Способ сжигания жидкого и газообразного топлив

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, непосредственно к котельным агрегатам или другим топливоиспользующим установкам, в которых сжигается жидкое и газообразное топливо совместно либо раздельно. Изобретение позволяет снизить выбросы оксидов азота с продуктами сгорания топлив. Преимущество предложенного способа сжигания жидкого и газообразного топлив состоит в том, что с помощью четырехканальной горелки и системы автоматического управления процессом сжигания топлива газы рециркуляции подаются двумя потоками в заданном соотношении. Один из потоков газов рециркуляции подается в прикорневую зону ядра горения факела, другой поток - в периферийную область зоны горения. Это позволяет увеличить эффективность рециркуляции и сократить затраты на снижение выбросов оксидов азота. 2 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, непосредственно к котельным агрегатам или другим топливоиспользующим установкам, в которых сжигается жидкое и газообразное топливо совместно либо раздельно.

Известны способы сжигания жидкого и газообразного топлива с вводом рециркулирующих дымовых газов в воздушный тракт горелочных устройств - аналог /1, стр. 246-248/. Рециркуляция дымовых газов через горелочные устройства позволяет снизить тепловые нагрузки экранов и перераспределить тепловосприятия поверхностей нагрева котлов, а также снизить выход оксидов азота. Однако для сокращения выхода оксидов азота при таком способе сжигания топлива газы рециркуляции нужно подавать в значительных объемах, что может привести к нарушению стабилизации процессов горения топлива с появлением сажи и оксида углерода, а тем самым - к уменьшению КПД котла и снижению надежности его работы.

Снижение выхода оксидов азота достигается также применением способа сжигания топлива с вводом газов рециркуляции в воздушные короба до горелок - аналог /1. стр. 248/. Кроме вышеуказанного недостатка, этому способу присущ и недостаток, связанный с загазованностью помещения котельной через неплотности воздушных коробов вследствие повышения сопротивления воздушного тракта из-за увеличения в нем объема газовоздушной смеси.

Известен способ одновременного сжигания жидкого и газообразного топлива при подаче их в топочную камеру с помощью вихревой горелки. Воздух подается центральным и периферийным кольцевыми потоками, а газы рециркуляции подают между потоками воздуха со скоростью, в 1,08-1,5 раза превышающей среднюю скорость центрального потока воздуха, жидкое топливо распыливается в центральный поток форсункой, расположенной по оси горелки, в газообразное топливо подается из кольцевого коллектора в периферийный поток воздуха /2/.

Этому способу присущи следующие недостатки: - чрезмерное охлаждение газами рециркуляции периферийной зоны факела для достижения требуемой температуры по условиям подавления оксидов азота в ядре горения, что приводит к неустойчивости горения; - требуются значительные объемы газов рециркуляции, что влечет за собой рост энергетических затрат на собственные нужды; - увеличение потерь с уходящими газами.

Известен способ сжигания топлива в газомазутной горелке, представленной в (3) - прототип. Согласно этому изобретению по центральному каналу подают холодный воздух, по периферийным каналам - рециркулирующие газы. Между каналами подачи газов рециркуляции устроен канал подачи горячего воздуха. Конструкция горелки по а.с. N 700746 и описанный в (3) способ ее работы обеспечивают регулировку режима горения в широких пределах. Эффективность такого способа сжигания топлива в части снижения выбросов оксидов азота относительно невысока. Это связано с одновременным протеканием двух разнонаправленных процессов: холодный воздух способствует охлаждению части области факела, в которой образуются оксиды азота, что позволяет несколько снизить их выход; с другой стороны, за счет увеличения доли окислителя в ядре горения до максимума происходит интенсификация образования оксидов азота.

Основной недостаток вышеприведенного способа сжигания топлива состоит в интенсификации процесса образования оксидов азота за счет подачи в зону горения холодного воздуха. Газы рециркуляции подают только в периферийную зону факела, где образование азота практически завершается. Поэтому воздействие газов рециркуляции при такой подаче на процесс образования оксидов азота существенно ослабевает.

Данное изобретение направлено на ликвидацию недостатков, присущих аналогам и прототипу.

Задача изобретения - снизить выход оксидов азота при совместном или раздельном сжигании жидкого и газообразного топлива. Для этого необходимо, чтобы газы рециркуляции попадали в самую высокотемпературную зону факела.

Поставленная задача решается тем, что газы рециркуляции делят на два потока. Один из них, составляющий от 20% до 35% от общего объема газов рециркуляции, подают закрученным или прямоточно в прикорневую зону ядра горения топливного факела по дополнительному каналу, а второй поток газов рециркуляции подают между кольцевым и периферийным потоками воздуха.

