ВЕРТИКАЛЬНАЯ ЧЕТЫРЕХГРАННАЯ ТОПКА ДЛЯ СОВМЕСТНОГО СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ И СПОСОБ РАБОТЫ ТОПКИ Российский патент 1995 года по МПК F23C11/02 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах ТЭС и котельных сжигающих пpиpодный газ и продукты газификации угля.

Известна вертикальная четырехгранная топка для сжигания пыли с установленными на ее стенах воздушными соплами и на одном с ними уровне соплами для ввода топлива, причем последние установлены между воздушными соплами и по касательной и горизонтальной окружности в центре топки [1]. Топка имеет при сжигании в ней природного газа и продуктов газификации угля низкую степень выгорания вводимого топлива.

Известна также вертикальная четырехгранная топка для совместного сжигания продуктов газификации угля и органического топлива, содержащая камеру сгорания с установленными на двух ее противоположных стенах горелками для сжигания органического топлива, причем горелки установлены по крайней мере в один ряд, кроме того, в поду топки установлено сопло для ввода продуктов газификации, ориентированное вдоль вертикальной оси камеры сгорания [2] (прототип).

Однако эта топка имеет также низкую степень выгорания вводимого топлива при сжигании вместе с продуктами газификации природного газа.

Известен, способ работы вертикальной четырехгранной топки путем ввода потоков пыли и воздуха через раздельные сопла, установленные на одном уровне, причем струи пыли вводят в пространство между струями воздуха, и струи пыли образуют горизонтальное вращение топочной среды с осью вращения в центре камеры сгорания.

К недостатку этого способа также можно отнести высокий уровень концентрации окиси азота и бенз(а)пирена в отводимых продуктах сгорания при сжигании вместо пыли продуктов газификации и природного газа.

Известен способ работы четырехгранной вертикальной топки путем ввода через горелки потоков воздуха, пыли и природного газа, причем скорость истечения газа в топку 1,8-6,0 раз выше скорости истечения воздуха.

Недостаток этого способа - высокий уровень концентрации окиси азота и бенз(а)пирена при сжигании вместе с природным газом продуктов газификации.

Известен также способ работы четырехгранной вертикальной топки путем ввода потока продуктов газификации угля через сопло в поду топки, струй природного газа и воздуха через сопла с двух противоположных стен [3] (прототип). Однако и при его реализации в продуктах сгорания высокий уровень концентрации окиси азота и бенз(а)пирена.

Технический результат изобретения - повышение степени выгорания топлива и снижение концентрации окиси азота и бенз(а)пирена в продуктах сгорания.

Для этого в вертикальной четырехгранной топке для совместного сжигания природного газа и продуктов газификации угля, содержащей камеру сгорания с установленными на двух ее противоположных стенках по крайней мере в один горизонтальный ряд горизонтальными соплами для ввода воздуха и соплами для ввода природного газа, размещенными на стенах на одном уровне с воздушными соплами в каждом горизонтальном их ряду, причем оси всех сопл направлены тангенциально к горизонтальной окружности в центре топки, кроме того, камера сгорания имеет сопло для ввода продуктов газификации угля, установленное в поду ориентированное вдоль вертикальной оси топки, расстояние между соплом для ввода продуктов газификации в поду топки и соплами для ввода природного газа и воздуха в первом горизонтальном ряду составляет Н = (0,6 - 1,2)А, а расстояние между воздушными соплами на каждой из противоположных стен равно В = (0,5 - 0,9)А, где А - ширина стен топки с установленными на них соплами, м.

При работе топки, осуществляемой путем ввода потока продуктов газификации угля через сопло в поду топки, струй природного газа и воздуха - через сопла с двух противоположных стен, скорость истечения струй природного газа составляет U₁ = =(1,5-1,75)U₃, а потока продуктов газификации U₂ = (0,25 - 0,5)U₃, где U₃ - скорость истечения воздушных струй из сопл на стенах, м/с.

Выполнением расстояния между соплом для ввода продуктов газификации в поду топки и соплами для ввода природного газа и воздуха в первом горизонтальном ряду, равным Н = (0,6-1,2)А, и расстояния между воздушными соплами на каждой из противоположных стен В = (0,5-0,9)А, достигается максимальная степень выгорания топлива ( Ψ = 1- q₄ - q₃, где q₄ и q₃ - степень механического и химического недожога топлива).

При сжигании одного природного газа, как показали исследования на котлах БКЗ-210-140ф (см.схемы топок на фиг. 1, 2, 3 и табл.1, 2, 3), при В = 0,7А уровень Ψ = 1,0. При незначительных отклонениях В от значений 0,7А уровень Ψ = 1,0. При В = 0,5 А; В = 0,9 А параметр Ψ = 1,0. Но как только даже незначительно В < 0,5А, В > 0,9А параметр Ψ ≅ 0,98. При сжигании одного пpиpодного газа параметр Н влияния на результаты не оказывал. Это влияние было четко обозначено при сжигании отдельно или совместно с природным газом продуктов газификации.

