Способ снижения выбросов оксидов азота и двухпоточная горелка для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК F23D14/24 

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

Известны устройство для сжигания газообразного топлива (RU 2076271 C1, МПК F23D 14/24, опубликован 27.03.1997) горелка описанная в статье «Результаты комплексных испытаний котла Е-160-3,9-440ГМ ГЭС-1 АО «Мосэнерго» с горизонтальной компоновкой газоходов», Галецкий Н.С., канд. техн. наук, Енякин Ю.П., Шварц А.Л., доктора техн. наук, Штальман С.Г., Гомболевский В.И., Теплоэнергетика № 9 2004, 8-13 стр., включающая расположенные в цилиндрическом корпусе центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, основной и дополнительный коллекторы газообразного топлива, установленные на окружности между воздушными каналами газораздающие трубки, подключенные к разным коллекторам.

Известны устройство для сжигания топлива (RU 2480673 C1, МПК F23D 14/24, опубликован 27.04.2013, RU 61010 U1, МПК F23С 1/08, F23D 17/00, опубликован 10.02.2007), горелка описанная в статье «Модернизация котлов ТГМП-314Ц, оборудованных циклонными предтопками для снижения вредных выбросов и повышения надежности работы горелочных устройств и поверхностей нагрева» Зройчиков Н.А., Енякин Ю.П., , Глускер Б.Н., Галас И.В., , Цыпкин Ю.М., Чупров В.В., Верещетин В.А., Теплоэнергетика № 12 2002, 17-21 стр., включающая расположенные в цилиндрическом корпусе центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, основной и дополнительный коллекторы газообразного топлива, по оси горелки установлен центральный канал подачи газообразного топлива, на окружности между воздушными каналами расположены газораздающие трубки периферийного канала газообразного топлива.

Недостатком рассматриваемых горелок является низкая экологическая эффективность сжигания топлива, из-за конструктивных недостатков горелки в способе организации процесса сжигания, при котором всё газообразное топливо 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 газообразного 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 газообразное топливо 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 устройство для сжигания газообразного топлива (RU 2 076 271 C1, МПК F23D 14/24, опубликован 27.03.1997)

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 одного из коллекторов газообразного топлива 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 двухпоточной горелки с удлинёнными газовыми трубками (показаны только две удлинённые трубки), которые выводят сопла, по поверхности амбразуры в топку за пределы воздушного потока и располагают по периметру амбразуры в топке. На фиг.2 изображен продольный разрез двухпоточной горелки с удлинёнными газовыми трубками, которые выводят сопла на край амбразуры в топку. На фиг.3 изображен вид из топки на двухпоточную горелку (модернизируемая горелка показана условно).

Двухпоточная горелка состоит из воздушного короба 1, цилиндрического корпуса состоящего из внешней воздушной обечайки 2 и внутренней воздушной обечайки 3, которые формируют центральный 4 и периферийный 5 воздушные каналы с завихрителями 6 и 7, центральной трубы 8 для установки форсунки 9, основного 10 и дополнительного 11 коллектора газообразного топлива, по окружности между воздушными каналами установлены газораздающие трубки 12, подключенные к разным коллекторам. На фигуре 1 к газораздающим трубкам 12 одного из коллекторов, присоединены удлиняющие газовые трубки 13, которые выводят сопла 14 в топку за пределы воздушного потока 15 и располагают по периметру амбразуры в топке, таким образом что струи газообразного топлива 16 полностью находится в дымовых газах 17. На фигуре 2 к газораздающим трубкам 12, присоединены удлиняющие газовые трубки 18, которые выводят сопла 14 на край амбразуры в топку в зону между воздушным потоком горелки 15 и дымовыми газами 17, таким образом что часть струи газообразного топлива находится в воздухе часть струи находится в дымовых газах.

На фиг. 3 изображен вид из топки на двухпоточную горелку (модернизируемая горелка показана условно), у которой удлиняющие газовые трубки 13 выводят сопла 14 в топку за пределы воздушного потока. Диаметр 20, на котором устанавливаются сопла, определяется аэродинамическими характеристиками воздушного потока, давлением газообразного топлива и размером амбразуры.

В результате внедрения такого устройства, при варианте, когда удлиняющие газовые трубки 13 выводят сопла 14 в топку за пределы воздушного потока 15, таким образом, что сопла 14 полностью находятся в дымовых газах, вытекающие из сопел 14 струи газообразного топлива 16 эжектирует дымовые газы 17, разбавляются ими, новое подготовленное топливо 18 достигает воздушный поток 15 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. При варианте, когда удлиняющие газовые трубки 18 выводят сопла 14 на край амбразуры в топку, газовые сопла 14 располагаются таким образом, что часть струи газообразного топлива 16 находится в воздухе, часть струи газообразного топлива находится в дымовых газах. Вытекающие из сопел 14 струи газообразного топлива 16 эжектирует дымовые газы 17, частично разбавляются дымовыми газами, и процесс горения происходит с меньшими температурами и концентрациями реагирующих веществ, что обеспечивает снижение образования NOx.

Розжиг горелки происходит на канале газообразного топлива, к которому не присоединены удлиняющие газовые трубки (центральный), в канал к которому присоединены удлиняющие газовые трубки (периферийный) газообразное топливо подается после набора 20% мощности топливосжигающей установки и разогрева топки до достаточных температур достаточных 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 цилиндрический корпус, в котором расположены центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, основной и дополнительный коллекторы газообразного топлива, газораздающие трубки, установленные на окружности между воздушными каналами и подключенные к разным коллекторам, газораздающие трубки одного из коллекторов газообразного топлива на выходе снабжают удлиняющими газовыми трубками, которые размещают по поверхности амбразуры, выпускные сопла удлиняющих газовых трубок выводят в топку за пределы воздушного потока, выходящего из горелки, и размещают по периметру амбразуры, струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляют дымовыми газами перед воспламенением. Изобретение позволяет снизить выбросы NO_x. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ снижения выбросов оксидов азота, заключающийся в том, что в горелке, содержащей цилиндрический корпус, в котором расположены центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, основной и дополнительный коллекторы газообразного топлива, газораздающие трубки, установленные на окружности между воздушными каналами и подключенные к разным коллекторам, газораздающие трубки одного из коллекторов газообразного топлива на выходе снабжают удлиняющими газовыми трубками, которые размещают по поверхности амбразуры, выпускные сопла удлиняющих газовых трубок выводят в топку за пределы воздушного потока, выходящего из горелки, и размещают по периметру амбразуры, струями газообразного топлива, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, газообразное топливо разбавляют дымовыми газами перед воспламенением.

2. Двухпоточная горелка, содержащая цилиндрический корпус, центральный и периферийный воздушные каналы с завихрителями, основной и дополнительный коллекторы газообразного топлива, газораздающие трубки, установленные на окружности между воздушными каналами и подключенные к разным коллекторам, газораздающие трубки одного из коллекторов газообразного топлива на выходе снабжены удлиняющими газовыми трубками, которые размещены по поверхности амбразуры, выпускные сопла удлиняющих газовых трубок выведены в топку за пределы воздушного потока, выходящего из горелки, и размещены по периметру амбразуры.

3. Двухпоточная горелка по п. 2, отличающаяся тем, что на газовые сопла установлены смесители.