СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2009 года по МПК F23C9/00 

Изобретение относится к способам сжигания топлива и может быть использовано в энергетике, в промышленности, на транспорте и в быту.

В различных теплоиспользующих установках (котлах, печах, реакторах, сушильных аппаратах, нефте- и газоперерабатывающих установках и др.) в качестве греющего потока используются газообразные продукты сгорания, получаемые в результате сжигания жидкого, газообразного или твердого топлива, причем для выполнения требований технологического процесса необходимо поддержание уровня и стабильности температуры продуктов сгорания перед теплоприемником.

Во многих случаях отходящие дымовые газы сбрасывают в атмосферу с температурой 150-500°С и выше, что приводит к большим потерям теплоты и повышенному расходу топлива, а сжигают топливо при высокой температуре 1500-2000°С и выше, что сопровождается образованием значительного количества вредных примесей (в том числе NO_x и СО), которые с отходящими дымовыми газами затем попадают в окружающую среду.

Известен способ сжигания топлива с поддержанием температуры продуктов сгорания путем возврата части отходящих дымовых газов в топку за горелкой и последующего смешения их с продуктами сгорания в пределах топки (FR 1280178 А, 29.12.1961, F22G 5/02).

Недостатками этого способа является проведение процесса горения при высокой температуре (1500-2000°С), что сопровождается образованием вредных примесей (NO_x, СО и др.), выбрасываемых вместе с основной частью дымовых газов в окружающую среду, а также невозможность обеспечения равномерного распределения температур в потоке греющей среды, что приводит к нестабильности температурного режима в теплоприемнике.

Другой известный способ сжигания топлива предусматривает снижение температуры горения и температуры греющего потока за счет рециркуляции части отходящих дымовых газов в воздух перед подачей его в горелку с обеспечением заданного содержания кислорода в смеси в пределах 16-18% (SU 569797 А, 25.08.1977, F27B 9/00).

Недостатком этого способа является то, что он не предусматривает утилизации теплоты отходящих дымовых газов, а также то, что ограничение снижения содержания кислорода в смеси, поступающей на горелку, до 16-18% не обеспечивает необходимого для многих технологических процессов снижения температуры греющего потока перед теплоприемником.

Наиболее близким к изобретению является способ сжигания топлива в котле, в соответствии с которым часть отходящих дымовых газов (20-24% от общего количества) отбирается вентилятором, прокачивается через охлаждаемый водой теплообменный аппарат, после чего вместе с образовавшимся в нем конденсатом подается в трубопровод подвода воздуха и топлива к горелке (SU 1509575 А, 23.09.1989, F23C 9/08).

Недостатками этого способа являются следующие:

- отсутствует утилизация теплоты отходящих дымовых газов, сбрасываемых в атмосферу, за счет их глубокого охлаждения;

- смесь воздуха и рециркулирующих дымовых газов подается на горелку без предварительного подогрева;

- вентилятор рециркулирующих дымовых газов работает при высокой температуре прокачиваемой среды;

- конденсат, образующийся в теплообменном аппарате при охлаждении рециркулирующих дымовых газов, полезно не используется (например, в системе водоподготовки питательной воды).

Задача настоящего изобретения - повышение эффективности сжигания топлива за счет глубокой утилизации теплоты отходящих дымовых газов и конденсации содержащегося в них водяного пара, стабилизация и расширение диапазона регулирования температуры греющего потока, поступающего в теплоприемник, а также снижение температуры горения для уменьшения количества вредных выбросов в окружающую среду с отходящими дымовыми газами.

Поставленная задача решается в способе сжигания топлива со стабилизацией адиабатической температуры горения и передачей теплоты от продуктов сгорания к теплоприемнику, заключающемся в том, что к воздуху, подводимому для сжигания топлива, подмешивают часть отходящих дымовых газов, образовавшуюся газовоздушную смесь подают вентилятором в одну из полостей теплообменного аппарата радиально-спирального типа, а через вторую полость этого аппарата прокачивают весь поток отходящих дымовых газов, благодаря чему этот поток охлаждается до температуры 0 - 60°С, на 10-20°С превышающей температуру окружающей среды, а газовоздушная смесь нагревается, после чего ее и топливо подают на горелку, а часть охлажденных отходящих дымовых газов направляют на рециркуляцию для подмешивания к вновь поступающему холодному воздуху, причем стабилизацию температуры горения и поддержание требуемой температуры поступающих к теплоприемнику продуктов сгорания осуществляют изменением количества рециркулирующих дымовых газов.

Кроме того, перед подачей на горелку топливо подогревают отходящими дымовыми газами в теплообменном аппарате радиально-спирального типа, установленном параллельно или последовательно с теплообменным аппаратом, в котором нагревается газовоздушная смесь.

