СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1994 года по МПК F23C9/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для ступенчатого сжигания газа и мазута в топках паровых котлов для повышения качества сжигания и снижения содержания окислов азота в дымовых газах.

Известны способы сжигания топлива [1] путем подачи в зону горения спутных потоков топливовоздушной смеси с различной степенью обогащения по ярусам и дополнительного воздуха, часть которого в количестве 4-7% от общего его расхода подают потоками навстречу топливовоздушным потокам нижнего яруса, а остальную часть дополнительного воздуха (15-25% ) подают потоками спутно и выше потоков топливовоздушной смеси.

Недостатком указанных способов ступенчатого сжигания топлива при одностороннем расположении горелок является ухудшение выгорания топлива, особенно мазута, при достижении существенного снижения выбросов окислов азота, что требует увеличения избытка воздуха и приводит к снижению экономичности и надежности.

Известен способ сжигания жидкого и газообразного топлива с использованием соударения струй топливовоздушной смеси и встречно направленного вторичного воздуха в количестве не менее 10% от общего расхода воздуха на горение.

Недостатком этого способа сжигания является относительно малое снижение окислов азота из-за интенсификации горения топлива в зоне максимальных температур за счет активного взаимодействия мощных потоков воздуха со встречными факелами всех горелок при одностороннем расположении горелок.

Наиболее близким по технологической сущности к предлагаемому является способ сжигания [2] , заключающийся в том, что через каждые две соседние в вертикальных и горизонтальных рядах и встречно расположенные горелки подают потоки богатой и бедной смеси. Из этого следует, что половина топлива на начальной стадии до смешения потоков сжигается с недостатком окислителя, а другая половина - с избытком, т. е. число чередующихся встречных пар потоков богатой и бедной смеси постоянно и составляет 0,5 от общего числа потоков (горелок).

Недостатком указанного способа сжигания является сложность регулирования оптимального соотношения топливо-воздух в богатой и бедной смесях в рабочем диапазоне нагрузок на разных видах топлива. Кроме того, существенное снижение генерации окислов азота сопровождается ухудшением процесса выгорания топлива, особенно жидкого. Это связано с тем, что минимальное образование окислов азота при горении бедной смеси достигается при избытке воздуха в смеси не менее 2,5. В данном случае при общем малом избытке воздуха в топке это соответствует избытку воздуха в богатой смеси менее 0,62. Известно, что при снижении избытка воздуха в смеси ниже 0,65 происходит процесс интенсивного образования сажи на начальном участке факела при сжигании газа и коксовых частиц при сжигании мазута, что требует увеличения общего избытка воздуха в топке для исключения недожога топлива и приводит к снижению экономичности. Увеличение избытка воздуха в богатой смеси более 0,65 при данном способе сжигания сопровождается снижением избытка воздуха в бедной смеси менее 2,5, что не обеспечивает глубокого снижения концентрации окислов азота в факеле из-за резкого снижения избыточного кислорода в зоне активного реагирования его с топливом встречного факела богатой смеси при относительно высоких температурах в этой зоне и смещения средних значений избытка воздуха в область значений, при которых наблюдается образование максимальных концентраций NOx в факеле.
Цель изобретения - повышение качества сжигания топлива и снижение содержания окислов азота в дымовых газах.

Указанная цель достигается тем, что через все горелки подают потоки смеси воздуха с рециркулирующими дымовыми газами, направленные встречно потокам топливовоздушной смеси, образуя чередующиеся пары, число которых составляет 0,25-0,33 от общего числа потоков, причем через все горелки нижнего яруса подают богатую топливовоздушную смесь. При этом все потоки богатой топливовоздушной смеси и смеси воздуха с рециркулирующими газами - вихревые и имеют одинаковую степень крутки.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа с прототипом показывает, что он отличается следующими признаками:
1. Через все горелки подают потоки смеси воздуха с рециркулирующими дымовыми газами, направленные встречно потокам топливовоздушной смеси, образуя чередующиеся пары, число которых составляет 0,25-0,33 от общего числа потоков;
2. Через все горелки нижнего яруса подают богатую топливовоздушную смесь;
3. Все потоки богатой топливовоздушной смеси и смеси воздуха с рециркулирующими газами - вихревые и имеют одинаковую степень крутки.

Признак подачи богатой смеси и воздуха . . . встречными парами потоков. . . сам по себе известен. Однако в отличие от известных способов, заключающихся в подаче с одной стороны спутных топливовоздушных потоков, а с другой стороны навстречу им спутных потоков вторичного воздуха, в предлагаемом способе потоки богатой топливовоздушной смеси и смеси воздуха с рециркулирующими дымовыми газами подают чередующимися встречными парами. Причем в заявляемом способе ступенчатого сжигания топлива число чередующихся встречных пар потоков составляет 0,25-0,33 от общего числа потоков. Это достигается за счет подачи через нижний ярус горелок потоков богатой смеси в отличие от известного способа [2] , заключающегося в подаче встречными чередующимися парами потоков богатой и бедной смеси через все горелки (каждые две соседние в вертикальных и горизонтальных рядах и встречно расположенные горелки), что предопределяет постоянное число пар потоков, равное 0,5 от общего числа потоков (горелок).

