Способ сокращения эмиссии окислов азота

Изобретение относится к технике экологически чистого сжигания газообразного топлива, а именно к проблеме создания малотоксичных газовых горелок. Способ сокращения эмиссии окислов азота в газовых горелках, вмонтированных в стенку теплового агрегата и снабженных газо- и воздухоподводящими патрубками, заключается в частичной рециркуляции в газогорелочное устройство уходящих продуктов сгорания путем их подачи непосредственно в поток газа до его сжигания и предварительном рекуперативном подогреве воздуха, идущего на горение. В качестве инжектирующей силы для вовлечения уходящих продуктов сгорания в газовое топливо используется давление газового потока. По мере возрастания температуры предварительного рекуперативного подогрева воздуха на горение увеличивают количество инжектируемого рециркулянта от 40 до 100% от объема газового топлива, а частичную рециркуляцию в газогорелочное устройство и вовлечение уходящих продуктов сгорания в газовое топливо осуществляют с помощью трубопровода через отверстие, выполненное в стенке теплового агрегата. Кроме того, поддерживают эмиссию окислов азота в газовых горелках 50-60 мг/м³. Реализация способа обеспечивает получение минимально возможной концентрации окислов азота (NO_х) в продуктах сгорания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технике экологически чистого сжигания газообразного топлива, то есть к проблеме создания малотоксичных газовых горелок.

Известным техническим решением является многостадийное смешение газа с воздухом (в две-три стадии), обеспечивающее удлинение факела, а следовательно, снижение его максимальной температуры и сокращение образования окислов азота [1]. Этот способ сложен в осуществлении на практике, а большая длина факела ограничивает область его применения.

Известен также способ малотоксичного сжигания газообразного топлива путем частичной рециркуляции уходящих продуктов сгорания в зону формирования факела [2]. Однако этот способ приводит к сокращению эмиссии окислов азота всего на 20-30% и не способствует снижению температуры корня факела, а обусловливает разбавление продуктов горения балластными рециркулируемыми уходящими газами в завершающей (хвостовой) зоне факела.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату решением является способ осуществления рециркуляции продуктов сгорания в ряде зон по длине факела [3], но снижение температуры в корне факела, наиболее ответственной за образование термических окислов азота, незначительно.

Задачей изобретения является универсальность технического решения и непосредственное воздействие на снижение температуры факела, а следовательно, получение минимально возможной концентрации окислов азота (NO_x) в продуктах сгорания.

Указанная цель достигается тем, что в способе сокращения эмиссии окислов азота в газовых горелках, вмонтированных в стенку теплового аппарата и снабженных газо- и воздухоподводящими патрубками, включающем частичную рециркуляцию в газогорелочное устройство уходящих продуктов сгорания путем их подачи непосредственно в поток газа до его сжигания, использование в качестве инжектирующей силы для вовлечения уходящих продуктов сгорания в газовое топливо давления газового потока и предварительный рекуперативный подогрев воздуха на горение, по мере возрастания температуры предварительного рекуперативного подогрева воздуха на горение увеличивают количество инжектируемого рециркулянта от 40 до 100% от объема газового топлива, а частичную рециркуляцию в газогорелочное устройство и вовлечение уходящих продуктов сгорания в газовое топливо осуществляют с помощью трубопровода через отверстие, выполненное в стенке теплового агрегата. Кроме того, поддерживают эмиссию окислов азота в газовых горелках 50-60 мг/м³.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом и аналогами показывает, что предлагаемый способ отличается непосредственным смешением рециркулянта с газом до его сжигания. В этом главное его отличие и соответствие критерию «новизна».

В известном способе [3] рециркулянт распределяют по длине факела, не воздействуя на температуру начальной зоны (корня) факела. В заявляемом способе газ предварительно смешивают с рециркулянтом, инжектируемым с помощью (избыточного) давления газового потока. Представленные признаки изобретения соответствуют критерию «существенные отличия».

На чертеже представлена принципиальная схема газогорелочного устройства для осуществления заявляемого способа. В стенку теплового агрегата 1 вмонтирована газовая горелка 2, снабженная газо- и воздухоподводящими патрубками. В стене 1 выполнено отверстие 3, через которое с помощью трубопровода 4 в газовый поток инжектируется рециркулянт.

