способ сжигания жидких углеводородных топлив

Формула изобретения

Способ сжигания жидких углеводородных топлив, включающий центральную подачу топлива в горелку, распыливание его форсункой и периферийную подачу воздуха, отличающийся тем, что распыливание топлива форсункой в спутный поток воздуха осуществляется под двумя углами в форме двух полых конусов, расположенных один внутри другого, причем сжигание топлива во внешнем факеле осуществляется в режиме избытка воздуха, а во внутреннем - в режиме избытка топлива.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ сжигания жидких углеводородных топлив (см. патент ФРГ NOS 3327597, кл. F 23 С 7/02, опубл. 07.02.85 г.), включающий центральную подачу топлива в горелку, распыливание его форсункой и периферийную подачу воздуха.

Подаваемый в горелку воздух разделяется на первичный, участвующий в горении топлива в корневой области факела, и вторичный, участвующий в дожигании хвоста факела. В промежутке между ними в горелку поступают продукты сгорания из топки котла, эжектируемые струей первичного воздуха. Вторичный воздушный регистр расположен снаружи первичного.

Этот способ сжигания жидких топлив не позволяет снизить выбросы окислов азота без существенного ухудшения горения и увеличения образования других окислов - углерода. Снижение температуры периферии факела непременно приводит к неполному сгоранию 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 жидких топлив, ближайший по технической сущности и взятый за прототип, реализованный устройством (см. патент RU 2158390, кл. F 23 D 11/18 от 29.06.99 г.), включающий центральную подачу топлива в горелку, распыливание его форсункой и периферийную подачу воздуха.

Топливная форсунка расположена на оси горелки и осуществляет распыл жидкого топлива в спутный закрученный поток воздуха.

Эффективное распыливание топлива форсункой создает предпосылку для хорошей аэрации факела, высокой температуры в зоне активного горения и интенсивного и короткого факела. Беспрепятственное проникновение периферийного воздуха в приосевую область факела, в зону обратных токов создает условия для активного соединения молекул топливного азота и кислорода воздуха в молекулы NOx в зоне высокой температуры.

Недостатком способа сжигания жидких углеводородных топлив, взятого за прототип, является выброс распыленного топлива форсункой в виде одного полого конуса в спутный закрученный поток воздуха, формирование в центре факела зоны активного горения с содержанием компонентов реакции в соотношении, близком к стехиометрическому, что приводит к интенсивному образованию окислов азота в области высокой температуры.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение образования окислов азота при сжигании жидкого углеводородного топлива без снижения полноты сгорания топлива и вытягивания факела.

Технический результат достигается тем, что в способе сжигания жидких углеводородных топлив, включающем центральную подачу топлива в горелку, распыливание его форсункой и периферийную подачу воздуха, распыливание топлива форсункой в спутный поток воздуха осуществляется под двумя углами, в форме двух полых конусов, расположенных один внутри другого, причем сжигание топлива во внешнем факеле осуществляется в режиме избытка воздуха, а во внутреннем - в режиме избытка топлива.

Предложенный способ сжигания жидких углеводородных топлив состоит в следующем. При сжигании жидких углеводородных топлив форсунка обычно устанавливается на оси горелки. При таком ее расположении подача воздуха всегда получается периферийной, причем горелка может иметь несколько воздушных регистров и каждый воздушный регистр иметь свой закручивающий аппарат. Топливо вытекает из механической форсунки тонкой пленкой в форме полого конуса и дробится спутным воздушным потоком на отдельные капли. Аэрация поля орошения происходит с периферии внутрь, т.е. молекулы воздуха в процессе перемешивания с молекулами топлива проникают снаружи в глубь поля орошения к оси. Прогрев поля орошения и последующая вспышка топлива начинаются, наоборот, изнутри факела за счет тепла, приносимого раскаленными продуктами сгорания из хвоста факела в корневую область. Способность факела подсасывать раскаленные продукты сгорания из собственного хвоста в корневое сечение вдоль осевой линии обусловлена наличием выраженной тангенциальной составляющей скорости у воздушных потоков, сообщаемой им закручивающими аппаратами. Кроме этого, разрежение в приосевой области факела создается за счет того, что топливо выдавливается из форсунки через сопло, которое придает направление его первоначальному движению. А этот заданный угол выброса и инерция капель топлива создают разрежение в приосевой области, куда устремляются раскаленные газы из хвоста факела. Эта зона обратных токов является "запальником", от интенсивности которого зависит температура в зоне активного горения и интенсивность воспламенения топлива в корне факела.