Кроме того, применяют беспламенные или каталитические горелки для сжигания топлива в смеси с воздухом и добавленными в него рециркулирующими дымовыми газами.

Кроме того, при прохождении отходящих дымовых газов через теплообменный аппарат пары воды, содержащиеся в них, конденсируют, выделяют из газового потока и направляют для полезного использования.

Применение теплообменных аппаратов радиально-спирального типа обеспечивает глубокую рекуперацию теплоты с охлаждением отходящих дымовых газов до температуры не более чем на 10 - 20°С превышающей температуру окружающей среды, т.е. до 40 - 60°С, а в холодное время года до 0°С, благодаря чему значительная часть водяных паров, содержащихся в дымовых газах, конденсируется. При этом теплота конденсации водяных паров рекуперируется, а полученный конденсат после соответствующей обработки может быть полезно использован, например, в качестве питательной воды паровых и водогрейных котлов и т.д. Кроме того, в результате удаления водяных паров сокращается количественный выброс отходящих дымовых газов.

Минимизация вредных выбросов в окружающее пространство обеспечивается снижением температуры сжигания топлива. Это достигается возвратом (рециркуляцией) в поток воздуха части охлажденных отходящих дымовых газов. Чем больше отходящих дымовых газов добавляется в поток воздуха, поступающего на горелку, тем ниже адиабатическая температура горения топлива, и тем меньше количество вредных веществ (NO_x, CO) образуется в процессе горения.

При поддержании определенного стабильного соотношения между рециркулирующими дымовыми газами и топливом или воздухом, обеспечивается поддержание требуемой адиабатической температуры горения топлива.

Для сжигания топлива в сильно разбавленном дымовыми газами воздухе должны применяться беспламенные или каталитические горелки, т.к. в этом случае при использовании обычно применяемых факельных горелок стабильный процесс горения не может быть обеспечен.

Отходящие дымовые газы можно охлаждать в двух параллельно или последовательно включенных теплообменных аппаратах радиально-спирального типа, через один из которых для рекуперации теплоты прокачивается топливо, а через другой - газовоздушная смесь.

Ниже изобретение поясняется конкретными примерами его использования и прилагаемыми чертежами, графиками и таблицей.

на фиг.1 представлена принципиальная технологическая схема сжигания топлива с глубокой рекуперацией теплоты отходящих дымовых газов путем подогрева смеси воздуха с добавленными в него рециркулирующими охлажденными дымовыми газами перед подачей их на горелку;

на фиг.2 - принципиальная технологическая схема сжигания топлива с глубокой рекуперацией теплоты отходящих дымовых газов путем подогрева топлива и смеси воздуха с добавленными в него рециркулирующими охлажденными дымовыми газами перед подачей их на горелку;

на фиг.3 показана зависимость теплового потока от температуры отходящих дымовых газов;

на фиг.4 - зависимость адиабатической температуры горения природного газа от объемного соотношения дымовых газов и топлива;

на фиг.5 - зависимость количества выбросов NO_x и СО от адиабатической температуры горения природного газа.

В таблице приведен пример расчета процесса сжигания.

Предлагаемый способ сжигания топлива осуществляют следующим образом.

Представлена принципиальная технологическая схема установки с рециркуляцией части отходящих дымовых газов, глубокой рекуперацией теплоты за счет подогрева газовоздушной смеси, с выделением конденсата из отходящих дымовых газов и стабилизацией адиабатической температуры горения топлива и продуктов сгорания, поступающих в теплоприемник (фиг.1).

Природный газ и газовоздушная смесь (воздух с добавленной в него частью отходящих дымовых газов) поступают на горелку 1, где происходит горение топлива. Образовавшиеся продукты сгорания проходят через теплоприемник 2 (нагреватель, реактор и т.д.), охлаждаются в нем до температуры, определяемой требованиями технологического режима теплоприемника, и поступают в теплообменный аппарат радиально-спирального типа 3. В теплообменном аппарате 3 отходящие дымовые газы охлаждаются до возможно низкой температуры 0 - 60°С, на 10 - 20°С превышающей температуру окружающего воздуха, отдавая при этом теплоту прокачиваемой через вторую полость теплообменника 3 смеси воздуха и добавленных в него дымовых газов. При этом часть водяных паров, входящих в состав отходящих дымовых газов, конденсируется и после отделения от охлажденных дымовых газов выводится для полезного использования. После теплообменного аппарата 3 часть охлажденных отходящих дымовых газов с температурой 0 - 60°С подается на всасывание вентилятора 4 и добавляется в воздух, а остальная часть охлажденных дымовых газов сбрасывается в атмосферу. Образовавшаяся газовоздушная смесь вентилятором 4 подается для рекуперации теплоты в теплообменный аппарат 3, нагревается в нем, после чего поступает на горелку 1.

