ЧЕТЫРЕХГРАННАЯ ПРИЗМАТИЧЕСКАЯ ТОПКА С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ СТЕНАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК F23C1/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в топочной технике на котлах тепловых электростанций, сжигающих природный газ.

Известен способ сжигания природного газа в четырехгранной призматической топке с вертикальными стенами путем организации зажигания и горения газа в смеси с воздухом, подаваемой потоками через подовые горелки (В.А. Спейшер, А.Д. Горбаненко. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. М.: Энергоиздат, 1982, с.151-158, рис.6.2, рис.6,8). Недостатком способа является высокий уровень выхода с продуктами сгорания оксидов азота, короткий срок службы и значительные затраты на ремонт горелок.

Известен способ ступенчатого сжигания природного газа в четырехгранной призматической топке с вертикальными стенами путем организации последовательно подачи через горелки газа и первичного воздуха, зажигания и горения газа при недостатке кислорода и последующего дожигания вторичным воздухом, вводимым через щелевые сопла (патент RU № 2026512, МПК F23C 11/02 от 10.01.1995 г., БИ № 1 от 1996 г.). Недостатком способа является короткий срок службы газовых горелок и воздушных сопл, значительные затраты на их ремонт.

Наиболее близким техническим решением является способ ступенчатого сжигания природного газа в четырехгранной призматической топке с вертикальными стенами путем организации последовательно совместной подачи в топку потоков газа и первичного воздуха через подовые щелевые прямоточные горелки с вытянутыми вдоль, по крайней мере, одной стены горизонтальными щелевыми амбразурами, зажигания и горения газа при недостатке кислорода над амбразурами с последующим дожиганием вторичным воздухом, подаваемым через горизонтальные щелевые сопла вытянутые вдоль, по крайней мере, также одной и той же стены (В.И.Панин. Котельные установки малой мощности. М.: Издательство литературы по строительству, 1968, с.151, рис.36). Недостаток способа - короткий срок службы и значительные затраты на ремонт газовых горелок и воздушных сопл.

Задачей изобретения является снижение ремонтных затрат при увеличении срока службы газовых горелок и воздушных сопл и минимальных концентрациях оксидов азота в продуктах сгорания.

Для решения поставленной задачи при реализации способа ступенчатого сжигания природного газа в четырехгранной призматической топке с вертикальными стенами путем организации последовательно совместной подачи в топку потоков газа и первичного воздуха через подовые щелевые прямоточные горелки с вытянутыми вдоль, по крайней мере, одной стены горизонтальными щелевыми амбразурами, зажигания и горения газа при недостатке кислорода над амбразурами с последующим дожиганием вторичным воздухом, подаваемым через горизонтальные щелевые сопла вытянутые вдоль, по крайней мере, также одной и той же стены, согласно изобретению потоки вторичного воздуха направляют вдоль стен со стороны пода, а потоки газа и первичного воздуха вводят из приосевой зоны топочного пода с наклоном к потокам вторичного воздуха под углом 5-40 град, и выдержкой периода между зажиганием и началом дожигания 0,1-1,5 сек.

Подачей потоков вторичного воздуха вдоль стен со стороны пода, а потоков газа и первичного воздуха из приосевой зоны топочного пода с углом наклона к потокам вторичного воздуха α=5-40 град, и выдержкой периода между зажиганием и началом дожигания τ=0,1-1,5 сек достигается смещение фронта пламени с максимальной температурой факела от пода с амбразурами горелок и соплами, снижение падающих потоков на под q_ф и температуры облучаемых факелом узлов ввода реагентов Т_под. При этом в диапазонах угла наклона α=5-40 град, и времени выдержки τ=0,1-1,5 сек минимизированы уровни падающих тепловых потоков на под q_ф ^min, температуры амбразур и сопл Т_под ^min, выход оксидов азота NO_x ^min, ремонтные затраты при увеличенном сроке службы горелок и сопл τ_сл ^max. Как только угол наклона становится меньше 5 град, например α=4,9 град, а временная выдержка меньше 0,1 сек., например, τ=0,09 сек, резко скачкообразно пропадает эффект минимизации отмеченных параметров и резко сокращается срок службы горелок. Как только угол наклона становится больше 40 град, например, α=40,5 град, а временная выдержка больше 1,5 сек, например, τ=1,55 сек, в продуктах сгорания появляются следы химнедожога топлива, (СО), что недопустимо при организации топочного режима. Исходя из чего диапазоны α=5-40 град, и τ=0,1-1,5 сек являются оптимальными, а совокупность предлагаемых признаков подачи реагентов и заявляемых диапазонов параметров является существенной, обеспечивая достижение поставленной задачи.

