Способ регулирования процесса горения Советский патент 1991 года по МПК F23N1/02 

анализом по кислороду и анализаторами химического недожога, Задача экстремального регулирования процесса сжигания топлива здесь решается с помощью стабилизирующего регулятора, воздействующего на соотношение топливо - воздух по импульсу водорода в дымовых газах. Недостатком известного способа является неполное исЬользование возможностей не только экономической, но и экологической оптимизации процесса горения, например, вследствие неучета выброса токсичных оксидов азота.

Известен также способ сжигания топлива для снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания, основанный на снижении концентрации оксидов азота в дымовых газах путем изменения подачи воздуха по сигналам датчика расхода топлива и подачи воды или водяного пара между потоками горючего и окислителя. Здесь вода или водяной пар более равномерно поступает в зону горения с интенсивным образованием оксидов азота, что снижает требуемое количество воды и более радикально подавляет процесс образования оксидов азота.

Недостатком способа является низкая экономичность и недостаточная эффективность подавления оксидов азота, т.е. необеспечение эколого-экономического оптимума при регулировании, процесса горения топлива вследствие того, что здесь улучшение одного показателя достигается за счет ухудшения другого и нет комплексного воздействия различных методов подавления оксидов азота на режим сжигания топлива,

Целью изобретения является повышение экономичности процесса сжигания топлива и экологичности путем снижения оксидов азота в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе регулирования процесса горения жидкого и газообразного топлива, основанном на снижении концентрации оксидов азота в дымовых газах путем изменения подачи воздуха по сигналам датчика расхода топлива и подачи влаги (воды, водяного пара или совместно воды с паром) в зону горения, согласно изобретению перед подачей в зону горения влаги измеряют соотношение воздух - топливо и приращение оксидов азота до получения отношения приращения оксидов азота к приращению водорода в продуктах горения, равным нулю, регистрируют достигаемое при этом значение концентрации водорода и начинают подавать в зону горения влагу, уроличивая ее расход до достижения минимальной концентрации оксидов азота и водорода и в дымовых газах и затем стабилизируют расход влаги.

Кроме того, уменьшают соотношение воздух - топливо до достижения концентраций водорода в дымовых газах значения, зарегистрированного перед началом поД- ачй в зону горения влаги при отношении приращений оксидов азота к приращению водорода, равным нулю.

0 Предлагаемый способ имеет новые по сравнению с известным операции.

На фиг.1 приведена зависимость величины химического недожога топлива от коэффициента избытка воздуха при

5 различных режимах сжигания топлива; на фиг.2 - зависимость концентраций оксидов азота N0% в дымовых газах от концентрации водорода (Н2) в дымовых газах при сжигании мазута и природного газа; на фиг.З 0 схема устройства, реализующая предлагаемый способ регулирования процесса горения топлива; на фиг.4 - зависимость снижения оксидов азота в дымовых газах при регулировании процесса горения топ5 лива по предлагаемому способу.

На фиг. 1 приведены опытные зависимости величины химического недожога от коэффициента избытка воздуха при сжигании мазута в паровом котле ТГМП-314, Здесь

0 кривая 1 соответствует исходному режиму сжигания топлива с паровым распылом мазута в паромеханических форсунках, а кривая 2 - при сжигании топлива с локальным дозированным вводом воды в зону горения. Из

5 фиг.1 видно, что второй режим сжигания топлива имеет меньшую величину коэффициента критического избытка воздуха по сравнению с первым режимом. Но реализовать данное преимущество, т.е. при тех же

0 значениях коэффициента избытка воздуха достигнуть меньшей величины потерь тепла с химической неполнотой сгорания топлива, известными способами регулирования процесса горения невозможно.

