Способ сжигания топлива Советский патент 1992 года по МПК F23R3/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при многоступенчатом сжигании топлива, а также газообразных и жидких отходов с широким диапазоном величины удельной теплоты сгорания, преимущественно в вихревых горелках и камерах сгорания энерготехнологических агрегатов.

Известен способ сжигания топлива, заключающийся в создании последовательно размещенных двух зон образования топли- вовоздушной смеси с недостатком и избытком воздуха соответственно путем подвода в последние топлива и воздуха, образовании факела в первой зоне и направлении его во вторую зону. Известный способ обеспечивает снижение максимальной температуры в топке с 2050 до 1930°С и содержание оксидов азота в уходящих газа с 2200 до 500 мг/м3, что недостаточно.

Наиболее близким к заявленному является способ сжигания топлива, заключающийся в создании последовательно

размещенных двух зон образования топли- вовоздушной смеси с недостатком и избытком воздуха соответственно путем подвода в последние топлива и воздуха, закрутки потока тспливовоздушной смеси в первой зоне, образовании факела в ней и направлении его во вторую зону посредством рецир- куляции продуктов сгорания. При осуществлении этого способа содержание оксидов азота в продуктах сгорания составляет 400 - 500 мг/м . Учитывая высокую токсичность NOx такое содержание также является недопустимо высоким. Это связано с тем, что воздух, поступающий в первую зону закручивают с образованием топли- вовоздушной смесив объеме камеры сгорания по всему поперечному сечению с образованием локальных высокотемпературных зон. Кроме того, продукты сгорания из второй зоны в первую попадают за счет рециркуляции с высоким содержанием кислорода, приводящим к суммарному коэффициенту избытка воздуха в первой зоне

со

с

vj О 00

loo

,-vl О

близким к единице не смотря на подачу первичного воздуха через фронтовое устройство в соотношении к теоретическим необходимому 0,15.

Целью изобретения является снижение выброса оксидов азота.

Указанная цель достигается тем, что по способу сжигания топлива, заключающемся в создании последовательно размещенных двух зон образования топливовоздушной смеси с недостатком и избытком воздуха соответственно путем подвода в последние топлива и воздуха, закрутки потока топливовоздушной смеси в первой зоне, образовании факела в ней и направлении его во вторую зону посредством рециркуляции продуктов сгорания, согласно изобретению, воздух в первую зону подают к ее периферии тангенциальными струями при соотношении расхода воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания в диапазоне 0,2 - 0,8, а воздух во вторую зону - спутным кольцевым потоком, образованным вокруг факела, причем общий избыток воздуха поддерживают в диапазоне 1,02 - 1,04 или 1,35-2,15.

Полученные экспериментально при сжигании природного газа значения содержания оксидов азота в заявленных пределах а и «общ на порядок ниже известных величин. Содержание NOx при изменении нагрузки горелки от 15 до 100% имеет один и тот же порядок значений. В условиях эксперимента максимальные значения расхода топлива соответствовали нижнему пределу избытка первичного воздуха ( о 0,2), а минимальный расход топлива соответствовал верхнему пределу избытка первичного воздуха (at 0,8).

При сжигании тяжелого сернистого мазута в вихревом топочном агрегате (теплогенераторе) мощностью 15 МВт (а 0,8, ее общ 1,95, распиливание мазута насыщенным паром 05п/См 1,0) содержание NOx составляло до 37 мг/м (в пересчете на ), что также на порядок ниже известных значений при сжигании мазута.

Подача воздуха з первую зону к ее периферии тангенциальными струями создает в зоне циклонную структуру потоков. Продукты неполного сгорания, не содержащие кислорода втягиваются из второй зоны в первую за счет разрежения, возникающего в приосевом пространстве первичной зоны. Факел горящего топлива локализуется в кольцевом активном слое и интенсивно отдает тепло излучением на ограждения первой зоны и конвекцией - к окружающему факел закрученному потоку. Такая структура потока обеспечивает хорошее перемешивание и низкий температурный уровень в активном слое (800-900°С), а окружающий воздух участвующий в горении и поступающий в активный слой, главным образом через торцы первой зоны, нагревается до 200-300°С. Рециркулирующие продукты сгорания подводятся в количестве примерно равном поступающему воздуху при температуре 1300-1500°С. Избыток воздуха в первой зоне поддерживают в пределах 0,2...0,8. Оба предела представляют собой порог перехода к одноступенчатому процессу сжигания топлива. При аи 0,2 подача во

вторую зону составляет с& -0,8. Дальнейшее уменьшение приводит к затруднениям в организации закрученного потока в первой зоне, переходу процесса во вторую зону и резкому увеличению содержания NOx.

