НИЗКОЭМИССИОННАЯ ТОПКА Российский патент 1997 года по МПК F23C5/24 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к топкам для сжигания органического топлива, и наиболее успешно может применяться для сжигания твердого топлива.

При конструировании топок особое внимание уделяют экологическим характеристикам топок, а именно возможностям топок обеспечивать такие режимы горения топлива, при которых в атмосферу поступало бы минимальное количество вредных соединений, таких, например, как оксиды серы и азота.

Концентрация оксидов азота в дымовых газах может быть снижена непосредственно в процессе сжигания топлива путем правильной его организации, т.е. сравнительно простыми и дешевыми методами, без применения сложного, громоздкого и дорогого дополнительного оборудования. Так, по современным представлениям снижение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания можно обеспечить путем оптимальной организации в факеле трех основных зон: зоны воспламенения и активного горения, восстановительной зоны и окислительной зоны (зоны дожигания).

Известна топка, содержащая камеру сгорания с горелкой для подачи топливо-воздушной смеси, установленной на ее стенке. Скаты стенок нижней части камеры сгорания образуют холодную воронку призматической формы со щелевым устьем. Под устьем холодной воронки размещено устройство нижнего дутья, выполненное, например, в виде воздушного сопла.

При работе такой топки через горелку подают топливо-воздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха меньше единицы, а снизу, через щелевое устье с помощью устройство нижнего дутья, часть воздуха, необходимого для горения топлива. В результате взаимодействия двух встречных потоков во всем объеме нижней части топки образуется вихревая зона, а в верхней прямоточная. Вблизи горелок располагается зона воспламенения и активного горения. В этой зоне воспламеняется и выгорает основная часть мелких частиц топлива. Средние и крупные частицы топлива сепарируются в вихревую зону. В вихревой зоне эти частицы выгорают в процессе многократной циркуляции. После выгорания до определенного размера они выносятся за пределы вихревой зоны и догорают в верхней прямоточной части факела. Значительная часть вихревой зоны характеризуется относительным недостатком кислорода и представляет собой восстановительную зону, а прямоточная зона, имеющая повышенное содержание кислорода, выполняет роль зоны дожигания. Иными словами, в такой топке организуется ступенчатое сжигание топлива.

Таким образом, благодаря организации в топке указанных зон горения путем регулировки подачи топлива определенного фракционного состава и выбора соответствующей скорости нижнего дутья можно обеспечить относительно невысокое содержание оксидов азота в дымовых газах.

Однако указанные выше особенности вихревой топки не обеспечивают снижение содержания оксидов серы в дымовых газах, поскольку добиться этого только чисто аэродинамическими и конструктивными приемами невозможно.

В настоящее время для снижения выбросов оксидов серы применяют три основные схемы: удаляют серу из топлива до подачи последнего в топку (как правило, в месте добычи), применяют различные кальцийсодержащие сорбенты (такие как известь, карбид кальция и др.) для очистки дымовых газов за котлом либо эти сорбенты инжектируют непосредственно в топочную камеру для прямого (сухого и полусухого) связывания серы. Возможны и комбинированные схемы для связывания серы, содержащейся в органическом топливе. Первые два приема снижения концентрации оксидов серы в дымовых газах требуют применения относительно сложного и дорогостоящего дополнительного оборудования. Наиболее технологичным представляется инжектирование сорбента непосредственно в топочную камеру, о чем свидетельствует все большее распространение этого приема. При этом поскольку соединения кальция относятся к легкоплавким, важным является подача частиц сорбента в такие зоны топочной камеры, в которых температура не превышает температуры плавления сорбента, в противном случае может произойти оплавление поверхности частиц сорбента, а значит, закрытие пор и уменьшение реакционной поверхности, что может привести к ухудшению экономических показателей топки. Кроме того, в результате оплавления частиц сорбента может произойти шлакование топочных экранов, что также отрицательно влияет на работу топки.

