Способ для снижения выбросов оксидов азота и горелка для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК F23C9/06 F23D17/00 

Изобретение относится к топливосжигающим установкам и может быть использовано для снижения выбросов оксидов азота (NOx) при сжигании газообразного топлива.

Известны горелочные устройства с пилотной горелкой (RU 2 485 398 C1, МПК F23D 17/00, МПК F23С 1/08, МПК F23Q 9/02, опубликован 20.06.2013, RU 2 518 759 C, МПК F23D 17/00, МПК F23С 1/08, МПК F23Q 9/00, опубликован 10.06.2014), которые, при обеспечении качество сжигания топлива и надежности контроля горения, не обеспечивают низкие выбросы NOx. Горелка содержит корпус основной горелки, в котором установлены устройство для подачи газообразного топлива и/или устройство для подачи жидкого топлива, пилотная горелка, корпус основной горелки имеет центральный и периферийный каналы, и в каналах расположены лопатки для завихрения воздуха, устройство для подачи газообразного топлива выполнено в виде газораздающих трубок, расположенных в воздушном канале параллельно оси корпуса основной горелки.

Недостатком рассматриваемой горелки является низкая экологическая эффективность сжигания топлива, из-за конструктивных недостатков горелки в способе организации процесса сжигания, при котором весь топливный газ подается в воздушную среду.

Одним из эффективных способов снижения выбросов NOx являются использование принудительной рециркуляции дымовых газов, что обеспечивает снижение температуры факела и снижение концентрации реагирующих веществ, определяющих образование NOx. При этом наиболее эффективным является способ подачи дымовых газов в каналы горелки (SU 1 101 622 A1, МПК F23D 17/00, опубликовано 07.07.1984). Этот способ реализован в горелке котла ТГМП-204, состоящей из двух каналов подачи воздуха (центрального и периферийного), снабжённых тангенциальными регистрам, по периферии расположен канал ввода дымовых газов рециркуляции, в центре грелки установлена мазутная форсунка. Газовая часть горелки состоит из кольцевого газового коллектора, газораздающей насадки в виде конуса с отверстиями и газоподводящей трубы. Внутренняя труба газового коллектора является направляющей трубой паромеханической форсунки (Сторожук Я.П. Испытания котла ТГМП-204 блока 800 МВТ после реконструкции ввода дымовых газов рециркуляции в топку / Я.П. Сторожук, Д.Р. Носулько // Теплоэнергетика. – 1984. – № .5 – С. 13-15.). Эта горелка не смогла достичь хорошего результата по снижению выбросов NOx из-за конструктивных недостатков в способе организации процесса сжигания.

Для успешного подавления NOx необходимо чтоб дымовые газы рециркуляции не балластировали в прикорневой области горелки, а достигали активной зоны горения, в которой происходит основное образование NOx. Основным недостатком такого способа организации горения остается необходимость наличия системы принудительной подачи дымовых газов рециркуляции с дымососом рециркуляции.

Близким к изобретению является способ снижения выбросов NOx, описанный в изобретениях: RU 2689654C2 опубликовано 2019-05-28, SU 1588987A1 опубликовано 1990-08-03, SU 1695040A1 опубликовано 1991-11-30 , KR 101254928B1 опубликовано 2013-04-19, EP 0893651A1 опубликовано 1999-01-27, US 2012/0186265A1 опубликовано 2012-07-26, WO 01|07833A1 опубликовано 2001-02-01, US 2005/0239005A1 опубликовано 2005-10-27, US 4380429 опубликовано 1998-12-07, EP 2479491A1 опубликовано 2012-07-25, KR 20120070201A опубликовано 2012-06-29, KR 20120074868A опубликовано 2012-07-06, KR 20120082647A опубликовано 2012-07-24, KR 20130061167A опубликовано 2013-06-10, US 5350293 опубликовано 1994-09-27. В некоторых случаях эти изобретения разрабатывались с целью стабилизации режима горения за счет подсоса раскаленных продуктов горения из топки. В этих изобретениях рециркуляция дымовых газов организовывается самими горелками без дополнительных систем подачи дымовых газов, включающих систему дымоходов и дымосос рециркуляции. Дымовые газы эжектируются в зону горения, что обеспечивает сжигание разбавленного топлива и снижение образование NOx. Недостатком способа, используемого в этих изобретениях, является: сложность и дороговизна конструкции горелок, незначительное количество подсасываемых дымовых газов из топки. Дымовые газы эжектируются топливом или воздушным потоком в устье горелки внутри основного воздушного потока, горение происходит в среде воздуха, что в общей сложности снижает эффективность подавления NOx. Рассмотренные изобретения невозможно применить для действующих, установленных в топлвиосжигающей установке горелок.

