Изобретение относится к способам и устройствам подготовки и сжигания горючей смеси, применяемым в теплоэнергоустановках ТЭС, ТЭЦ, производственно-отопительных котельных, других тепловых агрегатах, и направлено на снижение эмиссии окислов азота.
Известны способ подготовки смеси воздуха с топливом для сжигания в камере сгорания теплоэнергоустановки и устройство для его реализации.
Известный способ включает предварительное перемешивание компонентов и сжигание смеси при коэффициентах избытка воздуха больше или меньше стехиометрического значения.
Устройство для осуществления этого способа содержит каналы для подачи составляющих смеси в камеру сгорания.
Однако известным способом невозможно или весьма трудно однородно перемешать топливо и воздух, подаваемые в горелочное устройство.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является снижение пульсаций концентрации топлива в сжигаемой смеси путем ее ступенчатой подготовки.
Технический результат достигается тем, что создают в смесительных узлах агрегата гомогенизированные смеси воздуха и газообразного топлива с коэффициентами избытка воздуха, имеющими значения вне пределов воспламеняемости, подают их по отдельным каналам к устью горелки, обеспечивая на выходе из каналов осредненный по сечению потока уровень пульсаций значения коэффициента избытка воздуха предварительно перемешанных частей смеси 
перемешивают между собой и составляющими сжигаемой смеси компонентами, а затем сжигают смесь, при этом пульсации значения коэффициента предварительно перемешанной части смеси на выходе из каналов определяют по следующим соотношениям:
где <α1>2 - дисперсия, характеризующая разброс значений коэффициента избытка воздуха;
α - мгновенное значение коэффициента избытка воздуха в точке поперечного сечения потока в канале с плотностью вероятности распределения P(α);
- осредненное по времени значение коэффициента в точке поперечного потока;
- среднее расходное значение коэффициента.
В устройстве для осуществления способа у части каналов на входе установлены смесительные узлы, за которыми размещены участки для вырождения пульсаций концентрации в смеси, при этом в смесительных узлах установлены турбулизирующие элементы.
На фиг.1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - сечение A-A на фиг.1; на фиг.3 - узел I на фиг. 1.
Устройство содержит коллектор 1, смесительный узел, который включает блок для подачи газа с отверстиями 2, участок для перемешивания струй газа с воздухом, подаваемым по каналу 3, канал 4 на участке M-N, отверстие 5, канал 6 и турбулизирующий элемент 7.
Из коллектора 1 газ подается в смесительный узел, расположенный между плоскостями M и P, воздух подается по каналу 3. Предварительно подготовленная смесь подается к устью горелки (плоскость N). В процессе движения смеси по каналу 4 на участке M-N вырождаются пульсации концентрации. По каналу 6 через отверстие 5 в эту же область подается дополнительное топливо, которое перемешивается с предварительно подготовленной топливовоздушной смесью.
Способ базируется на снижении пульсаций концентрации топлива в сжигаемой смеси путем ее ступенчатой подготовки.
Перемешанность газов в смеси оценивается величиной неоднородности средних концентраций и уровнем пульсаций концентраций в точке сечения потока. Концентрация определяется отношением массы примеси (примесь - газ с меньшим расходом) в выделенном объеме к массе этого объема.
Обычно смесь в сечении потока характеризуют величиной неоднородности, определяемой по формуле
где 
- осредненная по времени концентрация примеси в точке сечения потока;
- средняя расходная концентрация примеси, определяемая по отношению расходов смешиваемых газов.
Для оценки неоднородности средних концентраций используется также и другая более наглядная и легко измеряемая в экспериментах величина
где 
- максимальное и минимальное значения средней концентрации в сечении.
Представляется возможным и целесообразным характеризовать смесь величиной 
которая, очевидно, в выбранном сечении численно несколько превышает χ. На практике стремятся в топочных горелочных устройствах выдержать χ < 0,05.
Более адекватно характеризуют перемешанность смеси величины, связанные с мгновенными концентрациями.
