СПОСОБ РАБОТЫ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ГОРЕЛКИ Российский патент 2007 года по МПК F23D17/00 F23C1/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах, сжигающих пылеугольное и газообразное топлива.

Известна многофункциональная горелка, содержащая раздельные подводящие каналы дожигающего воздуха, пылеуглевоздушной и газовоздушной смесей, амбразуру с окнами вывода реагентов в топку, подключенными к соответствующим подводящим каналам, причем в подводящем канале газовоздушной смеси установлены газовыпускные сопла, а на входе в канал закреплен патрубок подачи воздуха, окна вывода газовоздушной и пылевоздушной смесей выполнены в виде параллельных вертикально-щелевых конфузорных участков, а окна вывода дожигающего воздуха размещены над и под окном вывода пылеуглевоздушной смеси (см., например, патент РФ 2228491 от 15.04.2003 г., опубл. БИ №13 от 10.05.2004 г.). Недостаток устройства - повышенная активность загрязнения топки шлаковыми отложениями при совместном сжигании пыли с газом; в отдельных режимах повышена концентрация оксидов азота в отводимых продуктах сгорания.

Известен способ работы многофункциональной горелки путем подачи в топку по раздельным подводящим каналам через раздельные вертикально-щелевые окна амбразуры потоков газовоздушной и пылеуглевоздушной смесей и по раздельным подводящим каналам через раздельные окна над и под потоком пылеуглевоздушной смеси спутных потоков дожигающего воздуха, а также формирования структуры потока газовоздушной смеси в подводящем канале перед амбразурой спутным вводом в прямоточный поток воздуха газовых струй из газовыпускных сопл (см. патент РФ №2228491 от 15.04.2003 г., опубл. БИ №13 от 10.05.2004 г.). Недостаток способа, как и собственно горелки - повышенный уровень загрязнения топки и выхода оксидов азота в отмеченных выше режимах работы устройства.

Известен способ одновременного сжигания в топке угольной пыли и газа путем ввода через горелки пылеуглевоздушной смеси, воздуха и газовых струй, причем последних из основных и дополнительных подсветочных газовоздушных сопл (см., например, статью Шницер И.Н. "Исследование топочного процесса при сжигании непроектного антрацита отдельно и совместно с газом", в журнале "Теплоэнергетика", №1, 1988 г., с.16-22). Способ имеет тот же недостаток: повышенная активность процессов загрязнения топки и образование оксидов азота в отдельных режимах работы горелки.

Задача изобретения - выделение режимов работы многофункциональной горелки с уменьшенной активностью загрязнения топки и образования оксидов азота.

Для достижения поставленной задачи при осуществлении способа работы многофункциональной горелки путем подготовки газовоздушной смеси в подводящем канале перед амбразурой спутным вводом в прямоточный поток воздуха газовых струй из основных и подсветочных газовыпускных сопл, подачи в реакторную полость топки через индивидуальные вертикально-щелевые окна горелочной амбразуры прямоточных спутных потоков газовоздушной и пылеуглевоздушной смесей, а над и под потоком пылеуглевоздушной смеси дожигающих спутных потоков воздуха, согласно изобретению при одновременной подаче газа и угольной пыли газовоздушную смесь формируют газовыми струями из подсветочных газовыпускных сопл, поддерживая при этом массовый расход газа (0,01-0,15)G_н и скорость газовоздушного потока в амбразуре (0,4-1,5)W_п, при подаче одного газа газовоздушную смесь формируют газовыми струями из основных газовыпускных сопл, а массовый расход воздуха на дожигание во всех режимах сохраняют на уровне (0,05-0,4)G_в, где G_н - массовый расход газа, соответствующий номинальной тепловой нагрузке, кг/с; W_п - скорость пылеуглевоздушной смеси, м/с; G_в - общий массовый расход воздуха на горелку, кг/с.

