ПЫЛЕГАЗОВАЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ЩЕЛЕВАЯ ПРЯМОТОЧНАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1996 года по МПК F23C1/12 F23D1/06 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах ТЭС, сжигающих пылеугольное и газообразное топлива в режимах совместного и раздельного их ввода в топки с тангенциальной компоновкой горелочных устройств.

Известна пылегазовая вертикально-щелевая прямоточная горелка для тангенциальных топочных камер, содержащая амбразуру с коробом подвода основного воздуха, имеющих вытянутое по высоте прямоугольное сечение, встроенные в короб без касания его корпуса сопла ввода угольной пыли и природного газа с разгонными и выхлопными участками, причем выхлопные участки заглублены в короб относительно амбразуры, а сами разгонные и выхлопные участки параллельны боковым стенам короба [1] Недостатком этой горелки является высокий уровень концентрации оксидов азота и бенз(а) пирена в отводимых из зоны горения продуктах сгорания, а также значительное потребление топлива и воздуха при организации процесса горения из-за высокой степени недожога и неэффективного теплообмена в топке, что обуславливает низкие значения КПД котельно-топочного оборудования и, кроме того, вызывает повышенный расход электроэнергии на привод вентиляторов (для подачи воздуха на горение) и дымососов (соответственно для отвода избыточного количества продуктов сгорания). Попытка разделить места ввода топлива, газа и воздуха через отдельные сопла по методу [1] решает только часть задачи: снижается количество вредных выбросов оксидов азота и улучшаются теплообменные характеристики в топочной камере, что влечет улучшение КПД котла при пониженных потерях тепла с уходящими газами, однако из-за высокой степени механического недожога топлива сохраняются низкими абсолютные значения КПД котла и существенный перерасход электроэнергии на привод вентиляторов и дымососов, сохраняются высокие значения концентрации бенз(а)пирена.

Известна пылемазутная горелка, содержащая амбразуру с подключенными к ней соплами основного и дожигающего воздуха, пыли и мазута. Сопла имеют разгонные и выхлопные участки, причем первые параллельны между собой, вторые повернуты друг относительно друга под разными углами, что растягивает факел по ширине тангенциальной топки с замедлением активности процесса тепловыделения и одновременно улучшает теплообменные характеристики в камере сгорания [2] При работе этих горелок также обеспечиваются более низкие значения КПД котла. Однако сохраняются высокая степень недожога топлива, особенно при совместном сжигании пыли и мазута и соответственно значительный перерасход электроэнергии на привод вентиляторов и дымососов; высоки концентрации окиси углерода и бенз(а)пирена.

Известна также пылеугольная прямоточная вертикально-щелевая горелка, содержащая воздухоподающий корпус прямоугольного сечения, подключенный к диффузорной амбразуре, в котором расположены с равномерным шагом каналы угольной пыли и газов рециркуляции, причем встроенные каналы не касаются стен воздушного короба и заглублены относительно амбразуры на определенное расстояние; пылеугольные каналы имеют разгонные и выхлопные участки, которые параллельны стенам воздушного короба; выхлопные участки оборудованы стабилизирующими насадками [3] При реализации данного устройства снижается концентрация оксидов азота и улучшаются теплообменные характеристики факела. Однако при совместном сжигании с природным газом возникают уже известные выше проблемы, а именно увеличиваются концентрации окиси углерода и бенз(а)пирена, степень недожога топлива, ухудшается КПД котла, увеличиваются затраты электроэнергии на привод вентиляторов и дымососов при выработке определенного количества пара.

Наконец, известна пылегазовая вертикально-щелевая прямоточная горелка, содержащая амбразуру с коробом подвода основного воздуха, имеющих вытянутое по высоте прямоугольное сечение, встроенные без касания его корпуса сопла ввода угольной пыли и газа с разгонными и выхлопными участками; оси всех сопл и короба подвода основного воздуха смещены относительно друг друга [4] Эта горелка обеспечивает низкие значения концентрации оксидов азота и степени недожога топлива. Однако из-за неотработанности узлов ввода топлива и воздуха для реализации высокого экологического эффекта и поддержания высокой эффективности сжигания топлива приходится вводить в горелку большое количество воздуха, что влечет перерасход электроэнергии на привод вентиляторов и дымососов, запиранию проходного сечения горелки воздухом и снижению паропроизводительности котлов. Данная горелка взята за прототип изобретения.

Задача изобретения снижение потребляемого количества воздуха для организации процесса горения при минимальных концентрациях оксидов азота, окиси углерода и бенз(а)пирена в продуктах сгорания и степени недожога топлива при одновременном сжигании газа и пыли угля.

