Вертикальная четырехгранная топка для совместного сжигания природного газа и продуктов газификации угля и способ работы топки

 

Использование: использование на котлах теплоэлектростанций, сжигающих природный газ и продукты газификации угля. Сущность изобретения: топка содержит камеру сгорания с установленными на ее двух противоположных стенах по крайней мере в один ряд соплами для ввода воздуха и соплами для ввода природного газа, размещенными на стенах на одном уровне с воздушными соплами в каждом горизонтальном их ряду, причем оси всех сопл направлены тангенциально к горизонтальной окружности в центре топки. Кроме того, камера сгорания имеет сопло для ввода продуктов газификации угля, установленное в поду и ориентированное вдоль вертикальной оси топки. 2 с.п. ф-лы, 5 ил., 6 табл.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах ТЭС и котельных сжигающих пpиpодный газ и продукты газификации угля.

Известна вертикальная четырехгранная топка для сжигания пыли с установленными на ее стенах воздушными соплами и на одном с ними уровне соплами для ввода топлива, причем последние установлены между воздушными соплами и по касательной и горизонтальной окружности в центре топки [1]. Топка имеет при сжигании в ней природного газа и продуктов газификации угля низкую степень выгорания вводимого топлива.

Известна также вертикальная четырехгранная топка для совместного сжигания продуктов газификации угля и органического топлива, содержащая камеру сгорания с установленными на двух ее противоположных стенах горелками для сжигания органического топлива, причем горелки установлены по крайней мере в один ряд, кроме того, в поду топки установлено сопло для ввода продуктов газификации, ориентированное вдоль вертикальной оси камеры сгорания [2] (прототип).

Однако эта топка имеет также низкую степень выгорания вводимого топлива при сжигании вместе с продуктами газификации природного газа.

Известен, способ работы вертикальной четырехгранной топки путем ввода потоков пыли и воздуха через раздельные сопла, установленные на одном уровне, причем струи пыли вводят в пространство между струями воздуха, и струи пыли образуют горизонтальное вращение топочной среды с осью вращения в центре камеры сгорания.

К недостатку этого способа также можно отнести высокий уровень концентрации окиси азота и бенз(а)пирена в отводимых продуктах сгорания при сжигании вместо пыли продуктов газификации и природного газа.

Известен способ работы четырехгранной вертикальной топки путем ввода через горелки потоков воздуха, пыли и природного газа, причем скорость истечения газа в топку 1,8-6,0 раз выше скорости истечения воздуха.

Недостаток этого способа - высокий уровень концентрации окиси азота и бенз(а)пирена при сжигании вместе с природным газом продуктов газификации.

Известен также способ работы четырехгранной вертикальной топки путем ввода потока продуктов газификации угля через сопло в поду топки, струй природного газа и воздуха через сопла с двух противоположных стен [3] (прототип). Однако и при его реализации в продуктах сгорания высокий уровень концентрации окиси азота и бенз(а)пирена.

Технический результат изобретения - повышение степени выгорания топлива и снижение концентрации окиси азота и бенз(а)пирена в продуктах сгорания.

Для этого в вертикальной четырехгранной топке для совместного сжигания природного газа и продуктов газификации угля, содержащей камеру сгорания с установленными на двух ее противоположных стенках по крайней мере в один горизонтальный ряд горизонтальными соплами для ввода воздуха и соплами для ввода природного газа, размещенными на стенах на одном уровне с воздушными соплами в каждом горизонтальном их ряду, причем оси всех сопл направлены тангенциально к горизонтальной окружности в центре топки, кроме того, камера сгорания имеет сопло для ввода продуктов газификации угля, установленное в поду ориентированное вдоль вертикальной оси топки, расстояние между соплом для ввода продуктов газификации в поду топки и соплами для ввода природного газа и воздуха в первом горизонтальном ряду составляет Н = (0,6 - 1,2)А, а расстояние между воздушными соплами на каждой из противоположных стен равно В = (0,5 - 0,9)А, где А - ширина стен топки с установленными на них соплами, м.