Добавлением отходящих дымовых газов в воздух обеспечивается снижение адиабатической температуры горения топлива и, как следствие, сокращение вредных выбросов в окружающую среду. Поддерживая определенное соотношение дымового газа и воздуха, обеспечивают требуемую температуру продуктов сгорания перед теплоприемником.

Представлена принципиальная технологическая схема установки с рециркуляцией части отходящих дымовых газов, глубокой рекуперацией теплоты за счет подогрева газовоздушной смеси и топлива, с выделением конденсата из отходящих дымовых газов и стабилизацией адиабатической температуры горения топлива и продуктов сгорания, поступающих в теплоприемник (фиг.2).

Природный газ и газовоздушная смесь (воздух с добавленной в него частью отходящих дымовых газов) поступают на горелку 5, где происходит горение топлива. Образовавшиеся продукты сгорания проходят через теплоприемник 6 (нагреватель, реактор и т.д.), охлаждаются в нем до температуры, определяемой требованиями технологического режима теплоприемника, и поступают в теплообменный аппарат радиально-спирального типа 7.

В теплообменном аппарате 7 отходящие дымовые газы частично охлаждаются, нагревая топливо, и поступают в теплообменный аппарат радиально-спирального типа 8, охлаждаются в нем до возможно низкой температуры 0 - 60°С, на 10 - 20°С превышающей температуру окружающего воздуха, отдавая при этом теплоту прокачиваемой через вторую полость теплообменника 8 смеси воздуха и добавленных в него дымовых газов. При этом часть водяных паров, входящих в состав отходящих дымовых газов, конденсируется и после отделения от охлажденных дымовых газов выводится для полезного использования. После теплообменного аппарата 8 часть охлажденных отходящих дымовых газов с температурой 0 - 60°С подается на всасывание вентилятора 9 и добавляется в воздух, а остальная часть охлажденных дымовых газов сбрасывается в атмосферу. Образовавшаяся газовоздушная смесь вентилятором 9 подается для рекуперации теплоты в теплообменный аппарат 8, нагревается в нем, после чего поступает на горелку 5. Топливо, нагретое в теплообменном аппарате 7, также подводится к горелке 5.

Добавлением отходящих дымовых газов в воздух обеспечивается снижение адиабатической температуры горения топлива и, как следствие, сокращение вредных выбросов в окружающую среду. Поддерживая определенное соотношение дымового газа и воздуха, обеспечивают требуемую температуру продуктов сгорания перед теплоприемником.

Приведен пример расчета процесса сжигания 1 нм³/ч природного газа в смеси с 10,5 нм³/ч воздуха без рециркуляции дымовых газов в воздух, предназначенный для подачи на горелку, для двух значений температуры отходящих дымовых газов (200 и 50°С), сбрасываемых в атмосферу (таблица).

Результаты расчета показывают следующее:

а) при отсутствии рециркуляции дымовых газов в воздух, подаваемый для сжигания топлива, процесс горения протекает при весьма высокой адиабатической температуре, равной для данного варианта 2030°С;

б) глубокая утилизация теплоты отходящих дымовых газов до 50°С позволяет существенно увеличить теплосъем, т.е. полезно используемую теплоту от сжигания 1 нм³/ч природного газа (9456 ккал/ч по сравнению с 8595 ккал/ч при охлаждении дымовых газов до 200°С);

в) при охлаждении дымовых газов до 50°С от 1 нм³/ч природного газа можно получить 0,74 кг/ч конденсата.

Аналогичные расчеты процесса сжигания 1 нм³/ч природного газа в смеси с 10,5 нм³/ч воздуха выполнены для различных температур охлажденных дымовых газов (т.е. при различной степени рекуперации теплоты) и с рециркуляцией в воздух части охлажденных дымовых газов. По результатам этих расчетов построены зависимости, показанные на фиг.3÷5, характеризующие параметры процесса.

Представлена зависимость теплового потока (полезного теплосъема) от температуры отходящих дымовых газов при сжигании 1 нм³/ч природного газа в смеси с 10,5 нм³/ч воздуха (фиг.3). Нижняя часть каждого столбика соответствует полезному теплосъему при соответствующей температуре отходящих дымовых газов, причем максимальный теплосъем условно принят для температуры 50°С. Верхняя часть столбика отражает потери теплоты с отходящими газами из-за недоохлаждения газов до температуры 50°С. На графике также показана доля потерь теплоты в % от общего теплового потока. Глубокая рекуперация теплоты согласно изобретению позволяет получить максимальный теплосъем при сжигании топлива, а соответственно и снизить удельный расход топлива.

