Способ ступенчатого сжигания газа в вертикальной призматической четырехгранной камере сгорания
Владельцы патента RU 2303193:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Способ относится к энергетике и может быть использован в топочной технике на котлах электростанций, отопительных и паросиловых установок, сжигающих газ для снижения выхода в атмосферу оксидов азота. Совершенствуется способ ступенчатого сжигания газа в вертикальной призматической четырехгранной камере сгорания путем организации воспламенения и начального неполного экзотермического окисления первичной порцией воздуха, вводимой вместе с газом общими плоскими вертикально-щелевыми потоками через установленные на одной из стен, по крайней мере, две и в один горизонтальный ряд вертикально-щелевые горелки, доокисления образующихся продуктов неполного сгорания кислородом, вводимых вдоль стен, примыкающих к стене с горелками, и вдоль плоскости симметрии камеры сгорания вторичной и третичной порциями воздуха, с подачей вторичных порций воздуха плоскими вертикально-щелевыми потоками спутно потокам газовоздушной смеси, а третичных порций воздуха плоскими щелевыми потоками с противоположной стены встречно потокам газовоздушной смеси и перпендикулярно отводимому в направлении выходного окна в верхней части камеры сгорания потоку продуктов неполного сгорания. При реализации способа вдоль примыкающих стен подают только потоки вторичных порций воздуха, а вдоль плоскости симметрии камеры сгорания направляют потоки газовоздушной смеси и третичной порции воздуха, причем порции воздуха вводят горизонтально-щелевыми дожигательными струями с одинаковым расходом как по горизонтальным рядам, так и по отдельным потокам. 14 ил.
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в топочной технике на котлах электростанций, отопительных и паросиловых установок, сжигающих газ при низком выходе в атмосферу оксидов азота.
Известен способ сжигания топлива в вертикальной призматической четырехгранной камере сгорания топки (имеющей несколько однотипных камер сгорания) путем организации воспламенения и последующего экзотермического окисления в смеси с первичной и вторичной порциями воздуха, вводимыми общими потоками через установленные на стенах горелки и отвода продуктов сгорания через окно в верхней части камеры сгорания (см. авторское свидетельство СССР №1150433, МПК F23C 6/02 от 06.04.83, опубл. Б.И. №14, 1985). Недостаток способа - высокий уровень выхода оксидов азота в атмосферу с образующимися продуктами сгорания.
Известен способ сжигания топлива в вертикальной призматической четырехгранной камере сгорания путем организации воспламенения и последующего экзотермического окисления в смеси с первичной и вторичной порциями воздуха, вводимыми общими потоками через установленные на одной из стен, по крайней мере, в один горизонтальный ряд в количестве одной пары в ряду горелки, отвода продуктов сгорания через окно в верхней части камеры сгорания (см. авторское свидетельство СССР №877225, МПК F23С 6/02 от 30.08.79, опубл. Б.И. №40, 1981 г.). Способ имеет тот же недостаток - высокий выход оксидов азота в атмосферу с образующимися продуктами сгорания.
Известен способ сжигания топлива в вертикальной призматической четырехгранной камере сгорания путем организации воспламенения и последующего экзотермического окисления в смеси с первичной и вторичной порциями воздуха, вводимыми общими плоскими вертикально-щелевыми потоками через установленные на одной из стен, по крайней мере, в один горизонтальный ряд в количестве одной пары в ряду вертикально-щелевые горелки, отвода образующихся газообразных продуктов через окно в верхней части камеры сгорания, причем из горелочных потоков со вторичной порцией воздуха и смеси топлива с первичной порцией воздуха формируют систему плоских параллельных реагирующих струй (см. книгу Д.М.Хзмалян, Я.А.Коган. Теория горения и топочные устройства. М.: Энергия, 1976, глава 7.9, стр.115; глава 18.2, стр.387). Недостаток способа - высокий выход оксидов азота в продуктах сгорания, выводимых из камеры в атмосферу.
