Способ подготовки смеси воздуха с топливом и ее сжигания в камере сгорания теплоэнергоустановки и устройство для его осуществления

 

Использование: в теплоэнергетике для снижения интенсивности образования оксидов азота, возникающих при горении топливной смеси. Сущность изобретения: в способе подготовки смеси воздуха с топливом и ее сжигания в камере сгорания теплоэнергоустановки, включающем предварительное перемешивание компонентов и сжигание смеси при коэффициентах избытка воздуха больше или меньше стехиометирческого значения, в смесительных узлах агрегата создают гомогенизированные смеси воздуха и газообразного топлива с коэффициентами избытка воздуха, подают их по отдельным каналам к устью горелки, обеспечивая на выходе из каналов осредненный по сечению потока уровень пульсаций значения коэффициента избытка воздуха предварительно перемешанных частей смеси перемешивают между собой и составляющими сжигаемой смеси компонентами, а затем сжигают смесь. В устройстве для осуществления способа у части каналов для подачи составляющих смеси в камеру сгорания на входе установлены смесительные узлы, за которыми размещены участки для вырождения пульсаций концентрации в смеси, при этом в смесительных узлах установлены турбулизирующие элементы 7. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам подготовки и сжигания горючей смеси, применяемым в теплоэнергоустановках ТЭС, ТЭЦ, производственно-отопительных котельных, других тепловых агрегатах, и направлено на снижение эмиссии окислов азота.

Известны способ подготовки смеси воздуха с топливом для сжигания в камере сгорания теплоэнергоустановки и устройство для его реализации.

Известный способ включает предварительное перемешивание компонентов и сжигание смеси при коэффициентах избытка воздуха больше или меньше стехиометрического значения.

Устройство для осуществления этого способа содержит каналы для подачи составляющих смеси в камеру сгорания.

Однако известным способом невозможно или весьма трудно однородно перемешать топливо и воздух, подаваемые в горелочное устройство.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является снижение пульсаций концентрации топлива в сжигаемой смеси путем ее ступенчатой подготовки.

Технический результат достигается тем, что создают в смесительных узлах агрегата гомогенизированные смеси воздуха и газообразного топлива с коэффициентами избытка воздуха, имеющими значения вне пределов воспламеняемости, подают их по отдельным каналам к устью горелки, обеспечивая на выходе из каналов осредненный по сечению потока уровень пульсаций значения коэффициента избытка воздуха предварительно перемешанных частей смеси перемешивают между собой и составляющими сжигаемой смеси компонентами, а затем сжигают смесь, при этом пульсации значения коэффициента предварительно перемешанной части смеси на выходе из каналов определяют по следующим соотношениям: где <¹>² - дисперсия, характеризующая разброс значений коэффициента избытка воздуха; - мгновенное значение коэффициента избытка воздуха в точке поперечного сечения потока в канале с плотностью вероятности распределения P(); - осредненное по времени значение коэффициента в точке поперечного потока; - среднее расходное значение коэффициента.

В устройстве для осуществления способа у части каналов на входе установлены смесительные узлы, за которыми размещены участки для вырождения пульсаций концентрации в смеси, при этом в смесительных узлах установлены турбулизирующие элементы.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - сечение A-A на фиг.1; на фиг.3 - узел I на фиг. 1.

Устройство содержит коллектор 1, смесительный узел, который включает блок для подачи газа с отверстиями 2, участок для перемешивания струй газа с воздухом, подаваемым по каналу 3, канал 4 на участке M-N, отверстие 5, канал 6 и турбулизирующий элемент 7.

Из коллектора 1 газ подается в смесительный узел, расположенный между плоскостями M и P, воздух подается по каналу 3. Предварительно подготовленная смесь подается к устью горелки (плоскость N). В процессе движения смеси по каналу 4 на участке M-N вырождаются пульсации концентрации. По каналу 6 через отверстие 5 в эту же область подается дополнительное топливо, которое перемешивается с предварительно подготовленной топливовоздушной смесью.

Способ базируется на снижении пульсаций концентрации топлива в сжигаемой смеси путем ее ступенчатой подготовки.

Перемешанность газов в смеси оценивается величиной неоднородности средних концентраций и уровнем пульсаций концентраций в точке сечения потока. Концентрация определяется отношением массы примеси (примесь - газ с меньшим расходом) в выделенном объеме к массе этого объема.