Представлена зависимость адиабатической температуры горения от объемного соотношения рециркулирующих дымовых газов и топлива (природного газа), нм³/нм³, при сжигании 1 нм³/ч природного газа в смеси с 10,5 нм³/ч воздуха и принятой температуре охлажденных отходящих дымовых газов 200°С (фиг.4.) Как следует из этой диаграммы, чем больше дымовых газов добавляется в воздух или топливо, поступающих на горелку, тем ниже адиабатическая температура горения. Обеспечивая определенное соотношение дымовых газов и топлива или воздуха, можно поддерживать требуемую адиабатическую температуру горения топлива и температуру продуктов сгорания перед теплоприемником.

Представлена зависимость количества вредных выбросов NO_x и СО, г/нм³, от адиабатической температуры горения при сжигании 1 нм³/ч природного газа в смеси с 10,5 нм³/ч воздуха (фиг.5). Как видно из представленной диаграммы, поддерживая адиабатическую температуру горения топлива не выше 1000 - 1200°С, можно минимизировать количество вредных выбросов в окружающую среду.

ТаблицаКомпоненты, параметрыПриродный газВоздухОхлажденные отходящие дымовые газыТемпература, °С102020050СН₄, % об90,26   С₂Н₆, % об6,49   С₃Н₈, % об2,68   CO₂, % об0,010,0398,26488,9662N₂, % об0,5676,95269,363675,2505O₂, % об 20,6420,552970,5999Ar, % об 0,9230,832850,90353Н₂O, % об, вт.ч.:    - пар 1,4519,41612,5714- конденсат  06,845СО, % об  1,32881,4416NO, % об  0,2410,26145NO₂, % об  0,00004 Расход, нм³/ч110,511,63710,726Масса сконденсированной воды, кг/ч  00,74Низшая теплота сгорания, ккал/нм³9323  Высшая теплота сгорания, ккал/нм³10354  Адиабатическая температура горения, °С2030  Теплосъем, ккал/ч, в т.ч. от конденсации водяных паров  859594560274

Изобретение относится к способам сжигания топлива в различных теплоиспользующих установках и может быть использовано в энергетике, в промышленности, на транспорте и в быту. Способ сжигания топлива со стабилизацией адиабатической температуры горения и передачей теплоты от продуктов сгорания к теплоприемнику заключается в том, что к воздуху, подводимому для сжигания топлива, подмешивают часть отходящих дымовых газов. Образовавшуюся газовоздушную смесь подают вентилятором в одну из полостей теплообменного аппарата радиально-спирального типа, а через вторую полость этого аппарата прокачивают весь поток отходящих дымовых газов, благодаря чему этот поток охлаждается до температуры 0-60°С, на 10-20°С превышающей температуру окружающей среды, а газовоздушная смесь нагревается, после чего ее и топливо подают на горелку, а часть охлажденных отходящих дымовых газов направляют на рециркуляцию для подмешивания к вновь поступающему холодному воздуху. Стабилизацию температуры горения и поддержание требуемой температуры поступающих к теплоприемнику продуктов сгорания осуществляют изменением количества рециркулирующих дымовых газов. Повышается эффективность сжигания топлива за счет глубокой утилизации теплоты отходящих дымовых газов и конденсации содержащегося в них водяного пара, стабилизируется и расширяется диапазон регулирования температуры греющего потока, поступающего в теплоприемник, а также снижается температура горения для уменьшения количества вредных выбросов в окружающую среду с отходящими дымовыми газами. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Способ сжигания топлива со стабилизацией адиабатической температуры горения и передачей теплоты от продуктов сгорания к теплоприемнику, заключающийся в том, что к воздуху, подводимому для сжигания топлива, подмешивают часть отходящих дымовых газов, образовавшуюся газовоздушную смесь подают вентилятором в одну из полостей теплообменного аппарата радиально-спирального типа, а через вторую полость этого аппарата прокачивают весь поток отходящих дымовых газов, благодаря чему этот поток охлаждается до температуры 0-60°С, на 10-20°С превышающей температуру окружающей среды, а газовоздушная смесь нагревается, после чего ее и топливо подают на горелку, а часть охлажденных отходящих дымовых газов направляют на рециркуляцию для подмешивания к вновь поступающему холодному воздуху, причем стабилизацию температуры горения и поддержание требуемой температуры поступающих к теплоприемнику продуктов сгорания осуществляют изменением количества рециркулирующих дымовых газов.2. Способ по п.1, заключающийся в том, что перед подачей на горелку топливо подогревают отходящими дымовыми газами в теплообменном аппарате радиально-спирального типа, установленном параллельно или последовательно с теплообменным аппаратом, в котором нагревается газовоздушная смесь.3. Способ по п.1, заключающийся в том, что применяют беспламенные или каталитические горелки для сжигания топлива в смеси с воздухом и добавленными в него рециркулирующими дымовыми газами.4. Способ по п.1, заключающийся в том, что при прохождении отходящих дымовых газов через теплообменный аппарат пары воды, содержащиеся в них, конденсируют, выделяют из газового потока и направляют для полезного использования.