Прямоточная горелка с низким выходом окислов азота (варианты) и способ сжигания топлива

 

Использование: в энергетике, в частности, в топках котельных агрегатов, сжигающих распыленное твердое, жидкое и газообразное топливо. Сущность изобретения: прямоточная горелка содержит вертикально-щелевые сопла 1 топливно-воздушной смеси и расположенные по одну сторону от них внешние и внутренние сопла 2 и 3 вторичного воздуха, последнее из которых установлено параллельно соплу 1 топливно-воздушной смеси. Внутреннее и внешнее сопла 2 и 3 на выходе из горелки установлены расходящимися в горизонтальной плоскости под углом, равным не менее 30^o, между указанными соплами 2 и 3 выполнен простенок 4 шириной не менее суммарной ширины сопла 1 топливно-воздушной смеси и внутреннего сопла 2 вторичного воздуха. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано преимущественно в тангенциальных топках котельных агрегатов, сжигающих распыленное твердое, жидкое и газообразное топливо.

Известны прямоточные пылеугольные горелки, содержащие два параллельно-щелевых канала, направленных по касательной к условной центральной окружности, один из которых, расположенный обычно в топке со стороны ядра факела, служит для подачи топливно-воздушной смеси, а второй, располагающийся со стороны близлежащей боковой стенки топки, служит для подачи вторичного воздуха.

Недостатком такой конструкции является высокий уровень концентрации О₂ на начальном участке факела, что приводит к образованию повышенных концентраций окислов азота (NO_х).

Известна прямоточная пылеугольная горелка, содержащая пылеподводящую трубу, а также воздушный короб, разделенный на каналы первичного и вторичного воздуха продольной перегородкой, снабженной на заднем торце языковым шибером, в который пылевидное топливо подается с высокой концентрацией по пылеподводящей трубе, размещенной в канале первичного воздуха.

Недостатком такой горелки является высокий уровень NO_х, так как весь воздух подается в зону выхода летучих и воспламенения топлива.

Известна также пылеугольная угловая горелка, состоящая из попарно расположенных сопл первичной топливно-воздушной смеси и сопл вторичного воздуха, направленных по касательной к центральной окружности, причем сопла вторичного воздуха по отношению направления вращения факела в топке установлены за соплами аэросмеси. Отличительной особенностью такой горелки является расположение сопл топливно-воздушной смеси и сопл вторичного воздуха в проекции на горизонтальную плоскость таким образом, что их продольные оси сходятся в топке под острым углом не более 45^о.

Недостатком такой горелки является быстрое смешение вторичного воздуха с топливно-воздушной смесью, в результате чего уже в ближайших к устью горелки сечениях горелочной струи, где еще не успела выделиться из угля основная часть азотсодержащих летучих веществ, концентрация кислорода (О₂) становится высокой, что приводит к образованию больших концентраций окислов азота.

В настоящее время многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями доказано, что при пылеугольном сжигании основная часть NO_х образуется на участке выхода и горения летучих. Поэтому для снижения NO_х необходимо на начальном участке горелочной струи протяженностью в несколько калибров создать зону с недостатком кислорода за счет задержки подмешивания вторичного воздуха к топливно-воздушной струе. При этом также повышается устойчивость воспламенения топлива, так как более позднее подмешивание вторичного воздуха способствует более быстрому прогреву топливно-воздушной смеси на начальном участке и ускорению выхода и сгорания летучих веществ.

Целью изобретения является уменьшение образования окислов азота и повышение устойчивости воспламенения топливно-воздушной смеси.

Для достижения указанной цели предлагаемая прямоточная горелка содержит вертикально-щелевое сопло топливно-воздушной смеси и расположенные по одну сторону от него внешнее и внутреннее сопла вторичного воздуха, последнее из которых установлено параллельно соплу топливно-воздушной смеси. Внутреннее и внешнее сопла на выходе из горелки установлены в горизонтальной плоскости, расходящимися под углом не менее 30^о. Между указанными соплами выполнен простенок шириной не менее суммарной ширины сопла топливно-воздушной смеси и внутреннего сопла вторичного воздуха.

При сжигании жидкого, газообразного топлива или угольной пыли, подаваемой преимущественно с высокой концентрацией (30.80 кг.топлива/кг.воздуха) предлагаемая горелка содержит вертикально-щелевые сопла топливно-воздушной смеси с топливораздающим устройством на конце и внешние и внутренние сопла вторичного воздуха, установленные на выходе из горелки расходящимися в горизонтальной плоскости под углом равным не менее 30^о. Между соплами вторичного воздуха выполнен простенок шириной не менее суммарной ширины сопла вторичного воздуха, при этом сопла топливно-воздушной смеси установлены на внутренних соплах вторичного воздуха.

