ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ПРЯМОТОЧНАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1995 года по МПК F23D1/06 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к горелочным устройствам для сжигания бурых углей в камерах топки.

Известна прямоточная вертикальная горелка, содержащая сопла аэросмеси по центру горелок и по периферии сопла воздуха и установленные сопла рециркуляции в рассечку между соплами аэросмеси и вторичного воздуха [1]
Недостатком таких горелок является ограниченная по периметру, особенно для котлов большой мощности с тангенциальными топками зона зажигания и воспламенения, незначительный подсос топочных газов к корню периферийной пылевзвеси. От количества этого подсоса газов, а также от размера контактирующей поверхности аэросмеси с топочными газами в значительной степени зависит не только выход оксидов азота, но интенсификация пылесжигания (воспламенения, выгорания топлива).

Недостатком таких горелок являются также неэффективные затянутые процессы смесеобразования, не только из-за разделения газами рециркуляции аэросмеси и окислителя, но и отсутствия оптимальных концентраций на начальных участках, когда скорость распространения воспламенения максимальна [2] Несмотря на то, что при такой конструкции имеет место снижение оксидов азота, но оно незначительно, так как прослойки газов рециркуляции не позволяют через 5-6 калибров горелочной струи, где выделение оксидов азота максимально, ввести во вторую стадию сжигания порядка 36-54% количество вторичного воздуха.

Прототипом является унифицированная вертикально-щелевая горелка с коробом для подвода газов рециркуляции [7] установленная в тангенциальной топке котла П-67 Березовской ГРЭС-1, содержащая рассредоточенные четыре прямоугольные сопла аэросмеси, между которыми по вертикальным и горизонтальным осям симметрии, а также сверху и снизу горелки расположены сопла вторичного воздуха (при газовой сушке весь организованный воздух подается через эти сопла), причем по центральной горизонтальной оси установлены сопла газовой рециркуляции. Как показывает эксплуатация котла П-67, мощные горелочные устройства (15 т/ч по топливу) имеют крайне неудовлетворительное плохое воспламенение, обусловленное малым периметром воспламенения и экранирующим воздействием воздуха, незначительным подсосом топочных газов к корню факела забалластированностью аэросмеси газовым сушильным агентом и неэффективным смесеобразованием, что замедляет выгорание топлива по топочной камере, и как показывают исследования это приводит к повышению температуры на выходе из топки и, соответственно, более высокому уровню шлакования поверхностей нагрева, расположенных на выходе из топки. При этом имеет место большое содержание оксидов азота, pавное 0,4 г/м³.

Цель изобретения повышение эффективности сжигания топлива путем интенсификации процессов воспламенения и смесеобразования при одновременном снижении оксидов азота.

Цель достигается тем, что сопла аэросмеси по горизонтали и вертикали расположены в свету на расстоянии, равном 0,8-1,0 соответственно высоты и ширины канала, а сопла вторичного воздуха расположены по центру коаксиально в каждом канале аэросмеси на расстоянии от выходного сечения горелки, равном 0,8-1,4 от ширины сопла аэросмеси, причем по центру пересечения осей симметрии горелки заподлицо с экранами выполнено сопло вторичного воздуха, площадь которого составляет 36-54% от всей площади сопл подачи организованного подаваемого воздуха и рядом с обеих сторон этого центрального сопла установлены вертикальные сопла газовой рециркуляции.

На фиг. 1 изображена горелка, продольный разрез; на фиг.2 то же, поперечный разрез; на фиг.3 то же, вид А.

Горелка содержит короб 1 для подачи пылегазовой смеси, который рассредоточен на четыре прямоугольных сопла 2 симметрично относительно вертикальной и горизонтальной осей горелок таким образом, что отношение в свету простенка между смежными прямоугольными соплами по горизонтали к высоте сопла L/h, а по вертикали к ширине сопла H/b составляет 0,8-1,0. Для равномерного распределения аэросмеси по прямоугольным соплам 2 ставятся распределительные перегородки 3. В выходных сечениях сопл аэросмеси 2 коаксиально по центру установлены сопла вторичного воздуха 4 на расстоянии от выходного сечения горелки, равном 0,85-1,4 ширины сопла аэросмеси 2. Сопла вторичного воздуха подсоединены к воздушным коробам 5 и 6 с регулирующими шиберами (не показаны), а по центру горелки дополнительное центральное сопло вторичного воздуха 7, площадь которого составляет 36-54% от площади всего организованно подаваемого воздуха, с обеих сторон которого расположены вертикальные сопла газов рециpкуляции 8, которые подсоединены к коробу рециркуляции 9.

Горелка работает следующим образом.