Вводом в воздушный поток перед амбразурой подсветочных газовых струй с массовым расходом (0,01-0,15)G_н при скорости газовоздушного потока (0,4-1,5)W_п снижается загрязнение топки шлаковыми отложениями, а при массовых расходах воздуха на дожигание (0,05-0,4)G_в обеспечивается минимальный выход оксидов азота в продуктах сгорания как в режимах смешанного теплопотребления, так и в режимах сжигания одного газа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема подготовки газовоздушной смеси в многофункциональной горелке перед амбразурой и одновременной подачи в реакторную полость топки газовоздушной и пылеуглевоздушной смесей через моносопловые вертикально-щелевые окна амбразуры; на фиг.2 - схема ввода пылеуглевоздушной смеси через вертикально-щелевое окно амбразуры и дожигающего воздуха через сопла над и под пылеуглевоздушным потоком в реакторную полость топки, разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема подготовки газовоздушной смеси в многофункциональной горелке перед амбразурой и ее подачи в реакторную полость топки через моносопловое вертикально-щелевое окно амбразуры, разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - схема подготовки газовоздушной смеси в многофункциональной горелке перед амбразурой и ее подачи в реакторную полость топки через моносопловое вертикально-щелевое окно амбразуры при реализации режимов сжигания одного газа; на фиг.5 - схема ввода дожигающего воздуха через сопла над и под вертикально-щелевым пылеугольным окном амбразуры, разрез В-В на фиг.4; на фиг.6 - схема подготовки газовоздушной смеси в многофункциональной горелке перед амбразурой и ее подачи в реакторную полость топки через моносопловое вертикально-щелевое окно амбразуры, разрез Г-Г по фиг.4; на фиг.7 - схема компоновки моносопловых вертикально-щелевых окон в амбразуре многофункциональной горелки для вывода в реакторную полость топки газовоздушной и пылеуглевоздушной смесей, а также окон для вывода дожигающего воздуха, вид Д по фиг.1, 4; на фиг.8 - схема подготовки газовоздушной смеси в многофункциональной горелке перед амбразурой и одновременной подачи в реакторную полость топки газовоздушной и пылеуглевоздушной смесей через двухсопловое и моносопловое окна соответственно; на фиг.9 - схема подготовки газовоздушной смеси в многофункциональной горелке перед амбразурой и ее подачи в реакторную полость топки через двухсопловое окно при реализации режимов сжигания одного газа; на фиг.10 - схема компоновки моносоплового и двухсоплового ветикально-щелевых окон в амбразуре многофункциональной горелки для вывода в реакторную полость топки соответственно пылеуглевоздушной и газовоздушной смесей, а также окон для вывода дожигающего воздуха, вид Е по фиг.8, 9.

Способ работы многофункциональной горелки по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 реализуется на котле, оснащенном топкой 1 с реакторной полостью 2 и стенами 3; на одной из стен 3 топки 1 установлена, по крайней мере, одна многофункциональная горелка 4 с амбразурой 5; в амбразуре 5 выполнены вертикально-щелевые окна 6, 7 для подачи в полость 2 топки 1 потоков 8, 9 газовоздушной и пылеуглевоздушной смесей, а над и под пылеуглевоздушным окном 7 установлены окна 10, 11 для подачи в полость 2 топки 1 потоков 12, 13 дожигающего воздуха; к окну 6 подключен подводящий канал 14 прямоточного потока воздуха 15; в канал 14 встроен газовыпускной узел 16 с основными газовыпускными соплами 17, из которых в прямоточный поток воздуха 15 спутно вводятся основные газовые струи 18; кроме того, в канале 14 установлен газовыпускной узел 19 с дополнительными подсветочными соплами 20, из которых в прямоточный поток воздуха 15 спутно вводятся дополнительные подсветочные газовые струи 21; к окну 7 подключен канал 22 для подачи из системы пылеприготовления пылеуглевоздушной смеси; к окнам 10, 11 для подачи дожигающего воздуха из системы нагнетания подключены воздушные каналы 23, 24. На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 обозначены векторы скорости газовоздушного и пылеуглевоздушного потоков W_гв и W_п, м/с, а также дожигающего воздуха W_дв, м/с.

