Способ сжигания топлива Советский патент 1992 года по МПК F23C6/04 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к котельной технике, и может быть использовано при сжигании топлива в топках котлов.

Известен способ нестехиометрического сжигания топлива, согласно которому топливо, воздух или оба одновременно перераспределяются по ярусам горелок таким образом, чтобы создать по высоте факела зоны с недостатком окислителя, где происходит восстановление образовавшихся оксидов азота, и с избытком окислителя, где происходит дожигание продуктов неполного сгорания.

Однако известный способ характеризуется недостаточным снижением выбросов оксидов азота (на 15-25%) и ухудшением

экономичности сжигания. Это объясняется тем, что поскольку весь процесс горения протекает в одной камере сгорания, то невозможно осуществить значительного перераспределения по ярусам указанных компонентов сжигания при обеспечении полного выгорания топлива без существенного увеличения габаритов камеры.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ сжигания топлива, включающий многоступенчатую подачу воздуха на горение с обеспечением недожога на первой ступени и с полным дожиганием на последней ступени. В данном случае все топливо подается в начале камеры сгорания, а воздух постепенно подмешивается по длине факела.

Данное техническое решение имеет следующие недостатки. Практика эксплуатации котлов и газовых турбин показывает, что ступенчатое сжигание топлива позволяет снизить выбросы оксидов азота на 40- 50%. Более глубокое снижение выбросов не осуществимо по двум причинам. Во-первых, при конструировании, изготовлении и монтаже камер сгорания не удается получить их достаточной длины, чтобы обеспечить размеры зон, необходимые для восстановления оксидов азота, и полное выгорание топлива. Во-вторых, из восстановительной зоны в зону догорания поступают раскаленные газы, в результате чего по всей длине факела поддерживается высокая температура горения, что, в свою очередь, приводит к образованию большого количества оксидов азота.

Целью изобретения является снижение образования оксидов азота путем замедления скорости процесса окисления топлива.

Поставленная цель достигается тем, что при сжигании топлива, включающем многоступенчатую подачу воздуха на горение с обеспечением недожога по меньшей мере на первой ступени и с полным дожиганием на последней ступени, полученные продукты недожога перед подачей их в каждую последующую ступень охлаждают до минимальной температуры, обеспечивающей их устойчивое воспламенение, а время пребывания продуктов недожога в.каждой последующей ступени устанавливают не меньшим, чем в предыдущей.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью заключается в следующем. При горении топлива с недостатком окислителя образовавшиеся оксиды азота восстанавливаются продуктами неполного сгорания до азота.

Охлаждение продуктов недожога перед подачей их в каждую последующую ступень до минимальной температуры, обеспечивающей их устойчивое там воспламенение, ведет к снижению температуры горения и максимально замедляет процесс окисления топлива в соответствии с законом Ар- рениуса, что приводит к снижению скорости окисления азота, При этом увеличение времени пребывания продуктов недожога в каждой последующей ступени позволяет полностью использовать поданный в каждую ступень окислитель при максимально возможном восстановлении образовавшихся оксидов азота и полном выгорании топлива на последней ступени, что в целом позволяет обеспечить поставленную в предлагаемом техническом решении цель - снижение концентрации оксидов азота в уходящих газах.

На чертеже схематически представлена установка для реализации предлагаемого

способа.

Установка включает в себя топочную камеру 1 первой ступени, содержащую горе- лочные устройства 2, подсоединенные к трубопроводу 3 подвода топлива и воздуш0 ному коробу 4, топочную камеру 5 второй ступени, содержащую горелочные устройства б, подключенные к газоходу 7 первой ступени и воздушному коробу 8, охлаждающие поверхности 9, установленные на выхо5 де из камер горения обеих ступеней и дымосос 10, расположенный за охлаждающей поверхностью 9 второй ступени.

Способ осуществляется следующим образом.

0 Все топливо (100%) и половина (50%), необходимого для его сгорания воздуха, поступает соответственно по трубопроводу 3 и воздушному коробу 4 в тарелочное устройство 2, а затеМ в топочную камеру 1 первой

5 ступени, в которой осуществляется сгорание половины (50%) всего топлива. Образовавшиеся в этой камере оксиды азота восстанавливаются полученными продуктами неполного сжигания топлива. Дымовые

0 газы, содержащие 50% несгоревшего топлива в виде продуктов его недожога или газификации, проходят через охлаждающие поверхности 9 первой ступени и охлаждаются до минимальной температуры, обеспечи5 вающей их устойчивое воспламенение в топочной камере 5 второй ступени и составляющей приблизительно 300-500°С в зависимости от вида сжигаемого топлива и его состава.