Равномерное распределение по потокам всего воздуха, необходимого для горения, в смеси с рециркулирующими дымовыми газами при одинаковой степени крутки во всех вихревых потоках в данном способе обеспечивает оптимальную аэродинамику факела, равномерность скоростных и температурных полей в сечениях ядра факела, активное взаимодействие потоков продуктов сгорания факелов богатой смеси со встречными потоками воздуха при взаимном чередовании их, что в сочетании с остальными указанными признаками позволяет достичь качество нового эффекта, заключающегося в повышении эффективности сжигания при глубоком снижении образования окислов азота в факеле при сжигании газа и мазута. Это выявлено в процессе расчетных и промышленных исследований вариантов схем подачи топливовоздушной смеси с различной степенью обогащения по ярусам и отдельным потокам.

На фиг. 1 представлена топка котла (устройство для осуществления способа сжигания топлива), продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - кривые изменения коэффициента избытка воздуха в богатой (кривые 1, 2 и 3) бедной (кривая 4) топливовоздушной смеси в зависимости от снижения расхода топлива в бедной смеси (В_бедн), относительно стехиометрического расхода (В_о) при осуществлении ступенчатого сжигания топлива с разным числом чередующихся встречных пар потоков богатой смеси и воздуха (n: n= 0,25 - кривая 1, n= 0,33 - кривая 2. n= 0,5 - кривая 3, n= 0,25-0,5 - кривая 4; на фиг. 5 - кривые изменения коэффициента избытка воздуха в богатой смеси ( α_бог. ) в зависимости от числа чередующихся встречных пар потоков богатой смеси и смеси воздуха с рециркулирующими газами при различных значениях коэффициента избытка воздуха в бедной смеси воздуха с рециркулирующими газами при различных значениях коэффициента избытка воздуха в бедной смеси; на фиг. 6 - кривые изменения потерь с недожогом (q₃+q₄) (кривые 1 и 2) и относительного содержания окислов азота (кривые 3-5) в зависимости от коэффициента избытка воздуха в богатой смеси ( α_бог. ) и числа чередующихся пар потоков богатой смеси и смеси воздуха с рециркулирующими газами.

При ступенчатом сжигании топлива количество образующихся в факеле окислов азота определяется, избытком воздуха в богатой и бедной смесях, а также общим избытком воздуха на выходе из топки. Как видно из фиг. 8 (кривые 3-5), снижение NOх более чем на 30% по сравнению со стехиометрическим сжиганием достигается при избытке воздуха в богатой смеси ( α_бог. = не более 0,75 и достигает минимальных значений при значениях α_бог. = 0,5. Однако как показали исследования (фиг. 6, кривые 1 и 2), при значениях α_бог. <0,65 происходит ухудшение выгорания газа и рост потерь с недожогом выше допустимого (q₃+q₄>= 0,1% ) [фиг. 6, кривая 1] . Сжигание мазута в этих условиях вообще затрудняется из-за образования плохосгораемых коксовых частиц. Следовательно, по условиям максимального снижения образования окислов азота в факеле при допустимом уровне потерь с недожогом топлива значение α_бог. лежит в пределах 0,65-0,75. При этом однако эффективность снижения NO_x существенно зависит от числа чередующихся пар потоков богатой топливовоздушной смеси и смеси воздуха с рециркулирующими газами. Это объясняется тем, что в соответствии с предлагаемым способом сжигания число чередующихся встречных пар потоков (n) поставляет 0,25 от общего числа потоков при подаче через один (нижний) из двух ярусов горелок только потоков богатой топливовоздушной смеси. При подаче через один нижний из трех ярусов горелок потоков богатой смеси число чередующихся пар потоков составляет n₁= 0,33, а через два нижних яруса из трех n₂= 0,17. В случае четырехъ- ярусной компоновки горелок при подаче богатой смеси через один нижний ярус - n₁= 0,375, через два нижних яруса - n₂= 0,25 и через три нижних яруса - n₃= 0,125.