Известна топка, в которой реализован способ одновременной очистки продуктов сгорания от серы и азота, описанный в патенте Японии 4-67085 [2]
Топка содержит камеру сгорания с установленной на ее стенке по меньшей мере одной горелкой для подачи топливо-воздушной смеси. На этой же стенке выше уровня горелки имеется канал для подачи в топку тонкодисперсного или в виде шлама кальцийсодержащего сорбента для связывания серосодержащих соединений. Топка содержит также холодную воронку призматической формы, имеющую щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания. Кроме того, в конструкции предусмотрено специальное оборудование для улавливания летучей золы из продуктов сгорания топлива, специальной обработки золы и возврата ее в зону горения.

При работе такой топки через горелку в камеру сгорания подают топливо-воздушную смесь, а через соответствующий канал сорбент для поглощения серы. Сорбент поступает в зону камеры сгорания с температурой 900 - 1200^oC. Эта температура не превышает температуры плавления сорбента, что, как указывалось выше, является важным для обеспечения экономичности работы топки. Непосредственно вблизи канала для подачи сорбента происходит реакции связывания серы. Газообразные продукты сгорания затем поступают в дымоход, где имеется специальное устройство для улавливания летучей золы. Затем в часть уловленной золы добавляют кислоту для нейтрализации непрореагировавшего оксида или карбоната кальция, после чего эту золу отправляют в отвал. В оставшуюся часть золы добавляют аммоний или мочевину или ее соединения и возвращают в топку, в зону с температурой 500 1000^oC, расположенную на выходе из камеры сгорания (уже за ее пределами). В этой зоне происходит дополнительное связывание одновременно серы и частично азота (из окислов).

В этой топке отсутствует устройство нижнего дутья, а значит, и невозможна организация вихревой зоны с многократной циркуляцией частиц топлива и сорбента. Процесс горения происходит в прямоточной зоне, что обусловливает относительно малое время пребывания частиц топлива и сорбента в камере сгорания, а значит, и малое время взаимодействия сорбента с дымовыми газами. В таких условиях эффективное связывание серы возможно только в том случае, если предварительно проведена очень тщательная подготовка как топлива, так и сорбента и обеспечен их однородный мелкодисперсный состав. Тщательное измельчение сорбента необходимо еще и для получения максимальной площади его поверхности, а следовательно, и степени использования сорбента, поскольку реакция связывания серы протекает, в основном, на поверхности. Для протекания указанной реакции в объеме частицы сорбента необходимо более значительное время, чем время, которое частица сорбента находится к зоне благоприятных с точки зрения условий протекания реакции связывания серы температур (600 1100^oC). Кроме того, при наличии крупных частиц как топлива, так и сорбента эти частицы не будут уноситься потоком дымовых газов из топки, а будут проваливаться через устье в нижнюю часть камеры сгорания и удаляться вместе со шлаком, что приведет к резкому снижению экономических и экологических характеристик такой топки.

В то же время, обеспечение жестких требований к качеству подготовки топлива и сорбента также ведут к снижению экономических показателей работы такой топки в связи с резким увеличением эксплуатационных расходов. Связывание дополнительного количества серы и частично азота с помощью специально подготовленной летучей золы на выходе из камеры сгорания также требует наличия относительно сложного вспомогательного оборудования, что еще больше усложняет и удорожает работу топки.

В основу изобретения поставлена задача создания топки, конструкция которой обеспечивала бы возможность использования сорбента для поглощения серы и топлива относительно крупного фракционного состава и тем самым снижения издержки на их подготовку (топлива и сорбента) и получения простой конструкции, обеспечивающей высокие экологические характеристики (т.е. относительно невысокое содержание оксидов азота и серы в дымовых газах).

Задача решается тем, что в топке, содержащей камеру сгорания с установленной на ее стенке по меньшей мере одной горелкой для подачи топливо-воздушной смеси, каналом для подачи сорбента для связывания серосодержащих соединений, с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания, в соответствии с изобретением под устьем холодной воронки во всей его ширине размещено устройство ввода нижнего дутья (например, в виде сопла) для образования вихревой зоны в нижней части камеры сгорания, горелка для подачи топливо-воздушной смеси наклонена вниз, канал для подачи сорбента размещен не выше уровня горелки и направлен так, что его продольная ось пересекает вихревую зону, причем сорбент подается в топку через этот канал в смеси с топливом, и доля сорбента составляет от 10 до 100% по массе.

