СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1995 года по МПК F23C11/00 F23C6/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при сжигании топлива в котельных агрегатах.

Известны способы сжигания топлива путем подачи в зону горения топлива и воздуха с коэффициентом избытка воздуха α=0,71-1 [1] Недостатком этих способов сжигания топлива является значительное содержание в продуктах сгорания токсичных веществ, в частности окислов азота.

Известен способ сжигания топлива путем подачи в первую зону горения топлива и воздуха с коэффициентом его избытка α₁<1 и отвода продуктов сгорания во вторую зону горения с одновременной подачей в нее топлива и воздуха, причем общий коэффициент избытка подаваемого в первую и вторую зону воздуха α_об>1 [2] Этот способ наиболее близок по технической сущности и выбран в качестве прототипа. Недостатком этого способа сжигания топлива является значительное содержание в продуктах сгорания токсичных веществ, в частности окислов азота.

Технической задачей изобретения является снижение содержания в продуктах сгорания токсичных веществ, в частности окислов азота.

В предлагаемом способе сжигания топлива, включающем подачу в первую зону горения топлива и воздуха с коэффициентом его избытка α₁< 1 и отвод продуктов сгорания во вторую зону горения с одновременной подачей в нее воздуха, причем общий коэффициент избытка подаваемого в первую и вторую зону воздуха α_об> 1, продукты сгорания после первой зоны горения охлаждают до 150-850^оС, производят очистку от окиси азота в блоке катализатора и дожигают полученную газовую смесь во второй зоне горения путем подачи в нее воздуха, причем подачу воздуха в первую зону горения осуществляют с коэффициентом его избытка α₁= 0,85-0,9999, подачу воздуха во вторую зону горения осуществляют так, что общий коэффициент избытка подаваемого в первую и вторую зоны воздуха α_об=1,0001-1,8, в качестве катализатора очистки могут применяться оксидные соединения на основе хрома, кобальта, никеля, железа и других элементов с использованием промотирующих добавок, горение во второй зоне может осуществляться в присутствии катализатора полного окисления, и при рециркуляции в нее дымовых газов.

На чертеже изображена схема котла, в котором может быть реализован данный способ.

Котел 1 содержит форсунки 2 для подачи топлива и воздуха, пароперегреватели 3, первый блок 4 катализатора, устройство 5 ввода воздуха, второй блок катализатора 6, экономайзеры 7 и дымоход 8.

Способ реализуется следующим образом.

В нижнюю часть котла 1 через форсунки 2 подается топливо и воздух с коэффициентом его избытка α₁= 0,85-0,9999. Недостаток воздуха нужен для того, чтобы в первой зоне горения при сжигании топлива образовалось достаточно большое количество окиси углерода СО и водорода Н₂.

Для того, чтобы в первом блоке 4 катализатора произошло полное устранение окиси азота NO, необходимо, чтобы перед первым блоком катализатора 4 сумма концентраций [CO]+[H₂] была больше концентрации [NO] Зависимости этих концентраций от α₁ приближенно имеют вид: при α₁=1,0 [NO]3˙10^-4 [CO]1 ˙10^-4 [H₂] 2 ˙10^-4 при α₁=0,9990 [NO]3˙10^-4 [CO]3˙10^-4 [H₂]3˙10^-4 при α₁=0,9970 [NO]3˙10^-4 [CO]7 ˙10^-4 [H₂]7˙10^-4
Верхняя граница диапазона для коэффициента избытка воздуха α₁=0,9999 определяется неравенством ([CO]+[H₂])≥ [NO] Нижняя граница α₁=0,85 определяется тем, что чем меньше α₁, тем ниже КПД котла, поэтому α₁ нельзя брать слишком маленьким.

В первой зоне горения температура сжигаемой газовой смеси в зависимости от вида котла поддерживается 1200-2200^оС. По мере продвижения внутри котла газовая смесь продуктов сгорания постепенно охлаждается, отдавая тепло пароперегревателям 7. В том месте котла, в котором температура продуктов сгорания уменьшается до 150-850^оС, располагается первый блок катализатора 4, в котором идет очистка газовой смеси продуктов сгорания от окиси азота NO. Катализатор в данном случае представляет собой твердое вещество, в присутствии которого сильно смещается равновесие химических реакций: 2CO+ 2NO -> 2CO₂ + N₂ и 2H₂ + 2NO -> ->> 2H₂O + N₂ (без катализатора в указанном диапазоне температур эти реакции не идут). В качестве катализаторов для указанных реакций применяются оксидные соединения на основе хрома, кобальта, никеля, железа и других элементов с использованием промотирующих добавок.