Более близким к изобретению является группа изобретений в которых используют принцип внутритопочной рециркуляции за счет впрыска газообразного топлива не в воздушный поток, а снаружи устья горелки: US 5542840A опубликовано 1996-08-06, US 6773256B2 опубликовано 2004-08-10, RU 2426030C2 опубликовано 2011-08-10, US 5275552A опубликовано 1994-01-04, US 20080096146A1 опубликовано 2008-04-24, US 6007325A опубликовано 1999-12-28, US 7670135В1 опубликовано 2010-03-02, US 9593847В1 опубликовано 2017-03-14, US 9593848А1 опубликовано 2015-12-10, US 20150285491A1 опубликовано 2015-10-08, US 6875008 В1 опубликовано 2005-04-05, KR 101213883B1 опубликовано 2012-12-18, WO2014162074A1 опубликовано 2014-10-09, US6773256 опубликовано 2004-08-10, WO2008104158A3 2008-09-04. В этих изобретениях запатентованы технические решения, при которых топливный газ и/или воздух разбавляются дымовыми газами перед тем, как они смешиваются и вступают в реакцию. Основным условием надежного сжигания газообразного топлива, при применении этой технологии, является поддержание температуры в топке топливосжигающей установки выше температуры воспламенения топлива и использование устойчивого стабилизатора пламени, при этом воспламенение и стабилизация горения обеспечивается специальными амбразурами или общей температурой в топке. Недостатками этих изобретений является сложность конструкции, необходимость применения специальной амбразуры из жаропрочного бетона и невозможность их применения для действующих, установленных в топлвиосжигающей установке горелок.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является группа изобретений, в которых вся головка горелки (газораздающее устройство с воздушным каналом) выступает в топку: KR 101569455B1 опубликовано 2015-11-16, EP 1980788A1 опубликовано 2008-10-15, US 6071115А опубликовано 2000-06-06, KR 1020170138042 опубликовано 2017-12-14, KR 101822997B1 опубликовано 2018-02-01, JP 6595089B2 опубликовано 2019-10-23, KR 102115576B1 опубликовано 2020-05-27, KR 102143032B1 опубликовано 2020-08-11. В этой группе изобретений эжекция дымовых газов организована газовыми соплами с цилиндрическими насадками, расположенными в топке по наружному периметру воздушного канала горелки. Недостатками этих изобретений является сложность конструкции, необходимость применения специальных жаропрочных сплавов части горелки, выступающей в топку и невозможность их применения для снижения выбросов NOx на действующих, установленных в топлвиосжигающей установке горелок.

Прототипом для изобретения является горелочное устройство с пилотной горелкой (RU 2 518 759 C, МПК F23D 17/00, МПК F23С 1/08, МПК F23Q 9/00, опубликован 10.06.2014), которое, при обеспечении качество сжигания топлива и надежности контроля горения, не обеспечивает низкие выбросы NOx

Основной целью патентуемого изобретения является снижение выбросов NOx при сжигании газообразного топлива за счет малозатратной модернизации горелок без изменения элементов топки топливосжигающей установки. Изобретение можно применить для модернизации установленных, действующих горелок на топлвиосжигающей установке, так и новых горелок. Решение задачи достигается тем, что, газораздающие трубки горелки удлиняют и выводят сопла на край амбразуры в топку в зону между воздушным потоком горелки и дымовыми газами, таким образом что часть струи газообразного топлива находится в воздухе, часть струи находится в дымовых газах. Возможен вариант модернизации, при котором газовые трубки выводят сопла в топку за пределы воздушного потока и располагают по периметру амбразуры в топке, таким образом, что струи газообразного топлива полностью находятся в дымовых газах. На газовых соплах могут быть установлены смесители для организации контролируемого качества эжекции. Струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляется дымовыми газами перед воспламенением. В результате организации внутритопочной рециркуляции дымовых газов, путём эжекции дымовых газов непосредственно из топки струями газообразного топлива, происходит эффективное подавление NOx за счет снижения температуры факела и концентрации реагирующих веществ.

На фиг. 1 изображен продольный разрез горелки с удлинёнными газовыми трубками (показаны только две удлинённые трубки), которые выводят сопла в топку за пределы воздушного потока и располагают по периметру амбразуры в топке. На фиг.2 изображен продольный разрез горелки с удлинёнными газовыми трубками, которые выводят сопла на край амбразуры в топку. На фиг.3 изображен вид из топки на горелку с удлинёнными газовыми трубками для уменьшения выбросов NOx за счет организации внутритопочной рециркуляции дымовых газов.

Горелка содержит корпус основной горелки, состоящий из внешней воздушной обечайки 1 и внутренней воздушной обечайки 2, которые образуют центральный 3 и периферийный 4 каналы, присоединенные к общему воздушному коробу 5, в каналах расположены лопатки 6 и 7 для завихрения воздуха, устройство для подачи газообразного топлива, выполненное в виде газораздающих трубок 8, расположенных в воздушном канале параллельно оси корпуса основной горелки, газораздающие трубки выходят из газового коллектора 9, центральную трубу 10 для установки форсунки для подачи жидкого топлива, пилотную горелку 11.