При работе топки, осуществляемой путем ввода потока продуктов газификации угля через сопло в поду топки, струй природного газа и воздуха - через сопла с двух противоположных стен, скорость истечения струй природного газа составляет U₁ = =(1,5-1,75)U₃, а потока продуктов газификации U₂ = (0,25 - 0,5)U₃, где U₃ - скорость истечения воздушных струй из сопл на стенах, м/с.

Выполнением расстояния между соплом для ввода продуктов газификации в поду топки и соплами для ввода природного газа и воздуха в первом горизонтальном ряду, равным Н = (0,6-1,2)А, и расстояния между воздушными соплами на каждой из противоположных стен В = (0,5-0,9)А, достигается максимальная степень выгорания топлива ( Ψ = 1- q₄ - q₃, где q₄ и q₃ - степень механического и химического недожога топлива).

При сжигании одного природного газа, как показали исследования на котлах БКЗ-210-140ф (см.схемы топок на фиг. 1, 2, 3 и табл.1, 2, 3), при В = 0,7А уровень Ψ = 1,0. При незначительных отклонениях В от значений 0,7А уровень Ψ = 1,0. При В = 0,5 А; В = 0,9 А параметр Ψ = 1,0. Но как только даже незначительно В < 0,5А, В > 0,9А параметр Ψ ≅ 0,98. При сжигании одного пpиpодного газа параметр Н влияния на результаты не оказывал. Это влияние было четко обозначено при сжигании отдельно или совместно с природным газом продуктов газификации.

При сжигании одних продуктов газификации челябинского угля с исходным уровнем перед вводом в топку q₄ ≈10% (мелкая пыль) и q₃ ≈ 50% параметр Ψ ≈0,99 соответствовал В = 0,7А и Н = 0,8А. При незначительных отклонениях В и Н в большую или меньшую стороны параметр Ψ ≈0,99. При В = 0,5А; В = 0,9А; Н = 0,6А; Н = 1,2A параметр Ψ = 0,98. Как только В < 0,5А; В > 0,9А; Н < 0,6А; Н > 1,2А параметр Ψ ≅ 0,92-0,925.

При сжигании одновременно природного газа и продуктов газификации в случае В = 0,7А и Н = 0,8А параметр Ψ ≈0,99. При незначительном отклонении В и Н в большую или меньшую стороны параметр Ψ ≈0,99. При В = 0,5А; В = 0,9А; Н = 0,6А; Н = 1,2А параметр Ψ ≈ 0,98. Как только В < 0,5А; В > 0,5А; Н < 0,6А; Н > 1,2А параметр Ψ ≅0,92-0,93.

Пpи переходе на продукты газификации из другого угля в частности, экибастузского, картина изменения Ψ в зависимости от В и Н сохраняется полностью. Соотношение скоростей истечения из сопл воздуха, природного газа и продуктов газификации на изменение Ψ практически влияния не оказывает. Также не влияют на результат геометрические параметры С, D, E, K, M (см. фиг.3), количество газовых сопл 3 на каждой из стен в каждом горизонтальном ряду. Те же результаты получены при испытании топки на фиг.4 и 5.

При эксплуатации топки (фиг.1, 2 и 3) или топки (фиг.4 и 5) в продуктах сгорания образуются окислы азота (NO_x) бенз(а)пирен (Б) ядовитые вещества, негативно воздействующие на окружающюю среду и здоровье людей. Уровень концентрации этих веществ в продуктах сгорания сильно зависит от соотношения скорости истечения в топку газовых и воздушных струй (см.табл. 4, 5, и 6). Так при вводе в топку только природного газа очень сильно влияние соотношения U₁/U₃ (U₁ и U₃ - скорость истечения газа и воздуха, м/с). Так, если U₁/U₃ = 1,6 концентрация NO_x = 50 мг/м³; Б = 2˙10^-5 мг/м³. При незначительных отклонениях U₁/U₃ в большую или меньшую стороны NO_x ≈ 50 мг/м³; Б ≈ 2˙10^-5 мг/м³. При U₁/U₃ = 1,5; U₁/U₃ = =1,75 параметры NO_x = 55-60 мг/м³; Б ≈ 2˙10^-5 мг/м³. Как только U₁/U₃ < 1,5; U₁/U₃ > 1,75 параметры NO_x > 120 мг/м³; Б > 10˙10^-5 мг/м³.