Пылегазовый поток топлива поступает по пылепроводу 1 и, разделяясь по четырем прямоугольным соплам 2, вдувается в топку со скоростью 14-20 м/с. Вторичный воздух по коробам 5 и 6 направляется в количестве 46-64% от организованно подаваемого воздуха в сопла 4, установленные коаксиально по центру прямоугольных сопел аэросмеси 2, а также в центральное сопло 7 в количестве 36-54% от организованно подаваемого воздуха в горелку. Скорость вторичного воздуха на выходе из сопел 40-60 м/с. Такой централизованный ввод воздуха в рассредоточенные сопла пылегазовзвеси 2, разделенных друг от друга простенками, увеличивает по сравнению с горелками прототипа в 4 раза периметр зажигания, за счет контакта по всему периметру каждой струи высокотемпературных топочных газов с периферийными слоями топливной аэросмеси. Выбранные оптимальные величины простенков (отношения расстояний между соплами аэросмеси в свету к ширине и высоте этих сопел) позволяют осуществить интенсивное взаимодействие струй (эффективное перемешивание) и значительный подсос топочных газов в межструйные пространства (эффективное воспламенение), что не только будет способствовать интенсификации топочного процесса, но и снижению оксидов азота за счет раннего воспламенения развитой периферийной аэросмеси при контакте с мощным потоком рециркуляции, подсасываемым к межгорелочным простенкам Что действительно будет значительное снижение при этом оксидов азота, показывают опыты с турбулентными горелками, когда установка конического раструба в центре раскручивающего факела позволила резко снизить оксиды азота за счет большего притока к разомкнутой поверхности пылевзвеси высокотемпературных газов рециркуляции [1]
Оптимальность выбора нижнего и верхнего пределов изменения соотношения межсопловых простенков L/h и Н/b, равных 0,8-1,0, доказывается следующим образом. На основе исследований сжигания канско-ачинских бурых углей в системе вертикальных щелевых горелок, в которых осуществлялась центральная подача вторичного воздуха, оптимальность интенсивного подсоса топочных газов к межгорелочным простенкам имела место при отношении межгорелочного простенка к высоте горелки, равном 0,4-0,5 [3] Если учесть, что для этих горелок подсос топочных газов свободно осуществляется с двух сторон (сверху и снизу межструйного пространства), то в изобретении подсос топочных газов будет осуществляться только с одной внешней стороны, а с другой стороны проход запирается центральным соплом вторичного воздуха. Очевидно, эжекция топочных газов в межгорелочное пространство будет ослаблена в 2 раза и, чтобы восполнить прежнюю эффективность подсоса топочных газов в межсопловое пространство предлагаемой горелки, надо ранее полученные для горелок оптимальные соотношения для новой горелки увеличить в 2 раза, т.е. получим нижние и верхние пределы оптимальных соотношений L/h и H/b, равны (0,4-0,5) х 20,8-1,0.

Дальнейшее снижение оксидов азота на начальном участке (5-6 калибров струи, где образование NO_х максимально, будет происходить благодаря ступенчатому подводу воздуха к факельной струе и оптимальному выбору избытков воздуха на первой стадии сжигания ( α= 0,50-0,7), при которых для бурых углей скорость распространения воспламенения максимальна. Известно, что скорость распространения пламени в зависимости от избытков воздуха и выхода летучих имеет колоколообразные кривые [2] Высокая скорость распространения пламени от периферии к центру будет ускорять выгорание топлива на начальном участке, но также будут и снижаться оксиды азота, как за счет малых избытков воздуха, так и за счет меньшего времени пребывания продуктов сгорания в зоне начального участка. Чем скорость распространения пламени больше, тем меньше время пребывания продуктов сгорания в этой зоне. Возможность минимальных значений оксидов азота при α= 0,5-0,7 подтверждают лабораторные опыты с турбулентной горелкой, где исследовалась зависимость концентрации оксидов азота в продуктах сгорания экибастузского угля, от коэффициента подачи первичного воздуха. Минимум NO_х для экибастузского угля у которого выход летучих 40% составляет при α≈0,5, при этом для твердых топлив с таким выходом летучих и при этих значениях. α 0,5 будет отвечать максимум скорости распространения воспламенения. Учитывая, что бурые угли имеют выход летучих 40-60% [5] то максимумы скорости распространения пламени для этих предельных величин будут соответствовать диапазону изменения α 0,5-0,7 или, если принять α_орг.= 1,1, то дополнительный вторичный воздух для центрального сопла будет изменяться в пределах α_ц.с. 0,6-0,4, что соответствует площадям этого воздуха по отношению к площади всего организованного воздуха равным 36-54% Приведенные расчеты являются доказательством нижнего и верхнего предела изменения по площади центрального сопла. Расположение сопла центрального воздуха 7 в центре горелки, отделенного от сопл аэросмеси 2 определенным расстоянием и прослойками газов рециркуляции и подсасываемых к центральном струе воздуха высокотемпературных газов, как показывают расчеты, гарантирует своевременное вступление этого добавочного воздуха, как третичного, после начального участка 5-6 калибров. Однако, в отличие от традиционных подводов третичного воздуха к факелу с внешней стороны, что из-за высокой вязкости факела воздуху трудно проникнуть вглубь факела, внутренний подвод воздуха обеспечивает своевременный его ввод при остаточной высокой скорости третичного воздуха (благодаря равенству скоростей его и спутных газов рециркуляции), и эффективное смесеобразование в зоне второй ступени дожигания топлива.

