СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 1995 года по МПК F23D17/00 F23D14/20 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при сжигании топлива в котельных агрегатах, камерах сгорания и других топливоиспользующих установках.

Известен способ сжигания топлива, по которому в топку подают воздух коаксиальными потоками, а топливо вводят непосредственно в указанные потоки воздуха [1] В этом случае обеспечивают эффективное сжигание топлива в широком диапазоне нагрузок с низким коэффициентом избытка воздуха.

Существенным недостатком данного способа является повышенное образование оксидов азота за счет формирования зоны высоких температур в ядре факела горения.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ сжигания топлива, по которому в топку подают коаксиальными потоками воздух и инертное вещество, а топливо вводят в поток воздуха [2] Такой способ сжигания обеспечивает некоторое уменьшение образования оксидов азота за счет ввода в ядро факела инертных газов рециркуляции.

Недостатком этого способа является недостаточно эффективное перемешивание инертного вещества с топливом, в особенности на начальном участке факела. Существенного снижения выбросов оксидов азота (на 35-40%) в этом случае можно добиться только при подаче значительного количества (20-25%) инертного вещества в топку. Однако это ограничивает возможности применения такого способа сжигания топлива на котельных агрегатах, поскольку требует существенной реконструкции поверхностей нагрева котла, замены тягодутьевых механизмов и ведет к снижению экономичности работы оборудования. Таким образом указанный способ сжигания не обеспечивает необходимого снижения выбросов оксидов азота вследствие того, что смешение топливовоздушного потока с инертным веществом осуществляют на значительном расстоянии от устья горелки, и является малоэффективным.

Целью изобретения является снижение образования оксидов азота и повышение эксплуатационной надежности путем сохранения устойчивости горения.

Цель достигается тем, что по способу сжигания топлива, включающему подачу в топку топлива, коаксиальными потоками воздуха и инертного вещества, топливо предварительно разделяют на потоки и подают в поток инертного вещества и частично в зону смещения последнего с потоком воздуха, причем топливо в поток инертного вещества подают в количестве более 50% а отношение скоростей потоков топлива и инертного вещества поддерживают равным 1,5-10, отношение расходов потоков упомянутых сред поддерживают равным 0,2-1.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью заключается в следующем.

Разделение топлива на потоки, подача топлива более 50% в поток инертного вещества и частично в зону смешения последнего с воздухом (в количестве не менее 1-1,5% ) обеспечивают при отношении скоростей потоков топлива и инертного вещества 1,5-10, а отношении расходов потоков упомянутых сред 0,2-1 быстрое смешение топлива с необходимым количеством газов рециркуляции уже на начальном участке факела, что приводит к замедлению процесса горения, снижению температур и концентраций реагирующих веществ непосредственно в зонах протекания реакций образования оксидов азота на самых ранних стадиях. При этом достигается резкое снижение выбросов оксидов азота при умеренном расходе инертного вещества. Одновременно подача минимального количества топлива в зону смешения инертного вещества с воздухом обеспечивает раннее поджигание части топлива, т. е. сохранение устойчивости горения и, как следствие, повышение эксплуатационной надежности. Таким образом, совокупное использование указанных признаков позволяет обеспечить достижение цели снижение образования оксидов азота и повышение эксплуатационной надежности путем сохранения устойчивости горения.

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

Поиск дополнительных технических решений, определяемый указанными отличительными признаками, не выявил известности их совокупного использования в других областях техники для достижения цели, на основании чего можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена выходная часть газомазутной горелки для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 и 3 представлены зависимости изменения относительного содержания оксидов азота (I) и относительного коэффициента избытка воздуха, характеризующего предел устойчивой работы горелки, (II) от соотношения соответственно скоростей и расходов потоков топлива и инертного вещества; на фиг. 4 представлена зависимость изменения относительного содержания оксидов азота от количества топлива Q, подаваемого в инертное вещество.

Газомазутная горелка включает в себя коаксиально расположенные каналы 1, 2 для подачи воздуха и канал 3 для подачи газов рециркуляции. В кольцевом канале 3 газов рециркуляции размещены газораздающие трубки 4 и 5. На оси горелки установлена форсунка 6 для распыливания мазута.

Способ осуществляется следующим образом.

Газообразное топливо подается по трубкам 4 и 5, а газы рециркуляции по кольцевому каналу 3. На выходе из горелки (на входе в топочную камеру) струи газа, вытекающие из газораздающих трубок 4 с большой скоростью, попадают в среду инертных газов рециркуляции. Происходит интенсивное перемешивание газовых струй с газами рециркуляции. Таким образом, в зону горения, содержащую необходимое количество окислителя (воздуха), поступает подготовленная топливоинертная смесь. Часть топлива по трубкам 5 поступает в зону смешения воздуха и газов рециркуляции. При этом в зону горения поступает топливовоздушная смесь, забалластированная некоторым количеством инертного вещества, что способствует быстрому выгоранию этой части топлива и сохранению устойчивости горения. Подача в зону горения топливоинертной смеси и топливовоздушной смеси, забалластированной газами рециркуляции, приводит к замедлению процесса горения, снижению температур, уменьшению зон с избыточным количеством окислителя и, как следствие, к резкому снижению образования оксидов азота.

Как видно из фиг. 2, при отношении потоков топлива и инертного вещества менее 1,5 отмечается резкое снижение устойчивости горения (кривая II), связанное с тем, что при значениях скоростей истечения топлива и инертного вещества, очень близких друг к другу, значительно ухудшается перемешивание топливоинертной смеси с воздухом и происходит запаздывание зажигания. Поскольку на этом интервале изменения происходит практически полное перемешивание топлива и инертного вещества, выбросы NO_x (кривая I) минимально возможные. При дальнейшем увеличении отношения (от 1,5 до 10) происходит постепенное увеличение , связанное с улучшением перемешивания топлива с воздухом из-за ослабления экранирующего слоя инертных газов, при этом достигается максимальная устойчивость горения. При более 10 выход оксидов азота практически не изменяется и является максимальным, поскольку не меняется степень перемешивания топлива с инертным веществом.