Верхняя граница температуры газовой смеси продуктов сгорания в первом блоке и катализатора 4 850^оС, определяется пределом физической прочности катализатора, при более высокой температуре катализатор может разрушаться. Нижняя граница температуры 150^оС определяется тем, что первый блок 4 катализатора, устройство 5 ввода воздуха и второй блок 6 катализатора располагаются ниже экономайзеров 7, а температура газовой смеси непосредственно перед экономайзерами 7 поддерживается не ниже 150^оС.

Поскольку α₁ подобрано так, чтобы перед первым блоком 4 катализатора ([CO]+[H₂]) ≥ [NO] то после прохождения первого блока 4 катализатора газовая смесь продуктов сгорания уже не содержит окиси азота NO (вся имевшаяся в наличии NO провзаимодействовала с CO и Н₂ в реакциях 2CO+2NO->2CO₂+N₂ и 2H₂+2NO->2H₂O+N₂. Но газовая смесь продуктов сгорания содержит не прогоревшие СO и Н₂, а также может содержать сажу, бензпирен и другие токсичные вещества, которые могли образоваться в первой зоне горения из-за того, что сжигалась богатая топливная смесь. Поэтому описываемый способ включает в себя этап дожигания во второй зоне горения.

Дожигание осуществляется следующим образом.

Через устройство ввода воздуха 5 во вторую зону горения котла дополнительно подается воздух, причем общий коэффициент избытка подаваемого в первую и вторую зону воздуха α_об> 1. Кислород воздуха химически взаимодействует с CO, H₂, сажей, бензпиреном и другими токсичными веществами, содержащимися в продуктах сгорания, образуя CO₂и H₂O.

Нижняя граница диапазона для общего коэффициента избытка, подаваемого в первую и вторую зоны горения воздуха α_об>1, определяется условием полного выгорания топлива. Верхняя граница α_об=1,8 определяется тем, что, чем больше α_об, тем ниже КПД котла, поэтому α_об нельзя брать слишком большим.

Так как температура во второй зоне горения, может быть не очень высокой, то для интенсифицирования нужных химических реакций горение во второй зоне может осуществляться в присутствии катализатора полного окисления, во втором блоке катализатора 6. Катализатор в данном случае представляет собой твердое вещество, в присутствии которого сильно смещается равновесие химических реакций: 2CO + O2-> 2CO₂ и 2H₂ + O₂ -> 2H₂O и других.

Для лучшего перемешивания во второй зоне горения и для повышения в ней температуры подачу воздуха во вторую зону горения можно осуществлять путем рециркуляции в нее дымовых газов, которые обычно содержат свободный кислород из-за подсосов атмосферного воздуха в дымоходе 8. Дымовые газы отбираются из дымохода 8 и подаются во вторую зону горения через устройство 5.

П р и м е р. В первую зону горения топливо и воздух подаются с коэффициентом избытка воздуха α₁= 0,98. После прохождения газовой смесью первой зоны горения перед первым блоком 4 концентрации веществ, содержащихся в продуктах сгорания [NO]3˙10^-4, [CO]4˙10^-3, [H₂]4˙10^-3.

В блоке 4 применяют композитный хромокобальтоникелевый катализатор с небольшими добавками молибдена, выполненный на керамической подложке. Температура газовой смеси в первом блоке 4 катализатора 550^оС. После прохождения газовой смесью первого блока 4, концентрации веществ [NO]>10^-5, [CO]4˙10^-3, [H₂] 4˙10^-3.

Через устройство 5 во вторую зону горения воздух подается в таком количестве, что общий коэффициент избытка подаваемого в первую и вторую зону воздуха α_об 1,1. Концентрации веществ после второго блока 6 катализатора [NO] <10^-5, [CO]<10^-5, [H₂]<10^-5.

Использование: в устройствах, обеспечивающих сжигание угля, нефтепродуктов, природного газа. Сущность изобретения: осуществляют подачу топлива и воздуха с коэффициентом его избытка 0,85 - 0,9999, охлаждение продуктов сгорания до 150 - 850°С и очистку от окислов азота в первом блоке катализатора, причем в качестве катализатора могут применяться оксидные соединения на основе хрома, кобальта, никеля, железа и других элементов с использованием промотирующих добавок. После очистки продукты сгорания дожигают при дополнительной подаче воздуха. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА путем подачи в первую зону горения топлива и воздуха с коэффициентом его избытка α₁ < 1 и отвода продуктов сгорания во вторую зону горения с одновременной подачей в нее воздуха, причем общий коэффициент избытка воздуха, подаваемого в первую и вторую зоны горения, α_об > 1, отличающийся тем, что продукты сгорания после первой зоны охлаждают до температуры 150 850^oС, производят их очистку в блоке катализатора, причем α₁=0,85 - 0,999, а α_об=1,0001 - 1,8.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора применяют оксидные соединения на основе хрома, кобальта, никеля, железа и других элементов с использованием промотирующих добавок. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что горение во второй зоне осуществляют в присутствии катализатора. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что во вторую зону горения осуществляют подачу дымовых газов.