0 Температура воспламенения зависит от физико-химических свойств топлива, в частности газа, а также от ряда внешних условий, ускоряющих или замедляющих процесс, например условий теплоотдачи и

5 т. д. Практически за температуру воспламенения берут самую низкую температуру, при которой начинается быстрое сгорание газовой смеси. Для газовых смесей различного состава температуру воспламенения

0 определяют экспериментально.

После охлаждения в первой ступени продукты недожога проходят газоход 7 и поступают через горелочные устройства 6 в топочную камеру 5 второй ступени. Туда же из воздушного короба 8 подается остальной воздух (50%), необходимый для выгорания топлива. Поскольку горение в камере 5 происходит при значительной балластировке продуктов недожога, к тому же максимально охлаждаемых, адиабатичеекая температура их горения очень низкая, в результате чего замедляется процесс окисления азота, что а значительной степени снижает образование оксидов азота.

Вместе с тем, температура продуктов недожога достаточна для устойчивого и эффективного их выгорания во второй ступени. Образовавшиеся после полного сжигания в топочной камере 5 второй ступени дымовые газы проходят через охлаж- дающие поверхности 9 указанной ступени, где охлаждаются до требуемой температуры и дымососом 10 сбрасываются в атмосферу. Расчетные и экспериментальные данные показали, .что полное выгорание топлива в камере 5 второй ступени и восстановление образовавшихся оксидов азота в топочной камере 1 первой ступени достигается при соотношении времени пребывания продуктов сгорания во второй и в первой камерах не менее 1,33. Поэтому объем топочной камеры 5 второй ступени должен превышать объем топочной камеры 1 первой ступени на 20-30%,

Использование предлагаемого способа сжигания топлива обеспечивает по сравнению с существующими способами снижение общего содержания оксидов азота в дымовых газах установки в 4-6 раз или на 75-80%.

Пример. Стенд для исследования сжигания природного газа состоит из двух камер длиной до 6 м. Для отбора проб продуктов сгорания стенки камер оборудованы лючками. Внутреннее сечение камер 1500x700 мм. На входе в камеры установлены горелки. На выходе из первой камеры установлены змеевики охладителя.

Процесс сжигания природного газа осуществляется при подаче всего топлива и 50% воздуха в горелки первой камеры, а в горелки второй камеры - остальной воздух

и продукты недожога из первой камеры. Во второй камере устойчивое горение наблюдается при температуре продуктов недожога перед ней не ниже 350°С. Кроме того, выгорание топлива и минимальная концентрация оксидов азота в первой камере были зафиксированы на расстоянии 3 м по длине камеры, а во второй камере - около 4 м. Таким образом, для осуществления эффективного сжигания топлива при достижении минимальных концентраций оксидов азота время пребывания продуктов сгорания во второй камере должно быть в 1,33 раза больше, чем в первой камере.

Содержание оксидов азота в уходящих газах при сжигании природного газа на стендовой установке с применением предлагаемого способа составило 50-70 мг/м . При этом, если продукты неполного сгорания топлива первой камеры не охлаждались, содержание оксидов азота в дымовых газах составило 260-300 мг/м3, т. е. концентрация оксидов азота в уходящих газах снизилась в 5 раз.

Формула изобретения Способ сжигания топлива путем многоступенчатой подачи воздуха на горение с обеспечением недожога по меньшей мере на первой ступени, охлаждения в активной зоне горения образовавшихся продуктов недожога и полного их дожигания на последней ступени, отличающийся тем, что, с целью снижения образования оксидов азота путем замедления скорости процесса окисления топлива, полученные продукты недожога непосредственно перед подачей их в каждую последующую ступень дополнительно охлаждают до температуры их воспламенения, а время пребывания продуктов недожога в каждой последующей ступени устанавливают не меньшим, чем в предыдущей.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при сжигании топлива в топках котлов. Цель изобретения - снижение образования оксидов азота путем замедления скорости процесса окисления топлива. Сжигание топлива осуществляется при многоступенчатой подаче воздуха на горение с обеспечением недожога по меньшей мере на первой ступени и с полным дожиганием на последней ступени. Полученные продукты недожога перед подачей их в каждую последующую ступень охлаждают до минимальной температуры, обеспечивающей их устойчивое воспламенение, а время пребывания продуктов недожога в каждой последующей ступени устанавливают не меньше, чем в предыдущей. 1 ил. (Л С