При реализации способа работы многофункциональной горелки 4 по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 в реакторную полость 2 топки через подводящий канал 22 и амбразуру 5 подают пылеуглевоздушную смесь 9 (подготавливаемую в системе пылеприготовления котла, на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 не показана) и газовоздушную смесь 8, подготавливаемую непосредственно в подводящем канале 14 той же горелки путем спутного ввода в прямоточный поток воздуха 15 основных 18 и подсветочных 21 газовых струй, истекающих из сопл 17 и 20 газовыпускных узлов 16 и 19 соответственно. К особенности способа работы многофункциональной горелки 4 относится разделение режимов подачи в реакторную зону 2 топки 1 топливных реагентов. При одновременном сжигании угольной пыли и газа, фиг.1, 2, 3, 7, в работу включают газовыпускной узел 19 с дополнительными подсветочными соплами 20. Формируемая газовоздушная смесь 8 из прямоточного потока воздуха 15 и газовых струй 21 вводится в реакторную зону 2 топки 1 через вертикально-щелевое окно 6 амбразуры 5 спутно потоку пылеуглевоздушной смеси, вводимому через канал 22 и вертикально-щелевое окно 7 той же амбразуры 5. Из вентиляционной системы котла по каналам 23, 24 через окна 10, 11 над и под потоком пылеуглевоздушной смеси 9 в реакторную полость 2 топки 1 вводят спутные дожигающие потоки воздуха 12, 13. При совместном сжигании газа и угольной пыли поддерживают массовый расход газа (0,01-0,15)G_н и скорость газовоздушного потока 8 в амбразуре 5 (0,4-1,5)W_п, a суммарный массовый расход воздуха на дожигание в потоках 12, 13 составляет (0,05-0,4)G_в, где G_н - массовый расход газа, соответствующий номинальной тепловой нагрузке горелки, кг/с; W_п - скорость пылеуглевоздушного потока, м/с; G_в - общий массовый расход воздуха на горелку, кг/с. При подаче в зону 2 топки 1 только газа с воздухом, фиг.4, 5, 6, 7, газовоздушную смесь 8 в канале 14 горелки 4 формируют основными газовыми струями 18, истекающими спутно в прямоточный поток воздуха 15 из сопл 17 основного газораздаточного узла 16 (подсветочный узел 19 с соплами 20 отключен). Газовоздушную смесь 8 вводят в реакторную полость 2 топки 1 через вертикально-щелевое окно 6 амбразуры 5. Из вентиляционной системы котла (не показана) по каналам 23, 24 через окна 10, 11 в реакторную полость 2 топки 1 вводят спутные дожигающие потоки воздуха 12, 13. При этом массовый расход газа составляет от ˜0,4G_н (минимально допустимый по условиям нормальной циркуляции воды и пара в котле) до 1,0G_н, а суммарный массовый расход дожигающего воздуха в потоках 12, 13 составляет (0,05-0,4)G_в, где G_н - массовый расход газа, соответствующий номинальной тепловой нагрузке горелки, кг/с; G_в - общий массовый расход воздуха на горелку, кг/с.

Способ может быть также реализован на котле, включающем топку 1 с реакторной полостью 2 и стенами 3, установленной на одной из стен 3, по крайней мере, одной многофункциональной горелкой 4 по фиг.8, 9. Амбразура 5 горелки 4 оснащена моносопловым окном 7 для вывода в реакторную полость 2 топки 1 пылеуглевоздушной смеси и двухсопловым узлом с вертикально-щелевыми окнами 25, 26 для вывода газовоздушной смеси; позиции 25, 26 здесь введены вместо позиции 6 по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7; остальные обозначения - те же, что на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

