СПОСОБ СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в химической промышленности и металлургии для уменьшения выбросов окислов азота из топок котлов при сжигании углеводородных топлив.

Известен способ сжигания углеводородного топлива (см. патент ФРГ NOS 3327597, кл. F 23 C 7/02, опубл.07.02.85 г.), заключающийся в раздельном подводе топлива и воздуха в горелку, распыливании топлива в двухслойном коаксиальном воздушном потоке и сжигании топлива при нестехиометрическом соотношении компонентов в объеме факела.

Подаваемый в горелку воздух разделяется на первичный, участвующий в горении топлива в корневой области факела, и вторичный, участвующий в дожигании хвоста факела. Вторичный воздух подается в зону горения порционно, за счет чего снижается температура в ядре факела и, как следствие, уменьшается образование оксидов азота.

Этот способ сжигания топлива не позволяет снизить выбросы окислов азота без существенного ухудшения горения и увеличения образования других окислов - углерода. Снижение температуры факела при нестехиометрическом горении непременно приводит к неполному выгоранию углерода и образованию коксовых остатков. Двухступенчатое сжигание топлива не получило распространения в энергетике, поскольку этот способ связан с существенным ухудшением полноты выгорания топлива и, как следствие, снижением кпд котла в целом.

Известен способ сжигания углеводородного топлива, ближайший по технической сущности и взятый за прототип, реализованный устройством (см. «Оксиды азота в дымовых газах котлов» Котлер В.Р., М., Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.30, стр.103), включающий раздельный подвод топлива и воздуха в горелку, преимущественную подачу топлива в центральную область воздушного потока и сжигание топлива на периферии факела в режиме избытка воздуха, а в центральной области факела - в режиме избытка топлива.

Подача топлива осуществляется из центра горелки, а воздушный поток разделен на первичный и вторичный и подается по периферии, и, причем, топливо распыливается главным образом в первичном потоке, и в центральной области факела горение происходит в «богатом» режиме, а на периферии факела организован «бедный» режим горения с избытком воздуха. Образование оксидов азота существенно зависит от температуры в области взаимодействия компонентов реакции горения и уменьшается при снижении температуры.

Недостатком способа сжигания углеводородного топлива, взятого за прототип, является ухудшение горения в целом и образование несгоревших частиц углерода в центральной части факела при незначительном снижении выхода оксидов азота. Незначительное переобогащение центральной области факела топливом приводит к некоторому снижению выхода оксидов азота, но, одновременно, при этом ухудшается эффективность сжигания топлива и кпд котла снижается, факел выбрасывает дым и копоть.

Известна горелка для сжигания газообразного углеводородного топлива, ближайшая по технической сущности и взятая за прототип (см. «Оксиды азота в дымовых газах котлов» Котлер В.Р., М., Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.30, стр.103), состоящая из воздушного короба, полого трубчатого газового коллектора с выходными газовыми отверстиями и расположенного коаксиально внутри коллектора парового завихрителя, выполненного в виде цилиндрического тела с торцами и радиальными профилированными каналами, установленного с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым отверстием.

Воздушный поток разделяется на два - первичный и вторичный. Газообразное топливо распыливается в оба воздушных потока, но в первичный поток - избыточное количество, а во внешний - недостаточное количество для получения стехиометрического соотношения компонентов в области горения. Температура факела меньше стехиометрической ввиду забалластирования факела избытком топлива во внутренней области и избытком воздуха на периферии, что приводит к снижению выхода оксидов азота.

Недостатком горелки, принятой за прототип, является неполное сгорание топлива в факеле и, как следствие этого, снижение экономических показателей энергоустановки в целом. Недостаток кислорода во внутренней области факела приводит к образованию в этой области крупных частиц спекшегося углерода С*, который очень трудно выжечь в дальнейшем. В хвосте факела, где к продуктам неполного сгорания из центральной области подмешивается вторичный воздух, невостребованный в процессе горения на периферии, температура уже снизилась и образовавшиеся ранее крупные частицы углерода С* не успевают выгореть полностью.