Предлагаемый способ реализуется в топочных устройствах, представленных схематически на чертежах.

На фиг.1 представлена схема четырехгранной призматической топки с вертикальными стенами, щелевыми подовыми горелками и воздушными соплами, вытянутыми вдоль фронтовой стены; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 представлена схема четырехгранной призматической топки с вертикальными стенами, щелевыми подовыми горелками и воздушными соплами, вытянутыми вдоль фронтовой и задней стен; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 представлена схема четырехгранной призматической топки с вертикальными стенами, щелевыми подовыми горелками и воздушными соплами, вытянутыми вдоль всех четырех стен, на фиг.6 - разрез В-В на фиг.5.

Предлагаемый способ ступенчатого сжигания природного газа реализуется в четырехгранной призматической топке с вертикальными стенами, схематично представленной на фиг.1, 2. Топка содержит камеру сгорания 1, имеющую четыре вертикальных стены 2, 3, 4, 5, под 6 с горизонтальной щелевой амбразурой 7, вытянутой вдоль вертикальной стены 2, и горизонтальным воздушным щелевым соплом 8, вытянутым вдоль той же вертикальной стены 2; к горизонтальной щелевой амбразуре 7 примыкает подовая щелевая прямоточная горелка 9 с воздушным коробом 10 и встроенным в него коллектором газа 11, имеющим сопла 12; к горизонтальному воздушному щелевому соплу 8 примыкает воздушный короб 13; верхняя часть камеры сгорания 1 перекрыта потолком 14, а в вертикальной стене 3, противоположной вертикальной стене 2, под потолком 14 выполнено окно 15; вертикальные стены 2, 3, 4, 5 и потолок 14 экранированы трубами 16 с нагреваемой водой. Продольная осевая плоскость 17 горизонтальной щелевой амбразуры 7 и сама горизонтальная щелевая амбразура 7 выполнены с наклоном к продольной осевой плоскости 18 горизонтального воздушного щелевого сопла 8 на угол α=5-40 град.

При реализации предлагаемого способа ступенчатого сжигания природного газа в камере сгорания 1 четырехгранной призматической топки с вертикальными стенами 2, 3, 4, 5 на фиг.1, 2 первичный воздух и природный газ подают через горизонтальную щелевую амбразуру 7, а вторичный воздух через горизонтальное воздушное щелевое сопло 8. Этим обеспечивается первоначальное зажигание, горение газа над амбразурами при недостатке кислорода и последующее дожигание вторичными порциями воздуха, истекающего из горизонтального воздушного щелевого сопла 8. Суммарный расход воздуха (V_перв+V_втор), поступающий в горизонтальную щелевую амбразуру 7 и горизонтальное воздушное щелевое сопло 8 через короба 10 и 13, обеспечивает полное сгорание газа с расходом V_газ, поступающего через коллектор 11 и сопла 12. Расходы реагентов V_перв, V_втор, V_газ поддерживаются регуляторами расхода с автоматическими или ручными приводами (на фиг.1, 2 не показаны). Осевая плоскость 17 горизонтальной щелевой амбразуры 7 и сама горизонтальная щелевая амбразура 7, выполненные с наклоном к осевой плоскости 18 горизонтального воздушного щелевого сопла 8 под углом α=5-40 град, формируют выход потоков газа и первичного воздуха под тем же углом α к потоку вторичного воздуха, истекающего вертикально из горизонтального воздушного щелевого сопла 8. Ступенчатое перераспределение воздуха по коробам 10 и 13, подключенных к горизонтальной щелевой амбразуре 7 и горизонтальному воздушному щелевому соплу 8, так же как скоростной режим потоков газа, первичного и вторичного воздуха, определяющих активность протекания процессов воспламенения (зажигания) и горения, создают определенные тепловые условия для окисления не только топливных компонент (углерода и водорода), но и воздушного, и топливного балластов азота. Подбором скоростного режима реагентов добиваются и выдержки периода между зажиганием и началом дожигания вторичным воздухом τ=0,1-1,5 сек.