Как видно из фиг. 3, при значении менее 0,2 резко уменьшается предел устойчивой работы горелок (кривая II) и ухудшается эксплуатационная надежность из-за балластирования инертным веществом зоны горения, в которой подддерживается низкая средняя температура. В этом случае факторы, влияющие на снижение устойчивости горения, одновременно способствуют малому выходу оксидов азота. Увеличение значения (от 0,2 до 1) приводит к уменьшению балластирования зоны горения, следствием чего являются повышение температуры факела, ранее зажигание, увеличение поступления воздуха на начальной стадии горения и, в конечном итоге, увеличение содержания оксидов азота в дымовых газах (кривая I). При этом предел устойчивой работы горелки достигает своего максимального значения. При значении более 1 содержание оксидов азота и устойчивость горения практически не изменяются из-за недостаточного балластирования инертным веществом зоны горения.

Как видно из фиг. 4, подача в поток инертного вещества менее 50% топлива малоэффективна с точки зрения снижения выбросов оксидов азота, поскольку не приводит к высокой степени смесеобразования топлива с инертным веществом к моменту воспламенения и слабо воздействует на снижение температуры в ядре факела, уменьшая последнюю уже за областью основного образования оксидов азота в зоне дожигания топлива. При Q более 50% относительное содержание оксидов азота резко снижается. Это объясняется значительным увеличением степени смешения топлива с инертным веществом и поступлением в зону воспламенения подготовленной топливоинертной смеси.

Использование предлагаемого способа сжигания топлива обеспечивает по сравнению с существующими способами снижение общего содержания оксидов азота в дымовых газах в 2-3 раза.

Пример конкретной реализации предлагаемого способа приводится с учетом проведенных стендовых исследований.

Стенд для исследования горелок состоит из камеры размерами 4000 х 1500 х 700 мм. Для исследований использовалась горелка с каналом газом рециркуляции, размещенным между центральным и периферийными каналами воздуха. С целью получения сравнительных данных испытывалась горелка с размещением топливораздающих трубок в периферийном воздушном канале и канале газов рециркуляции, причем в последнем размещались два вида трубок. Одни трубки позволяли подавать топливо непосредственно в поток газов рециркуляции, другие были загнуты в сторону центрального воздушного канала и выдавали топливо в зону смешения двух указанных сред. Все три типа трубок имели независимые подводы газа. Природный газ в трубки, размещенные в периферийном воздушном канале, подавался только на начальном этапе испытаний для получения исходных данных. При этом остальные трубки были отключены по топливу. При исследованиях менялось распределение топлива по трубкам, количество подаваемых газов рециркуляции. Скорость истечения топлива при прочих равных условиях увеличивалась путем отглушения части трубок.

Экспериментально установлены следующие исходные данные: коэффициент избытка воздуха на "бедном" срыве α_max 45, содержание оксидов азота в дымовых газах (при коэффициенте избытка воздуха в горелке α= 1,2 и доле газов рециркуляции от расхода воздуха r 10%) составляет 370 мг/м³.

При подаче 50% топлива в поток газов рециркуляции содержание оксидов азота в дымовых газах составляет 330 мг/м³, при подаче 90% топлива соответственно 148 мг/м³, а при подаче 98-99% концентрация оксидов азота равна 119 мг/м³, что соответствует значению 0,32 (фиг. 4). Как показали исследования, для сохранения устойчивого горения наиболее оптимальной является подача топлива в поток газов рециркуляции в количестве 50-90%
Наибольшее снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах достигалось при прочих равных условиях при подаче газов рециркуляции в 5 раз большем количестве, чем топлива (148 мг/м³ или 0,4 на фиг. 3), со скоростью, меньшей скорости истечения природного газа в 1,5 раза (154 мг/м³ или 0,42 на фиг. 2). При этих параметрах начинается резкое ухудшение устойчивости горения. Появляются пульсации факела, уменьшается область устойчивой работы горелок. Так, уже при 0,5 коэффициент избытка воздуха на "бедном" срыве α_max составляет 27, что соответствует = 0,6 на фиг. 2. При 0,1 соответственно α_max= 26 ( 5,7 на фиг. 3).

Эксперименты на стенде показали, что реализация предлагаемого способа сжигания топлива при сохранении устойчивости горения позволяет снизить выбросы оксидов азота по сравнению со способом сжигания, когда топливо подается в поток воздуха, в 2,5-3 раза.

Использование: при сжигании топлива в котельных агрегатах. Сущность изобретения: топливо предварительно разделяют на потоки и подают в поток инертного вещества в количестве более 50% и частично в зону смешения последнего с потоком воздуха. При этом отношение скоростей и расходов потоков топлива и инертного вещества поддерживают соответственно 1,5 10, 0,2 1. 4 ил.

СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА путем подачи в топку топлива коаксиальными потоками воздуха и инертного вещества, отличающийся тем, что, с целью снижения образования оксидов азота и повышения эксплуатационной надежности путем сохранения устойчивости горения, топливо предварительно разделяют на потоки и подают в поток инертного вещества и частично в зону смешения последнего с потоком воздуха, причем топливо в поток инертного вещества подают в количестве более 50% отношение скоростей потоков топлива и инертного вещества поддерживают в пределах 1,5 10,0, а отношение расходов потоков упомянутых сред поддерживают в пределах 0,2 1,0.