Известен способ ступенчатого сжигания твердого и газообразного топлива в вертикальной призматической четырехгранной камере сгорания путем организации воспламенения и последующего экзотермического окисления угольной пыли в смеси с первичной порцией воздуха, вводимой общими потоками через установленные на одной из стен, по крайней мере, в один ряд в количестве одной пары в ряду горелки, доокисления образующихся продуктов неполного сгорания кислородом вторичной и третичной порций воздуха, вводимыми плоскими щелевыми потоками через щелевые сопла вдоль стен, примыкающих к стене с горелками, и вдоль плоскости симметрии камеры сгорания, отвода газообразующих продуктов через выходное окно в верхней части камеры сгорания, причем потоки со вторичными порциями подают спутно потокам газовоздушной смеси, а потоки с третичными порциями - встречно с противоположной стены и перпендикулярно отводимому потоку продуктов сгорания (см. патент РФ №2076998, МПК F23C 1/12 от 07.03.95; опубл. Б.И. №10 от 1997 г.). Способ позволяет снизить выход оксидов азота в продуктах сгорания при сжигании смеси твердого и газообразного топлива. Недостаток способа - повышенный расход воздуха, что влечет повышение потерь тепла с уходящими газами и снижение экономичности, дает прирост концентрации оксидов азота за счет окисления азота избыточного воздуха.
Наиболее близким является способ комбинированного сжигания природного газа, угольной пыли и газообразных продуктов термохимической переработки угля путем организации воспламенения и последующего экзотермического окисления в смеси с первичной порцией воздуха, вводимой общими потоками через установленные на одной из стен, по крайней мере, в один горизонтальный ряд, в количестве одной пары в ряду, горелки, доокисления образующихся продуктов неполного сгорания кислородом вторичной и третичной порций воздуха, вводимых плоскими щелевыми потоками через щелевые сопла вдоль стен, примыкающих к стене с горелками, вдоль плоскости симметрии камеры сгорания, вдоль стены с горелками и вдоль противоположной ей стены, отвода образующихся газообразных продуктов через выходное окно в верхней части камеры сгорания, причем потоки со вторичной порцией воздуха подают спутно потокам топливовоздушной смеси, а смесь газа с первичной порцией воздуха вводят общими плоскими вертикально-щелевыми потоками через плоские вертикально-щелевые отсеки горелок (см. патент РФ №2143084, МПК F23C 1/12 от 16.02.99, опубл. Б.И. №35, 1999). Способ реализует ступенчатый принцип горения топлива путем его поэтапного окисления первичной, вторичной и третичной порциями воздуха, он экономичен. Дает минимальный выход оксидов азота при сжигании газа с угольной пылью и газообразными продуктами газификации. Однако при сжигании одного газа повышен расход воздуха, а это влечет снижение экономичности из-за необходимости нагрева избыточной воздушной массы в камере и повышения потерь тепла с уходящими газами, дает прирост концентрации оксидов азота из-за необходимости окисления азота избыточного воздуха.
Задача настоящего изобретения - повышение эффективности сжигания газа со снижением потребления воздуха, тепловых потерь и концентрации оксидов азота в уходящих газах.
Для решения этой задачи при осуществлении способа ступенчатого сжигания газа в вертикальной призматической четырехгранной камере сгорания путем организации воспламенения и начального неполного экзотермического окисления первичной порцией воздуха, вводимой в смеси с газом общими плоскими вертикально-пылевыми потоками через установленные на одной из стен, по крайней мере, две и в один горизонтальный ряд вертикально-щелевые горелки, доокисления образующихся продуктов неполного сгорания кислородом, вводимых вдоль стен, примыкающих к стене с горелками, и вдоль плоскости симметрии камеры сгорания вторичной и третичной порциями воздуха, с подачей вторичных порций воздуха плоскими вертикально-щелевыми потоками спутно потокам газовоздушной смеси, а третичных - плоскими щелевыми потоками с противоположной стены встречно потокам газовоздушной смеси и перпендикулярно отводимому в направлении выходного окна в верхней части камеры сгорания потоку продуктов сгорания, согласно изобретению вдоль примыкающих стен подают только потоки со вторичными порциями воздуха, а вдоль плоскости симметрии камеры сгорания направляют потоки газовоздушной смеси и третичной порции воздуха, причем последние вводят горизонтально-щелевыми струями с равномерным расходом в горизонтальных рядах и отдельных потоках.