На фиг. 1 к газораздающим трубкам 8 горелки, присоединены удлиняющие газовые трубки 12, которые выводят сопла 13 в топку за пределы воздушного потока 14 и располагают по периметру амбразуры в топке, таким образом что струи газообразного топлива 15 полностью находится в дымовых газах 16, на сопло13, может быть установлен смеситель 19.

На фиг. 2 к газораздающим трубкам 8 горелки, присоединены удлиняющие газовые трубки 17, которые выводят сопла 13 на край амбразуры в топку в зону между воздушным потоком горелки 14 и дымовыми газами 16, таким образом что часть струи газообразного топлива 15 находится в воздухе, часть струи находится в дымовых газах.

На фиг. 3 изображена горелка, у которой удлиняющие газовые трубки 12 выводят сопла 13 в топку за пределы воздушного потока. Диаметр 18, на котором устанавливаются сопла, определяется аэродинамическими характеристиками воздушного потока, давлением газообразного топлива и размером амбразуры.

В результате внедрения патентуемой горелки удлиняющие газовые трубки выводят сопла в топку, вытекающие из сопел струи газообразного топлива эжектирует дымовые газы, разбавляются ими, новое подготовленное топливо 20 достигает воздушный поток и процесс горения происходит с меньшими температурами и концентрациями реагирующих веществ, что обеспечивает снижение образования NOx. На сопло газообразного топлива, может быть установлен смеситель 19, который обеспечивает смешение эжектируемых дымовых газов и газообразного топлива и формирование струи разбавленного топлива.

Розжиг горелки происходит на пилотной горелке, в основной канал газообразное топливо подается после набора мощности топливосжигающей установки и разогрева топки до достаточных температур для стабильного воспламенения.

Использование предлагаемого способа снижения выбросов NOx обеспечивает, снижение содержания NOx в дымовых газах на 40-70% без снижения технико-экономических характеристик работы топливосжигающей установки и строительства внешней системы подачи дымовых газов рециркуляции.

Изобретение относится к области энергетики. Способ снижения выбросов оксидов азота заключается в том, что в горелке, содержащей корпус, в котором установлены устройство для подачи газообразного топлива и/или устройство для подачи жидкого топлива, пилотная горелка, центральный и периферийный воздушные каналы, в каналах расположены лопатки для завихрения воздуха. Устройство для подачи газообразного топлива выполнено в виде газораздающих трубок, расположенных в воздушном канале параллельно оси корпуса основной горелки, газораздающие трубки на выходе снабжают удлиняющими газовыми трубками с выпускными соплами, которые или размещают в топке на краю амбразуры в зоне между воздушным потоком, поступающим из горелки, и дымовыми газами, таким образом, что часть струи газообразного топлива находится в воздушном потоке, а часть струи газообразного топлива находится в дымовых газах. Струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляют дымовыми газами перед воспламенением, или сопла удлиняющих газовых трубок, расположенных по периметру амбразуры, размещают в топке за пределами воздушного потока таким образом, что струи газообразного топлива полностью находятся в дымовых газах, струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляют дымовыми газами перед смешиванием его с воздушным потоком, поступающим из горелки, и воспламенением. Изобретение позволяет снизить количество выбросов оксидов азота (NOx). 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ снижения выбросов оксидов азота заключается в том, что в горелке, содержащей корпус, в котором установлены устройство для подачи газообразного топлива и/или устройство для подачи жидкого топлива, пилотная горелка, центральный и периферийный воздушные каналы, в каналах расположены лопатки для завихрения воздуха, устройство для подачи газообразного топлива выполнено в виде газораздающих трубок, расположенных в воздушном канале параллельно оси корпуса основной горелки, газораздающие трубки на выходе снабжают удлиняющими газовыми трубками с выпускными соплами, которые или размещают в топке на краю амбразуры в зоне между воздушным потоком, поступающим из горелки, и дымовыми газами, таким образом, что часть струи газообразного топлива находится в воздушном потоке, а часть струи газообразного топлива находится в дымовых газах, струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляют дымовыми газами перед воспламенением, или сопла удлиняющих газовых трубок, расположенных по периметру амбразуры, размещают в топке за пределами воздушного потока, таким образом, что струи газообразного топлива полностью находятся в дымовых газах, струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляют дымовыми газами перед смешиванием его с воздушным потоком, поступающим из горелки, и воспламенением.

2. Горелка, содержащая корпус, в котором установлены устройство для подачи газообразного топлива и/или устройство для подачи жидкого топлива, пилотная горелка, центральный и периферийный воздушные каналы, в каналах расположены лопатки для завихрения воздуха, устройство для подачи газообразного топлива выполнено в виде газораздаюших трубок, расположенных в воздушном канале параллельно оси корпуса основной горелки, газораздающие трубки на выходе снабжены удлиняющими газовыми трубками с выпускными соплами, которые или размещены в топке на краю амбразуры в зоне между воздушным потоком, поступающим из горелки, и дымовыми газами или выпускные сопла удлиняющих газовых трубок, расположенных по периметру амбразуры, размещены в топке за пределами воздушного потока. 3. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что сопла снабжены смесителями.