При а 0,8 подача во вторую зону составляет а.2 0,2. Дальнейшее увеличение потока воздуха в первичную зону приводит к переходу процесса горения в первую зону (одностадийное горение), возрастанию в

ней температуры и, как следствие, к увеличению выхода NOx. Подача воздуха во вторую зону - спутным кольцевым потоком, образованным вокруг факела, выходящего из первой зоны с максимальной интенсивностью крутки, способствует интенсификации процесса горения и одновременно отвода тепла в этой зоне.

Общий избыток воздуха поддерживают в диапазоне 1,02-1,04 или 1,35-2,15. При

сЈобщ 1,02 одновременно обеспечивается низкий выход NOx и полное сгорание топлива. При ,02 содержание NOx продолжает снижаться, но появляется неполнота сгорания. приоъбщ 1,04 обеспечивается полное сгорание топлива при уровне NOx, соответствующему ,02. Увеличение а общ 1,04 приводит к возрастанию содержания NOx. Первый диапазон 1,02 а общ 1,04 соответствует возможностям использования способа в энергетических установках, например, котлах, когда разбавление продуктов сгорания приводит к потерям тепла с уходящими газами, а нагрузка горелок с минимальным диапазон регулирования остается близкой к номинальной. При общ 1,35 - 2,15 уровень содержания NOx соответствует первому диапазону (1,02-16%4). Снижение а общ 1,35 приводит к возраста- нию содержания NOx. Увеличение

,15 приводит к переохлаждению факела и появлению продуктов неполного сгорания в выбросах. Второй диапазон 1,35 сгьбщ 2,15 соответствует использованию способа сжигания топлива в режиме

теплогенератора для подготовки, например, сушильного агента. При необходимости большего разбавления продуктов сгорания с целью снижения температуры потока используют дополнительную вихревую камеру с тангенциальным подводом разбавителя.

Экспериментально установлено, что в диапазоне 1,04 «общ 1,35 содержание МОх с увеличением а общ сначала возрастает, достигая при 1,22 наибольшего значения, а затем убывает.

Сущность изобретения поясняется чертежом устройства и экспериментальными зависимостями.

На фиг.1 представлено устройство для осуществления предложенного способа (горелка), поперечный разрез.

На фиг,2 - экспериментальная зависимость содержания в продуктах сгорания природного газа от коэффициента избытка воздуха в первой зоне ( он) при изменении общего коэффициента избытка воздуха «общ 1,02- 1,67.

На фиг.З - зависимость содержания МОх от общего коэффициента избытка воздуха ( «общ) при изменении коэффициента избытка первичного воздуха а 0,2 - 0,8.

На фиг.4 - зависимость содержания МОх от «1 при а. общ 1,02 -1,04 и ,35.

Горелка содержит корпус 1 с тангенциальным подводом воздуха, узел 2 подачи топлива, завихритель 3 первичного воздуха, сопло 4 для выхода факела, кольцевое сопло 5 вторичного воздуха.

Горелка работает следующим образом. Воздух на горение подают в корпус 1, где он распределяется на два потока: в первую зону 6 через завихритель 3 и во вторую зону 7 через сопло 5 спутным кольцевым потоком вокруг факела, выходящего из сопла 4.

Воздух в первую зону подают при «1 0,2 - 0,8, а общий избыток во второй зоне поддерживают в пределах а0бщ 1,02- - 1,04 и а общ 1,35-2,15 обеспечивают подачей вторичного воздуха, Топливо из узла 2 подают в активный кольцевой слой 8, с внешней стороны 9 которого поступает воздух, а с внутренней стороны 10-продукты сгорания из второй зоны.