Известна горелка для сжигания жидкого углеводородного топлива, ближайшая по технической сущности и взятая за прототип (см. «Оксиды азота в дымовых газах котлов» Котлер В.Р., М., Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.27, стр.95), состоящая из воздушного короба и форсунки на стволе, представляющей собой топливный завихритель и паровой распылитель, установленные с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым устройством, выполненным в виде полого съемного колпачка с отверстиями на сферическом торце.

Воздушный поток разделяется на два - первичный и вторичный. Жидкое топливо распыливается в оба воздушных потока, но в первичный поток - избыточное количество, а во внешний - недостаточное количество для получения стехиометрического соотношения компонентов в области горения. Температура факела меньше стехиометрической ввиду забалластирования факела избытком топлива во внутренней области и избытком воздуха на периферии, что приводит к снижению выхода оксидов азота.

Недостатки горелки, принятой за прототип, те же. Неполное сгорание топлива в факеле и, как следствие этого, снижение экономических показателей энергоустановки в целом. Недостаток кислорода во внутренней области факела приводит к образованию в этой области крупных частиц спекшегося углерода С*. В хвосте факела, где к продуктам неполного сгорания из центральной области подмешивается вторичный воздух, невостребованный в процессе горения на периферии, температура уже снизилась и образовавшиеся ранее крупные частицы углерода С* не успевают выгореть полностью.

Известна горелка для сжигания твердого углеводородного топлива, ближайшая по технической сущности и взятая за прототип (см. «Оксиды азота в дымовых газах котлов» Котлер В.Р., М., Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.14, стр.76), состоящая из воздушного короба, полого трубчатого коллектора подачи топлива с кольцевым выходом и расположенного коаксиально внутри коллектора парового завихрителя, выполненного в виде цилиндрического тела торцами и радиальными профилированными каналами, установленного с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым отверстием.

Подача топлива в виде аэросмеси осуществляется из центра горелки, а воздушный поток подается по периферии и разделен на первичный и вторичный, причем топливо распыливается главным образом в первичном потоке, и в центральной области факела горение происходит в «богатом» режиме, а на периферии факела организован «бедный» режим горения с избытком воздуха.

Недостатком горелки, взятой за прототип, является ухудшение горения в целом и образование несгоревших частиц углерода в центральной части факела при незначительном снижении выхода оксидов азота. Незначительное переобогащение центральной области факела топливом приводит к некоторому снижению выхода оксидов азота, но, одновременно, при этом ухудшается эффективность сжигания топлива и кпд котла.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение образования оксидов азота при сжигании углеводородного топлива без снижения полноты его выгорания.

Технический результат достигается тем, что в способе сжигания углеводородного топлива, включающем раздельный подвод топлива и воздуха в горелку, преимущественную подачу топлива в центральную область воздушного потока и сжигание топлива на периферии факела в режиме избытка воздуха, а в центральной области факела - в режиме избытка топлива, в центральную область факела подается пар и на эту область накладывается поле акустических колебаний.

В горелке, предназначенной для сжигания газообразного углеводородного топлива, состоящей из воздушного короба, полого трубчатого газового коллектора с выходными газовыми отверстиями и расположенного коаксиально внутри коллектора парового завихрителя, выполненного в виде цилиндрического тела торцами и радиальными профилированными каналами, установленного с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым отверстием, у парового завихрителя один торец заглушен, а противоположный плавно сопряжен с сопловым отверстием в корпусе.

В горелке, предназначенной для сжигания жидкого углеводородного топлива, состоящей из воздушного короба и форсунки на стволе, представляющей собой топливный завихритель и паровой распылитель, установленные с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым устройством, выполненным в виде полого съемного колпачка с отверстиями на сферическом торце, внутри колпачка установлен с зазором меньший, аналогичный по форме колпачок с отверстиями, соосными наружному, при этом в наружном колпачке выполнены дополнительные отверстия в центральной части, не имеющие соответствующих во внутреннем колпачке.