При сжигании одного продукта газификации угля в случае U₂/U₃ = 0,35 параметры NO_x ≈ 250 мг/м³; Б ≈ 40˙10^-5 мг/м³. При незначительных отклонениях U₂/U₃ в большую или меньшую стороны NO_x ≈ 250 мг/м³; Б ≈ 40˙10^-5 мг/м³. При U₂/U₃ = 0,25; U₂/U₃ = 0,5 параметры NO_x ≈ 250-280 мг/м³. Б ≈ (40-50)˙10^-5 мг/м³. При U₂/U₃ < 0,25. U₂/U₃ > 0,5 параметры nO_x > 460-500 мг/м³; Б = (80-120)˙10^-5 мг/м³.

При одновременном сжигании продуктов газификации угля и природного газа значения скорости их истечения взаимно влияют на результаты сжигания. Так при U₁/U₃ = 1,6; U₂/U₃ = 0,35 параметры NO_x ≈ 200 мг/м³; Б ≈ 20˙10^-5 мг/м³. При незначительных отклонениях U₁/U₃ и U₂/U₃ в большую или меньшую стороны параметры NO_x ≈ 200 мг/м³; Б ≈ 20˙10^-5 мг/м³. При U₁/U₃ = 1,5; U₁/U₃ = 1,75; U₂/U₃ = 0,25; U₂/U₃ = 0,5 параметры NO_x ≈ 250 мг/м³; Б = 30˙10^-5 мг/м³. Как только U₁/U₃ < 1,5; U₁/U₃ > 1,75; U₂/U₃ < 0,25; U₂/U₃ > 0,5 параметры NO_x > 500 мг/м³ ; Б > 100˙10^-5 мг/м³.

При эксплуатации топки (см.фиг.4, 5) наблюдаются те же характерные изменения NO_x и Б. В зависимости от типа угля, поступающего на газификацию, значений коэффициента избытка воздуха в топке абсолютные уровни NO_x и Б могут несколько отличаться. Данные табл.4, 5 и 6 приведены при выдерживании оптимальных соотношений геометрических характеристик топки (В = (0,5 - 0,9)˙А и Н = (0,6 - 1,2)˙А. Как только В < 0,5А; В > 0,9А; Н < 0,6А; Н > 1,2А, параметры NO_x > 500 мг/м³ и Б > 100˙10^-5 мг/м³ при сжигании продуктов газификации отдельно или совместно с природным газом; при сжигании одного природного газа вне оптимальных геометрических соотношениях В/А параметры NO_x > 120 мг/м³,В > 10˙10^-5 мг/м³. Значения диаметра окружности вращения dy влияния на параметры NO_x; Б; Ψ фактически не оказывают.

Выявленные условия и диапазоны геометрических Н = (0,6-1,2)А; В = (0,5-0,9)А и технологических U₁/U₃ = 1,5-1,75; U₂/U₃ = =0,25 - 0,5 параметров с точки зрения получения положительных результатов в соответствии с целью изобретения являются существенными, обеспечивают повышение степени выгорания топлива и снижение концентрации окислов азота и бенз (а)пирена.

На фиг. 1 показана схема топки, продольный разрез, выполненный по варианту 1; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 4 - схема топки, продольный разрез, выполненный по варианту 2; на фиг.5 - вид по стрелке В на фиг.4.

Топка содержит камеру 1 сгорания, подовое сопло 2 для ввода продуктов газификации угля (газогенератор устанавливается вблизи топки, на фиг. 1, 2, 3 не показан), сопла 3 для ввода природного газа и сопла 4 для ввода воздуха, устанавливаемые на двух противоположных стенах на одном уровне и по крайней мере в один горизонтальный ряд, причем оси сопл на стенах ориентированы по касательной (тангенциально) горизонтальной окружности 5 в центре топки диаметром dy (см.фиг.3). Кроме того, сопла 3 для ввода газа размещены между соплами 4 для ввода воздуха. Сопло 2 в поду для ввода продуктов газификации угля ориентировано вдоль вертикальной оси 6 камеры 1. Расстояние между соплом 2 и нижними соплами на стенах Н = (0,6-1,2)А, а расстояние между воздушными соплами 4 на каждой стене В = (0,5-0,9)А.