Это достигается тем, что в горелке, содержащей амбразуру с коробом подвода основного воздуха, который имеет вытянутые по высоте боковые стены, встроенные в короб без касания его корпуса сопла ввода угольной пыли, газа и дожигающего воздуха с разгонными и выхлопными участками, причем оси разгонных участков всех встроенных сопл параллельны боковым стенам короба подвода основного воздуха, а выхлопные участки заглублены в короб относительно амбразуры, в нижней части короба подвода основного воздуха установлены пылеугольные сопла, в средней газовые, а в верхней сопла дожигающего воздуха, причем расстояния между близрасположенными пылеугольными и газовыми соплами, а также между газовыми и соплами для ввода дожигающего воздуха равны 0,07-0,2 высоты короба подвода основного воздуха, выхлопные участки всех встроенных сопл повернуты под одним углом относительно горизонтальной оси короба подвода основного воздуха, а расстояние по высоте между нижней образующей короба подвода основного воздуха и близлежащими пылеугольными соплами равно 0,05-0,2 высоты короба подвода основного воздуха. Установкой пылевых каналов снизу, газовых в центре, а воздушных сверху короба подвода основного воздуха при соблюдении указанных геометрических пропорций достигаются максимальные экологические и экономические эффекты. Так, если относительные расстояния между нижней образующей короба и пылевым соплом H₁/B0,05-0,2 и между пылевыми и газовыми соплами H₂/H 0,07 0,2, где Н высота короба подвода основного воздуха, то относительная степень механического недожога пылеугольного топлива (q₄/qисх4

, где qисх4 по прототипу, ) относительный расход воздуха (G_b/Gисхb, где Gисхb по прототипу, нм³/с) и относительная концентрация оксидов азота в продуктах сгорания (NO_x/NOисxx, где NOисхx по прототипу, мг/нм³) минимальные величины. Если относительное расстояние между газовыми и воздуходожигательными соплами Н₃/H0,07-0,2, то относительная степень химического недожога топлива (q₃/qисх3, где qисх3 по прототипу,), концентрации углерода (CO/CO^исх, где СО^исх по прототипу,) и бенз(а)пирена (Б/Б^исх, где Б^исх по прототипу мг/нм³) также минимальны. Опыты, проведенные на котле БКЗ-210-140ф. Челябинской ТЭЦ-2 показали, что при Н₁/H0,12 и Н₂/Н 0,12 значения q₄/qисх4 0,4; G_b/Gисхb 0,8; NO_x/NOисхx 0,8. При незначительных отклонениях Н₁/Н в большую или меньшую стороны значения q₄/qисх4, G_b/Gисхb, NO_x/NOисхx практически не меняются. При достижении H₁/H 0,05; Н₁/H0,2; H₂/H 0,07; H₂/H 0,2 контролируемые параметры несколько увеличиваются (на 5-6%). Но как только H₁/H < 0,05; H₁/H > 0,2; H₂/H < 0,07; H₂/H > 0,2 значения q₄/qисх4 ≥ ≥ 1,0; G_b/Gисхb ≥ 1,0; NO/NOисхx ≥ 1,0, т.е. резко скачкообразно увеличиваются. Анализ влияния Н₃/H на значения q₃/qисх3; СО/CO^исх; Б/Б^исх показал аналогичный характер изменения последних. Так, при Н₃/H= 0,12; q₃/qисх3 ≈ 0; СО/CO^исх ≈ 0; Б/Б^исх
0,5. При незначительных отклонениях Н₃/Н в большую или меньшую стороны уровни q₃/qисх3; СО/CO^исх; Б/Б^исх сохраняются. При достижении Н₃/Н 0,07 и Н₃/H 0,2 параметры q₃/qисх3 ≈ 0,1; СО/CО^исх ≈ ≈ 0,1; Б/Б^исх ≈ 0,55. Как только Н₃/Н < 0,07 и Н₃/Н > 0,2 параметры q₃/qисх3 ≥ 1,0; СО/CO^исх ≥ 1,0; Б/Б^исх ≥ 1,00, т.е. резко скачкообразно увеличиваются. Поскольку в пределах Н₁/Н 0,05-0,2; Н₂/Н 0,07-0,2; Н₃/Н 0,07-0,2 контролируемые параметры имеют минимальные значения, данные геометрические соотношения являются оптимальными. Поскольку ранее в литературе данная конструкция описана не была, горелка является новой. Признаки, характеризующие новизну горелки, являются существенными, поскольку в сравнении с прототипом обеспечивают дополнительные экологические и экономические эффекты.

На фиг.1 8 отображена сущность изобретения; на фиг.9, 10 схема компоновки предлагаемых горелок на стенах топочной камеры.