Диапазон изменения соотношения расстояния l от сопла вторичного воздуха в сопле аэросмеси до выходного сечения горелки, равном l 0,85-1,4 b_к выполнен на основании определения этого расстояния для котлов различной производительности по критерию смешения 4 и формуле, выведенной в литературе [5] где это расстояние зависит от многих факторов, от отношений однако наиболее существенное влияние на величину l оказывает ширина горелочной струи (сопла аэросмеси) и избыток первичного воздуха, который в конечном случае и определяет предельные величины, а именно, нижнее предельное значение 0,8 получено при расчете для котлов малой и большой паропроизводительности с воздушной сушкой топлива, когда в первичной аэросмеси воздуха максимально, и верхнее предельное значение 1,4 с газовой сушкой топлива, когда в первичной аэросмеси воздуха минимально.

П р и м е р 1 (конструктивное выполнение вертикально-щелевой горелки для котла П-67). Расчетная скорость аэросмеси (газовая сушка топлива) на выходе из сопл принимается 15 м/с, скорость вторичного воздуха в соплах вторичного воздуха 54 м/с, скорость газов рециркуляции на выходе из горелки 54 м/с.

Пылевой трубопровод, подходящий к горелке, разбивается на 4 сопла, размером hxb 0,75 х 0,5 м каждый, с расстоянием между ними по горизонтали L 0,75 м и по вертикали Н 0,5 м. Тогда отношение простенка между соплами аэросмеси по горизонтали L к высоте горелки h равно L/h 1, а отношение простенка между соплами аэросмеси по вертикали равно Н/b 0,5/0,5 1, что вписывается в диапазон предельных значений вышеприведенных соотношений.

Размеры сопла вторичного воздуха в сопле аэросмеси 0,165 х 0,65 м и устанавливаются на расстоянии l от выходного сечения горелки равного 0,7 м, что соответствует при газовой сушке топлива соотношению l/b 1.4, а размеры центрального канала вторичного воздуха равны 0,26 х 1,0 м, с боков которого установлены сопла рециркуляции размером 0,08 х 1,0 м. Общая площадь сопел вторичного воздуха 0,69 м², причем площадь сопел вторичного воздуха в соплах аэросмеси составляет 0,43 м², а площадь центрального сопла вторичного воздуха равняется 0,26 м², что составляет 38% от площади всего организованного воздуха.

П р и м е р 2. Котел ПК-10Ш паропроизводительностью 220 т/ч с тангенциальной компоновкой горелок в 2 яруса воздушной сушкой топлива и подачей в горелки газов рециркуляции.

Расчетная скорость аэросмеси принимается 15 м/ч, скорость вторичного воздуха 35 м/c, скорость газов рециркуляции 35 м/с.

Пылевой трубопровод, подходящий к горелке, разбивается на 4 сопла, размером hxb 0,35 х 0,35 м каждый, с расстоянием между ними по горизонтали L 0,35 и по вертикали Н 0,35 м. Тогда отношение простенка между соплами аэросмеси по горизонтали L к высоте горелки h равно L/h1, а отношение простенка между соплами аэросмеси по вертикали равно H/b 1, что вписывается в диапазон предельных значений вышеприведенных соотношений. Размеры сопла вторичного воздуха в каждом пылевом канале 0,18х0,26 и устанавливаются на расстоянии от выходного сечения горелки l 0,3 м, что соответствует при воздушной сушке топлива соотношению l/b 0,85, а размеры центрального канала вторичного воздуха равны 0,25х0,4, с боков которого установлены сопла рециркуляции размером 0,05 х 0,4 м.

Внедрение новых горелок за счет улучшения воспламенения топлива (по сравнению с прототипом периметр воспламенения увеличивается в 3,7 раза) и эффективности смесеобразования (благодаря эффективности взаимодействия системы пылевоздушных струй) позволит более полно выжечь топливо и благодаря организации многоступенчатого сжигания, значительно снизить оксиды азота в 2-2,5 раза.