Зависимость МОх от а (фиг.2) при «общ 1,02-1,67 получена при исследовании характеристик газовой горелки мощностью 0,2 МВт. Горелка исследована при изменении сечения входа (FBx) первичного воздуха через завихритель 3 отнесенного к поперечному сечению завихрителя (Рк) от 0,03 до 0,08 а также изменении диаметра

сопла 4 (выходная горловина) dc, отнесенного к диаметру (входное сечение сопла) завихрителя (3) JK от 0,5 до 0,81. Геометрия проточной части первой зоны влияет на содержание МОх в продуктах сгорания, главным образом, на высоту и ширину основания всплесков значений NOx, имеющих место в диапазоне а от 0,2 до 0,8. Всплески значений NOx соответствуют значениям «общ в

пределах 1,04- 1,35(см.фиг.З). Зависимость содержания NOx от ом при а общ 1,02 - 1,04 и о: общ 1,35 (результирующая графиков фиг.2, 3) не имеет всплесков концентрации М0х(фиг.4).

Таким образом, при двухступенчатом сжигании природного газа с естественной рециркуляцией продуктов сгорания содержание МОх составляет 10 мг/м3 при сг0бщ 1,02-1,04 и а0бщ 1,35-2,15,

также до 30 мг/м3 при «общ 1,04 -1,35. При одноступенчатом сжгании в первичной зоне содержание NOx достигает 65 мг/м , а при одноступенчатом сжигании во вторичной зоне содержание достигает 100 - 200 мг/м3.

Способ сжигания топлива иллюстрируется следующими примерами,

П р и м е р 1. Для сжигания 20 нм3/час

природного газа при а общ 1,02 требуется 194 нм /час воздуха, в том числе приел 0,2 первичного воздуха необходимо 38 нм /час, а при ОА 0,8-152 нм3/час, вторичного воздуха соответственно: 156 нм /час («1 0,2)

и42 нм3/час («1 0,8). При этом содержание оксидов азота составляет 10 мг/м3.

П р и м е р 2. Для сжигания 20 нм3/час природного газа при «общ 1,04 требуется 198 нм /час воздуха, в том числе первичного 38 нм3/час ( а 0,2) или 152 нм3/час («1 0,8) и вторичного 160 нм3/час(а-| 0,2) или 46 нм3/час ( «1 0,8). Содержание МОх- 10 мг/м3.

П р и м е р 3, Для сжигания 20 нм3/час

природного газа при «Общ 1,35 требуется 257 нм /час воздуха, в том числе первичного 38 нм3/час ( «1 0,2) или 152 нм3/час ( а 0,8) и вторичного 219 нм3/час (ои 0,2)

или 105 нм3/час (ач 0,8). Содержание NOx -10 мг/м3.

П р и м е р 4. Для сжигания 20 нм /час природного газа при а общ 2,15 требуется 409 нм /час воздуха, в том числе первичного 38 нм3/час (а 0,2) или 152 нм /час («1 0,8) и вторичного 371 нм3/час(й1 0,2) или 257 нм3/час ( а 0,8). Содержание NOx- 10 мг/м3.

П р и м е р 5. Для сжигания 20 нм /час природного газа при а- 0,5

2Ъбщ

1,02 1,03 1,04 1,35 2,15

rt

Содержание NOx - 10 мг/м

Формула изобретения Способ сжигания топлива, заключающийся в создании последовательно размещенных двух зон образования топливовоздушной смеси с недостатком и избытком воздуха соответственно путем подвода в последние топлива и воздуха, закрутки потока топливовоздушной смеси в первой зоне, образовании факела в ней и направлении его во вторую зону

посредством рециркуляции продуктов сгорания, отличающийся тем, что, с целью снижения выброса оксидов азота, воздух в первую зону подают к ее периферии тангенциальными струями при соотношении расхода воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания в диапазоне 0,2 - 0,8, а воздух во вторую зону -.спутным кольцевым потоком, образованным вокруг факела, причем общий избыток воздуха поддерживают в диапазоне 1,02 - 1,04 или 1,35 -2,15.

Использование: при многоступенчатом сжигании топлива, с рециркуляцией продуктов сгорания, а также при сжигании газообразных и жидких отходов с широким диапазоном величины удельной теплоты сгорания в топках котлов и печей. Цель изобретения - снижение выхода оксидов азота. Это достигается тем, что поток воздуха в первую зону подают к ее периферии тангенциальными струями с избытком в диапазоне 0,2-0,8, а воздух во вторую зону подают спутным кольцевым потоком, образованным вокруг факела при общем избытке воздуха в диапазонах 1,02-1,04 или 1,35-2,15. Указанные отличительные признаки обеспечивают снижение содержания оксидов азота на целый порядок по сравнению с известными техническими решениями. 4 ил.

. l&vt&x. /

A 0

f

7

мг,

# /яt/

{2 /3 cSeaut.

/Ј. 3