Благодаря тому, что горелка наклонена вниз и под устьем холодной воронки по всей его ширине размещено устройство ввода нижнего дутья, в нижней части камеры сгорания в результате взаимодействия двух встречных потоков - топливо-воздушной смеси из наклоненной вниз горелки и воздуха из сопла нижнего дутья образуется вихревая зона. Благодаря расположению канала для подачи сорбента не выше горелки и его указанному направлению в вихревую зону поступает как топливо, так и сорбент. В вихревой зоне оба эти потока перемешиваются, и создаются благоприятные условия для связывания серы.

Наличие относительно низких температур (около 1000^oC) в вихревой зоне обеспечивает, во-первых, оптимальные условия для связывания серы, так как при этих температурах скорость прямой реакции взаимодействия окисла кальция и двуокиси серы больше скорости обратной реакции разложения сульфата кальция, во-вторых, не происходит оплавления поверхности частиц сорбента, а значит, закрытия пор и уменьшения реакционной поверхности. Слой сульфата кальция, образующийся на поверхности частицы сорбента и постоянно растущий по времени, остается не оплавленным, пористым, что позволяет оксиду серы проникать по трещинам и порам к еще не прореагировавшей поверхности сорбента. В-третьих, за счет многократной циркуляции частиц в вихревой зоне резко увеличивается время их пребывания в благоприятной температурной зоне, а следовательно, и время реакции, и степень связывания серы.

Возможное оплавление частиц сорбента происходит лишь при их перемещении из вихревой зоны в прямоточную (высокотемпературную) зону топки. Однако в данной конструкции это уже не оказывает существенного влияния на эффективность связывания оксидов серы, так как, во-первых, частицы сорбента уже отработали в вихревой зоне, и может оплавляться уже не слой активного оксида кальция, а слой продукта реакции, т.е. сульфата кальция. Во-вторых, время пребывания частицы сорбента в неблагоприятной (прямоточной) зоне много меньше времени пребывания в благоприятной вихревой зоне.

Дольше всего реагируют крупные частицы сорбента и медленнее всего сгорают крупные частицы топлива. Однако в предлагаемом устройстве наиболее крупные куски как топлива, так и сорбента сепарируются в нижнюю часть камеры сгорания, где они подхватываются воздушным потоком, выходящим из сопла нижнего дутья, и возвращаются в вихревую зону. Таким образом, время их пребывания в благоприятной температурной зоне резко увеличивается. Более того, время пребывания частиц топлива сорбента в вихревой зоне, а следовательно, и время протекания реакции поглощения серы можно регулировать в зависимости от характеристик топлива путем уменьшения или увеличения скорости нижнего дутья.

Доля сорбента в общем количестве подаваемого в камеру сгорания топлива определяется его потребностью для необходимого уровня связывания серы и зависит от характеристик топлива.

Кроме того, благодаря тому что в предлагаемой топке организована вихревая зона, происходит снижение содержания окислов азота в дымовых газах аналогично тому, как это описано в известной конструкции.

Канал для подачи сорбента может быть размещен на той же стенке, что и горелка и направлен так, что угол наклона между продольной осью этого канала и проекцией этой оси на эту же стенку не меньше угла между скатом этой стенки камеры сгорания и вертикалью, лежащей на этой стенке, и не больше угла между продольной осью горелки и проекцией этой оси на эту же стенку камеры сгорания. В этом случае поток подаваемого в камеру сгорания сорбента поступает преимущественно в среднюю часть вихревой зоны, что обеспечивает наиболее эффективное перемешивание сорбента и топлива и наиболее эффективное их взаимодействие.

Канал для подачи сорбента может быть также размещен в сопле нижнего дутья. В этом случае несколько упрощается конструкция топки.