При сжигании одних продуктов газификации челябинского угля с исходным уровнем перед вводом в топку q₄ ≈10% (мелкая пыль) и q₃ ≈ 50% параметр Ψ ≈0,99 соответствовал В = 0,7А и Н = 0,8А. При незначительных отклонениях В и Н в большую или меньшую стороны параметр Ψ ≈0,99. При В = 0,5А; В = 0,9А; Н = 0,6А; Н = 1,2A параметр Ψ = 0,98. Как только В < 0,5А; В > 0,9А; Н < 0,6А; Н > 1,2А параметр Ψ ≅ 0,92-0,925.

При сжигании одновременно природного газа и продуктов газификации в случае В = 0,7А и Н = 0,8А параметр Ψ ≈0,99. При незначительном отклонении В и Н в большую или меньшую стороны параметр Ψ ≈0,99. При В = 0,5А; В = 0,9А; Н = 0,6А; Н = 1,2А параметр Ψ ≈ 0,98. Как только В < 0,5А; В > 0,5А; Н < 0,6А; Н > 1,2А параметр Ψ ≅0,92-0,93.

Пpи переходе на продукты газификации из другого угля в частности, экибастузского, картина изменения Ψ в зависимости от В и Н сохраняется полностью. Соотношение скоростей истечения из сопл воздуха, природного газа и продуктов газификации на изменение Ψ практически влияния не оказывает. Также не влияют на результат геометрические параметры С, D, E, K, M (см. фиг.3), количество газовых сопл 3 на каждой из стен в каждом горизонтальном ряду. Те же результаты получены при испытании топки на фиг.4 и 5.

При эксплуатации топки (фиг.1, 2 и 3) или топки (фиг.4 и 5) в продуктах сгорания образуются окислы азота (NO_x) бенз(а)пирен (Б) ядовитые вещества, негативно воздействующие на окружающюю среду и здоровье людей. Уровень концентрации этих веществ в продуктах сгорания сильно зависит от соотношения скорости истечения в топку газовых и воздушных струй (см.табл. 4, 5, и 6). Так при вводе в топку только природного газа очень сильно влияние соотношения U₁/U₃ (U₁ и U₃ - скорость истечения газа и воздуха, м/с). Так, если U₁/U₃ = 1,6 концентрация NO_x = 50 мг/м³; Б = 2˙10^-5 мг/м³. При незначительных отклонениях U₁/U₃ в большую или меньшую стороны NO_x ≈ 50 мг/м³; Б ≈ 2˙10^-5 мг/м³. При U₁/U₃ = 1,5; U₁/U₃ = =1,75 параметры NO_x = 55-60 мг/м³; Б ≈ 2˙10^-5 мг/м³. Как только U₁/U₃ < 1,5; U₁/U₃ > 1,75 параметры NO_x > 120 мг/м³; Б > 10˙10^-5 мг/м³.

При сжигании одного продукта газификации угля в случае U₂/U₃ = 0,35 параметры NO_x ≈ 250 мг/м³; Б ≈ 40˙10^-5 мг/м³. При незначительных отклонениях U₂/U₃ в большую или меньшую стороны NO_x ≈ 250 мг/м³; Б ≈ 40˙10^-5 мг/м³. При U₂/U₃ = 0,25; U₂/U₃ = 0,5 параметры NO_x ≈ 250-280 мг/м³. Б ≈ (40-50)˙10^-5 мг/м³. При U₂/U₃ < 0,25. U₂/U₃ > 0,5 параметры nO_x > 460-500 мг/м³; Б = (80-120)˙10^-5 мг/м³.

При одновременном сжигании продуктов газификации угля и природного газа значения скорости их истечения взаимно влияют на результаты сжигания. Так при U₁/U₃ = 1,6; U₂/U₃ = 0,35 параметры NO_x ≈ 200 мг/м³; Б ≈ 20˙10^-5 мг/м³. При незначительных отклонениях U₁/U₃ и U₂/U₃ в большую или меньшую стороны параметры NO_x ≈ 200 мг/м³; Б ≈ 20˙10^-5 мг/м³. При U₁/U₃ = 1,5; U₁/U₃ = 1,75; U₂/U₃ = 0,25; U₂/U₃ = 0,5 параметры NO_x ≈ 250 мг/м³; Б = 30˙10^-5 мг/м³. Как только U₁/U₃ < 1,5; U₁/U₃ > 1,75; U₂/U₃ < 0,25; U₂/U₃ > 0,5 параметры NO_x > 500 мг/м³ ; Б > 100˙10^-5 мг/м³.

При эксплуатации топки (см.фиг.4, 5) наблюдаются те же характерные изменения NO_x и Б. В зависимости от типа угля, поступающего на газификацию, значений коэффициента избытка воздуха в топке абсолютные уровни NO_x и Б могут несколько отличаться. Данные табл.4, 5 и 6 приведены при выдерживании оптимальных соотношений геометрических характеристик топки (В = (0,5 - 0,9)˙А и Н = (0,6 - 1,2)˙А. Как только В < 0,5А; В > 0,9А; Н < 0,6А; Н > 1,2А, параметры NO_x > 500 мг/м³ и Б > 100˙10^-5 мг/м³ при сжигании продуктов газификации отдельно или совместно с природным газом; при сжигании одного природного газа вне оптимальных геометрических соотношениях В/А параметры NO_x > 120 мг/м³,В > 10˙10^-5 мг/м³. Значения диаметра окружности вращения dy влияния на параметры NO_x; Б; Ψ фактически не оказывают.

