ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА С НИЗКИМ ВЫХОДОМ ОКСИДОВ АЗОТА Российский патент 1995 года по МПК F23D1/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано, преимущественно, в топках паровых и водогрейных котлов, сжигающих распыленное твердое топливо.

Известна круглая горелка конструкции ОРГРЭС, содержащая наружный цилиндрический коаксиальный канал вторичного воздуха с завихрителем и внутренний цилиндрический канал топливовоздушной смеси, на выходе из которого расположен конически раскрывающийся рассекатель, раздающий все топливо в поток вторичного воздуха. В такой горелке диаметр внутреннего канала топливовоздушной смеси составляет 0,5-0,6 диаметра канала вторичного воздуха, при этом оба канала разделены только общей стенкой. Недостатком такой горелки является большой выход окислов азота, поскольку вся топливовоздушная смесь подводится и выходит из горелки с малой концентрацией топлива (0,2-0,5 кг топлива на кг воздуха), а следовательно, с большой долей первичного воздуха, и вся топливовоздушная смесь на выходе из горелки быстро смешивается со вторичным воздухом.

Известна пылеугольная горелка, содержащая корпус с соосно установленными центральной трубой и обечайкой, образующими периферийный и внутренний кольцевые каналы для подачи соответственно вторичного воздуха и топливовоздушной смеси, причем в канале топливовоздушной смеси установлен рассекатель потока.

Недостатком такой горелки является повышенное образование окислов азота, поскольку все топливо после рассекателя направляется в сторону вторичного воздуха и быстро с ним смешивается, образуя смесь с повышенной концентрацией кислорода.

В настоящее время многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями показано, что при пылеугольном сжигании топлива основная часть окислов азота (NO_x) образуется на начальном участке факела (на расстоянии от устья горелки 2-2,5 ее диаметра), где вместе с летучими из топлива выделяются азотсодержащие составляющие.

В начале процесса сгорания (окисления) азотсодержащие соединения разлагаются с образованием активного азота, который в дальнейшем участвует в реакциях образования и разложения NO_x. При этом температура оказывает существенно меньшее влияние на конечный выход топливных NO_x, чем концентрация кислорода. Поэтому для снижения NO_x необходимо на начальном участке горелочной струи создать зону с недостатком кислорода.

В настоящее время теоретическими и экспериментальными исследованиями по изучению механизма образования NO_x показано, что при определенных условиях подвода и сжигания некоторой (небольшой) доли топлива в горелке или вблизи нее имеется возможность обеспечить стадию разложения NO_x (образующихся при сжигании основной доли топлива) в пределах факела каждой горелки. В этом случае в реакции разложения NO участвуют продукты сжигания типа C_nH_m образующиеся из этой небольшой доли топлива (при недостатке кислорода), которые в пределах горелочного факела смешиваются с продуктами сжигания и содержащимися в них окислами азота, образованными от сжигания основной доли топлива, подаваемого в горелку. При такой схеме существенно упрощается технология сжигания с обеспечением минимальных выбросов NO_x.

Целью изобретения является уменьшение выхода окислов азота (путем использования эффекта разложения NO_x в пределах горелочного факела).

Для достижения указанной цели пылеугольная горелка содержит корпус с соосно установленными центральной трубой и обечайкой, образующими периферийный и внутренний кольцевые каналы для подачи соответственно вторичного воздуха и топливовоздушной смеси. На выходе из внутреннего канала установлен рассекатель, выполненный в виде центрального сопла с входным и выходным торцами и диффузорного кольцевого насадка, охватывающего указанное сопло, при этом диаметр выходного отверстия сопла равен 0,1.0,5 диаметра внутреннего канала для подачи топливовоздушной смеси.

Выходной торец центрального сопла выступает за пределы выходного среза корпуса на расстояние, равное 0,1.0,5 диаметра периферийного канала. Центральное сопло выполнено из двух последовательно расположенных по ходу движения потока участков конфузора и цилиндра, при этом конфузор имеет криволинейную поверхность с плавно изменяющимся радиусом кривизны. Кроме того, центральное сопло установлено с возможностью продольного перемещения и снабжено устройством его передвижения. Конструктивно центральное сопло выполнено в виде эжектора, а центральная труба установлена с возможностью продольного перемещения. В периферийном канале коаксиально установлена дополнительная труба с образованием непроточного кольцевого канала между периферийным и внутренним каналами шириной не менее 0,1 диаметра периферийного канала.