Таким образом, в предлагаемой топке происходит снижение содержания оксидов серы и азота в дымовых газах. При этом не требуется дополнительного специального оборудования и сложной подготовки топлива и сорбента.

На фиг. 1 изображена топка, выполненная в соответствии с изобретением, продольный разрез; на фиг.2 то же, вариант выполнения.

Как показано на фиг.1, топка содержит камеру сгорания 1, на стенке которой размещена наклоненная вниз горелка 2 для подачи топливо-воздушной смеси. Угол между продольной осью горелки 2 и проекцией этой оси на стенку обозначен на фиг. 1 как α. Скаты 3 стенок нижней части камеры сгорания 1 образуют холодную воронку призматической формы, имеющую щелевое устье 4. Углы между скатом 3 и вертикалью обозначен на фиг.1 как b. Под устьем 4 холодной воронки по всей его ширине размещено устройство нижнего дутья 5 для образования вихревой зоны в нижней части камеры сгорания 1. Под горелкой 2 размещен канал 6 для подачи кальцийсодержащего сорбента, например извести или карбоната кальция, в смеси с топливом. Продольная ось канала 6 наклонена вниз, угол между продольной осью канала 6 и проекцией этой оси на стенку камеры сгорания обозначен как g. Канал для подачи сорбента может быть размещен и на одном уровне по высоте с горелкой для подачи топливо-воздушной смеси. В обоих случаях наиболее удачным представляется такое положение канала 6 для подачи сорбента, когда угол наклона g продольной оси канала 6 для подачи сорбента не меньше углов b наклона скатов 3 стенок камеры сгорания, образующих холодную воронку, и не больше угла a наклона продольной оси горелки 2. В этом случае ось канала 6 для подачи сорбента проходит через нижнюю часть камеры сгорания, пересекая среднюю часть вихревой зоны.

На фиг. 2 изображен другой вариант воплощения изобретения. Как показано на фиг.2, канал 7 для подачи сорбента размещен в выходном сопле устройства 8 нижнего дутья. В этом случае ось 9 канала 7 проходит вдоль ската 10 стенки камеры 11 сгорания, пересекает нижнюю часть последней, а значит и вихревую зону.

При работе такой топки, как показано на фиг.1, через горелку 2 подают топливо-воздушную смесь, через устройство нижнего дутья 5 воздух, а через канал 6 для подачи сорбента кальцийсодержащий сорбент, обычно известь или карбонат кальция, в смеси с топливом. В результате взаимодействия потоков топливо-воздушной смеси, смеси топлива с сорбентом и воздуха нижнего дутья в топочной камере образуются две основные зоны горения: прямоточная и вихревая. Состав смеси топлива и сорбента выбирается в зависимости от характеристик топлива и сорбента. Массовая доля сорбента составляет от 10 до 100% и выбирается из соображений наиболее полного связывания серы и наиболее экономного расходования сорбента.

Мелкие частицы топлива воспламеняются вблизи горелки и сгорают в прямоточной части факела. Одновременно мелкие частицы сорбента подхватываются восходящими потоками воздуха из устройства нижнего дутья и также поступают в прямоточную часть факела, где взаимодействуют с частицами топлива, связывая серу.

Средние и крупные частицы топлива и сорбента сепарируются в вихревую зону. В вихревой зоне частицы топлива выгорают в результате многократной циркуляции. Одновременно с частицами топлива в вихревой зоне циркулируют и частицы сорбента. В результате длительной циркуляции частиц, длительного их пребывания в зоне с температурой, более благоприятной с точки зрения условий протекания реакции связывания серы эта реакция взаимодействия проходит более полно. Этому способствует и хорошее перемешивание частиц сорбента и дымовых газов в вихревой зоне. В процессе циркуляции в вихревой зоне частицы топлива выгорают, становятся легче и выносятся в прямоточную зону, а затем, уже в виде летучей золы и дымовых газов, в дымоход. Частицы сорбента в процессе циркуляции в вихревой зоне разрушаются механически в результате соударений с частицами топлива и стенками камеры сгорания, продолжая одновременно участвовать в реакциях связывания серы. Мелкие частицы уже, как правило, отработанного (связанного с серой) сорбента подхватываются восходящими потоками и выносятся в прямоточную зону топки, а затем и в дымоход.

