Способ регулирования процесса горения

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 151)ю F 23 и 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 4756354/06 (22) 09.11.89

{46) 15,12.91. Бюл, t4 46 (71) Московский энергетический институт, Тюменский индустриальный институт им.

Ленинского комсомола и Научно-производственное объединение "Энергоавтоматика"

{72) В.И.Кормилицын, Ж.-Г.Л,Гохберг и

А.Ф.Некрасов (53) 621.182.26 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 231701, кл. F 23 С 11/00, 1967.

Авторское свидетельство СССР

М 1076700, кл. F 23 С 11/00, 1982. (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ (57) Целью изобретения является повышение экономичности сжигания жидкого и газообразного топлива и снижение

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для регулирования процессов горения мазута и природного газа в топках паровых котлов тепловых электростанций.

Известен способ регулирования процесса горения при сжигании газа и мазута, . когда сжигание топлива осуществляют с предельно низкими избытками воздуха, позволяющими повысить экономичность и надежность котельных установок и снизить выброс в атмосферу вредных оксидов азота, Оптимальный режим устанавливают при минимальных потерях тепла с уходящими газами и химическим недожогом и контролируют их по концентрации водорода в дымовых газах, стабилизируя ее величину концентрацйи оксидов азота в продуктах сгорания, Это достигается путем управления концентрациями оксидоэ азота и водорода в дымовых газах за счет изменения подачи воздуха по сигналам датчика расхода топлива и подачи воды или водяного пара в зону горения, Снижение оксидов азота производится изменением подачи воздуха до достижения локального минимума зависимости концентрации оксидов азота от концентрации водорода, подачей воды или водяного пара в зону горения до достижения начала возрастания концентраций водорода или оксида азота в дымовых газах, стабилизацией расхода воды и снижением коэффициента избытка воздуха до получения концентрации водорода, соответствующей ее значению перед подачей воды. 1 .з.и. ф-л ы, 4 ил. порядка 0,005 аб.%. При этом потери тепла с химическим недожогом будут пренебрежительно малы (меньше 0,01%), в то же время отклонение в сторону больших величин водорода в дымовых газах соответствует переходу режима сжигания топлива в зону с большими потерями тепла с химической неполнотой сгорания топлива, а отклонение в сторону с меньшими значениями водорода — переходу в зону больших потерь тепла с уходящими дымовыми газами. Потери тепла при этом способе сжигания газа и мазута в

3 — 5 раз меньше по сравнению с режимом

"блуждающего" избытка воздуха при коррекции по кислороду, вследствие более высокой чувствительности хроматографического газоанализатора по водороду (в 100 раз) к химическому недожогу топлива в сравнении с

1698582

25

40

50 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 использование 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, увеличивая ее расход до достижения мин им- i ь ной 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 подачи в зону горения влаги при отношении приращений оксидов азота к приращению водорода, равным нулю.

Предлагаемый способ имеет новые по сравнению с известным операции.

На фиг.1 приведена зависимость величины химического недожога топлива от коэффициента избытка воздуха при различных режимах сжигания топлива; на фиг.2 — зависимость концентраций оксидов азота МО» в дымовых газах от концентрации водорода (Н ) в дымовых газах при сжигании мазута и природного газа; на фиг.3— схема устройства, реализующая предлагаемый способ регулирования процесса горения топлива; на фиг,4 — зависимость снижения оксидов азота в дымовых газах при регулировании процесса горения топлива 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 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 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 значениях коэффициента избытка воздуха достигнуть меньшей величины потерь тепла с химической неполнотой сгорания топлива, известными способами регулирования процесса горения невозможно.

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 эффективного 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 полностью компенсируется уменьшением потерь тепла с уходящими газами по сравнению с режимом нулевого химического недожога топлива. Таким образом, уменьшая избыток воздуха до значения h,NOx/ ЬНг = О. существенно уменьшается концентрация окси16<Ю5Я2 дальнейшее снижение коэффициента избытка воздуха неэффективно, так как происходит возрастание концентрации водорода 5

55 дов азота в дымовых тазах (здесь ЛКОх и

Л H2 — приращения концентрации). Однако и, соответственно, недопустимое увеличение химического недожога топлива, а также сначала возрастание и затем малоэффектлвное снижение оксидов азота, Поэтому оптим:. зация процесса горения топ.кива

Осуществляется сначала уменьшением коэффициента избытка воз,;уха путем установления его минимального значения :.ри возрастании концентрации водорода B дымовых газах до соотношения Л МОх/ Л Н2 = О, соответствующего концентрации водорода вплоть до 0,04 об.%, Здесь кончается область эффективного сниженля избытков воздуха путем уменьшения расхода дутьевого воздуха, так как резко уменьшается экономи ност прсцесса с орания топлива из-за химической неполноты сгорания топлива, а эффект снижения концентраций оксидон азота становится даже меньше по сравнению с предыдущим режимом. Только при более высоком значении водорода н дымовых газах (соответственно и меньших коэффициентах избытков воздуха) концентрации оксидов азота становится снова низкими, но снижение их величлны неравнозначно ухудшению процесса сжигания топлива и технико-экономически нецелесообразно, Всплеск концентраций оксидов азота в продуктах сгорания топлива обьясняется взаимным влиянием на уровень концентраций оксидов азота в зоне активной их генерации, как максимальчой 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 уменьшению 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 llpvl монотонном возрастаний водорода. Поэтому при достижении A N0xi Л Н2 = 0 в длапазоне концентраций водорода в дымовых газах от