Предлагаемое выполнение сопл вторичного воздуха с расходящимися продольными осями и непроточным разрывом (простенком) между ними позволяет, как показали проведенные в Сибтехэнерго стендовые (модельные) исследования, задержать подмешивание наружной струи вторичного воздуха к основной горелочной струе на участке 5-6 калибров горелки. Здесь в качестве калибра принимается суммарная ширина параллельных сопл топливно-воздушной смеси и внутреннего вторичного воздуха.

При меньших (по сравнению с предлагаемыми) углах расхождения продольных осей сопл вторичного воздуха и размерах простенка между ними вытекающие из горелки струи топливно-воздушной смеси и вторичного воздуха под влиянием создаваемого струями разрежения между ними смыкаются вблизи устья горелки. В результате эффект снижения концентраций кислорода, а следовательно, и окислов азота, оказывается незначительным.

Наличие непроточного разрыва (простенка) между соплами вторичного воздуха способствует подсосу в межструйное пространство (снизу и сверху) высокотемпературных топочных газов, интенсифицирующих прогрев и воспламенение топливно-воздушной струи. Кроме того, приток этих газов уменьшает концентрацию кислорода на участке воспламенения, а это, в свою очередь, способствует снижению образования NO_х.

При меньшей, по сравнению с предлагаемой, ширине простенка подсасываемые газы не доходят по высоте до середины горелки, и эффект прогрева и стабилизации воспламенения оказывается незначительным.

Соотношение выходных сечений внутреннего и наружного сопл вторичного воздуха принимается из условия, при котором суммарный расход воздуха в топливно-воздушной смеси и вторичного воздуха, проходящего по внутреннему соплу, обеспечивал бы избыток воздуха на выходе из горелки ( _г) в диапазоне 0,6-0,8. При _г < 0,6 резко возрастают химический и механический недожог и образуются токсичные составляющие СО, канцерогены и др. При _г> 0,8 эффект снижения образования NO_х за счет стадийности подачи окислителя (воздуха) становится существенно меньшим. Предлагаемый диапазон _г 0,6-0,8 принят из условий сжигания различных топлив с разным содержанием летучих и азота. С целью оптимизации режимов по NO_х для конкретного топлива в каналах вторичного воздуха устанавливаются регулирующие клапаны, позволяющие перераспределять воздух между внутренним и наружным соплами.

На фиг. 1 показан горизонтальный разрез по оси горелки; на фиг.2 расположение горелок по сечению топки; на фиг.3 установка горелок по высоте топки (вид из топки); на фиг.4 горизонтальный разрез по оси горелки с раздельными подводами вторичного воздуха; на фиг.5 горизонтальный разрез по оси горелки для схем подачи угольной пыли с высокой концентрацией или для сжигания жидкого и газообразного топлива; на фиг.6 вид по стрелке Б на фиг.5.

Горелка содержит сопло 1 для подачи топливно-воздушной смеси, внутреннее сопло 2 и наружное сопло 3 для подачи вторичного воздуха. Сопла 1 и 2 расположены параллельно друг другу, а сопло 3 под расходящимся углом, равным 30^о и более. В выходном сечении горелки сопла 2 и 3 разделены простенком 4, ширина которого С составляет не менее суммарной ширины В сопл 1 и 2.

Размеры и соотношение проходных сечений сопл 2 и 3 выбираются из условия, при котором избыток воздуха на выходе из сопл 1 и 2 составлял бы 0,6-0,8.

Для перераспределения вторичного воздуха между соплами 2 и 3 в общем канале установлен регулирующий клапан 5.

Возможно конструктивное выполнение горелки (см. фиг.4) с раздельными подводами вторичного воздуха к внутреннему 2 и наружному 3 соплам с установкой индивидуальных регулирующих клапанов 5 в каждом канале после воздухоподводящих коробов 6.

В топочной камере 7 горелка установлена таким образом, чтобы продольные оси сопл 1 и 2 были направлены по касательным к условной окружности 8 в центре топки. При этом сопло 1 расположено со стороны потока набегающих топочных газов 9 от вращающегося факела, имеющего направление крутки, показанное стрелкой 10.

По высоте топки горелки могут быть установлены в один или несколько ярусов (см.фиг.3).

В случае применения схем транспорта угольной пыли с высокой концентрацией (ПВК), например, по пылепроводу диаметром 70-100 мм или же при сжигании газа и жидкого топлива предлагаемая горелка может выполняться без сопла 1 (см. фиг. 5, 6). В этом случае для подвода пыли или мазута и газа в сопле 2 установлен трубопровод 14, на конце которого (на выходе из горелки) имеется топливораздающее устройство 15. В качестве такого устройства для угольной пыли служит рассекатель-стабилизатор, для жидкого топлива форсунка, для газа газораспределительная насадка.