Организацией системы плоских реагирующих струй с подачей вторичных порций воздуха вдоль примыкающих стен, а газо-воздушной смеси вдоль плоскости симметрии камеры сгорания с последующей равномерной раздачей небольших третичных порций воздуха в отводимый поток продуктов неполного сгорания достигается процесс непрерывного растянутого во времени и пространстве камеры реагирования топливного и окислительного компонент, что минимизирует потребление (общий расход) воздуха, уменьшает выход окисленного азота в атмосферу и снижает потери тепла с уходящими газами. Изменение или устранение какой-либо операции по предлагаемому способу сжигания влечет резкое скачкообразное увеличение потребления воздуха и количественного выхода оксидов азота в продуктах сгорания. Нагрев в камере избыточной массы воздуха влечет и увеличение дополнительных тепловых потерь с отводимыми продуктами сгорания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа - вариант выполнения вертикальной призматической четырехгранной камеры сгорания для сжигания газа с одной горизонтально размещенной парой горелок, парой вертикально-щелевых сопл для ввода вторичной порции воздуха и парой горизонтально-щелевых сопл для ввода третичной порции воздуха, продольный разрез; на фиг.2 - вид в плане на фиг.1 с пояснениями способа ввода потоков реагентов в камеру сгорания; на фиг.3 - схема горелки и сопла для ввода вторичной порции воздуха, увеличенный вид А на фиг.1; на фиг.4 - схема сопла для ввода третичной порции воздуха, увеличенный вид Б на фиг.1; на фиг.5 - схема топки с группой однотипных устройств для осуществления предлагаемого способа - несколькими одинаковыми экранированными вертикально призматическими четырехгранными камерами сгорания для сжигания газа, объединенными двухсветными экранами в общее топочное устройство котла для выработки пара, продольный разрез одной из камер; на фиг.6 - разрез по В-В на фиг.5 с компоновкой камер сгорания, горелок и сопл, вид в плане; на фиг.7 - вид Г на фиг.5 на выходное окно топки с подключенными газоходами камер сгорания; на фиг.8 - схема топочного устройства с несколькими одинаковыми симметрично скомпонованными камерами сгорания для сжигания газа, подключенными к общему выходному окну топки; на фиг.9 - вид Д на фиг.8 на стену с горелками и соплами для ввода вторичных порций воздуха; на фиг.10 - вид Е на фиг.8 на стену с соплами для ввода третичных порций воздуха; на фиг.11 - схема топочного устройства с трехъярусным (в три горизонтальных ряда) размещением горелок и сопл; на фиг.12 - вид Ж на фиг.11 на горелку и сопло вторичного воздуха; на фиг.13 - вид в плане на горелку и сопло вторичного воздуха, разрез З-З на фиг.12; на фиг.14 - увеличенный вид газовыпускного сопла на фиг.13.
Устройство для осуществления предлагаемого способа ступенчатого сжигания газа представлено на фиг.1, 2, 3, 4. Оно содержит камеру сгорания 1 с вертикальными стенами 2, 3, 4, 5, подом 6, выходным окном 7, плоскостью симметрии 8, относительно которой распределяют потоки из горелок и сопл; на стене 2 симметрично плоскости 8 установлены горелки 9 с каналами 10 для подачи первичной порции воздуха и газораспределительными насадками 11, перфорированными отверстиями 12 для выпуска газа; также симметрично плоскости 8, но со смещением к примыкающим стенам 4, 5 установлены сопла 13 для подачи вторичной порции воздуха; напротив горелок на противоположной стене 3 установлены сопла 14 для ввода третичной порции воздуха. Горелки 9 и сопла 13, 14 выполнены плоскими, причем горелки 9 и сопла 13 имеют вертикально-щелевую форму, а сопла 14 - горизонтально-щелевую. Форма горелок 9 и сопл 13, 14 генерирует профили истекающих из них потоков. Выходное окно 7 камеры 1 подключено к системе нагрева воды (на фиг.1, 2, 3, 4 не показана).
