СПОСОБ ГОРЕНИЯ В КОТЛЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Российский патент 1996 года по МПК F23C6/04 F23C7/00 

Изобретение относится к способу горения в котле электростанций и может быть использовано в других теплотехнических устройствах.

Известен способ горения в котле электростанций, включающий подачу первичного воздуха и горючего вещества в горелку и сжигание полученной смеси в камере предварительного сжигания с последующим дожиганием горючего вещества в продуктах сгорания в топке котла при подводе вторичного воздуха в зоне на выходе из камеры предварительного сжигания /1/.

При таком способе горения приходится работать с малыми количествами воздуха. Это приводит к тому, что создается атмосфера, при которой возникает реальная опасность коррозии. На холодных стенках котла происходят осаждения, которые создают опасность выделения сажи и асфальта. После определенной степени сгорания возникают высокие температуры, которые вызывают высокий термический выброс NOx. Цель изобретения, описанного в формуле, состоит в том, чтобы создать устройства для сведения к минимуму выделения вредных веществ, главным образом выделения NОх.

Эта цель достигается благодаря способу подачи воздуха в два этапа. Благодаря подстехиометрической работе котла сокращаются азотсодержащие соединения горючих веществ. Изучение кинетики реакции выявило оптимальное количество воздуха. Механизм сокращения усиливается с увеличением подогрева воздуха. При этом оптимум относится к работе с маслами. Если смешать горючее вещество с воздухом, процесс горения становится оптимальным.

Преимущество изобретения состоит в том, что в результате вышесказанного воздух подогревают, прежде чем в горелке получится смесь, очень масляная, но однородная, состоящая из горючего вещества и воздуха, причем смесь частично сжигается в камере предварительного сжигания. Пребывание смеси в этой камере по времени выбирается таким образом, что разложение соединений азота /IFN - полностью фиксированные нитрогены/ идет очень активно.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что жаровая труба предварительной камеры одновременно может служить и теплоносителем для воздуха для горения.

Следующим преимуществом изобретения является то, что в конце предварительной камеры находится бедный газ очень высокой температуры. Если можно осуществить быстрое подмешивание в бедный газ, то в него можно подать некоторое количество воздуха, не повышая соединений TFN. Основой для этого является то, что это соединение быстро разлагается в предварительной камере, но полученное состояние выше, чем термодинамическое равновесие для смеси из первичного и вторичного воздуха.

Отсюда следует другое преимущество в виде следующего сокращения в испарителе котла после небольшого увеличения TFN из-за недостаточно быстрого процесса подмешивания.

Следующее существенное преимущество изобретения состоит в том, что предложенное решение лучше всего годится для котла с ретрофитным оборудованием, поскольку содержащееся в отходящем газе количество тепла соответствует величине, установленной при работе котла, производимой поэтапно. При этом мощность в нижней области испарителя сохраняется. Верхняя часть испарителя, как и в известном котле с поэтапным процессом, служит для добавления оставшегося воздуха. Из-за отвода тепла в испаритель температура значительно ниже, это препятствует сильному термическому образованию NOx при смешивании с воздухом.

Следующее преимущество изобретения состоит в том, что благодаря подачи воздуха в конце камеры предварительного сжигания можно воспрепятствовать взаимодействию агрессивных сильно подстехиометрических отходящих газов с испарителем, что препятствует химическому разрушению трубчатых стенок, отложению горючих веществ на холодных стенках.

Преимущественные исполнения приведены в остальных пунктах формулы.

На фиг.1 изображена схема котла электростанции для осуществления способа; на фиг.2 камера предварительного сжигания для осуществления способа, в котором подача горючего осуществляется тремя горелками, расположенными на трех уровнях; на фиг.3 конусообразная горелка в перспективе для осуществления способа с частичным разрезом; на фиг.4 разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.6 разрез В-В на фиг.3.

Одинаковые элементы на разных фигурах имеют одинаковые обозначения. Направления потоков указаны стрелками.