Предлагаемое выполнение горелки позволяет направить по центральному каналу 15-35% топлива, которое, попав в высокотемпературную и обедненную кислородом приосевую зону факела, быстро газифицируется, образуя продукты сгорания с радикалами типа С_n'Н_m', которые при смешении с окислами азота дымовых газов от сгорания основной массы топлива разлагают NO_x до NH_i Химизм этого процесса можно представить следующим образом. В условиях высокой температуры выходящие при нагреве из угольных частиц летучие вещества типа С_nH_m в течение короткого промежутка времени в условиях недостатка кислорода образуют радикалы типа С_n'H_m' согласно реакции
C_nH_m+ O₂ __→ CH + H₂O
С другой стороны, кинетические характеристики самой молекулы NO таковы, что при температурах свыше 1200^оС она относительно неустойчива и сама легко вступает в реакцию с радикалами типа С_n'H_m' с образованием азотного соединения NH_i по схеме:
NO + CH __→ C H +NH_i+H₂O+CO
Выбранный диапазон соотношения размеров сопла позволяет получить желаемый эффект при сжигании различных углей с разным содержанием азота и летучих составляющих. При меньшем соотношении размеров сопла образующихся продуктов сгорания от сжигания этой доли топлива недостаточно для последующей реакции разложения NO. При большем соотношении размеров сопла возникает побочный отрицательный эффект, связанный с образованием при сжигании большей доли топлива с недостатком кислорода значительных количеств продуктов неполного сгорания, в том числе токсичных канцерогенов и окиси углерода.

Отличительной особенностью предлагаемой горелки является также то, что выходной торец центрального сопла выступает за пределы выходного среза корпуса на расстояние 0,1.0,5 диаметра периферийного канала (d₂). Такое решение позволяет ввести и обеспечить для разных углей газификацию рассматриваемой доли топлива в зоне после выхода летучих и образования NO из основной доли сжигаемого топлива. При заглублении менее 0,1˙d₂ газификация доли топлива в приосевой области и смешение его продуктов сгорания с газами от сжигания основной доли топлива произойдет до завершения выхода летучих и азотсодержащих соединений из основной массы топлива. В результате эффект разложения NO будет незначительный. При заглублении более 0,5˙d₂ газификация большей части рассматриваемой доли топлива, подаваемого по оси, завершается за зоной приосевого обратного тока и продукты сжигания этой доли топлива не смогут хорошо перемешаться с газами от сжигания основной доли топлива. В результате эффект разложения NO будет существенно меньшим.

Другой отличительной особенностью предлагаемой горелки является выполнение центрального сопла из двух последовательно расположенных по ходу движения потока участков конфузора и цилиндра, при этом конфузор имеет криволинейную поверхность с плавно изменяющимся радиусом кривизны. Такая конструкция сопла позволяет обеспечить меньшее гидравлическое сопротивление и меньший абразивный износ сопла в сочетании с необходимой дальнобойностью центральной топливовоздушной струи.

Отличительной особенностью горелки является также то, что центральное сопло установлено с возможностью продольного перемещения и снабжено устройством его передвижения. Такое решение позволяет при сжигании конкретного топлива оптимизировать положение сопла по условиям достижения при наладке максимального эффекта разложения NO.

Другой отличительной особенностью предлагаемой горелки является то, что центральное сопло выполнено в виде эжектора, а центральная труба установлена с возможностью продольного перемещения.