Подачей потоков вторичного воздуха вдоль стен со стороны пода, а потоков газа и первичного воздуха из приосевой зоны топочного пода с углом наклона к потокам вторичного воздуха α=5-40 град и выдержкой периода между зажиганием и началом дожигания τ=0,1-1,5 сек достигается смещение фронта пламени с максимальной температурой факела от пода с амбразурами горелок и соплами, снижение падающих потоков на под q_ф и температуры облучаемых факелом узлов ввода реагентов Т_под. При этом в диапазонах угла наклона α=5-40 град и времени выдержки τ=0,1-1,5 сек минимизированы уровни падающих тепловых потоков на под q_ф ^min, температуры амбразур и сопл Т_под ^min, выход оксидов азота NO_x ^min, ремонтные затраты при увеличенном сроке службы горелок и сопл τ_сл ^mах. Как только угол наклона становится меньше 5 град, например α=4,9 град, а временная выдержка меньше 0,1 сек, например, τ=0,09 сек, резко скачкообразно пропадает эффект минимизации отмеченных параметров и резко сокращается срок службы горелок. Как только наклон становится больше 40 град, например, α=40,5 град, а временная выдержка больше 1,5 сек, например, τ=1,55 сек, в продуктах сгорания появляются следы химнедожога топлива, (СО), что недопустимо при организации топочного режима. Исходя из чего диапазоны α=5-40 град и τ=0,1-1,5 сек являются оптимальными, а совокупность предлагаемых признаков подачи реагентов и заявляемых диапазонов параметров является существенной, обеспечивая достижение поставленной задачи. Образующиеся в факеле продукты сгорания отводятся из камеры сгорания 1 через окно 15 в вертикальной стене 3 в дымовую трубу и атмосферу через конвективные нагреватели (на фиг.1, 2 не показаны).

Предлагаемый способ ступенчатого сжигания природного газа может быть реализован также в четырехгранной призматической топке с вертикальными стенами, изображенной на фиг.3, 4, где введены те же обозначения, что и на фиг.1, 2.

Особенностью устройства, реализующего способ, на фиг.3, 4 является прямоточный вертикальный вывод продуктов сгорания из камеры сгорания 1 при отсутствии потолка 14 при симметричном развитии факела вдоль двух противоположных вертикальных стен 2 и 3 и выводом реагентов из симметрично размещенных горизонтальных щелевых амбразур 7 и горизонтальных воздушных щелевых сопл 8.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве на фиг.3, 4 так же, как и в устройстве на фиг.1, 2.

Предлагаемый способ может быть реализован также в устройстве на фиг.5, 6, где введены те же обозначения, что и на фиг.1, 2 и фиг 3, 4. Особенностью устройства, реализующего способ ступенчатого сжигания на фиг.5, 6, является развитие факела вдоль всех четырех вертикальных стен 2, 3, 4, 5 и соответствующее размещение вдоль этих стен горизонтальных щелевых амбразур 7 и горизонтальных воздушных щелевых сопл 8.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве на фиг.5, 6 так же, как в устройстве на фиг.1, 2.