Принятая доля подачи газов рециркуляции в прикорневую зону факела от их общего расхода на горелку также подтверждена экспериментально при проведении исследований на котлоагрегате с головным образцом четырехканальной газомазутной горелки. При снижении доли рециркуляции менее 20% значительно уменьшается эффективность подавления генерации оксидов азота. При доле рециркуляции более 35% снижается надежность работы горелочного устройства из-за появления отрыва факела от амбразуры горелки, связанная со значительной балластировкой корневой зоны факела продуктами сгорания топлив.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является деление газов рециркуляции на два потока в приведенном выше соотношении и подача одного из потоков в прикорневую зону ядра горения топливного факела по специальному центральному, а не периферийному каналу.

Эффективность регулирования характеристик газомазутного факела по температуре и концентрации кислорода в зоне горения зависит от способа ввода газов рециркуляции в горелочное устройство или места ввода в топочную камеру. Известно, что топливный факел, выходящий из горелки, состоит из нескольких зон, имеющих различный температурный уровень и концентрацию кислорода. Наиболее интенсивно оксиды азота образуются в ядре горения, имеющем более высокие температуру и концентрацию окислителя, чем остальные зоны факела. Газы рециркуляции вводятся в топочную камеру для решения нескольких задач, а именно: - снижение образования оксидов азота; - перераспределение тепловых потоков между радиационными и конвективными поверхностями нагрева котлоагрегата; - поддержание требуемой температуры перегрева пара; - уменьшение заноса поверхностей нагрева и их коррозионного разрушения (для жидких топлив).

Разделением газов рециркуляции на два потока можно сократить их общий объем, поскольку ввод части газов рециркуляции в ядро горения факела позволяет более эффективно снизить его температуру, обеспечить при этом пониженный выход оксидов азота и одновременно решить вышеперечисленные задачи.

Рециркуляция части продуктов сгорания топлива в прикорневую зону ядра горения за счет ввода "холодных" дымовых газов и снижения тем самым концентрации окислителя из-за разбавления охлажденными продуктами сгорания позволяет достичь значительного снижения температуры ядра факела.

Согласно данным /1, стр. 38-39/ и других литературных источников воздействие на течение топочных процессов путем понижения избытков воздуха и температуры в ядре факела позволяет существенно снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах. Для достижения этого эффекта достаточно ввести в ядро горения топливного факела газы рециркуляции в количестве не более 20-35% от их общего объема. Поскольку в зоне горящего топливного факела ядро горения занимает не более 1/3 объема, то объем рециркулирующих газов, подаваемых непосредственно в ядро горения, не должен превышать 1/3 их общего объема. Остальная часть газов рециркуляции подается в периферийные зоны факела для их охлаждения и обеспечения условий двухстадийного сжигания топлива за счет послойного разделения воздушных потоков. В зоне горения обеспечиваются условия для протекания реакций восстановления азотистых соединений.

Предлагаемый способ сжигания топлива может быть реализован с помощью горелочного устройства, схематически показанного на фиг. 1.

Газомазутная горелка содержит корпус с коаксиально размещенными в нем центральным (1) и периферийным (2) каналами для подачи соответственно первичного и вторичного воздуха, осевой канал (9) с установленной в нем мазутной форсункой (4), кольцевой канал (5) для подачи природного газа с выпуском его через патрубки (6), дополнительный осевой канал (7) для подачи газов рециркуляции в ядро горения и канал (8) для подачи газов рециркуляции в периферийные зоны топливного факела. В отличии от известных конструкций горелочных устройств для реализации предлагаемого способа сжигания топлива в горелочном устройстве предусмотрен дополнительный канал (7) для подачи газов рециркуляции между осевым каналом (9) для установки мазутной форсунки (4) и каналом первичного воздуха (3).

Для осуществления способа в общем случае переменных нагрузок котлоагрегата применить схему автоматического регулирования, позволяющую выдерживать заданное количество и соотношение потоков газов рециркуляции, подаваемых через горелочное устройство, в рабочем диапазоне нагрузок котлоагрегата. В частном случае - при постоянной нагрузке котлоагрегата за длительный период эксплуатации способ сжигания топлива может быть реализован при отключенной схеме автоматического регулирования с контролем выхода оксидов азота в дымовых газах.

Принципиальная схема системы автоматического регулирования процесса сжигания топлива представлена на фиг. 2. Система содержит датчики расхода воздуха 1 и топлива 2 и 3, автоматические газоанализаторы 4 и 5 для определения соответственно содержания оксидов азота и окиси углерода в дымовых газах, отбираемых соответственно из конвективной шахты и топки котлоагрегата 6. В состав системы входит преобразователь сигналов 8, вход которого сообщен с газоанализаторами 4 и 5, а выход - с вычислительным устройством 9, на вход которого поступает сигнал от задатчика количества и соотношения газов рециркуляции 10. Выход вычислительного устройства 9 сообщен с входом регулятора 11, на выход которого поступают сигналы датчиков 1, 2, 3. Газы рециркуляции по линии дымососа рециркуляции 13 поступают через регулирующие органы шиберов 15 и 16 в соответствующие каналы горелки 7. Регулятор 11 сообщен с направляющим аппаратом 14 дутьевого вентилятора и регулирующими органами шиберов 15 и 16.