Такое решение позволяет обеспечить эффект разложения NO при сжигании топлива, подаваемого в горелку, с концентрацией топлива и транспортирующего воздуха (μ_т) более 1 кг топлива на один кг воздуха. Экспериментальными исследованиями показано, что оптимальный эффект разложения NO при подаче части топлива в приосевую зону вихревой горелки достигается при концентрации топлива μ_т 0,9-1,1, что соответствует избытку воздуха 0,1-0,3 для основного диапазона сжигаемых углей с теоретическим расходом воздуха от 3 до 7 нм³/кг. В случае сжигания низкореакционных углей с малым содержанием летучих (типа АШ) по центральной трубе может подаваться высокореакционный уголь или газообразное топливо, обеспечивающее эффект разложения окислов азота.

Отличительной особенностью предлагаемой конструкции горелки является также то, что в периферийном канале коаксиально установлена дополнительная труба с образованием непроточного кольцевого канала между периферийным и внутренним каналами шириной не менее 0,1 диаметра периферийного канала. Такая конструкция горелки позволяет оттянуть смешение топлива со вторичным воздухом и обеспечить более интенсивную зону приосевой рециркуляции топочных газов к устью вихревой горелки при умеренных параметрах крутки вторичного воздуха. Оба эти фактора способствуют уменьшению образования NO_x. При разрыве менее 0,1 диаметра периферийного канала создаваемое между кольцевыми потоками топливновоздушной смеси и вторичного воздуха разрежение приводит к быстрому смыканию потоков, и эффект разрыва на условия смешения не влияет.

На чертеже изображена предлагаемая горелка.

Пылеугольная горелка содержит входной патрубок вторичного воздуха 1, подключенный к периферийному кольцевому каналу 2, в котором может быть установлен завихритель 3. Канал вторичного воздуха прикреплен и переходит в горелочную амбразуру 4. В приосевой области горелки установлена центральная труба 5 для подачи топливовоздушной смеси, на выходе из которой расположено пылеразделяющее устройство, включающее обтекаемый диффузорный кольцевой насадок 6 с центральным соплом 7. К соплу 7 прикреплена тяга 8, обеспечивающая передвижение сопла вдоль продольной оси горелки. В центральной части внутреннего канала (трубы) 5 расположена труба 9 с соплом 10 на ее конце, предназначенные для подачи воздуха или газообразного топлива в сопло 7. В периферийном канале 2 коаксиально установлена дополнительная труба, образующая непроточный кольцевой канал 11 между периферийным и внутренним каналами. Стрелками 12 и 13 на чертеже показаны направления потоков топливовоздушной смеси соответственно в сторону потока вторичного воздуха 14 и в центральное сопло 7.

Горелка работает следующим образом.

Вторичный воздух поступает в горелку через входной патрубок 1, пройдя по каналу 2 через завихритель 3, выходящий из горелки поток 14 приобретает вращательное движение. За счет этой крутки и наличия развитого по ширине непроточного канала 11 в приосевой области горелочной струи формируется развитая по ширине и глубине зона приосевого обратного тока, благодаря которой к устью горелки притекают обедненные кислородом высокотемпературные топочные газы, обеспечивающие зажигание топлива. Пылеугольное топливо с воздухом поступает в горелку по каналу 5 и перед выходом в топку с помощью диффузорного насадка 6 и центрального сопла 7 делится на два подпотока, один из которых основной поток 12 направляется от оси горелки в сторону вторичного воздуха, а второй 13 вводится в центральное сопло 7. После выхода в топку топливовоздушный поток 12, встречается с горячими топочными газами и вторичным воздухом, под тепловым воздействием которых из топлива выделяются летучие и в их числе азотосодержащие составляющие, из которых и образуются топливные окислы азота. Поскольку при подаче пыли с высокой концентрацией в первичной топливовоздушной смеси концентра- ция кислорода мала, то и образование NO в такой системе идет более замедленно, чем в горелках с обычной концентрацией топлива в аэросмеси. Уменьшению первоначального образования NO из основной доли топлива способствует также затягивание смешения топлива со вторичным воздухом, что обеспечивается за счет непроточного канала 11. Топливовоздушная смесь, выходящая из сопла 7, попадает в приосевую зону сильно закрученного факела, где имеет место наибольшая температура и минимальная концентрация кислорода. В этих условиях происходит быстрый прогрев топливных частиц и выделение летучих с образованием высокотемпературных радикалов типа C_nH_m, которые при смешении дымовых газов центрального и внешнего (основного) топливных потоков вступают в реакцию с NO основного потока, превращая окислы азота в соединения типа NH_i Все это происходит на участке (2-4) d₂ от устья горелки. В итоге конечный выход NO становится минимальным. Необходимым условием работы горелки с целью обеспечения минимального выхода NO является то, чтобы воспламенение и выделение радикалов разложения в центральном потоке топлива произошло на удалении от устья горелки за фронтом воспламенения и образования NO в основном потоке топлива. Для обеспечения этого сопло 7 может передвигаться в продольном направлении с помощью тяги 8. Если концентрации воздуха в центральном топливовоздушном потоке для какого-то конкретного топлива или системы его подачи оказывается не достаточной для газификации летучих центрального потока, то дополнительный воздух подается по трубе 9 через сопло 10, которые могут перемещаться вдоль оси горелки. В этом случае при определенном положении сопла 10 воздух используется для эжекции дополнительного топлива в центральное сопло 7.