Практическое применение способа ступенчатого сжигания природного газа в четырехгранной топке с вертикальными стенами связано с котлами ТЭС, паровыми и водогрейными котлами районных котельных, оснащаемыми подовыми горелками. Применение способа на котлах паропроизводительностью 50 т/ч на Челябинской ГРЭС позволяет увеличить межремонтный срок горелок с 1,0-2,0 лет до 16-20 лет, снизить выход оксидов азота на 40-50%.

Изобретение относится к энергетике, может быть использовано в топочной технике на котлах тепловых электростанций, сжигающих природный газ, и позволяет снизить ремонтные затраты при увеличении срока службы газовых горелок и воздушных сопл с обеспечением минимальных концентраций оксидов азота в продуктах сгорания. Указанный технический результат достигается в призматической топке с вертикальными стенами, потолком, подом с щелевым соплом вторичного воздуха и подовой щелевой горелкой, примыкающей к горизонтальной щелевой амбразуре, вытянутыми вдоль фронтальной стены, и окном для вывода продуктов сгорания, выполненным под потолком на задней стене, причем продольная осевая плоскость амбразуры и сама амбразура выполнены с наклоном к продольной осевой плоскости щелевого сопла на угол α=5-40°, обеспечивающий подачу вторичного воздуха вдоль стен и смеси природного газа и первичного воздуха с выдержкой между зажиганием и началом дожигания в диапазоне τ=0,1-1,5 сек. В варианте исполнения с двумя щелевыми соплами вторичного воздуха и двумя подовыми щелевыми горелками выполнено окно прямоточного вертикального вывода продуктов сгорания. В варианте исполнения щелевые сопла вторичного воздуха и подовые щелевые горелки выполнены примыкающими к горизонтальным щелевым амбразурам и вытянутыми вдоль каждой вертикальной стены камеры сгорания, с окном прямоточного вертикального вывода продуктов сгорания. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Призматическая топка с вертикальными стенами, потолком, подом с щелевым соплом вторичного воздуха и подовой щелевой горелкой, примыкающей к горизонтальной щелевой амбразуре, вытянутыми вдоль фронтальной стены, и окном для вывода продуктов сгорания, выполненным под потолком на задней стене, причем продольная осевая плоскость амбразуры и сама амбразура выполнены с наклоном к продольной осевой плоскости щелевого сопла на угол α=5°-40°, обеспечивающим подачу вторичного воздуха вдоль стен и смеси природного газа и первичного воздуха с выдержкой между зажиганием и началом дожигания в диапазоне τ=0,1-1,5 с.

2. Призматическая топка с вертикальными стенами и подом с щелевыми соплами вторичного воздуха и подовыми щелевыми горелками, примыкающими к горизонтальным щелевым амбразурам, вытянутыми вдоль фронтальной и задней стен, и окном прямоточного вертикального вывода продуктов сгорания, причем продольная осевая плоскость амбразуры и сама амбразура выполнены с наклоном к продольной осевой плоскости щелевого сопла на угол α=5°-40°, обеспечивающим подачу вторичного воздуха вдоль стен и смеси природного газа и первичного воздуха с выдержкой между зажиганием и началом дожигания в диапазоне τ=0,1-1,5 с.

3. Призматическая топка с вертикальными стенами и подом с щелевыми соплами вторичного воздуха и подовыми щелевыми горелками, примыкающими к горизонтальным щелевым амбразурам, вытянутыми вдоль каждой вертикальной стены камеры сгорания, и окном прямоточного вывода продуктов сгорания, причем продольная осевая плоскость амбразуры и сама амбразура выполнены с наклоном к продольной осевой плоскости щелевого сопла на угол α=5°-40°, обеспечивающим подачу вторичного воздуха вдоль стен и смеси природного газа и первичного воздуха с выдержкой между зажиганием и началом дожигания в диапазоне τ=0,1-1,5 с.