На фиг.1 дано схематическое изображение обычного котла электростанции 22 для получения пара. В основном речь идет о котле с различными давлениями, имеющим теплообменники, в зависимости от топлива, высокого /30/, среднего /31/ и низкого /32/ давления. Ядром котла 22 является собственно обогрев, находящийся в верхней части котла 22. Он представляет собой ряд камер предварительного сгорания 24, которые распределены по периметру котла 22 и имеют минимум по одной горелке 25 а-с. Процесс сжигания в этом котле осуществляется двухступенчатым поступлением воздуха. Сначала горелка 25 а-с работает с первичным потоком воздуха, причем этот воздух состоит минимум из одной части свежего воздуха 26, который, как более подробно показано на фиг. 2, подвергается калорической обработке, становясь первичным воздухом. В качестве топлива для работы этих горелок 25 а-с используется преимущественно жидкое горючее 12. Естественно, в качестве добавок можно использовать и другое топливо. Виды работы используемых в данном случае горелок 25 а-с показаны на фиг.3-6. Вторичный воздушный поток 27, воздух которого содержит одну часть свежего воздуха 26, преимущественно не обрабатывается, но калорическая обработка исключена, вдувается непосредственно на переходнике камеры предварительного сжигания 24 в котел 22. Эта подача воздуха в конце камеры 24 препятствует взаимодействию агрессивного сильно подстехиометрического отходящего газа с испарителем 22а, так что не происходит химического разрушения трубчатых стенок или отложения горючего материала на холодных стенках. Конструкция такой камеры предварительного сжигания показана на фиг.2. Вниз по ходу потока камеры 24 по периметру котла 22 расположены сопла 28, через которые в котел 22 поступает третий воздушный поток 29 в виде впрыскивания остаточного воздуха. Эта верхняя область подмешивания остаточного воздуха 29 обеспечивает отвод тепла к испарителю 22а, причем благодаря этому температуры относительно низкие, так что при подмешивании этого воздуха можно воспрепятствовать сильному термическому образованию NОх. С точки зрения стехиометрии следует заметить, что в камере предварительного сжигания 24 работают с λ 0,6-0,65. В самом же котле 22 l 0,75. Лишь после вдувания остаточного воздуха 29 увеличивается до 1,75. благодаря подстехиометрическому процессу в котле 22 сокращаются азотсодержащие соединения в топливе. Механизм сокращения при этом усиливается с увеличением подогрева воздуха. Время нахождения жирной, но гомогенной смеси в камере 24, полученной из горючего 12 и первичного воздуха, которая частично-сжигается в камере 24, должно выбираться таким образом, чтобы достичь значительного разложения соединений азота. В любом случае в конце камеры предварительного сжигания 24 находится бедный газ высокой температуры. При такой конфигурации котла достигают быстрого подмешивания в бедный газ, так что можно подать определенное количество воздуха 27 в бедный газ, не увеличивая соединений азота. Это возможно потому, что эти соединения азота значительно разрушаются в камере 24, но достигнутое состояние выше термодинамического равновесия для смеси первичного воздуха /фиг. 2 поз.26а/ и вторичного воздуха 27. В результате происходит дальнейшее сокращение в испарителе 22а котла 22 после небольшого увеличения соединений азота из-за недостаточно быстрых процессов смешивания. Отходящие газы в трубу обозначены поз.33. Как уже говорилось в начале описания, это устройство и способ лучше всего использовать для простейшего и наиболее дешевого переоснащения имеющихся котлов. В работающих котлах можно использовать имеющиеся воздуходувки для подачи свежего воздуха при небольшой их модификации. Это также относится и к подогреву воздуха, подаче третьего потока воздуха, самого котла и форсунки отходящего газа. Что касается камеры предварительного сжигания 24, основы предлагаемого устройства, то нужно обратиться к фиг.2.

