короба подвода основного воздуха, а расстояние по высоте между нижней образующей короба и внешней поверхностью близлежащих сопл подачи угольной пыли равно 0,05 0,2 высоты короба, причем выходные участки всех сопл расположены под одним углом относительно горизонтальной оси короба.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10