Работа топки, показанная на фиг. 2, осуществляется аналогичным образом, за исключением того, что через канал 7 в вихревую зону топки поступают как мелкие, так и относительно крупные частицы сорбента. Мелкие частицы выносятся в прямоточную зону, а крупные и средние, как и в описанной выше конструкции, циркулируют в вихревой зоне, взаимодействуя с оксидами серы.

Содержание оксидов азота в дымовых газах предлагаемой топки относительно невысоко, что обуславливается ступенчатым сжиганием топлива, как это описано в известной конструкции.

Таким образом, конструкция предлагаемой топки обеспечивает возможность использования топлива и сорбента для поглощения серы относительно крупного топлива и сорбента. При этом происходит более полное использование сорбента, обусловленное длительной циркуляцией в вихревой зоне, что улучшает экономические характеристики такой топки. Кроме того, конструкция такой топки относительно проста, она может быть без значительных затрат реализована на уже действующих вихревых топках.

Использование: низкоэмиссионная топка предназначена для сжигания твердого органического топлива и обеспечивает относительно невысокое содержание окислов азота и серы в дымовых газах. Сущность изобретения: низкоэмиссионная топка содержит камеру сгорания 1, на стенке которой размещена наклоненная вниз горелка 2 для подачи топливо-воздушной смеси. Скаты 3 стенок камеры сгорания 1 образуют холодную воронку призматической формы с щелевым устьем 4. Под устьем 4 по всей его ширине размещено устройство нижнего дутья 5 для образования вихревой зоны в нижней части камеры сгорания 1. Под горелкой 2 или на одной стороне с ней размещен канал 6 для подачи в камеру 1 кальцийсодержащего сорбент, например извести или карбоната кальция, в смеси с топливом. Массовая доля сорбента составляет от 10 до 100% и выбирается из соображений наиболее полного связывания серы и наиболее экономичного расходования сорбента. Продольная ось канала 6 наклонена вниз. Целесообразно разместить канал 6 для подачи сорбента таким образом, чтобы угол γ наклона его продольной камеры был не меньше угла β наклона скатов 3 стенок камеры сгорания 1, образующих холодную воронку, и не больше угла α наклона продольной оси горелки 2. Канал для подачи сорбента может быть размещен и в выходном сопле устройства нижнего дутья. При любом расположении канала для подачи сорбента его продольная ось пересекает вихревую зону. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Низкоэмиссионная топка, содержащая камеру сгорания с установленной на ее стенке по меньшей мере одной горелкой для подачи топливовоздушной смеси, каналом для подачи сорбента для поглощения серы с холодной воронкой призматической формы, имеющей щелевое устье, образованное скатами стенок нижней части камеры сгорания, отличающаяся тем, что под устьем холодной воронки по всей его ширине размещено устройство ввода нижнего дутья для образования вихревой зоны в нижней части камеры сгорания, горелка для подачи топливовоздушной смеси наклонена вниз, канал для подачи сорбента размещен не выше горелки и направлен так, что его продольная ось пересекает вихревую зону, причем сорбент подается в топку через этот канал в смеси с топливом и доля сорбента составляет от 10 до 100% по массе. 2. Топка по п. 1, отличающаяся тем, что канал для подачи сорбента размещен на той же стенке, что и горелка, угол наклона между продольной осью канала для подачи сорбента и проекцией этой оси на эту стенку не меньше угла между скатом этой стенки камеры сгорания и вертикалью, лежащей на этой стенке, и не больше угла между продольной осью горелки и проекцией этой оси на эту же стенку камеры сгорания. 3. Топка по п. 1, отличающаяся тем, что канал для подачи сорбента размещен в выходном сопле устройства нижнего дутья.