В результате исследований установлено, что число чередующихся встречных пар (n) связано с избытком воздуха в богатой смеси зависимостями, представленными на фиг. 4 и 5, и при равномерном распределении воздуха по потокам определяется степенью перераспределения топлива по потокам, т. е. величиной избытка воздуха в бедной смеси. Как видно из фиг. 5, при числе n= 0,5 подачу чистого воздуха в чередующихся парах потоков невозможно осуществить при условии поддерживания оптимальных значений α_бог. = 0,65-0,75. В этом случае навстречу потокам богатой смеси в чередующихся парах может подаваться только бедная смесь, причем при α_бед. <2. При общем малом избытке воздуха на выходе из топки паровых котлов это приводит к смещению средних значений α в зоне активного реагирования встречных соударяющихся факелов в область значений, при которых образуются максимальные концентрации NOx в факеле. Как видно из фиг. 5, обеспечение α_бог. = 0,65-0,75 при подаче навстречу потокам богатой смеси во встречных чередующихся парах потоков воздуха достигается при числе этих пар, равном 0,25-0,33 от общего числа пар потоков. При этом условиях (фиг. 6) с учетом подачи в смеси с воздухом рециркулирующих газов достигается максимальное снижение образования NO_x в факеле по сравнению со стехиометрическим сжиганием при обеспечении полного сжигания топлива (как газа, так и мазута).

На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".

Предлагаемый способ реализуется в топке котла (фиг. 1-3), содержащей встречно расположенные на стенах 1 и 2 не менее чем в два яруса горелки 3 для подачи богатой топливовоздушной смеси и горелки 4 для подачи смеси воздуха с рециркулирующими дымовыми газами. Горелки 3 и 4 снабжены завихрителями для закрутки богатой смеси и смеси воздуха с рециркулирующими газами. Горелки 3 подключены к топливопроводам 5 и воздухопроводам 6, а горелки 4 - только к воздухопроводам 6.

Способ осуществляют следующим образом.

К горелкам 3 по топливопроводам 5 подается топливо, а по воздухопроводам 6 - смесь воздуха с рециркулирующими газами, образуется богатая топливовоздушная смесь и закрученная завихрителем горелки подается в топку вихревыми потоками. К горелкам 4 по воздухопроводам 6 подается смесь воздуха с рециркулирующими газами и также подается в топку вихревыми потоками. Потоки богатой смеси и потоки смеси воздуха с рециркулирующими дымовыми газами, начиная с верхнего яруса, подают чередующимися встречными парами (фиг. 1 и 2), число которых составляет 0,25-0,33 от общего числа потоков. Причем через все горелки нижнего яруса подают богатую топливовоздушную смесь (фиг. 3), а воздух, необходимый для горения, в смеси с рециркулирующими газами подают равномерно через горелки 3 и 4 всех ярусов вихревыми потоками с одинаковой степенью крутки. При числе пар n= 0,25-0,33, в большей части горелок сжигание топлива на начальном участке факела происходит с недостатком окислителя ( α_бог. = 0,65-0,75), а дожигание его - при ступенчатом чередующемся подводе воздуха по длине факелов. Подача мощных вихревых потоков воздуха с относительно низкой температурой в зону догорания топлива и балластирование факела рециркулирующими дымовыми газами, подаваемыми в смеси с воздухом, обеспечивает максимальное снижение NO_x в факеле при качественном выгорании топлива (газа и мазута) без потерь с недожогом (снижение окислов азота по сравнению с прототипом - не менее 33% ).

Внедрение данного способа намечается на котлах ТГМП-344 энергоблока 300 МВт и ТГМЕ-222. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1346907, кл. F 23 C 11/00, 1987.

2. Авторское свидетельство СССР N 877224, кл. F 23 C 5/28, 1981.

Использование: для ступенчатого сжигания газа и мазута в топках паровых котлов. Сущность изобретения: к горелкам 3 по топливопроводам 5 подается топливо, а по воздуховодам 6 - смесь воздуха с рециркулирующими газами, образуется богатая топливовоздушная смесь, которая закручивается завихрителем горелки и подается в топку вихревыми потоками. К горелкам 4 подается смесь воздуха с рециркулирующими газами, в топку она поступает также вихревыми потоками. Потоки богатой смеси и потоки смеси воздуха с рециркулирующими дымовыми газами подают чередующими встречными парами, число которых составляет 0,25-0,33 от общего числа потоков. Причем через все горелки нижнего яруса подают богатую смесь, а воздух, необходимый для горения, в смеси с рециркулирующими газами подают равномерно через все горелки 3 и 4 всех ярусов выхревыми потоками с одинаковой степенью крутки. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА в топке со встречными соосными горелками, поярусно установленными на противоположных ее стенках, путем подачи через часть горелок богатой топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сжигания топлива и снижения содержания окислов азота в дымовых газах, через все горелки подают потоки смеси воздуха с рециркулирующими дымовыми газами, направленные встречно потокам топливовоздушной смеси, образуя чередующиеся пары, число которых составляет 0,25 - 0,33 от общего числа потоков, причем через все горелки нижнего яруса подают богатую топливовоздушную смесь. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все потоки богатой топливовоздушной смеси и смеси воздуха с рециркулирующими газами вихревые и имеют одинаковую степень крутки.