При реализации способа в устройстве на фиг.1, 2, 3, 4 происходит воспламенение и начальное окисление газа кислородом первичной порции воздуха после их ввода в смеси через горелки 9. Горение первичной смеси сопровождается выделением тепла. Первичный экзотермический процесс, протекающий при недостатке кислорода, поддерживается вторичным процессом турбулентного перемешивания продуктов неполного сгорания с кислородом из потоков со вторичными порциями воздуха, подаваемыми спутно потокам газовоздушной смеси из сопл 13, а также из потоков с третичными порциями воздуха, подаваемыми встречно потокам газовоздушной смеси и перпендикулярно отводимому через выходное окно 7 потоку продуктов неполного сгорания из сопл 14, установленных на стене 3. Отводимые через окно 7 продукты сгорания направляют в систему нагрева воды (теплообменник, который на фиг.1, 2, 3, 4 не показан) и далее в атмосферу через дымовую трубу (также не показана). При истечении потоков из горелок 9 и сопл 13 в камеру 1 формируется система спутных параллельных реагирующих струй без контакта топливного реагента с поверхностью стен 4, 5; для минимизации последствий контакта вывода продуктов неполного сгорания со стеной 3 соплами 14 создается горизонтально-щелевая воздушная завеса, кислород которой участвует одновременно и в процессе доокисления топливного реагента. Подачей потоков вторичных порций воздуха из сопл 13 вдоль примыкающих стен 4, 5, а вдоль плоскости симметрии 8 камеры сгорания 1 потоков газовоздушной смеси из горелок 9 и третичной порции воздуха из горизонтально-щелевых сопл 14, причем последних горизонтально-щелевыми струями с равномерным расходом в горизонтальном ряду и отдельных потоках навстречу потокам газовоздушной смеси из горелок 9, предотвращают сажеобразование на стенах и повышают эффективность интегрального процесса выгорания топлива; растягивая при этом в пространстве и во времени экзотермический процесс реагирования топлива с кислородом, обеспечивают дозированное потребления последнего с минимальным расходом общего воздуха, вводимого в камеру 1. При минимальном же расходе воздуха потребляется минимальное количество тепла на нагрев воздушных масс, вводимых через горелки 9 и сопла 13, 14, окисляется минимальное количество азота, находящегося в воздухе. Любое переструктурирование потоков с изменением направления и формы приводит к резкому изменению характера экзотермического процесса, активизации сажеобразования, увеличению потребления воздуха и, как следствие, увеличению концентрации оксидов азота и потерь тепла на нагрев избыточной массы воздуха. Конкретное соотношение расходов воздуха в горелках 9 (g1) и в соплах 13, 14 (g2, g3) определяется при наладке. Для неэкранированной камеры 1 на фиг.1, 2, 3, 4 параметры g1, g2, g3 могут находиться в широком интервале значений.
Представленное на фиг.5, 6, 7 топочное устройство также реализует предлагаемый способ ступенчатого сжигания газа; оно содержит параллельно установленные и подключенные к общему выходному окну 7 камеры сгорания 1, экранированные трубами 15 системы нагрева и испарения воды (условно сплошные линии вдоль стен); внутри топочного объема установлены двухсветные экраны 16, выполняющие помимо технологической функции поверхности нагрева функцию разделительных примыкающих стен 4, 5 (по аналогии с устройством на фиг.1, 2, 3, 4). Все обозначения позиций с 1 по 14 соответствуют обозначениям на фиг.1, 2, 3, 4. Конструктивное отличие собственно камер сгорания 1 - наличие двух горизонтальных рядов ярусов горелок 9 и сопл 13 для ввода вторичных порций воздуха, а также трех горизонтальных рядов сопл 14 для ввода третичных порций воздуха, размещенных с равномерным шагом по высоте стен 2 и 3.