На фиг.2 показана камера предварительного сжигания 24. Первичный воздух 26 от воздухораспределителя попадает в головную часть камеры 24 и равномерно распределяется по периметру. В щелевидном кольце 24в первичный воздух 26 подводится в камеру 24 со стороны котла и охлаждает как жаровую трубу, так и корпус 24а. Со стороны котла воздух 26 поворачивается на 180^o и течет по жаровой трубе 24с обратно в сторону горелки. Жаровая труба 24с состоит из наружного цилиндра, внутри которого в продольном направлении приварены профили. Благодаря выбранному профилю получают сильную ребристость. Это особенно необходимо вблизи горелки, где возникают максимальные тепловые нагрузки. Воздух 26 при прохождении через жаровую трубу 24с поджигается, становясь воздухом сжигания 26а. Так называемые горелки из сдвоенного конуса 25а, 25в, 25с представляют собой комплект. Подогретое топливо 12 с помощью пара рассеивается в головной части горелок 25а, 25в, 25с. Со стороны, где встроены горелки, имеется непоказанный тепловой слой. Сопло на конце камеры 24 охлаждается водой 35. Система циркуляции воды в котле 22 предвключена или включена параллельно испарителю. Конец камеры 24 преимущественно имеет сужение 36, так что нет необходимости увеличивать имеющиеся в испарителе котла 22 отверстия для горения. В области отклонения на 180^o часть первичного воздуха 26 ответвляется и после ускорения его потока вводится внутрь 24д камеры 24 через соответствующие отверстия 34. Это подмешивание происходит в области сужения 36 камеры 24. Это подмешивание должно производиться по возможности однородно и быстро. В области горелок предусмотрены суппорты 37, осуществляющие соединение между корпусами 24а и жаровой трубой 24с. Горелки 25а, 25в, 25с распределены по камере предварительного сжигания в трех уровнях друг над другом. При наличии, например, 4 камер по периметру котла 22 установка работает с 12 горелками. Преимущество представляет конфигурация с оборудованием Ретрофит, поскольку мощность котла 22 электростанции может благодаря этому варьироваться без дополнительных площадей или приспосабливаться к соответствующим условиям. Естественно, можно предусмотреть в камере 24 и большее число горелок. Камера 22 может вообще работать с одной горелкой. Воздух для первичного 26 и вторичного 27 воздуха может поставляться вместе или отдельно /+1 степень свободы/.

Чтобы лучше понять конструкцию горелок 25а-с, нужно рассматривать фиг.3 вместе с дополнительными фиг.4-6. Для наглядности фиг.3 на фиг.4-6 схематично показаны направляющие 21а, 21в. В дальнейшем при описании фиг.3 по мере необходимости будут упомянуты и другие фигуры. Горелка 25 а-с по фиг.3 состоит из двух полых частей конуса 1, 2, смещенных относительно друг друга радиально по симметричной продольной оси, и поставленных друг на друга. Смещение соответствующих продольных симметричных осей 1, 2в относительно друг друга создает на обеих сторонах корпуса 1, 2 в направлении, противоположном потоку, соответственно тангенциальную щель для прохода воздуха 19, 20 /см. фиг.4-6/, через которую упомянутый воздух 26а поступает в полость 14, образованную частями 1, 2 конуса. Конусообразная форма частей 1, 2 в направлении движения потока имеет определенный постоянный угол. Естественно, в зависимости от применения части корпуса 1, 2 в направлении потока имеют разный наклон корпуса. Оба вида на фигуре не показаны, поскольку для изобретения это неважно. Обе части конуса 1, 2 имеют цилиндрические начальные части 1а, 2а соответственно, которые расположены аналогично частям 1, 2, будучи сдвинуты относительно друг друга, так что тангенциальные щели для прохода воздуха проходят вдоль всей длины горелки 25 а-с. Эти начальные части могут иметь и другую геометрическую форму, они могут и вообще отсутствовать. В этой цилиндрической части 1а, 2а расположено сопло 3, через которое во внутреннюю часть 14 горелки 25 а-с вдувается горючее 12, преимущественно масло, или горючая смесь. Этот ввод топлива 4 совпадает с самым узким сечением внутреннего помещения 14. Подача другого топлива 13, здесь преимущественно газ, производится через встроенный в корпус 1, 2 подвод 8, 9 и подмешивается 16 к воздуху для горения 26а через несколько сопел 17 для воздуха для горения 26а. Подмешивание происходит в области входа в полость 14, что способствует оптимальной скорости подмешивания 16. Понятно, что процесс смешивания может осуществляться и обоими горючими веществами 12, 13 через соответствующее сопло. Со стороны камеры 24 имеется выходное отверстие горелки 25 а-с на лицевую сторону 10, на которой предусмотрены отверстия 10а, через них в случае необходимости вдувается определенное количество разреженного воздуха или охлажденного воздуха внутрь камеры 24д камеры предварительного сжигания 24. Поданное через сопло 3 жидкое топливо 12 вдувается в полость 14 под острым углом таким образом, что вдоль горелок 25 а-с вплоть до их выходов устанавливается однородное рассеяние, что возможно, если внутренние стенки конуса 1, 2 не имеют сопел 4, при которых, например, может идти речь о рассеянии давления. Для этого конус 5 для жидкого топлива закрыт от воздуха 26, поступающего для поддержания горения и, в случае необходимости, от другого воздушного потока 15, поступающего в осевом направлении. В осевом направлении концентрация вдуваемого жидкого топлива или смеси 12, продвигаясь вперед, разбивается протекающим через тангенциальные прорези 19, 20 в полость 14 горелок 25 а-с воздухом для горения 26а, который может быть и смесью горючее/воздух, и во всех случаях под воздействием другого потока 15 воздуха для горения. Под воздействием вдувания жидкого горючего 12 в области поворота, т.е. в области зоны обратного потока 6, достигают оптимальной гомогенной концентрации горючего по всему сечению. Поджигание происходит на острие зоны обратного потока 6. Лишь в этом месте может возникнуть стабильное пламя. Здесь можно не опасаться отдачи пламени внутри горелок 25 а-с, как это постоянно случается в известных устройствах предварительного смешивания. Если воздух для горения 26а, 15 предварительно подогревается, то возникает ускоренное испарение горючего, прежде чем будет достигнута точка на выходе горелки 25 а-с, в которой происходит поджигание смеси. Обогащение потоков воздуха для горения 26а, 15 может производиться подмешиванием рециркулирующего отходящего газа. Благодаря выбранному углу конуса частей 1, 2 и ширине впускной тангенциальной щели 19, 20 поддерживаются узкие пределы для установления нужной области потока воздуха для горения с зоной поворота 6 в области входа горелок для стабилизации пламени. Иными словами, изменение ширины щели 19, 20 приводит к смещению зоны поворота 6, смещение происходит вниз по ходу потока при уменьшении впускной щели. Поэтому необходимо поддерживать постоянной однажды установленную зону поворота потока 6, поскольку завихрение в направлении потока увеличивается в области горелки 25 а-с. Как уже говорилось, продольная скорость изменяется под воздействием соответствующей подачи потока воздуха 15 в осевом направлении. В случае необходимости конструкцию горелки в отношении тангенциальной щели 19, 20 для пропускания воздуха меняют с тем, чтобы без изменения длины горелки 25 а-с можно было охватить относительно большее рабочее пространство.