Предлагаемый способ сжигания топлива осуществляется следующим образом. Для текущей нагрузки котла устанавливается соответствующий режим работы горелочного устройства с минимальным выходом оксидов азота в продуктах сгорания топлива (по датчику 4 фиг. 2) и при условии отсутствия химического недожога (по датчику 5 фиг. 2). Устанавливается соотношение "топливо-воздух" (по датчикам 1, 2, 3 фиг. 2). При этом количество и соотношение подаваемых газов рециркуляции в осевой канал 7 горелки (фиг. 1) и периферийный канал 8 (фиг. 1) устанавливается задатчиком 10 (фиг. 2) с подачей от него сигнала на вычислительное устройство 9, выход которого сообщен с регулятором 11.

При изменении нагрузки котла или при превышении выбросами оксидов азота заданного режимного значения от задатчиков 4 и 5 поступают сигналы на преобразователь 8, выход которого сообщен с вычислительным устройством 9, который сообщен с задатчиком соотношения количества и соотношения газов рециркуляции 10. После вычислительного устройства 9 сигнал поступает на регулятор 11, вход которого сообщен с задатчиком расхода воздуха 1 и топлива 2, 3. Регулятор 11 подает сигналы на регулирующие органы шиберов 15, 16 для изменения соотношения газов рециркуляции, подаваемых соответственно в осевой 7 и периферийный 8 каналы горелки (фиг. 1), а также для изменения общего количества газов рециркуляции - на регулирующий орган шибера 17 дымососа рециркуляции 13. Регулятор 11 воздействует на направляющие аппараты 14 дутьевого вентилятора, изменяя при этом расход воздуха, и поддерживает требуемое соотношение "топливо-воздух".

Газы рециркуляции, поступающие по осевому и периферийному каналам, воздействуют соответственно на ядро горения и периферийную зону факела, позволяя тем самым снизить температуру факела, обеспечить заданный избыток воздуха и создать условия для сокращения образующихся оксидов азота. В дальнейшем при изменении нагрузки и режима сжигания топлива последовательность операций для осуществления предлагаемого способа сжигания топлива повторяется в описанном выше порядке.

Автоматическое регулирование позволяет достичь максимальной эффективности подавления оксидов азота, не приводя к чрезмерному балластированию зоны воспламенения и начальной стадии горения и, соответственно, не ухудшая устойчивости горения и не увеличивая выбросов сажистых частиц в широком диапазоне нагрузки котла.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа сжигания топлива состоит прежде всего в сокращении выбросов оксидов азота при сниженном расходе рециркулирующих газов и, соответственно, затрат на их подачу. Оценка эффективности предлагаемого способа показала, что использование предложенного способа сжигания топлива позволяет сократить выбросы оксидов азота на 60-70% и более по сравнению с техническим решением, приведенным в прототипе, а также на 20-30% снизить затраты на подачу газов рециркуляции через горелочное устройство.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Ахмедов Р. В. Основы регулирования топочных процессов. М.: Энергия, 1977, с. 245-248.

2. А.с. СССР N 1151761. Цирульников Л.М., Нурмухамедов М.Н., Абрамов А. А. и др. Способ сжигания топлива, Б.И. 1986, N 15.

3. А.с. СССР N 700746. Ахмедов Д.М., Абрамов А.А., Зборщенко А.Т. Газомазутная горелка.

Формула изобретения

Способ сжигания жидкого и газообразного топлив путем подачи их в топочную камеру по соответствующим каналам вихревой горелки, дутьевого воздуха - кольцевыми, центральными и периферийными потоками, а газов рециркуляции - между потоками воздуха, отличающийся тем, что один из двух потоков газов рециркуляции, составляющий от 20 до 35% от общего их объема, подают закрученным или прямоточно в прикорневую зону ядра горения топливного факела между осевым каналом мазутной форсунки и каналом первичного воздуха, причем этот поток регулируют автоматически по содержанию оксидов азота за конвективной шахтой котлоагрегата, с коррекцией по величине химического недожога и соотношению "топливо-воздух" в топке котлоагрегата воздействием на регулирующие органы направляющего аппарата дымососа рециркуляции и шиберов двух потоков рециркуляции газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 5-2002

(73) Патентообладатель:
Гольдин Георгий Натанович (BY)

Договор № 13301 зарегистрирован 18.10.2001

Извещение опубликовано: 20.02.2002