Способ уменьшения содержания окислов азота в дымовых газах промышленных паровых котлов и горелка для осуществления способа - RU2116565C1

Чертежи

Описание

Изобретение имеет отношение к паровому котлу, нагреваемому с помощью горелок, в которых используют угольную пыль, главным образом к паровому котлу с торцевой системой горелок, расположенных на одной стенке печи горизонтальными рядами, при этом горелки в отдельных рядах расположены одна над другой вертикальными рядами, где сжигание осуществляют в по крайней мере одной паре горелок. Такую пару образуют посредством горелки, расположенной в верхнем ряду, и горелки, расположенной под ней в нижнем ряду, при этом горелку, расположенную в верхней позиции, питают более низкокачественной топливовоздушной смесью в сравнении с питанием горелки, расположенной в нижней позиции.

Известны способ и система для уменьшения содержания NO_x в дымовых газах, включающие сгорание топливовоздушной смеси в по крайней мере одной паре горелок, одна из которых расположена в верхней позиции, а другая ниже в топочной камере [1] . Горелку, расположенную в верхнем ряду, питают более низкокачественной топливовоздушной смесью по сравнению с питанием горелки, расположенной в нижнем ряду. Система для применения этого способа имеет одну углеразмольную мельницу, подающую топливовоздушную смесь в обе горелки упомянутой пары, и различие в составе смеси, выделяемой отдельными горелками, достигается посредством дифференцирования количества первоначального воздуха, подаваемого в горелки.

Известна горелка [2], которая содержит центральный цилиндрический канал, питаемый топливовоздушной смесью из углеразмольной мельницы, и выпускное отверстие этого канала направлено в топочную камеру. Центральный цилиндрический канал окружен кольцевым каналом, через который подают вторичный воздух, направленный в топочную камеру вокруг топливовоздушной смеси, вытекающей из центрального канала. Количество вторичного воздуха регулируют с помощью лопастного устройства, установленного на подсосе воздуха в кольцевой канал. При конкретном решении вопроса известная горелка имеет кольцевое выпускное отверстие, направленное к боковой поверхности конуса, вершина которого лежит внутри горелки, это означает, что струя воздуха вводится в камеру сгорания с расширением относительно струи топливовоздушной смеси.

Эффективность способа уменьшения содержания окислов азота в дымовых газах [1] является, однако, ограниченной, что является результатом относительно короткой зоны восстановления NO_x, расположенной между зоной сгорания и зоной выжигания, над соплами для продувки дополнительного воздуха, называемыми "офа"-соплами. Восстановление NO_x до молекулярного азота зависит от того, насколько долго окислы азота остаются в зоне восстановления. Это время зависит от скорости конвекции газов из топочной камеры и длины зоны восстановления. Когда скорость конвекции газов является постоянной, время, необходимое для того, чтобы газы остались в зоне восстановления, является пропорциональным длине этой зоны, измеренной вдоль топочной камеры. В известном способе сжигания длина зоны восстановления является слишком маленькой. Недостаток горелки [2] состоит в невозможности осуществления регулирования конуса факела дополнительного воздуха, вытекающего из печи, и промывки наружной зоны факела топливовоздушной смеси, вытекающей из горелки, и поскольку упомянутая смесь имеет невысокое содержание кислорода, это благоприятствует уменьшению содержания окислов азота, выделяющихся во время сгорания.

Целью изобретения является удлинение зоны восстановления NO_x для того, чтобы снизить содержание окислов азота, выделяющихся в дымовых газах из парового котла, и горелка для осуществления этого способа.

Сущность изобретения состоит в направлении струи топливовоздушной смеси, вытекающей из горелок в самом верхнем ряду, наклонно вниз к зоне сгорания топливовоздушной смеси, поставляемой горелками в нижних рядах и, таким образом, в уменьшении границы этой зоны, что приводит к удлинению расстояния между границей этой зоны и зоны выгорания, и поэтому к удлинению зоны восстановления NO_x. В соответствии со способом струю воздуха подают из зоны горелки в самом верхнем ряду и направляют вверх в направлении зоны выжигания для того, чтобы увеличить содержание кислорода в зоне восстановления NO_x, что вызывает дальнейшее восстановление окислов азота до молекулярного азота и превращение CO в CO₂.