Работа топки (см. 1, 2 и 3) осуществляется путем ввода через сопла 2, 3, 4 продуктов газификации природного газа и воздуха, причем скорость истечения струй природного газа U₁ = (1,5-1,75)U₃, скорость истечения продуктов газификации U₃ = (0,25-0,5)U₃, где U₃ - скорость истечения воздушных струй. Топливо при взаимодействии с воздухом образует продукты сгорания, выделяет тепло, которое передается в поверхностях нагрева воде и пару (на фиг. 1, 2 и 3 не показаны), а продукты сгорания отводятся в атмосферу. При работе топки (см.фиг. 1, 2, 3) снижаются выбросы в атмосферу вредных веществ (окислов азота и бенз(а)пирена при одновременном повышении степени выгорания вводимого топлива как при сжигании отдельно природного газа и продуктов газификации угля, так и при их совместном сжигании в топке.

Топка (см. 4, 5) содержит те же элементы, что и топка (см.фиг. 1, 2 и 3) и ее работа осуществляется аналогично вышеописанной.

В табл.1 проиллюстрированы результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2, 3. Сжигание природного газа Бухарского месторождения. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,15; А = 0,8 м; dy = 0,18 А, U₁ = 80 м/с; U₃ = 50 м/с.

В табл. 2 приведены результаты исследований модели топки по фиг. 1. 2, 3. Сжигание продуктов газификации челябинского угля. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,25; А = 0,8 м; dy = 0,18 А; U₂ = 16 м/с; U₃ = =50 м/с.

В табл. 3 приведены результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2, 3. Сжигание продуктов газификации челябинского угля и природного газа в соотношении 50-50% по тепловыделению. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,21; А = 0,8 м; dy = =0,18А; U₁ = 80 м/c; U₂ = 16 м/с; U₃ = 50 м/с.

В табл.4 проиллюстрированы результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2, 3. Сжигание природного газа Бухарского месторождения. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,15; А = 0,8 м; dy = 0,18 А; Н =0,8 А.

В табл.5 приведены результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2,3. Сжигание продуктов газификации челябинского угля. Коэффициент избытка воздуха 1,25; А = 0,8; dy = 0,18 А; Н = 0,8 А.

В табл. 6 приведены результаты исследований модели топки по фиг. 1, 2, 3. Сжигание продуктов газификации челябинского угля и природного газа в соотношении по тепловыделению 50/50. Коэффициент избытка воздуха в топке 1,21; А = 0,8 м; dy = 0,18А; Н = 0, 8А В = 0,8А.

Формула изобретения

ВЕРТИКАЛЬНАЯ ЧЕТЫРЕХГРАННАЯ ТОПКА ДЛЯ СОВМЕСТНОГО СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ И СПОСОБ РАБОТЫ ТОПКИ.

1. Вертикальная четырехгранная топка для совместного сжигания природного газа и продуктов газификации угля, содержащая камеру сгорания с вертикальным соплом для ввода продуктов газификации угля в поду и установленными на двух ее противоположных стенках по крайней мере в один горизонтальный ряд соплами для ввода воздуха и соплами для ввода природного газа, размещенными на стенах на одном уровне с соплами для ввода воздуха в каждом горизонтальном их ряду, причем оси всех сопл направлены тангенциально к горизонтальной окружности в центре топки, отличающаяся тем, что расстояние между соплом в поду и соплами для ввода природного газа и воздуха в первом горизонтальном ряду составляет H = (0,6 - 1,2) A, а расстояние между соплами для ввода воздуха на каждой противоположной стене B = (0,5 - 0,9) A, где A - ширина стены топки с соплами, м.

2. Способ работы топки путем ввода потока продуктов газификации угля через сопло в поду топки, а струй природного газа и воздуха через соответствующие сопла на ее стенках, отличающийся тем, что скорость истечения струй природного газа и скорость потока продуктов газификации угля составляют соответственно 1,5 - 1,75 и 0,25 - 0,5 скорости истечения воздушных струй из сопл на стенах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12