Предлагаемая горелка работает следующим образом.

Подготовленная для сжигания топливно-воздушная (угольная) смесь подается в топку через сопло 1 с постоянной скоростью на выходе из горелки (14-20 м/с).

Вторичный воздух подводится к горелке через один общий или два раздельных патрубка 6, после которых большая часть воздуха проходит через сопло 2, а остальная доля его отводится в топку через сопло 3. Перераспределение расхода вторичного воздуха между соплами 2 и 3 осуществляется с помощью регулирующих клапанов 5.

Скорость истечения вторичного воздуха в топку 30-50 м/с.

В случае транспортировки угольной пыли по трубопроводу высокой концентрации или же при сжигании мазута или газа топливо может подаваться через сопло 2 и распыливаться с помощью топливораздающего устройства 15.

При выходе топливно-воздушной смеси 11 в топку со стороны набегающего потока горящего факела происходит быстрый прогрев топлива и его воспламенение. Быстрый прогрев топливно-воздушной струи в предлагаемой горелке происходит за счет подмешивания к корню струи горячих топочных газов, притекающих как с внешней стороны (поток 9), так и через межструйное пространство в зоне 12 (см.фиг.2).

При прогреве пылевидного топлива из него выделяются летучие вещества в виде газообразных составляющих, в состав которых входят и азотсодержащие соединения.

В начале процесса сгорания азотсодержащие соединения разлагаются с образованием активного азота, который в дальнейшем участвует в реакциях образования и разложения NO_х.

N + O₂ NO + О, N + NO N₂ + О Конечный выход топливных окислов азота определяется динамическим равновесием образования и разложения NO. Учитывая, что константы скоростей реакций и образования (К₁) и разложения (К₂) зависят от температуры, можно считать, и это доказано многими опытами, что температура оказывает существенно меньшее влияние на конечный выход топливных NO_х, чем концентрация кислорода.

Поскольку в предлагаемой конструкции горелки воспламенение и сгорание топлива на начальном участке факела происходит при недостатке кислорода, то и образование окислов азота в такой системе замедляется. В дальнейшем, когда основная часть летучих выделилась и сгорела с неполным окислением на некотором расстоянии (сечение 1-1 на удалении 5-6 калибров от горелки) к горелочной струе подмешивается воздух со струей 13, истекающей из наружного сопла 3, который способствует дожиганию летучих и экономичному сгоранию кокса.

Помимо основного эффекта подача части воздуха через сопло 3 со стороны близлежащей стены топки позволяет создать вблизи экранов окислительную газовую среду и уменьшить интенсивность шлакования и высокотемпературной коррозии.

В настоящее время Барнаульским и Подольским котельными заводами совместно с Сибтехэнерго разработаны проекты реконструкции котлов П-57, Е-500, ПК-10 и других, в которых с целью снижения выбросов NO_х, в качестве горелочного устройства используется предлагаемая горелка.

Формула изобретения

1. Прямоточная горелка с низким выходом окислов азота преимущественно для тангенциальных топок паровых и водогрейных котлов, содержащая вертикально-щелевые сопла топливовоздушной смеси и расположенные по одну сторону от них внешние и внутренние сопла вторичного воздуха, последнее из которых установлено параллельно соплу топливовоздушной смеси, отличающаяся тем, что, внутреннее и внешнее сопла на выходе из горелки установлены расходящимися в горизонтальной плоскости под углом не менее 30^o, между указанными соплами выполнен простенок шириной не менее суммарной ширины сопла топливовоздушной смеси и внутреннего сопла вторичного воздуха.

2. Способ сжигания топлива путем раздельной подачи в зону горения потока пылевоздушной смеси, внешнего и внутреннего потоков вторичного воздуха, отличающийся тем, что суммарный расход воздуха в пылевоздушной смеси и внутреннего воздуха составляет величину, обеспечивающую коэффициент избытка воздуха в начале зоны горения в диапазоне 0,6 - 0,8.

3. Прямоточная горелка с низким выходом окислов азота преимущественно для тангенциальных топок паровых и водогрейных котлов, содержащая вертикально-щелевые сопла топливовоздушной смеси с топливораздающим устройством на конце, внешние и внутренние сопла вторичного воздуха, отличающаяся тем, что внутренние и внешние сопла вторичного воздуха на выходе из горелки установлены расходящимися в горизонтальной плоскости под углом не менее 30^o, между указанными соплами выполнен простенок шириной не менее суммарной ширины сопла топливовоздушной смеси и внутреннего сопла вторичного воздуха, при этом сопла топливовоздушной смеси установлены во внутренних соплах вторичного воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6