В горелке, предназначенной для сжигания твердого углеводородного топлива, состоящей из воздушного короба, полого трубчатого коллектора подачи топлива с кольцевым выходом и расположенного коаксиально внутри коллектора парового завихрителя, выполненного в виде цилиндрического тела с торцами и радиальными профилированными каналами, установленного с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым отверстием, у парового завихрителя один торец заглушен, а противоположный плавно сопряжен с сопловым отверстием в корпусе.

Предложенный способ сжигания углеводородного топлива состоит в следующем.

При сжигании углеводородного топлива обычно топливный коллектор располагается по центру воздушного короба, и топливо впрыскивается струями в воздушный поток изнутри, т.е. струи топлива распространяются в сносящем потоке воздуха от центра к периферии под некоторым углом. При этом струи топлива распространяются веером и создают завесу проникновению воздуха к центру общего потока.

Аэрация потока топлива происходит с периферии внутрь, к центру горелки. Прогрев смеси и последующая вспышка топлива начинаются наоборот изнутри факела и инициируются за счет тепла, приносимого раскаленными продуктами сгорания в зоне обратных токов из хвоста факела в корневую область.

Уровень выбросов NOx определяют в основном три режимных параметра: концентрация кислорода в зоне обратных токов, температура горения и время пребывания молекул азота N₂ и кислорода O₂ в области высоких температур (выше 1750 К). Обычно снижают уровень выбросов NOx уменьшением температуры в зоне активного горения путем создания областей нестехиометрического горения. Центральную область корня насыщают топливом на начальном участке факела, препятствуя свободному доступу к нему кислорода с периферии, а затем дожигают недогоревшие остатки в хвосте, в области избытка кислорода. При этом уровень образования оксидов азота снижается, но в топке котла наблюдается дым и копоть, которая оседает на холодных экранах.

Способ снижения образования оксидов азота, взятый в качестве прототипа, основан на снижении температуры факела за счет его расчленения на две области нестехиометрического горения. Но области разделены не по горизонтали, вдоль направления движения компонентов, а в вертикальной плоскости, т.е. поперек направления движения потоков топлива и воздуха. Топливо подается из центра в поток первичного воздуха и горение начинается в условии переобогащения начального участка факела топливом. Первичный поток воздуха отделен от вторичного слоем инертных газов рециркуляции, которые препятствуют турбулентному перемешиванию компонентов, и горение на периферии факела осуществляется при недостатке горючего. Факел расчленен на две области горения условно - горение происходит и на периферии факела, и в его внутренний области одновременно, но горение внутри развивается в условии переобогащения топливом, а на периферии - при условии переобогащения воздухом. Факел как бы двухслойный.

Кислород может поступать во внутреннюю область факела в корневое сечение лишь за счет его эжектирования из хвоста факела, где воздушный поток в значительной мере забалластирован продуктами сгорания. Снижение образования окислов азота в двухслойном факеле достигается за счет того, что наружный факел забалластирован избытком воздуха, ненужного для горения на этом этапе и лишь поглощающем энергию, выделяемую при горении. А внутренний факел забалластирован избытком топлива CH₄, которое при недостатке свободного кислорода но достаточном уровне температуры разлагается на компоненты, а именно на молекулы углерода С и водорода H. Молекулы водорода выгорают в первую очередь и молекулам углерода уже не остается кислорода для горения, хотя температура вполне достаточна. При недостатке кислорода, но достаточном уровне температуры молекулы углерода начинают спекаться и образовывать крупные частицы кристаллического углерода С*. Покинув корень факела, частицы углерода частично догорают на некотором удалении от горелки, создавая свечение в этой области. Горение растянуто. Также растягивается и пик температуры на начальном участке факела, а следовательно, уменьшается образование оксидов азота.

При соблюдении необходимых условий уровень выброса окислов азота снижается на 15...25%, в зависимости от режима работы котла. Но факел при этом вытягивается и хвостовая часть его становится светящейся, что говорит о наличии значительного количества раскаленных частичек углерода. Таким образом, платой за снижение образования оксидов азота является уменьшение полноты сгорания топлива и, как следствие, уменьшение кпд энергоустановки в целом.