Выявленные условия и диапазоны геометрических Н = (0,6-1,2)А; В = (0,5-0,9)А и технологических U₁/U₃ = 1,5-1,75; U₂/U₃ = =0,25 - 0,5 параметров с точки зрения получения положительных результатов в соответствии с целью изобретения являются существенными, обеспечивают повышение степени выгорания топлива и снижение концентрации окислов азота и бенз (а)пирена.

На фиг. 1 показана схема топки, продольный разрез, выполненный по варианту 1; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 4 - схема топки, продольный разрез, выполненный по варианту 2; на фиг.5 - вид по стрелке В на фиг.4.

Топка содержит камеру 1 сгорания, подовое сопло 2 для ввода продуктов газификации угля (газогенератор устанавливается вблизи топки, на фиг. 1, 2, 3 не показан), сопла 3 для ввода природного газа и сопла 4 для ввода воздуха, устанавливаемые на двух противоположных стенах на одном уровне и по крайней мере в один горизонтальный ряд, причем оси сопл на стенах ориентированы по касательной (тангенциально) горизонтальной окружности 5 в центре топки диаметром dy (см.фиг.3). Кроме того, сопла 3 для ввода газа размещены между соплами 4 для ввода воздуха. Сопло 2 в поду для ввода продуктов газификации угля ориентировано вдоль вертикальной оси 6 камеры 1. Расстояние между соплом 2 и нижними соплами на стенах Н = (0,6-1,2)А, а расстояние между воздушными соплами 4 на каждой стене В = (0,5-0,9)А.

Работа топки (см. 1, 2 и 3) осуществляется путем ввода через сопла 2, 3, 4 продуктов газификации природного газа и воздуха, причем скорость истечения струй природного газа U₁ = (1,5-1,75)U₃, скорость истечения продуктов газификации U₃ = (0,25-0,5)U₃, где U₃ - скорость истечения воздушных струй. Топливо при взаимодействии с воздухом образует продукты сгорания, выделяет тепло, которое передается в поверхностях нагрева воде и пару (на фиг. 1, 2 и 3 не показаны), а продукты сгорания отводятся в атмосферу. При работе топки (см.фиг. 1, 2, 3) снижаются выбросы в атмосферу вредных веществ (окислов азота и бенз(а)пирена при одновременном повышении степени выгорания вводимого топлива как при сжигании отдельно природного газа и продуктов газификации угля, так и при их совместном сжигании в топке.

Топка (см. 4, 5) содержит те же элементы, что и топка (см.фиг. 1, 2 и 3) и ее работа осуществляется аналогично вышеописанной.

В табл.1 проиллюстрированы результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2, 3. Сжигание природного газа Бухарского месторождения. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,15; А = 0,8 м; dy = 0,18 А, U₁ = 80 м/с; U₃ = 50 м/с.

В табл. 2 приведены результаты исследований модели топки по фиг. 1. 2, 3. Сжигание продуктов газификации челябинского угля. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,25; А = 0,8 м; dy = 0,18 А; U₂ = 16 м/с; U₃ = =50 м/с.

В табл. 3 приведены результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2, 3. Сжигание продуктов газификации челябинского угля и природного газа в соотношении 50-50% по тепловыделению. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,21; А = 0,8 м; dy = =0,18А; U₁ = 80 м/c; U₂ = 16 м/с; U₃ = 50 м/с.

В табл.4 проиллюстрированы результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2, 3. Сжигание природного газа Бухарского месторождения. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,15; А = 0,8 м; dy = 0,18 А; Н =0,8 А.

В табл.5 приведены результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2,3. Сжигание продуктов газификации челябинского угля. Коэффициент избытка воздуха 1,25; А = 0,8; dy = 0,18 А; Н = 0,8 А.

В табл. 6 приведены результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2, 3. Сжигание продуктов газификации челябинского угля и природного газа в соотношении по тепловыделению 50/50. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,21; А = 0,8 м; dy = 0,18А; Н = 0, 8А В = 0,8А.

Использование: использование на котлах теплоэлектростанций, сжигающих природный газ и продукты газификации угля. Сущность изобретения: топка содержит камеру сгорания с установленными на ее двух противоположных стенах по крайней мере в один ряд соплами для ввода воздуха и соплами для ввода природного газа, размещенными на стенах на одном уровне с воздушными соплами в каждом горизонтальном их ряду, причем оси всех сопл направлены тангенциально к горизонтальной окружности в центре топки. Кроме того, камера сгорания имеет сопло для ввода продуктов газификации угля, установленное в поду и ориентированное вдоль вертикальной оси топки. 2 с.п. ф-лы, 5 ил., 6 табл.

ВЕРТИКАЛЬНАЯ ЧЕТЫРЕХГРАННАЯ ТОПКА ДЛЯ СОВМЕСТНОГО СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ И СПОСОБ РАБОТЫ ТОПКИ.