Расчет экономической эффективности при внедрении новой горелки на котле П-67 Березовской ГРЭС за базовый объект взят блок 800 МВт Березовской ГРЭС-1, где внедрены горелочные устройства, взятые за прототип. Эффект рассчитан за счет уменьшения потерь с механическим недожогом топлива на 0,25% и снижения оксидов азота с 0,4 г/м³ до 0,2 г/м³.

Исходные данные:
Паропроизводительность котла
по первичному пару Д_I 2650 т/ч;
по вторичному Д_II 2186 т/ч;
Теплосодержание
питательной воды i_п.в. 271,1 ккал/кг;
острого пара i_I" 793,2 ккал/кг;
вторичного пара на входе в котел I_II'712,8 ккал/кг;
то же на выходе i_II" 848,6 ккал/кг.

Проектный КПД котла брутто η_бр" 92,95%
Проектный коэффициент установленной мощности К_исп 77б6%
Цена топлива Ст 3,23 руб/т.у.т.

Расход топлива В 484 т/ч.

Теплотворная способность березовского угля Q_н^р 3740 ккал/кг.

Капитальные затраты на реконструкцию горелок 412˙10³ руб.

Коэффициент окупаемости Р 0,15.

Теоретический объем продуктов сгорания V^г 6,05 нм³/кг.

Температура уходящих газов t_ух145^оС.

Ущерб в народном хозяйстве от выбросов окислов азота по ориентировочной оценке [7]
ΔЭ_NOх 100 руб/т.у.т.

Расчет.

Годовая экономия топлива от увеличения КПД котла
ΔB_т=
·
4750
Денежная экономия от увеличения КПД котла
ΔИ_т= ΔB_т·Ц_т· 28700
Годовая экономия за счет сокращения выбросов оксидов азота
Э= B·H·K(C- C)·V^г · Δ N
484·10³·8704·0,776·0,20· · 290·10³ руб/год.

Ожидаемый экономический эффект в приведенных затратах в расчете на один котел Э Δ И_т + Э_NOх 0,15 ˙ΔК 28,7 ˙10³ + 290 ˙10³ 0,15 ˙412 ˙10³
257 тыс.руб./год.

Использование: в топочной технике, в частности в котельных агрегатах, сжигающих пылевидное топливо. Целью изобретения является улучшение воспламенения и выгорания топлива, снижение количества образующихся при сжигании топлива токсичных оксидов азота. Сущность изобретения: пылеугольная прямоточная горелка содержит четыре одинаковых сопла подачи аэросмеси, равноудаленных относительно вертикальной и горизонтальной осей симметрии горелки, а также смежные с ними сопла подачи вторичного воздуха и газов рециркуляции. Сопла подачи аэросмеси по горизонтали и вертикали расположены в свету на расстоянии, равном 0,8 1,0 соответственно от высоты и ширины сопла аэросмеси, а сопла вторичного воздуха установлены по центру коаксиально в каждом сопле аэросмеси на расстоянии от выходного сечения горелки, равном 0,8 1,4 от ширины сопла аэросмеси, причем по центру пересечения осей симметрии горелки расположено в одной плоскости с выходным сечением горелки центральное сопло вторичного воздуха, площадь которого составляет 36 54% от всей площади сопел подачи вторичного воздуха и примыкающие с обеих сторон к центральному соплу сопла подачи газов рециркуляции. 3 ил.

ПЫЛЕУГОЛЬНАЯ ПРЯМОТОЧНАЯ ГОРЕЛКА, содержащая четыре одинаковых прямоугольных сопла аэросмеси, равноудаленных относительно вертикальной и горизонтальной осей симметрии, сопла подачи вторичного воздуха и газов рециркуляции, расположенные смежно с соплами аэросмеси, отличающаяся тем, что расстояние между соплами аэросмеси в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляет 0,8 1,0 соответственно от их высоты и ширины, сопла вторичного воздуха установлены коаксиально в каждом сопле аэросмеси и на расстоянии от выходного среза горелки, равном 0,8 1,4 ширины сопла аэросмеси, горелка дополнительно снабжена центральным соплом подачи вторичного воздуха, продольная ось которого проходит через точку пересечения горизонтальной и вертикальной осей симметрии горелки, площадь проходного сечения указанного сопла составляет 36 54% суммарной площади проходного сечения всех сопл подачи вторичного воздуха, а каналы газов рециркуляции примыкают к двум противолежащим внешним сторонам центрального сопла, при этом выходные срезы горелки центрального сопла вторичного воздуха и сопла подачи газов рециркуляции расположены в одной плоскости.