СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1994 года по МПК F23D17/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к котельной технике, и может быть использовано при сжигании топлива в топках котлов.

Известен способ сжигания топлива, когда общий поток воздуха для горения разделяют на несколько потоков с разной степенью крутки, но с одинаковой температурой, а инертное вещество подают по периферии. Топливо подается во внутренний воздушный поток. Путем изменения крутки воздушных потоков регулируют перемешивание топлива и воздуха, что определяет в конечном итоге скорость процесса горения и связанный с ней выход оксидов азота. Подача инертного вещества балластирует зону горения, способствует снижению в ней температуры, что дополнительно снижает концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания.

Однако при таком способе снижение выбросов оксидов азота недостаточное (на 20-25% ). Это объясняется тем, что топливо активно перемешивается с воздухом, который весь поступает в зону горения уже на начальном этапе. Регулированием крутки воздушных потоков не удается значительно растянуть факел и тем самым обеспечить восстановление образовавшихся на первом этапе горения оксидов азота. Инертное вещество поступает на заключительной стадии горения, когда уже произошло образование основного количества оксидов азота, что недостаточно эффективно.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ сжигания топлива, включающий подачу в топку коаксиальными потоками воздуха инертного вещества в рассечку с воздухом и топлива во внутренний воздушный канал. В данном случае инертное вещество подается в зону горения уже на начальном участке и одновременно создается завеса из инертного вещества, препятствующая быстрому перемешиванию с топливом внешнего воздушного потока. Эти факторы способствуют снижению температурного уровня в зоне горения, образованию некоторой восстановительной зоны в центре на начальном участке факела, что способствует снижению выбросов оксидов азота.

Однако при подаче воздуха с высокой температурой на энергетических котлах не удается значительно снизить содержание оксидов азота в дымовых газах, поскольку в зоне горения, образовавшейся после смешивания внутреннего потока воздуха с топливом, из-за поступления горячего окислителя и быстрого образования и нагрева до температуры воспламенения топливовоздушной смеси поддерживается высокая температура. Кроме того, быстрое выгорание топлива способствует эффективному перемешиванию внешнего воздушного потока с продуктами сгорания топлива из первой зоны горения, поскольку резко увеличиваются объемы и скорость последних. Это способствует уменьшению размеров зоны восстановления к значительному выбросу оксидов азота.

Целью изобретения является снижение образования оксидов азота без ухудшения эффективности выгорания топлива.

Поставленная цель достигается тем, что при способе сжигания топлива, включающем подачу в топку коаксиальными потоками воздуха, инертного вещества в рассечку с воздухом и топлива во внутренний воздушный поток, последний подают с температурой ниже температуры внешнего воздушного потока по меньшей мере на величину, определяемую по формуле
ΔT = C exp - , где Т - температура внешнего воздушного потока, К;
δ - доля внутреннего воздушного потока от общего количества поступающего воздуха, % ;
b, c - константы, определяемые видом топлива (для жидкого и газообразного топлива b = 600, с = 1,4^.10³, для твердого топлива b = 650, с = 10³), причем соотношение скоростей внутреннего воздушного потока и потока инертного вещества составляет 0,5-1,5. Кроме того, топливо во внутренний поток подают по его периферии.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью заключается в следующем. Концентрация оксидов азота в дымовых газах зависит от количества оксидов азота, образовавшихся при горении и восстановившихся в зоне с недостатком кислорода.

Подача топлива во внутренний воздушный поток, который имеет температуру ниже температуры внешнего воздушного потока (например, температуру окружающей среды), позволяет поддерживать на начальном участке факела низкий температурный уровень, что определяет замедление образования оксидов азота, и высокий уровень температур на участке догорания топлива, что обеспечивает полное выгорание продуктов недожога. При разнице температур воздушных потоков не менее величины, определяемой по формуле
ΔT = C exp - , зона восстановления на начальном участке факела имеет размеры, позволяющие практически полностью восстановить оксиды азота, образовавшиеся на начальном этапе горения. Образование указанной зоны способствует завеса инертного вещества вокруг внутреннего воздушного потока, которая эффективна при соотношении скоростей внутреннего воздушного потока и потока инертного вещества, составляющем 0,5-1,5. Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить поставленную цель - снизить образование оксидов азота. Кроме того, качественному улучшению поставленной цели способствует подача топлива по периферии внутреннего воздушного потока. При этом в зону горения поступает практически подготовленная смесь топлива, воздуха и инертного вещества, что способствует замедлению горения и ухудшению генерации оксидов азота.

Наличие отмеченных выше отличительных признаков по сравнению с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Поиск дополнительных технических решений, определяемый указанным отличительным признаком, не выявил их совокупного использования в других областях техники для достижения поставленной цели, на основании чего можно сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 схематически представлена горелка для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - зависимости относительного выхода оксидов азота (1) и потерь тепла с недожогом топлива (2) от соотношения скоростей внутреннего воздушного потока и потока инертного вещества, W_вн/W_ин.

Горелка содержит внутренний воздушный канал 1, внешний воздушный канал 2, канал 3 инертного вещества, расположенный в рассечку между воздушными каналами 1 и 2, газообразное топливо подается по каналу 4, а жидкое - через форсунку 5.

Способ осуществляется следующим образом.