На фиг.1 показана схема горелки в разрезе; на фиг.2 разрез Г-Г на фиг.1; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 разрез В-В на фиг.1; на фиг.6,7,8 варианты компоновки пылеугольных, газовых и воздушных сопл в пределах короба подвода основного воздуха; фиг.9 вариант схемы компоновки предлагаемых горелок на стенах топки прямоугольного сечения; на фиг.10 то же, для топок квадратного сечения.

Пылегазовая вертикально-щелевая прямоточная горелка по фиг.1-5 имеет короб 1 для ввода основного воздуха, амбразуру 2, подключенную к выхлопному участку короба 1, встроенные в короб 1 сопла соответственно пыли 3, газа 4, дожигающего воздуха 5. Все встроенные сопла имеют разгонные и выхлопные участки соответственно: для пыли 6 и 7; газа 8 и 9; дожигающего воздуха 10 и 11. Расстояния между нижней образующей короба 1 и пылеугольным соплом 3 равно Н₁ 0,05 0,2Н между пылеугольным 3 и газовыми 4 соплами Н₂= 0,07-0,2Н, а между газовыми соплами 4 и соплами дожигающего воздуха 5 Н₃ 0,07 -0,2Н, где Н высота горелки.

Работа горелки осуществляется путем подачи в короб 1 и сопло 5 воздушных потоков, в сопло 3 угольной пыли, а в сопла 4 газа. В амбразуре 2 происходит разогрев и воспламенение топлива. Тепловая мощность горелки, а вместе с ней и нагрузка котла осуществляется путем регулирования расходов воздуха, газа и пыли регуляторами расхода, которые на фигурах не показаны. Независимо от доли сжигаемого топлива конструктивные соотношения Н₁/H 0,05-0,2; Н₂/Н 0,07-0,2; Н₃/Н 0,07-0,2 обеспечивают минимальные выбросы оксидов азота, окиси углерода, бенз(а)пирена, а также минимальные потери тепла с химическим и механическим недожогом топлива, минимальное потребление воздуха. Эффект не зависит от формы и количества сопл 3, 4, 5, равнозначно реализуется по фиг. 2, 6, 7, 8. При компоновке на стенах топки горелки могут подразделяться на 1-2 типоразмера по углу рассогласования выхлопа воздуха и топлива γ, см.фиг. 9, 10. Как правило, угол γ= 5-30^о. Все положительные результаты получены для горелок с фиксированным постоянным углом γ для условий выхлопа топлива и дожигающего воздуха. При отклонениях от условия γ=сonst приводило к снижению экономического или экологического эффектов.

Экономический эффект от внедрения горелок на котле типа БКЗ-210-140ф в сравнении с прототипом определяется выигрышем по расходу топлива на 1%

Использование: в энергетике и может быть использовано на котлах ГЭС, сжигающих пылеугольное и газообразное топливо в режимах совместного и раздельного их ввода в топки. Сопла 3, 4, 5 установлены в коробе 1 соответственно в нижней, средней и верхней его частях, причем расстояние между внешней поверхностью сопл 3 подачи угольной пыли и огибающей внешних поверхностей близрасположенных сопл 4 подачи газа, а также между огибающей внешних поверхностей сопл 4 газа и внешней поверхностью сопл 5 подачи дополнительного воздуха равны 0,07 - 0,2 высоты короба 1, а расстояние по высоте между нижней образующей короба 1 и внешней поверхностью близлежащих сопл 3 подачи угольной пыли 0,05 - 0,2 высоты короба 1. 10 ил.

ПЫЛЕГАЗОВАЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ЩЕЛЕВАЯ ПРЯМОТОЧНАЯ ГОРЕЛКА, содержащая амбразуру, короб подвода основного воздуха с вытянутыми по высоте боковыми стенками, сопла подачи угольной пыли, газа и дополнительного воздуха, расположенные в коробе с зазором относительно его стенок и имеющие входные и выходные участки, причем оси входных участков всех сопл параллельны боковым стенкам короба, отличающаяся тем, что сопла подачи угольной пыли, газа и дополнительного воздуха установлены в коробе соответственно в нижней, средней и верхней его частях, причем расстояния между внешней поверхностью сопл подачи угольной пыли и огибающей внешних поверхностей близрасположенных сопл подачи газа, а также между огибающей внешних поверхностей сопл подачи газа и внешней поверхностью сопл подачи дополнительного воздуха равны 0,07 0,2 высоты короба подвода основного воздуха, а расстояние по высоте между нижней образующей короба и внешней поверхностью близлежащих сопл подачи угольной пыли равно 0,05 0,2 высоты короба, причем выходные участки всех сопл расположены под одним углом относительно горизонтальной оси короба.