Предложенный способ сжигания газообразных углеводородов позволяет сжигать топливо с невысоким уровнем образования оксидов азота, ниже, чем в прототипе, и при этом уверенно выжигать топливо без образования коксовых остатков и уменьшения кпд энергоустановки за счет подачи пара именно в переобогащенную центральную область корневого сечения факела. Кроме этого, существенное влияние на выгорание топлива в условиях недостатка кислорода оказывает наложение на эту область интенсивных акустических колебаний.

Известно, что пары воды существенно интенсифицируют процесс окисления углерода. Механизм этого явления не раскрыт до конца до сих пор, но многочисленными опытами детально проверено, что присутствие паров воды существенно убыстряет реакцию горения углерода. Существует много публикаций на эту тему и многие исследователи подавали воду и водяной пар в горелки энергетических котлов. В рассматриваемом способе предлагается подавать водяной пар не просто в газовый факел, а именно в предварительно созданную область «богатого» горения части топлива в центральной области корневого сечения факела. Кроме того, для интенсификации процессов, происходящих в области горения, предлагается наложить на нее поле акустических колебаний.

Предложенный способ позволяет снизить уровень образования оксидов азота за счет снижения температуры в ядре факела, а зону активного горения расчленить на две области и забалластировать обе: периферийную область - избытком воздуха, а центральную - избытком топлива. Периферия факела выгорает чисто, избыток воздуха несколько снижает температуру горения на периферии, но внешне это никак не сказывается - горение снаружи прозрачное. А вот подача паров воды во внутреннюю область факела сразу приводит к повышению прозрачности также и центральной области факела, и исчезновению черного «хвоста» факела. Такие визуальные изменения горения позволяют судить о полноте горения топлива и, косвенно, даже о кпд энергоустановки в целом.

В каждой газовой горелке имеется распыливающее устройство для подачи в горелку жидкого топлива. Предлагается установить вместо него распыливающее устройство с использованием водяного пара в качестве рабочего тела для генерации акустических колебаний среды. Отработавший пар подается в корневую часть факела и внутри этой области создается источник акустических колебаний, который принципиально напоминает обычную паровую или паромеханическую форсунку с той лишь разницей, что внутри него предусмотрены паровые каналы специальной формы, позволяющие организовать внутри устройства систему догоняющих сверхзвуковых струй. Сдвиговые напряжения на кромках струй создают значительные перепады давления и генерируют возмущения в окружающей среде, которые распространяются из распылителя наружу. Интенсивные колебания среды улучшают смешение компонентов в замкнутом объеме и препятствуют образованию в области горения крупных спекшихся частичек углерода. В этом случае продуктом неполного окисления углерода будет монооксид углерода СО, который обязательно окислится до двуокиси углерода СО₂ в хвосте факела.

Схема пароакустического генератора представлена на фиг.4 и расположение паровых каналов видно на фиг.4 и 5. В поперечном сечении пароакустического генератора видно взаимное положение паровых каналов и очевидно, что сами каналы могут иметь сечение произвольной формы, лишь бы на выходе из каналов получалась система догоняющих сверхзвуковых газовых струй.

Объединение трех технических решений в одну заявку связано с тем, что три устройства горелки решают одну и ту же задачу - снижение выхода оксидов азота при сжигании углеводородного топлива без уменьшения полноты сгорания топлива одним и тем же способом, а именно: формированием в центральной области факела избытка топлива, подачей в эту область пара или распыленной воды и наложением на эту область поля акустических колебаний.

Каждое из технических решений отличается от своего прототипа тем, что к известному способу снижения выхода оксидов азота за счет создания в центральной области факела восстановительной среды, добавляется еще и подача именно в нее пара или распыленной воды для улучшения выгорания кристаллического углерода и создание поля акустических колебаний для улучшения взаимодействия компонентов смеси.

Решения не могут быть изложены в одном пункте формулы ввиду различия их ограничительных частей, выражающих различия в конструкции горелок, и каждая конструкция представляет собой самостоятельное изобретение. Но в формуле твердотопливной и газовой горелки одинаковая отличительная часть ввиду того, что угольная пыль подается в горелку в виде аэросмеси.