Относительно холодный воздух (например, температуры окружающей среды) подается в канал 1 и на выходе из него смешивается или с газообразным топливом, поступающим по каналу 4, или с жидким топливом из форсунки 5. Образовавшаяся топливовоздушная смесь от остального воздуха экранируется инертным веществом, подаваемым по каналу 3. В результате горение происходит при невысоких температурах с одновременным восстановлением образовавшихся оксидов азота. Для дожигания продуктов недожога по каналу 2 подается относительно горячий воздух. Поскольку разница температур указанных воздушных потоков составляет не менее
ΔT = C exp - , обеспечивается практически полное восстановление образовавшихся на первом этапе оксидов азота за счет замедления поступления в зону горения относительно горячего воздуха. Канал 4 расположен на периферии канала 1, поэтому топливо, воздух и инертное вещество активно перемешивается и в результате балластировки начального участка факела снижается содержание оксидов азота в продуктах горения.

Как показали исследования (см. фиг. 2), при соотношении скоростей внутреннего воздушного потока и потока инертного вещества больше 1,5 резко увеличивается образование оксидов азота (кривая 1) вследствие быстрого "разрушения" завесы инертного вещества и раннего смешивания воздушных потоков, а недожог топлива практически отсутствует (кривая 2). В диапазоне изменения W_вн./W_ин. от 0,5 до 1,5 отмечается незначительное увеличение потерь тепла с недожогом топлива и относительно слабое повышение концентрации . В дальнейшем с более глубоким снижением соотношения W_вн/W_ин ниже 0,5 потери тепла, связанные с недожогом топлива, резко возрастают, что является следствием слишком затянутого процесса смешивания внешнего воздушного потока с топливосодержащими топочными газами из-за значительного влияния завесы потока инертного вещества. В то же время в области значений W_вн/W_ин < 0,5 снижение содержания оксидов азота происходит достаточно медленно и не существенно.

Таким образом, оптимальным и с точки зрения эффективности снижения выбросов оксидов азота, и достижения высокой степени полноты выгорания топлива является интервал изменения соотношения скоростей внутреннего воздушного потока и потока инертного вещества, составляющий 0,5-1,5.

П р и м е р. В качестве примера для реализации предлагаемого способа выбраны газомазутный котел БКЗ-210-140 ГМ и пылеугольный котел ТП-230.

В исходном варианте котлы оборудованы горелками, в которых подача воздуха осуществляется двумя потоками: внутренним и наружным, а подача дымовых газов рециркуляция (инертного вещества) осуществляется в рассечку указанных потоков. Доля внутреннего потока воздуха δ составляет 30% от общего количества поступающего в горелку воздуха. Топливо подается во внутренний воздушный поток. Соотношение скоростей W_вн/W_ч = 1,0. Температура горячего воздуха, поступающего в горелки после воздухоподогревателей, составляет 227^оС (500 К) на газомазутном котле БКЗ-210 327^оС (600 К) на пылеугольном котле ТП-230. При этом концентрации оксидов азота в дымовых газах, определенные расчетным путем в соответствии с Методическими указаниями по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов РД 34.02.304-88, составляют около 520 и 710 мг/нм³ соответственно на котлах БКЗ-210 и ТП-230.

Уменьшение температуры части воздуха, задаваемой во внутренний канал 1 горелки (путем частичного байпасирования воздухоподогревателя) и снижения температуры воды на входе в экономайзер на величину, ΔT = C exp - составляет для газа и мазута (котел БКЗ-210) ΔT = 1,4·10³ exp - = 131^° и для угля ΔT = 10³·exp = 118^° (котел ТП-230).

Таким образом, во внутренние каналы горелок котла БКЗ-210 подают воздух температурой t_вн = 227 - 131 = 96^оС при температуре наружного потока воздуха в горелках t_нар = 227^оС.

На котле ТП-230 температура внутреннего воздушного потока в горелках составляет t_вн = 327 - 118 = 209^оС при температуре потока воздуха в горелках t_нар = 327^оС.

При этом за счет организованного способа сжигания топлива концентрации оксидов азота снизились (по расчету) соответственно до 300 мг/нм³ на котле БКЗ-210 и до 400 мг/нм³ на котле ТП-230, т. е. более чем на 40% .

Результаты, полученные для других типов котлов, имеющих различные температуры горячего воздуха доли внутреннего воздушного потока в горелках, показали на основании расчетного сопоставления, что при снижении температуры горячего воздуха, поступающего во внутренний канал горелок (например, путем частичного байпасирования воздухоподогревателей, смещения с холодным воздухом и т. д. на величину ΔT = C exp - по сравнению с температурой наружного потока воздуха эффективность снижения выбросов оксидов азота составляет 30-45% .

Использование: при сжигании топлива в топках котлов. Сущность изобретения: сжигание топлива осуществляют при подаче в топку коаксиальными потоками воздуха, инертного вещества в рассечку с воздухом и топлива во внутренний воздушный поток. Внутренний воздушный поток подают температурой ниже температуры внешнего воздушного потока по меньшей мере на величину, определяемую по формуле, приведенной в описании изобретения. При этом соотношение скоростей внутреннего воздушного потока и потока инертного вещества составляет 0,5 - 1,5. Кроме того, топливо во внутренний воздушный поток подают по периферии. 1 з. п. ф - лы, 2 ил.

1. СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА путем подачи в топку коаксиальными потоками воздуха, инертного вещества в рассечку с воздухом и топлива во внутренний воздушный поток, отличающийся тем, что, с целью снижения образования оксидов азота без ухудшения эффективности выгорания топлива, внутренний воздушный поток подают с температурой ниже температуры внешнего воздушного потока по меньшей мере на величину, определяемую по формуле
ΔT = C exp - ,
где T - температура внешнего воздушного потока, К;
δ - доля внутреннего воздушного потока от общего количества поступающего воздуха, % ;
b, c - константы, определяемые видом топлива,
причем соотношение скоростей внутреннего воздушного потока и потока инертного вещества составляет 0,5 - 1,5. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что топливо в указанный внутренний поток подают по его периферии.