5 В результате исследований процессов сжигания жидкого и газообразного топлива установлено, что в зоне микронедожога имеет явно выраженный экстремум зависимости азота от водорода (фиг,2). Область эффектив0 ного снижения оксидов азота в дымовых газах находится в области концентраций водорода от 0,015 до 0,04 об.%, при которых величина химического недожога топлива пренебрежительно мала и практически полно5 стью компенсируется уменьшением потерь тепла с уходящими газами по сравнению с режимом нулевого химического недожога топлива. Таким образом, уменьшая избыток воздуха до значения Д NOX/ A H2 0, существенно уменьшается концентрация оксидов азота в дымовых газах (здесь ANOx и Д На -приращения концентрации). Однако дальнейшее снижение коэффициента избытка воздуха неэффективно, так как происходит возрастание концентрации водорода и, соответственно, недопустимое увеличение химического недожсга топлива, а также сначала возрастание и затем малоэффективное снижение оксидов азотй, Поэтому оптимизация процесса горения топ/иез осуществляется сначала уменьшением коэффициента избытка воздуха путам устзнозг:9- ния его минимального, значения ри возрастании концентрации водорода в дымовых газах до соотношения ANOx/ AN2 0, соответствующего концентрации водорода вплоть до 0,04 об.%, Здесь кончается область эффективного снижения избытков воздуха путем уменьшения расхода дутьевого воздуха, так как резко уменьшается экономичности процесса сгорания топлизг из-за химической неполноты сгорания топлива, а эффект снижения концентраций оксидов азота становится даже меньше по сравнению с предыдущим режимом. Только при более высоком значении водорода в дымовых газах (соответственно и меньших коэффициентах избытков еоздухэ) концентрации оксидов азота становится сноьэ низкими, но снижение их величины неравнозначно ухудшению процесса сжигания топлива и технико-зкономически нецелесообразно. Всплеск концентраций оксидов азота в продуктах сгорания топлива объясняется взаимным влиянием на уро- вень концентраций оксидов азота в зоне активной их генерации, как максимальной температуры смеси, так и концентрации кислорода.

Снижение коэффициента а избытка воздуха, вследствие уменьшения расхода воздуха, подаваемого в горелочные устройства при организации процесса сжигания топлива с предельно низкими избытками воздуха, приводит с одной стороны к умень- шению концентраций кислорода в зонах активной генерации оксидов азота, а с другой - к повышению максимальной температуры в локальных зонах факела при уменьшении а до 0,95. Разнонаправленность воздействия этих двух факторов и приводит к столь необычному на первый взгляд результату повышения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания топлива при монотонном возрастании водорода. Поэтому при до- стижении ANOx/ АN2 0 в диапазоне концентраций водорода в дымовых газах от 0,015 до 0,04 об.% для более глубокого снижения концентрации оксидов азота в зону

горения с интенсивной генерацией оксидов азота осуществляют подачу влаги (воды, водяного пара или совместно)и одновременно контролируют концентрации водорода и ок- еидов азота. Общее количество подаваемой в зону горения влаги находится в диапазоне известного способа, но, в отличие от него, здесь включение подачи влаги и увеличение ее расхода осуществляется ступенчато путем постепенного увеличения ее расхода itpw текущ/4 контроле водооода и оксидов азота з продуктах сгорэмич до достижения минимальной концентрации водорода в дымовых газах и более глубокого подавления оксидов азота (Ф Т.4). Сигналом к тречрзще- нию увеличения подачи влаги в зону горе- ниь является всплеск увеличения .онцентраичй как оксидов азота вследствие ахолаживанмя факела и заморозке оксидов азота, так и водорода вследствие /хуцшения процесса подготовки топлива к сжиганию и собственно процесса сжигания Конкретное количество подаваемой в зону горения влаги зависит от типа топочно-горелочных устройств ограничений по температурному режиму и условий эксплуатации паровых КСТЛОР и в настоящее время осуществляется оперативным персоналом по режимным кар ьм путем управления регулирующим клапаном. Без автоматического регулирования процессом горения топпивз по предлагаемому способу на практике не удается достичь экологических и технико-экономических преимуществ, так как только предлагаемым способом достигается избирательная приостановка подачи влаги в зону горения в соответствии с вышеперечисленными условиями осуществления одновременного контроля водорода и оксидов азота при осуществлении дискретного включения впрыска воды или водяного пара в зону горения. Причем, поскольку разрешающей уровень контроля различных изменений по водороду составляет 0,001 об.%, то для достоверного определения оптимальной точки процесса, т.е. минимума NOX и Н2 при дискретном фиксированном количестве впрыскиваемой влаги, отклонение по водороду от контролируемого допускается 0,002 об.%. Обычно при использовании для этой цели системы Оптима-Хром время выдержки после впрыска воды перед измерением концентрации водорода составляет более двух, гд не менее десяти минут, что соответствует типовому времени стабилизации процесса горения топлива при нанесении возмущения на топочный процесс паровых котлов.