Углеводородное топливо используется в качестве горючего в трех агрегатных состояниях: в газообразном виде, в жидком или твердом, вместе с этим несколько различна и конструкция горелочных устройств для его сжигания. Устройства представляют собой самостоятельные технические решения, но они объединены единым способом работы и преследуют единую цель.

Аналогами пароакустической форсунки по п.4 формулы являются два устройства (см. патент №2158390 и «Малые котлы и защита атмосферы» Беликов С.Е., Котлер В.Р. М., Энергоатомиздат, 1996 г., с.112), также предназначенные для распыливания жидкого топлива за счет энергии пара. Предложенная конструкция пароакустической форсунки является «изюминкой» конструкции горелки, предназначенной для сжигания жидкого углеводородного топлива. Предложенная конструкция форсунки позволяет подать пар в центральную область факела из центральных отверстий соплового устройства. Внутренний колпачок предназначен для того, чтобы паровой вихрь, распространяющийся по периферии внутренней полости форсунки, натекал в щель между колпачками и вытекал через центральные отверстия внешнего колпачка, а распыленное топливо вместе с частью пара вытекает через отверстия внутреннего колпачка и далее через внешние отверстия наружного колпачка. Диаметр отверстий во внутреннем колпачке меньше диаметра внешних отверстий наружного колпачка, а диаметр внутренних отверстий наружного колпачка еще меньше, и выполнены они под меньшим углом к оси устройства, чем внешние отверстия.

Паровые каналы форсунки генерируют интенсивные акустические колебания во внутренней полости форсунки, и акустические волны распространяются через сопловые отверстия вместе со струями пара вовне форсунки.

Аналогом пароакустического генератора по п.п.3 и 5 формулы является устройство форсунки (см. патент №2158389), предназначенной для распыливания жидкого топлива за счет энергии пара. При отсутствии подачи топлива генерация паровыми каналами акустических колебаний во внутренней полости устройства усиливается многократно. Можно использовать в качестве пароакустического генератора форсунку по патенту №2158389, если вместо жидкого топлива подавать тот же пар или воду. На всех ТЭС или котельных имеются замазученные или замасленные стоки воды, которую нельзя сливать в городскую канализацию. Можно подавать такую воду в топливный канал и «поймать двух зайцев» - избавиться от замазученной воды и снизить выход оксидов азота при сжигании газа или же угольной аэросмеси.

Предложенный способ сжигания углеводородных топлив позволяет существенно снизить выбросы окислов азота по сравнению со способом, взятым за прототип, без ухудшения полноты выгорания топлива и снижения экономических показателей работы энергоустановки в целом.

На фиг.1 представлена схема газовой горелки и двухслойного факела.

На фиг.2 представлена схема жидкостной горелки.

На фиг.3 представлена схема твердотопливной горелки.

На фиг.4 представлен сборочный чертеж пароакустического генератора и представлена схема расположения паровых каналов.

На фиг.5 представлен сборочный чертеж пароакустической форсунки-генератора и представлена схема расположения паровых каналов.

Горелка для сжигания газообразного углеводородного топлива состоит из: воздушного короба 1 (см. фиг.1), в каналах которого установлены лопаточные завихрители воздуха 2, газового коллектора 3, представляющего собой трубу-в-трубе, между которыми подается газ, вытекающий в закрученный воздушный поток через газовые отверстия 4 в газовом насадке. В газовый коллектор 3 вставляется штанга с пароакустическим генератором 5 на конце. Пароакустический генератор представляет собой полый цилиндрический корпус 14 (см. фиг.4) с сопловым отверстием 16, в котором с осевым зазором вставлен паровой завихритель 15, представляющий собой полое тело вращения с радиальными профилированными каналами на торце, обращенном к сопловому отверстию в корпусе и заглушенное с противоположной стороны. Паровые каналы в плоскости поперечного сечения распыливающего устройства имеют форму повторяющегося элемента логарифмической кривой.

Горелка для сжигания жидкого углеводородного топлива отличается тем, что в газовый коллектор вставляется не пароакустический генератор, а пароакустическая форсунка-генератор 8 (см. фиг.2), позволяющая и распыливать жидкое топливо в спутный поток воздуха, и генерировать акустические колебания при истечении из нее пара.