Обычно смесь в сечении потока характеризуют величиной неоднородности, определяемой по формуле где - осредненная по времени концентрация примеси в точке сечения потока; - средняя расходная концентрация примеси, определяемая по отношению расходов смешиваемых газов.

Для оценки неоднородности средних концентраций используется также и другая более наглядная и легко измеряемая в экспериментах величина
где - максимальное и минимальное значения средней концентрации в сечении.

Представляется возможным и целесообразным характеризовать смесь величиной которая, очевидно, в выбранном сечении численно несколько превышает . На практике стремятся в топочных горелочных устройствах выдержать < 0,05.

Более адекватно характеризуют перемешанность смеси величины, связанные с мгновенными концентрациями.

Если C - мгновенная концентрация примеси в точке поперечного сечения потока с плотностью вероятности распределения P(C), тогда

Дисперсия мгновенной концентрации в точке определится как

Аналогично можно определить среднюю концентрацию для сечения потока и пульсацию концентрации в сечении. Легко видеть, что в точке, а в сечении
Уровень относительной пульсации концентрации в точке сечения потока определяется величиной
Переходя от концентраций к коэффициенту избытка воздуха , можно показать, что

и тогда вышеприведенные формулы можно представить в виде

где для введены индексы, соответствующие индексам при C.

Величина так же, как и <C'>/C является мерой гомогенности смеси: = 0 соответствует смеси, гомогенизированной до молекулярного уровня.

Путем тщательного перемешивания воздуха и газообразного топлива, как видно, можно значительно снизить выбросы NO_x. Однако при этом возникает серьезная проблема: опасность воспламенения в горелке смеси в результате проскока пламени.

Для исключения этой опасности целесообразно вначале смешивать топливо и воздух в таком соотношении, при котором смесь не воспламеняется. Для природного газа при температуре воздуха 25^oC нижний предел воспламенения = 1,8, а а верхний = 0,65.

При > 1,8 и < 0,65 смесь взрывобезопасна. Такую смесь можно хорошо перемешать в смесительном узле и подавать к устью горелки, а перед сжиганием дополнительно подавать топливо, в частности, перемешанное с воздухом из расчета, чтобы в зоне сгорания выдерживалось суммарное значение > 1,2 или < 0,9. Следует, видимо, идти от смеси с > 1,8 и добавлять до нужного топливо (в чистом виде или в смеси в воздухом, а также возможна дополнительная подача жидкого топлива, например мазута), т.к. количество этого дополнительного топлива по массе будет невелико. Если же предварительно готовить смесь с 0,65, то перед зоной сгорания необходимо будет подавать воздух или смесь воздуха и топлива с > 1 в большом количестве, что вызовет трудности в обеспечении хорошего перемешивания основного и дополнительного потоков перед сжиганием.

Формула изобретения

1. Способ подготовки смеси воздуха с топливом и ее сжигания в камере сгорания теплоэнергоустановки, включающий предварительное перемешивание компонентов и сжигание смеси при коэффициентах избытка воздуха больше или меньше стехиометрического значения, отличающийся тем, что создают в смесительных узлах агрегата гомогенизированные смеси воздуха и газообразного топлива с коэффициентами избытка воздуха, имеющими значения вне пределов воспламеняемости, подают их по отдельным каналам к устью горелки, обеспечивая на выходе из каналов осредненный по сечению потока уровень пульсаций значения коэффициента избытка воздуха предварительно перемешанных частей смеси перемешивают между собой и составляющими сжигаемой смеси компонентами, а затем сжигают смесь, при этом пульсации значения коэффициента предварительно перемешанной части смеси на выходе из каналов определяют по следующим соотношениям:


где <>² - дисперсия, характеризующая разброс значений коэффициента избытка воздуха;
- мгновенное значение коэффициента избытка воздуха в точке поперечного сечения потока в канале с плотностью вероятности распределения P () ;
- осредненное по времени значение коэффициента в точке поперечного потока;
- среднее расходное значение коэффициента.

2. Устройство для подготовки смеси воздуха с топливом и ее сжигания в камере сгорания теплоэнергоустановки, содержащее каналы для подачи составляющих смеси в камеру сгорания, отличающееся тем, что у части каналов на входе установлены смесительные узлы, за которыми размещены участки для вырождения пульсаций концентрации в смеси.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в смесительных узлах установлены турбулизирующие элементы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3