0,015 до 0,04 Об.% для более глубокого снижения концентрации оксидов азота в зону

40 горения с интенсивной генерацией оксидов азота осуществляют подачу влаги (ноды, водяного пара или совместно) и одновременно контролируют концентрации водорода и окаидов 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 постегенного увеличения ее расхода г ри текущ.1. контроле водооодз и оксидов азота н продуктах cmpaния до достижения минимальной концентрации водорода в дымовых -à:çàõ и более глубокого подавления оксидов азата (фиг.4). Сигналом к:трекращениюу,величения подачи влаги н зону горения является всплеск увеflII÷åíия .-:Он:;=-нтраи ; KBK оксидов азота вследствие захолаживанич факела и заморозке оксидов азота, так и водорода вследствие ухуцшения процесса подготовки топлива к сжиганию и собственно процесса сжигания. Конкретное количество подаваемой н зону горения влаги зависит or типа топочно-горелочных устройств. ограничений по температурному режиму и условий эксплуатации паровых котлов и в настоящее время осуществляется

orIep!rIIaI-.Il персоналом по режимным кар =м путем управления регулирукицим клаг:а; ом. Без автоматического регулирования процессом горения топлива по предлагаемому способу на практике не удается достичь экологических и технико-зкономических преимуществ, так KBK только гредлагаемым способом достигается избирательная приостановка подачи влаги в зону горения в соответствии с нышеперечисленнымл условиями осуществления одновременного контроля водорода и оксидов азота при осуще-твлении дискретного включения впрыска воды или водяного пара в зону горения. Причем, поскольку раэрешающ.,й уровень Kонтроflë различныx изменений по водороду составляет 0,001 об,%, то для достоверного определения оптимальной точки процесса, т.е, минимума N0x и Н при дискретном фиксированном количестве нпрыскиваемой 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 кснцентрации водорода составляет более двух, кo не менее десяти минут, что соответствует ;иповому времени стабилизации процесса горения топлива при нанесении возмущения на топочный процесс паровых котлов. минимум концентрации водорода в дымовых газах и фиксация этого значения с

1698582 водорода в дымовых газах, имевших место 25 до включения впрысков влаги в зону горения. Здесь достигается реализация допол- .

30 передают сигналы в вычислитель 14

Л NOx/ Л Hz, выход которого связан с огра-. ничителем 15 по заданию водорода. Схема 50 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 и риводит уже к нарушению процесса сжигания топлива. вызывая всплеск роста концентраций как водорода, так и оксида углерода, и является недопустимым по условиям 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 нительного эффекта от улучшения условий перемешивания горючего с окислителем вследствие ввода влаги в зону горения и дополнительной турбулиэации факела, за счет чего снижается критический коэффициент избытка воздуха. Возможность осуществления способа регулирования процесса горения топлива поясняется схемой, представленной на фиг,3. 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 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

20 газах 0,005 об.ф. 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 ЛМОх/ ЛНг - О. После этого устройство 14 вычисления A NO>/Hz 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 "ОптимаХром", изменяя корректирующее воздействие, автоматически устанавливает новое значение коэффициента избытка воздуха, выводя систему на заданное содержание водорода, но не больше того, при котором

Л NOx/ Л Нг = О. Система управления, включающая элементы 14, 15, 5 и 13, реализуется с помощью микроконтроллера К-1-20 (" Электроника" MC 2702).

Пример. Были измерены концентрации оксидов азота (NO<), водорода (k2), окиси углерода {СО), кислорода (Oz) на паровом котле ТГМП-314 энергоблока мощностью

300 МВт, Опытные данные экспериментальных замеров укаэанных величин при сжигании мазута беэ 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

Л NOx/ Л Нг = 0 приводит к дальнейшему подавлению оксидов азота, а последующая коррекция режима горения топлива по во1698582

10 дороду (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 эа 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

5 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 электро10 станции с шестью знергоблаками превышает 1 млн. руб. в год.

Формула изобретения

1. Способ регулирования процесса горения жидкого и газообразного топлива пу15 тем 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, 20 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

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

30 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

35 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 пода40 чей влаги.

1698582

1698582 и

a) easyrn, жр и ии ах ТАМИ" М

Р/У

ФО юи д,t xf

Цир OPAbu fu3 дарйй Мм ж 5КЗЫ

1698582

СНУЮ

ЮЗАМИ

Аь

uut

03Е тра

Ю@ф

ЮОЛ

Input юру и боссвано3лвнии 0 ру сиоЗноьо вар рициинжа злюка брука дд3 ä05 ОР7

Фиа4

Составитель А. Засимов

Техред М.Моргентал . Корректор А, Осауленко

Редактор Э, Силган

Производственно издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 4382 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5