Пароакустическая форсунка-генератор состоит из полого цилиндрического корпуса 18 (см. фиг.5), в который вставлены тела вращения: топливный завихритель 19 и паровой распылитель 20, на торцах которого нарезаны лопаточные паровые каналы, представляющие в плоскости поперечного сечения устройства повторяющийся элемент логарифмической кривой. Сопловое устройство представляет собой наружный полый съемный колпачок 21 с отверстиями на сферическом торце, внутри которого установлен с зазором такой же по форме, но меньший по размеру колпачок 22 с отверстиями, соосными отверстиям наружного колпачка. Кроме периферийных отверстий в центральной части наружного колпачка выполнены еще отверстия меньшего диаметра. Корпус форсунки наворачивается через медную прокладку 23 на основание 24, в котором выполнены сверления для подачи в форсунку топлива по центральному каналу и пара по периферийным каналам.

Горелка для сжигания твердого углеводородного топлива отличается от горелки газовой лишь исполнением коллектора подачи топлива, который также представляет собой «трубу-в-трубе», но не имеет конического насадка с отверстиями на конце, а заканчивается кольцевой щелью, через которую в камеру воспламенения подается топливо в виде аэросмеси.

Работает горелка следующим образом.

Воздух нагнетается внутрь воздушного короба 1 (см. фиг.1), продавливается через лопаточные завихрители 2 и двумя закрученными потоками поступает в камеру воспламенения. Газ подается в газовый коллектор и выдавливается из него через отверстия в коническом газовом насадке тоже в камеру воспламенения. Газовые отверстия спроектированы таким образом, что в первичный поток воздуха подается избыточное количество газа, а во вторичный поток - недостаточное для создания стехиометрического соотношения компонентов горючей смеси.

Пар подается по штанге в кольцевой канал между цилиндрическим корпусом генератора 14 и паровым завихрителем 15 (см. фиг.4), продавливается через профилированные лопаточные каналы и образует во внутренней полости генератора систему догоняющих сверхзвуковых струй. Отработавший в генераторе пар выбрасывается через сопловое отверстие 16 в центральную область факела. Система догоняющих струй генерирует акустические волны, распространяющиеся вне генератора во внутреннюю область факела. На периферии факела формируется область «бедного» горения, а во внутренней области факела создается область с избытком топлива и присутствием в ней пара или распыленной воды, а также акустических волн.

В случае работы жидкостной горелки воздух подается в камеру воспламенения таким же образом, газовый коллектор отключен, а жидкое топливо подается по стволу в пароакустическую форсунку, продавливается через каналы топливного завихрителя 19 (см. фиг.5) и закрученным потоком поступает во внутреннюю полость форсунки.

Пар подается по стволу в форсунку, в кольцевой канал между цилиндрическим корпусом 18 и паровым распылителем 20, и далее картина течения аналогична движению пара через пароакустический генератор. Пар продавливается через профилированные каналы во внутреннюю полость форсунки, где образует систему догоняющих струй, и активно взаимодействует с закрученным потоком топлива. Часть парового вихря сохраняет свою структуру при поступательном движении, натекает в кольцевую щель между наружным 21 (см.фиг.5) и внутренним 22 колпачками соплового устройства, и вытекает наружу через центральные отверстия наружного колпачка. Паровой вихрь отжимает топливо к центру внутренней полости форсунки и поэтому паромазутная эмульсия вытекает через отверстия во внутреннем колпачке и далее через периферийные отверстия наружного колпачка в камеру воспламенения горелки.

Акустические волны распространяются через сопловые отверстия наружу и существенно интенсифицируют тепло и массообменные процессы в факеле, что препятствует образованию крупных частиц кристаллического углерода.

В случае работы горелки на твердом топливе система подачи воздуха в горелку остается прежней. Топливо в виде аэросмеси подается в горелку по топливному коллектору и вытекает из кольцевой щели в камеру воспламенения. Работа пароакустического генератора аналогична варианту газовой горелки.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа сжигания углеводородного топлива на тепловых станциях заключается в снижении выбросов оксидов азота без снижения полноты сгорания топлива.