Минимум концентрации водорода в дымовых газах и фиксация этого значения с

прекращением увеличения расхода влаги, как значимого, осуществляется в момент повышения водорода (химического недожога топлива) при текущем значении его концентрации 0,005-0,01 об.% (фиг.4), Здесь, как указано выше, увеличение количества впрыскиваемой влаги приводит уже к нарушению процесса сжигания топлива, вызывая всплеск роста концентраций как водорода, так и оксида углерода, и является недопустимым по услов.иям экономичности сжигания топлива и надежности работы оборудования. На промежуточных режимах впрыска влаги в зону горения от начала его осуществления до установления оптимальной величины наблюдается в продуктах сгорания топлива, как снижение концентраций водорода, так и оксидов азота.

Еще более глубокое подавление процессов образования оксидов азота можно достигнуть далее при постоянном фиксированном впрыске влаги в зону горения путем последующего снижения коэффициента избытка воздуха до достижения концентраций водорода в дымовых газах, имевших место до включения впрысков влаги в зону горения. Здесь достигается реализация дополнительного эффекта от улучшения условий перемешивания горючего с окислителем вследствие ввода влаги в зону горения и дополнительной турбулизации факела, за счет чего снижается критический коэффициент избытка воздуха. Возможность осуществления способа регулирования процесса горения топлива поясняется схемой, представленной на фиг.З. Здесь датчики расхода топлива 1 и воздуха 2 включены в тракт подачи топлива и воздуха. Изменение расходов топлива, воздуха и впрыска воды или водяного пара осуществляется, соответственно, регуляторами 3, 4 и 5 и исполнительными механизмами 6 и 7, воздействующими на регулирующие органы изменения расходов топлива 8, воды 9 и воздуха 10. Измеритель 11 выбросов оксидов азота и концентраций водорода в дымовых газах парового котла 12 задатчиком 13 водорода передают сигналы в вычислитель 14 A IMOx/ А На, выход которого связан с ограничителем 15 по заданию водорода. Схема снабжена измерителем 16 концентрации оксидов азота в атмосфере.

Устройство работает следующим образом.

С помощью измерителя 11 выбросов оксидов азота, водорода в дымовых газах, например, системы Оптима-Хром, на работающем котле 12 устанавливается режим с предельно низкими избытками воздуха по содержанию водорода в дымовых

газах 0,005 об.%. Дальнейшее подавление оксидов азота производят изменением задания по водороду с соответствующим изменением корректирующего воздействия

на подачу воздуха, причем увеличение задания по водороду и уменьшение подачи воздуха производит регулятор 4 воздуха до достижения ANOx/ AH2 0. После этого устройство 14 вычисления ANOX/H2 включает ограничитель 15 и дальнейшее изменение задания по водороду не производится. При необходимости более глубокого подавления оксидов азота в выбросах схема И в регуляторе 5 впрыска разрешает прохождение сигнала от измерителя 16 оксидов азота в атмосфере на открытие впрыска воды 9, после чего происходит снижение содержания водорода в дымовых газах парового котла 12. Задание по водороду, оставшееся до

режима с включенным впрыском, введенное ранее в корректор Оптима-Хром, приводит последний опять в рабочее состояние и порождает корректирующее устройство в сторону дальнейшего уменьшения коэффициента избытка воздуха до установления в дымовых газах граничного значения водорода. При отсутствии необходимости в глубоком подавлении оксидов азота впрыск воды отключается, при этом увеличивается

водород в дымовых газах и Оптима- Хром, изменяя корректирующее воздействие, автоматически устанавливает новое значение коэффициента избытка воздуха, выводя систему на заданное содержание

водорода, но не больше того, при котором ANOx/ AH2 0 Система управления, включающая элементы 14, 15, 5 и 13, реализуется с помощью микроконтроллера К-1-20 (Электроника МС 2702)

Пример Были измерены концентрации оксидов азота (N0), водорода (На), окиси углерода (СО), кислорода (Оз) на паровом котле ТГМП-314 энергоблока мощностью 300 МВт, Опытные данные экспериментальных замеров указанных величин при сжигании мазута без впрыска влаги с различными концентрациями водорода в дымовых газах при уменьшении коэффициентов избытков воздуха приведены в 1-4 опытах таблицы, а при впрысках влаги приведены в опытах 5 и 6.