При реализации предлагаемого способа в устройстве на фиг.5, 6, 7 осуществляются те же операции и механизм взаимодействия потоков, что и в камере 1 на фиг.1, 2, 3, 4. Особенность способа - растянутость зоны реагирования по высоте камеры 1 при двухъярусном вводе реагентов из горелок 9 и сопл 13, вызывающая необходимость организации также растянутой по высоте воздушной завесы из горизонтально-щелевых потоков третичных порций воздуха, что достигается их равномерным перераспределением вдоль отводимого потока продуктов сгорания. Долевое соотношение расходов воздуха в горелках 9 (g1) и в соплах 13, 14 (g2, g3) находится при наладке.
В топочном устройстве на фиг.8, 9, 10 также реализуется предлагаемый способ ступенчатого сжигания газа; конструктивной особенностью этой топки является симметричное (зеркальное) размещение камер сгорания 1, подключенных к общему выходному окну 7 посредством соединительного газохода 17 с потолочными скатами 18; окно 7 подключено к теплообменному аппарату 19. На фиг.8, 9, 10 введены те же обозначения, что и на фиг.1, 2, 3, 4.
При реализации предлагаемого способа в устройстве на фиг.8, 9, 10 осуществляются те же операции, что и при реализации способа в устройствах на фиг.1, 2, 3, 4 и на фиг.5, 6, 7.
В топочном устройстве на фиг.11, 12, 13, 14 также реализуется предлагаемый способ; особенностью этого устройства является трехъярусное (в три горизонтальных ряда) размещение горелок 9 и сопл 13, 14 на стенах 2, 3 камеры 1, а также раздельная разнесенная по ширине стены 2 установка горелок 9 и сопл 13; кроме того, конструкция газовыпускных сопл 12 имеет свое решение (фиг.12, 13, 14). Здесь введены те же обозначения, что и на фиг.1, 2, 3, 4.
При реализации предлагаемого способа в устройстве на фиг.11, 12, 13, 14 осуществляются те же операции, что и при реализации способа в устройстве на фиг.1, 2, 3, 4.
Практическое применение способа связано с его использованием на котле ПК-33 Южно-Уральской ГРЭС, оборудованном топкой, горелкой и соплами на фиг.5, 6, 7. При переводе котла ПК-33 на предлагаемый способ (по которому ранее работал котел) в сравнении со способом по патенту РФ №2076998, МПК F23C 1/12 снижается потребление воздуха до 10%, концентрация оксидов азота в уходящих газах уменьшается на 30%, уменьшаются потребление электроэнергии тяго-дутьевых установок и потери с уходящими газами. Принятое для эксплуатации котла ПК-33 долевое соотношение расходов воздуха в горелках 9 g1=0,6-0,8; в соплах 13 g2=0,1-0,3; в соплах 14 g3=0,1-0,2. Абсолютные значения скорости и расходов газа и воздуха зависят от нагрузки котла, оптимальность их соотношений - вне объема настоящего изобретения.
Способ ступенчатого сжигания газа в вертикальной призматической четырехгранной камере сгорания путем организации воспламенения и начального неполного экзотермического окисления первичной порцией воздуха, вводимой в смеси с газом общими плоскими вертикально-щелевыми потоками через установленные на одной из стен, по крайней мере, две и в один горизонтальный ряд, вертикально-щелевые горелки, доокисления образующихся продуктов неполного сгорания кислородом вводимых вдоль стен, примыкающих к стене с горелками, и вдоль плоскости симметрии камеры сгорания вторичной и третичной порциями воздуха, с подачей вторичных порций плоскими вертикально-щелевыми потоками спутно потокам газовоздушной смеси, а третичных плоскими щелевыми потоками с противоположной стены встречно потокам газовоздушной смеси и перпендикулярно отводимому в направлении выходного окна в верхней части камеры сгорания потоку продуктов неполного сгорания, отличающийся тем, что вдоль примыкающих стен подают только потоки вторичных порций воздуха, а вдоль плоскости симметрии камеры сгорания направляют потоки газовоздушной смеси и третичной порции воздуха, причем последние вводят горизонтально-щелевыми струями с равномерным расходом в горизонтальных рядах и отдельных потоках.