Если C - мгновенная концентрация примеси в точке поперечного сечения потока с плотностью вероятности распределения P(C), тогда
Дисперсия мгновенной концентрации в точке определится как
Аналогично можно определить среднюю концентрацию для сечения потока и пульсацию концентрации в сечении. Легко видеть, что 
в точке, а в сечении 
Уровень относительной пульсации концентрации в точке сечения потока определяется величиной 
Переходя от концентраций к коэффициенту избытка воздуха α, можно показать, что
и тогда вышеприведенные формулы можно представить в виде
где для α введены индексы, соответствующие индексам при C.
Величина 
так же, как и <C'>/C является мерой гомогенности смеси: 
= 0 соответствует смеси, гомогенизированной до молекулярного уровня.
Путем тщательного перемешивания воздуха и газообразного топлива, как видно, можно значительно снизить выбросы NOx. Однако при этом возникает серьезная проблема: опасность воспламенения в горелке смеси в результате проскока пламени.
Для исключения этой опасности целесообразно вначале смешивать топливо и воздух в таком соотношении, при котором смесь не воспламеняется. Для природного газа при температуре воздуха 25oC нижний предел воспламенения α = 1,8, а а верхний α = 0,65.
При α > 1,8 и α < 0,65 смесь взрывобезопасна. Такую смесь можно хорошо перемешать в смесительном узле и подавать к устью горелки, а перед сжиганием дополнительно подавать топливо, в частности, перемешанное с воздухом из расчета, чтобы в зоне сгорания выдерживалось суммарное значение 
> 1,2 или 
< 0,9. Следует, видимо, идти от смеси с α > 1,8 и добавлять до нужного 
топливо (в чистом виде или в смеси в воздухом, а также возможна дополнительная подача жидкого топлива, например мазута), т.к. количество этого дополнительного топлива по массе будет невелико. Если же предварительно готовить смесь с α ≤ 0,65, то перед зоной сгорания необходимо будет подавать воздух или смесь воздуха и топлива с α > 1 в большом количестве, что вызовет трудности в обеспечении хорошего перемешивания основного и дополнительного потоков перед сжиганием.
Использование: в теплоэнергетике для снижения интенсивности образования оксидов азота, возникающих при горении топливной смеси. Сущность изобретения: в способе подготовки смеси воздуха с топливом и ее сжигания в камере сгорания теплоэнергоустановки, включающем предварительное перемешивание компонентов и сжигание смеси при коэффициентах избытка воздуха больше или меньше стехиометирческого значения, в смесительных узлах агрегата создают гомогенизированные смеси воздуха и газообразного топлива с коэффициентами избытка воздуха, подают их по отдельным каналам к устью горелки, обеспечивая на выходе из каналов осредненный по сечению потока уровень пульсаций значения коэффициента избытка воздуха предварительно перемешанных частей смеси 
перемешивают между собой и составляющими сжигаемой смеси компонентами, а затем сжигают смесь. В устройстве для осуществления способа у части каналов для подачи составляющих смеси в камеру сгорания на входе установлены смесительные узлы, за которыми размещены участки для вырождения пульсаций концентрации в смеси, при этом в смесительных узлах установлены турбулизирующие элементы 7. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
перемешивают между собой и составляющими сжигаемой смеси компонентами, а затем сжигают смесь, при этом пульсации значения коэффициента предварительно перемешанной части смеси на выходе из каналов определяют по следующим соотношениям:
где <α′>2 - дисперсия, характеризующая разброс значений коэффициента избытка воздуха;
α - мгновенное значение коэффициента избытка воздуха в точке поперечного сечения потока в канале с плотностью вероятности распределения P (α) ;
- осредненное по времени значение коэффициента в точке поперечного потока;
- среднее расходное значение коэффициента.
| Энергетические установки с газовыми поршневыми двигателями / Под ред | |||
| про ф | |||
| Л.К.Коллерова | |||
| - Л.: Машиностроение, 1979, с.178 - 180, рис.67. |