При реализации способа по фиг.8, 9, 10 используется та же технология подготовки газовоздушной смеси в канале 14 горелки 4 и ее ввода в реакторную полость 2 топки 1, что и по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Особенностью способа, реализуемого по фиг.5, является двухпоточный вывод газовоздушной смеси 8 через вертикально-щелевые окна 25 и 26 амбразуры 5. При сжигании одного газа основные струи топлива 18 вводят спутно в прямоточный поток воздуха 15 в подводящем канале 14 через сопла 17 основного газовыпускного узла 16, а газовоздушную смесь 8 выводят в реакторную полость 2 топки 1 через вертикально-щелевое окно 26, примыкающее к пылевоздушному вертикально-щелевому окну 7. При совместном сжигании угольной пыли и газа последний вводят спутными струями 21 в прямоточный поток воздуха 15 в канале 14 через сопла 20 газовыпускного узла 19, а газовоздушную смесь выводят в реакторную полость 2 топки 1 через окно 25 амбразуры 5, наиболее удаленное от пылеуглевоздушного окна 7. При использовании устройства на фиг.8, 9, 10 в полном объеме сохраняются последовательность операций совместного и раздельного сжигания газа и угольной пыли, рабочие диапазоны расходов газа, дожигающего воздуха, скорости ввода топливовоздушных смесей в реакторную полость 2 топки 1, отраженные в описании работы многофункциональной горелки по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Возможна установка основного газовыпускного узла 16 со стороны газовоздушного окна 25, удаленного от пылеуглевоздушного окна 7, а дополнительного подсветочного газовыпускного узла 19 со стороны газовыпускного окна 26, примыкающего к пылевоздушному окну 7. Организация вывода пылеуглевоздушной смеси 9 и газовоздушной смеси 8 в реакторную полость топки 1 - в полном соответствии с приведенным выше описанием работы многофункциональной горелки по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Компоновка горелок 4 на стенах 3 топки 1 может быть принята как однофронтальной (на одной из стен) в один или несколько горизонтальных радов, так и встречной (на двух противоположных стенах) или тангенциальной (в углах или на четырех стенах) также в один или несколько горизонтальных рядов.

При работе горелок по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или по фиг.8, 9, 10 независимо от схемы компоновки на стенах 3 топки 1 вводимая в реакторную полость 2 топливовоздушная смесь формирует систему газовых и пылеугольных факелов, выделяющих тепло, которое поглощается циркулирующей в котловых трубах пароводяной средой. Вырабатываемые в результате тепловыделения и теплообмена перегретый пар и горячую воду направляют на турбоэлектрогенераторы для выработки электроэнергии или в теплообменники сетевой воды на отопление.

Практическое применение способа связано с котлами БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2, на которых осуществлены опытное опробование и промышленная отработка многофункциональных горелок по фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. В задачу отработки входило выявление режимов с пониженной активностью загрязнения стен топки, а также образования концентрации оксидов азота при сжигании смеси топлив и одного газа. Если при одновременной подаче газа и угольной пыли газовоздушную смесь 8 формировали газовыми струями 18 из подсветочных газовыпускных сопл 17, поддерживая при этом массовый расход газа (0,01-0,15)G_н и скорость газовоздушного потока 8 в амбразуре (0,4-1,5)W_п, a массовый расход воздуха на дожигание в струях 12, 13 из окон 10, 11 (0,05-0,4)G_в, то фиксировали минимальные уровни загрязнения стен топки по параметру F⁰ _загр=F⁰ _загр/F_топки и NO_x ⁰ (где G_н - массовый расход газа, соответствующий номинальной тепловой нагрузке горелки, кг/с; W_п - скорость пылеуглевоздушного потока, м/с; G_в - общий массовый расход воздуха на горелку, кг/с; F⁰ _загр и F_топки - площади загрязнения стен 3 топки 1 и общая площадь стен 3 топки 1, м²; NO_x ⁰ - минимально фиксируемый уровень концентрации оксидов азота в отводимых из топки 1 продуктах сгорания, кг/м³). Внутри обозначенных диапазонов параметров значения F⁰ _загр и NO_x ⁰ сохраняли минимальные значения. Но как только значения расхода газа, скорости газовоздушного потока и расхода дожигающего воздуха достигали минимального или максимального значений своих заявленных диапазонов параметры F_загр=(1,01-1,015)F⁰ _загр и NO_x=(1,01-1,02)NO_x ⁰, то есть немного (до ˜1,0%) увеличивались. При дальнейшем отклонении расхода газа, скорости газовоздушного потока и расхода дожигающего воздуха в меньшую или большую стороны от своих заявленных диапазонов на 1% и более параметры F_загр≥1,5F⁰ _загр и NO_x=1,25NO_x ⁰, то есть возрастали резко, скачкообразно. Это говорит об оптимальности заявленных расходов и скорости реагентов в режиме совместного сжигания газа и угольной пыли. При сжигании одного газа требуется регулярная минимизация выхода оксидов азота. Если газовоздушную смесь 8 формировали газовыми струями 21 из основных газовыпускных сопл 20, а массовый расход воздуха на дожигание в струях 12, 13 из окон 10, 11 поддерживали на уровне (0,05-0,4)G_в, то концентрация NO_x ^0' - минимальна. Внутри диапазона (0,05-0,4)G_в параметр NO_x ^0'≈const. На границах 0,05G_в и 0,4G_в параметр NO_x'≈1,01NO_x ^0'. Как только расход воздуха <0,05G_в и >0,4G_в хотя бы на 1% резко скачкообразно увеличивается выход концентрации оксидов азота NO_x≥1,8NO_x ^0'. Отсюда диапазон массового расхода дожигающего воздуха (0,05-0,4)G_в является оптимальным, выход за его границы вызывает скачкообразное нарушение качества горения.