Результаты экспериментальной проверки способа, приведенные в таблице. представлены также графически на фиг.4.

Из анализа опытных данных следует, что включение впрыска влаги в момент A NOx/ А N2 0 приводит к дальнейшему подавлению оксидов азота, а последующая коррекция режима горения топлива по водороду (возврат его значения к исходной величине, соответствующей режиму перед началом впрыска влаги) обеспечивает еще дополнительное снижение оксидов азота (опыт 6), при сжигании топлива с предельно низкими избытками воздуха по отношению к конечному исходному рабочему режиму (опыт 3). Сжигание топлива без впрыска влаги со снижением коэффициента избытка воздуха приводит к более пологому снижению концентраций оксидов азота и большей ее абсолютной величиной при сопутствующем резком возрастании потерь тепла с химической неполнотой сгорания топлива (опыт 4) по сравнению с рекомендуемым вариантом (опыты 5 и 6).

Таким образом, предлагаемый способ регулирования процесса горения жидкого и газообразного топлива по сравнению с известным обеспечивает повышение экономичности за счет более рационального сжигания топлива, приводящего к увеличению предотвращенного ущерба окружающей среде. Существенные отличия способа заключаются как в организации его, так и в обеспечении прецизионными измерениями и в установлении конкретных концентраций водорода в дымовых газах, по сигналам которых управляются впрыски влаги в зону горения и коэффициенты избытков воздуха, обеспечивающие оптимизацию процесса горения топлива как по экологическому, так и по экономическому показателям.

По сравнению с известным способом, который принят за лучшую разработку в регулировании процесса горения по экологическим характеристикам, регулирование процесса горения топлива по предлагаемому способу приводит к снижению выбросов в атмосферу токсичных оксидов азота с дымовыми газами только от одного парового котла энергоблока мощностью 800 МВт на 0,311 т/ч. При удельной стоимости от предотвращенного ущерба окружающей среде

от оксидов азота 100 руб/т и числе часов работы энергоблока 6500 ч/год, предотвращенный ущерб окружающей среде от выбросов оксидов азота из одного парового котла равен 202176 руб. в год и для электростанции с шестью энергоблоками превышает 1 млн. руб. в год.

Формула изобретения

1.Способ регулирования процесса горения жидкого и газообразного топлива путем измерения концентрации оксидов азота в дымовых газах, изменения подачи дутьевого воздуха до установления заданного коэффициента избытка воздуха и подачи влаги в зону горения, отличающийся тем,

что, с целью повышения экономичности сжигания и снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах, дополнительно измеряют концентрацию водорода в дымовых газах, перед подачей влаги изменением

расхода воздуха уменьшают коэффициент избытка воздуха до достижения зависимости концентрации оксидов азота от концентрации водорода минимального значения, затем подают влагу и увеличивают расход

влаги до начала возрастания хотя бы одной из измеряемых концентраций газов, оксида азота или водорода и стабилизируют расход влаги на достигнутом уровне.

2.Способ по п.1, отличающийся тем, что после стабилизации расхода влаги изменением расхода воздуха снижают коэффициент избытка воздуха до достижения концентрацией водорода в дымовых газах значения, равного ее значению перед подачей влаги.

д,99 0,99 1,00t,0i № №

Фиг.1

о) мазут, nafotoo row TPMfl-M.

4

0 0,0iwЩ00tff

SJnpueedwt/ 10} ( napsfou кеяел 6КЗ-2М

0 0,01Ц050,10

Фиг. 2.

JU

ФигЗ.

ff,ff