В случае сжигания низкореакционного топлива с малым содержанием летучих для получения необходимого количества радикалов разложения NO через канал 9 подается дополнительное газовое или высокореакционное твердое топливо.

Использование: в энергетике, преимущественно, в топках паровых и водогрейных котлов, сжигающих распыленное твердое топливо. Сущность изобретения: горелка содержит корпус с соосно установленными центральной трубой и обечайкой, образующими периферийный и внутренний кольцевые каналы для подачи соответственно вторичного воздуха и топливовоздушной смеси, а также рассекатель потока топливовоздушной смеси. Целью изобретения является уменьшение выхода окислов азота. Рассекатель установлен на выходе из внутреннего канала и выполнен в виде центрального сопла с входным и выходным торцами и диффузорного кольцевого насадка, охватывающего указанное сопло, при этом диаметр выходного отверстия сопла равен 0,1...0,5 диаметра внутреннего канала для подачи топливовоздушной смеси. Выходной торец центрального сопла выступает за пределы выходного среза корпуса на расстояние, равное 0,1...0,5 диаметра периферийного канала. Центральное сопло выполнено из двух последовательно расположенных по ходу движения потока участков - конфузора и цилиндра, при этом конфузор имеет криволинейную поверхность с плавно изменяющимся радиусом кривизны. Центральное сопло установлено с возможностью продольного перемещения и снабжено устройством его передвижения. Центральное сопло выполнено в виде эжектора, а центральная трубка установлена с возможностью продольного перемещения. В периферийном канале коаксиально установлена дополнительная труба с образованием непроточного канала между периферийным и внутренним каналами шириной не менее 0,1 диаметра периферийного канала. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ГОРЕЛКА С НИЗКИМ ВЫХОДОМ ОКСИДОВ АЗОТА, содержащая корпус с соосно установленными центральной трубой и обечайкой, образующими периферийный и внутренний кольцевые каналы для подачи соответственно вторичного воздуха и топливовоздушной смеси, рассекатель потока, отличающаяся тем, что рассекатель установлен на выходе из внутреннего канала и выполнен в виде центрального сопла с входным и выходным торцами и диффузорного кольцевого насадка, охватывающего сопло, при этом диаметр выходного отверстия сопла равен 0,1 0,5 диаметра внутреннего канала для подачи топливовоздушной смеси. 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что выходной торец центрального сопла выступает за пределы выходного среза корпуса на расстояние 0,1 0,5 диаметра периферийного канала. 3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что центральное сопло выполнено из двух последовательно расположенных по ходу движения потока участков - конфузора и цилиндра, при этом конфузор имеет криволинейную поверхность с плавно изменяющимся радиусом кривизны. 4. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что центральное сопло установлено с возможностью продольного перемещения и снабжено устройством его передвижения. 5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что центральное сопло выполнено в виде эжектора, а центральная труба установлена с возможностью продольного перемещения. 6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что в периферийном канале коаксиально установлена дополнительная труба с образованием непроточного кольцевого канала между периферийным и внутренним каналами шириной не менее 0,1 диаметра периферийного канала.