Изобретение включает также горелку, содержащую цилиндрический, центральный топливный канал, один конец которого соединен посредством трубопровода с углеразмольной мельницей, а другой открытый конец направлен к топочной камере парового котла, окруженной кольцевым каналом для вторичного воздуха. В соответствии с изобретением центральный канал имеет на открытом конце обращенный к топочной камере конусообразный диффузор, установленный вдоль оси канала, при этом большее основание конуса удалено от боковой стенки топочной камеры, и угол раствора конуса диффузора равен углу раствора конуса апертуры в стенке топочной камеры.

На фиг. 1 изображен вид в продольном сечении предлагаемой топочной камеры; на фиг. 2 - распределение горелок в топочной камере; на фиг. 3 - продольный разрез горелки с конусообразным диффузором; на фиг. 4 - продольный разрез горелки с направляющей заслонкой в топливном канале; на фиг. 5 - то же, разрез А-А на фиг. 4.

Пример осуществления способа. В топочной камере 15 парового котла установлено четыре ряда горелок 18, 19, 20, 21, расположенных в стенке 7 камеры 15. Два верхних ряда содержат соответственно шесть горелок 20 и 21, тогда как два нижних ряда содержат соответственно четыре горелки 18 и 19.

Горелки отдельных рядов расположены одна над другой в вертикальных рядах. Горелки 18-21 питали топливовоздушной смесью из углеразмольных мельниц 24, где одна мельница питала четыре горелки, расположенные по две в одном ряду, и таким образом обеспечивала горелки, лежащие в верхнем ряду и в нижнем ряду. Сопла 22 для дополнительного воздуха были расположены между горелками 21 самого верхнего ряда и выпускным отверстием 23 из топочной камеры 15 в стенке 7. Горелки 18 и 19 нижних рядов подавали высококачественную топливовоздушную смесь при коэффициенте обеднения воздухом λ < 1, что делало смесь субстехиометрической. Горящая смесь образовывала зону горения 25а, где в результате обеднения воздухом образовывалось относительно небольшое количество окислов азота, меньшее, чем если бы горение осуществляли при большом избытке воздуха. Газы из зоны 25а перетекли в зону горения 25b, которую питали низкокачественной топливовоздушной смесью с λ = 1,2-1,4 из горелок 20 и 21. Смесь, вытекающая из горелок 20 и 21, является, таким образом, источником дополнительного количества кислорода и поэтому источником углеводородов C_nH_m. Газы из зоны горения 25b перетекали в зону 26, где NO_x восстанавливались до молекулярного азота. Восстановление NO_x до молекулярного азота требует некоторого времени. Для постоянной скорости конвекции газа вверх вдоль топочной камеры 15 время NO_x, оставшихся в зоне 26, зависело от длины этой зоны, то есть от расстояния между верхней границей зоны горения 25b и соплами 22 дополнительного воздуха. Для того чтобы увеличить время пребывания газов, оставшихся в зоне 26, в способе в соответствии с изобретением расположение верхней границы зоны горения 25b смещали вниз путем направления струи топливной смеси 29, подаваемой посредством горелок 21, наклонно вниз в направлении 25а. Одновременно из горелок 21 в зону восстановления NO_x поставляли струю дополнительного воздуха 30. В зоне 26 происходили превращения в соответствии со следующим общим уравнением:
2NO+2C_nH_m+(2n+n/2-1)O₂→ N₂+2nCO₂+mH₂O.
В то время как молекулы NO возникали из зон 25а и 25b, молекулы C_nH_m возникали, главным образом, из зоны 25b, в которой происходило испарение из дополнительного топлива, подаваемого горелками 20 и 21, а молекулы O₂ создавались из избытка воздуха в топливовоздушной смеси, подаваемого через горелки 20 и 21, и из воздуха, подаваемого в потоке 30. Удлинение зоны 26 в соответствии с изобретением обеспечивает протекание реакции в соответствии с приведенным выше уравнением. Газы из зоны 26 протекали в зону выжигания 27, где благодаря воздуху, подаваемому соплами 22, происходило превращение CO в CO₂. Следует, что при общем избытке воздуха в пределах λ = 1,2-1,4, вследствие увеличения зоны восстановления NO_x 26, количество NO_x в дымовых газах уменьшалось ниже уровня 170 мг/нм³, т.е. ниже предела, установленного международными требованиями, согласно которым содержание CO должно быть близко к 0.