Использование заявленной последовательности операций и оптимальных диапазонов скоростей и расходов реагентов позволило снизить загрязнение топок и выход оксидов азота в отводимых продуктах сгорания на котлах БКЗ-210-140Ф с многофункциональными горелками Челябинской ТЭЦ-2. Конструктивное переоформление газовыпускных узлов и вертикально-щелевых окон для вывода газовоздушной и пылеуглевоздушной смеси в реакторную полость топки, как показали исследования, при работе многофункциональных горелок внутри выявленных диапазонов скоростей и расходов реагентов характера и активности протекающих высокотемпературных процессов не меняет.

Способ относится к энергетике и может быть использован на котлах, сжигающих пылеугольное и газообразное топлива. Предложен способ работы многофункциональной горелки путем подготовки газовоздушной смеси в подводящем канале перед амбразурой спутным вводом в прямоточный поток воздуха газовых струй из основных и подсветочных газовыпускных сопл, подачи в реакторную полость топки через индивидуальные вертикально-щелевые окна горелочной амбразуры прямоточных спутных потоков газовоздушной и пылевоздушной смесей, над и под потолком пылевоздушной смеси дожигающих спутных потоков воздуха. При реализации способа при одновременной подаче газа и угольной пыли газовоздушную смесь формируют газовыми струями из подсветочных газовыпускных сопл, поддерживая при этом массовый расход газа (0,01-0,15)G_н и скорость газовоздушного потока в амбразуре (0,4-1,5)W_п, при подаче одного газа газовоздушную смесь формируют газовыми струями из основных газовыпускных сопл, а массовый расход воздуха на дожигание во всех режимах сохраняют на уровне (0,05-0,4)G_в, где G_н - массовый расход газа, соответствующий номинальной тепловой нагрузке горелки, кг/с; W_п - скорость пылеуглевоздушной смеси; G_в - общий массовый расход воздуха на горелку, кг/с. Изобретение позволяет уменьшить загрязнения топки и образования оксидов азота. 10 ил.

Способ работы многофункциональной горелки путем подготовки газовоздушной смеси в подводящем канале перед амбразурой спутным вводом в прямоточный поток воздуха газовых струй из основных и подсветочных газовыпускных сопл, подачи в реакторную полость топки через индивидуальные вертикально-щелевые окна горелочной амбразуры прямоточных спутных потоков газовоздушной и пылевоздушной смесей, над и под потоком пылевоздушной смеси дожигающих спутных потоков воздуха, отличающийся тем, что при одновременной подаче газа и угольной пыли газовоздушную смесь формируют газовыми струями из подсветочных газовыпускных сопл, поддерживая при этом массовый расход газа (0,01-0,15)G_н и скорость газовоздушного потока в амбразуре (0,4-1,5)W_п, при подаче одного газа газовоздушную смесь формируют газовыми струями из основных газовыпускных сопл, а массовый расход воздуха на дожигание во всех режимах сохраняют на уровне (0,05-0,4)G_в, где G_н - массовый расход газа, соответствующий номинальной тепловой нагрузке горелки, кг/с; W_п - скорость пылеуглевоздушной смеси, м/с; G_в - общий массовый расход воздуха на горелку, кг/с.