На фиг. 4-6 видна геометрическая конфигурация направляющих 21а, 21в. Их функция направления потока состоит в том, чтобы в соответствии со своей длиной увеличить конец конусообразных частей 1, 2 в направлении потока воздуха для горения 26а. Канализация воздуха 26а внутри полости 14 горелки 25 а-с может оптимизироваться открыванием или закрыванием направляющих 21а, 21в вокруг поворотной точки 23, находящейся в области входа в полость 14. Это особенно необходимо при изменении первоначальной величины зазора тангенциальной щели 19, 20 для впуска воздуха. Понятно, что горелки 25 а-с могут работать и без направляющих 21а, 21в, могут быть использованы и другие вспомогательные средства. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в топках котлов электростанций. Сущность изобретения: в способе горения часть первичного воздуха проходит сначала через теплообменник, в котором происходит его нагрев перед поступлением этого воздуха в горелки 25 а-с, где происходит смешивание и дополнительное сжигание с горючим 12 или с другой смесью. Другой поток воздуха в качестве вторичного воздуха 27 вдувается непосредственно в камеру предварительного сжигания 24, это происходит непосредственно перед подключением камеры предварительного сжигания 24 к котлу. Вниз по потоку в камере 24 в котел 22 подается третий поток воздуха. Благодаря конструкции осуществляется способ подачи воздуха в два этапа, причем котел работает с недостатком воздуха. Благодаря такому подстехиометрическому принципу работы котла можно сократить азотосодержащие соединения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ горения в котле электростанции для получения пара, включающий подачу первичного воздуха и горючего вещества в по крайней мере одну горелку, сжигание последнего в камере предварительного сжигания с последующим дожиганием горючего вещества, содержащегося в продуктах сгорания в топке котла при подводе вторичногo воздуха в зону на выходе из камеры предварительного сжигания, отличающийся тем, что дополнительно выше по потоку продуктов сгорания места ввода вторичного воздуха в котел подают третичный воздух, часть первичного воздуха перед подачей в камеру предварительного сжигания подогревают, а коэффициенты первичного, вторичного и третичного воздуха, соответственно α₁, α₂, α₃, поддерживают α₁= 0,6^oC0,65, α₂= 0,75 и α₃=1,05. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу воздуха и горючего вещества осуществляют в горелки, расположенные на трех уровнях. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу вторичного воздуха осуществляют несколькими струями в зону сужения на выходе из камеры предварительного сжигания.