На фиг. 3 показана горелка в соответствии с изобретением, применяемая в виде горелки 20 во втором ряду от верха в топочной камере 15. На одном конце центральный цилиндрический канал 1 для горения соединен с трубопроводом 6, связывающим горелку с углеразмольной мельницей 24. Другой открытый конец канала 1 направлен к топочной камере 15. Трубу 8 для подачи мазута или фурму для вдувания газа, использованную для разжигания парового котла, располагают на оси топливного канала 1. На открытом конце камеры 1 устанавливают подвижной диффузор 3, заканчивающийся конусом с большим основанием 16, направленным от стенки топочной камеры 15, и включающий всю периферию выходного отверстия печи. Угол раствора конусообразного диффузора 3 равен углу раствора конуса 5 апертуры в стенке 7 топочной камеры 15. Канал 1 окружен кольцевым каналом 2 для дополнительного воздуха. Диффузор 3 снабжен радиальными лопастями 9, расположенными перед конусом диффузора 3, в то время как лопасти 9 находятся в кольцевом канале 2 и придают вторичному втекающему воздуху вращательное движение. Между диффузором 3 и конусом 5 находится апертура 4, глубина которой изменяется в зависимости от расположения диффузора 3, крайняя позиция диффузора 3 отмечена на фиг. 3 пунктирной линией. При наиболее выдвинутом вперед положении диффузора 3 апертура 4 будет самой широкой, что обеспечит протекание больших объемов вторичного воздуха. При наиболее удаленном положении диффузора 3 апертура 4 полностью сокращается, и поэтому вторичный воздух не достигает топочной камеры 15. Количество воздуха, протекающего через апертуру 4, является незначительным, и оно не оказывает существенного влияния на состав смеси, подаваемой горелкой 20. Целью применения воздушного потока, вытекающего через апертуру 4, является предотвращение образования шлака вокруг выпускного отверстия горелки. На фиг. 4 и 5 показана горелка в соответствии с изобретением, у которой подвижный диффузор 3 включает нижнюю половину топливовыпускного отверстия канала 1. Верхняя половина топливного канала 1 включает неподвижный диффузор 28, соединенный с каналом 10 для дополнительного воздуха. Канал 10 соединен с регулирующей камерой 17, которая имеет на своей периферии радиальные заслонки 11, установленные на оси 12. Вращение осей 12 вызывает изменение положения заслонки 11, вследствие чего воздух втекает в большей или меньшей степени.

Для вращения оси 12 используют механизм 13. Конус диффузора 28 направляет поток воздуха вверх, и таким путем образуется поток 30. В верхней части топливного канала 1, примыкающей к выпускному отверстию в топочную камеру 15, горелка имеет направляющую заслонку 14 (в виде колеса), расположенную наклонно, при этом ее нижний край направлен к выходу канала 1. Направляющая заслонка 14 направляет вниз струю топливоаэрированной смеси, текущую к топочной камере 15, и таким путем образуется поток 29. Диффузор 3 в нижней части канала 1 образует струю воздуха, вытекающего через апертуру 4, и это предотвращает образование шлака на периферии выпускного отверстия горелки. Дополнительный воздух, вытекающий с неподвижной стороны верхней части диффузора 28, используют для обогащения дымовых газов кислородом в зоне восстановления NO_x 26.

Реферат

Способ уменьшения содержания NO_x состоит в направлении струи топливовоздушной смеси, подаваемой самым верхним рядом горелок, вниз в топочную камеру и направлении струи воздуха вверх в эту же камеру. Для осуществления этого способа используют горелку с диффузором, установленным в топливном канале горелки, при этом для обеспечения регулирования количества вторичного воздуха диффузор выполнен подвижным. Технический результат заключается в снижении содержания NO_x в продуктах сгорания. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула