способ уменьшения содержания окислов азота в дымовых газах промышленных паровых котлов и горелка для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ уменьшения содержания окислов азота в дымовых газах из промышленного парового котла, нагреваемого угольной пылью, с использованием горелок, в особенности парового котла с торцевой системой горелок, расположенных на одной стенке печи горизонтальными рядами, при этом горелки отдельных рядов расположены одна над другой вертикальными рядами, где сжигание осуществляют в по крайней мере одной паре горелок, образованной посредством горелки, расположенной в верхней ряду, и горелки, расположенной ниже ее в нижнем ряду, где горелку, расположенную выше, питают топливовоздушной смесью более низкого качества, чем топливовоздушная смесь, подаваемая в горелку, расположенную ниже, отличающийся тем, что струю топливовоздушной смеси, вытекающую из горелок, расположенных в самом верхнем ряду, направляют наклонно вниз к зоне топливовоздушной смеси, подаваемой горелками нижних рядов, и в то же время из зоны горелок в самом верхнем ряду струю воздуха, подаваемого в печь, направляют вверх к зоне выжигания.

2. Горелка, содержащая цилиндрический, центральный топливный канал, один конец которого соединен посредством трубопровода с углеразмольной мельницей, а с другой открытый конец направлен к топочной камере парового котла, окруженный кольцевым каналом для вторичного воздуха, отличающаяся тем, что центральный канал (1) имеет на открытом конце обращенный к топочной камере (15) конический диффузор (3), установленный вдоль оси канала (1), большее основание (16) которого направлено от стенки топочной камеры (15), при этом угол раствора конуса диффузора (3) равен углу раствора конуса (5) апертуры в стенке (7) топочной камеры (15).

3. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что конусообразный диффузор (3) окружает всю периферию центрального канала (1), при этом диффузор (3) выполнен подвижным вдоль топочной камеры (15).

4. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что часть конусообразного диффузора (3), окружающая нижнюю половину центрального канала (1), выполнена подвижной вдоль оси центрального канала (1) и часть конусообразного диффузора (3), окружающая верхнюю половину центрального канала (1), выполнена неподвижной и соединена с источником дополнительного воздуха через регулирующую камеру (17), содержащую поворотные заслонки (11).

5. Горелка по п.4, отличающаяся тем, что она имеет в центральном канале (1) направляющую колесообразную заслонку (14), примыкающую к открытому концу горелки, отделяющую верхнюю часть центрального канала (1) и направленную наклонно к нижней части канала (10).

Описание изобретения к патенту

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 < 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 = 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 = 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.