Способ согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Для вовлечения (инжекции) рециркулянта в газовое топливо в качестве инжектирующей силы используют (избыточное) давление газового потока.

Экологическая эффективность предварительного разбавления рециркулянтом газового потока перед его сжиганием подтверждена экспериментально, результаты исследований приведены в таблице.

Эксперимент	Максимальная температура в факеле, °С	Эмиссия вредных компонентов, мг/м3
NOх	СО
1. Горелка без рециркуляции	1640°С	195	45
2. Рециркуляционная горелка [2]	1600°С	160	60
3. Рециркуляционная горелка с распределением рециркулянта по длине факела [3]	1450°С	80-100	90-130
4. Горелка с предварительным вводом рециркулянта в газовое топливо [заявляемое изобретение]	1230°С	40-60	160-180

Испытаны четыре варианта газовых горелок с различными способами формирования факела.

За базовый вариант принята газовая горелка без рециркуляции продуктов сгорания. Для нее характерна высокая температура факела и, как следствие, высокая эмиссия NO_x (195 мг/м³) и минимальный недожог.

В аналоге [2] за счет рециркуляционной вставки в зону сформировавшегося факела инжектируется часть продуктов сгорания. Максимальная температура факела практически не изменяется, а в хвостовой части факела (за счет рециркулянта) она несколько снижается, что приводит к снижению концентрации NO_x и некоторому росту эмиссии СО.

В третьем варианте горелки с распределением рециркулянта по длине факела максимальная температура факела снизилась на 200°С. Это неизбежно привело примерно к 2^х-кратному снижению выхода NO_x и такому же росту концентрации СО.

И, наконец, в заявляемом способе с подачей рециркулянта в газовое топливо эмиссия NO_x снизилась в 2 раза по сравнению с прототипом (п.п.3 и 4 таблицы). За счет заметного снижения максимальной температуры факела (до 1230°С) одновременно повысился выход СО (160-180 мг/м³) в объеме предельно допустимой концентрации.

Приведенные в таблице экспериментальные данные относятся к горелкам без предварительного подогрева воздуха на горение.

В специальном эксперименте согласно заявляемому изобретению (п.4 таблицы) осуществлен рекуперативный подогрев воздуха на горение до 300°С, 400°С и 500°С.

Для поддержания эмиссии NO_x на уровне, достигнутом без подогрева воздуха - 50-60 мг/м³, по мере роста температуры предварительного подогрева воздуха до 300°С, 400°С и 500°С, приходилось увеличивать объем инжектируемого рециркулянта от 40 до 100% от объема газового топлива. При этом эмиссия СО снижалась до 100-120 мг/м³.

Таким образом, проведенная систематизация экспериментальных данных подтвердила эффективность ввода рециркулянта непосредственно в поток газа до его сжигания. Эмиссия NO_x снижается при этом примерно в 4 раза по сравнению с другими способами сжигания газа.

В настоящее время на Каменском заводе газоиспользующего оборудования ОАО «Промгаз» осуществляется конструктивная проработка устройства для осуществления заявляемого способа. Планируется выпуск малотоксичных рециркуляционных газовых горелок.

Источники информации

1. А.с. СССР №1657870 А1, кл. F 23 D 14/00, 1991 г.

2. Каталожный лист компании «MARATHON - ARZ - Gasgeblasebrenner».

3. Патент РФ №2202735, А1, кл. F 23 D 14/12, 2003 г.

1. Способ сокращения эмиссии окислов азота в газовых горелках, включающий частичную рециркуляцию в газогорелочное устройство, газовая горелка которого вмонтирована в стенку теплового агрегата и снабжена газо- и воздухоподводящими патрубками, уходящих продуктов сгорания путем их подачи непосредственно в поток газа до его сжигания, использование в качестве инжектирующей силы для вовлечения уходящих продуктов сгорания в газовое топливо давления газового потока и предварительный рекуперативный подогрев воздуха на горение, отличающийся тем, что по мере возрастания температуры предварительного рекуперативного подогрева воздуха на горение увеличивают количество инжектируемого рециркулянта от 40 до 100% от объема газового топлива, а частичную рециркуляцию в газогорелочное устройство и вовлечение уходящих продуктов сгорания в газовое топливо осуществляют с помощью трубопровода через отверстие, выполненное в стенке теплового агрегата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают эмиссию окислов азота в газовых горелках 50-60 мг/м³.