Кроме того, зона обратных токов представляет собой область невысоких осевых скоростей, а в приосевой области продукты сгорания движутся даже навстречу основному движению топлива и воздуха. Время пребывания возбужденных за счет нагрева молекул азота N₂ и кислорода О₂ в этой области в десятки раз выше, чем в основном потоке, соответственно выше и вероятность их соединения в молекулу NO.

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 О₂ в области высоких температур (выше 1750 К).

Обычно снижают уровень выбросов NOx, уменьшая температуру в зоне активного горения путем создания областей нестехиометрического горения. Корень факела перенасыщают топливом, препятствуя свободному доступу к нему кислорода с периферии, а затем дожигают недогоревшие остатки в области избытка кислорода. При этом в топке котла наблюдается дым и копоть, которая оседает на холодных экранах.

Невысокое качество распыла топлива обычными механическими или паромеханическими открытыми форсунками не позволяет снизить активность зоны обратных токов, так как ее интенсивность определяет выгорание топлива на горизонтальном участке факела. Для улучшения выгорания топлива стремятся увеличить наружный диаметр факела путем увеличения угла выброса топлива из форсунки, но этот путь ведет к увеличению диаметра зоны обратных токов, а вместе с ним увеличивается и уровень выбросов NOx.

В последние годы испытаны и успешно внедряются в энергетику форсунки, позволяющие более гибко формировать поле орошения без ухудшения качества распыла топлива. Предлагаемый способ сжигания жидких углеводородных топлив (ЖУ-ВТ) базируется на их использовании.

Способ основан на расчленении факела также на две области нестехиометрического горения. Но области разделены не по горизонтали, вдоль направления движения компонентов, а в вертикальной плоскости, т.е. поперек потоков топлива и воздуха. Форсунка выбрасывает топливо под двумя углами Ф1 и Ф2 (см. фиг. 2), двумя самостоятельными полыми конусами, расположенными один внутри другого. Поле орошения представляет собой в сечении два кольца - одно внутри другого (см. фиг.1). Наружный топливный конус препятствует воздушному потоку смешиваться с топливом внутреннего конуса. Наружный топливный конус образует факел с переизбытком кислорода, поступающего из спутного, периферийного воздушного потока, а внутренний топливный конус образует факел с недостатком кислорода, поскольку 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 из периферийного факела. Снижение образования окислов азота в двухслойном факеле достигается за счет того, что наружный факел забалластирован избытком воздуха, не нужного для горения на этом этапе и лишь поглощающем энергию, выделяемую при горении. А внутренний факел забалластирован избытком топлива, которое на этом этапе хорошо прогревается и газифицируется. Покинув корень факела, оно догорает на некотором удалении от горелки. Горение внутреннего факела растянуто. Внутренний топливный конус вспыхивает непосредственно в горелке, но интенсивного горения не наблюдается ввиду недостатка кислорода, хотя, с другой стороны, эта интенсивность достаточна для того, чтобы наружный факел вспыхнул также внутри горелки.

Особое место в реализации этого способа занимает настройка интенсивности зоны обратных токов, т.к. чрезмерное снижение интенсивности прогрева топлива за счет тепла, приносимого продуктами сгорания в зону обратных токов, затянет горение, из амбразуры факел отодвинется в глубь топки котла. Необходимо подавать во внутренний факел такое количество топлива, чтобы зона обратных токов имела достаточную интенсивность, чтобы оба факела вспыхивали еще внутри амбразуры. Многочисленные испытания показали: во внутренний факел нужно подавать 18...25% топлива, соответственно доля топлива в наружном факеле не будет превышать 75%. При этом уровень выброса окислов азота снижается на 15... 25%, в зависимости от режима работы котла. И тем не менее наружный факел в корневой области имеет мутный начальный участок, хотя судя по отложениям сажи на торце соплового устройства форсунки зона обратных токов достигает распыливающую головку.

Необходимо отметить отдельно, что для наилучшего применения предлагаемого способа наиболее подходят газомазутные горелки, имеющие высокий коэффициент закрутки воздуха

N=W_t/W_o,

где W_t - тангенциальная составляющая движения потока воздуха;

W_o - осевая составляющая движения потока воздуха.

И совершенно не подходят горелки прямоточного и ударного типов.

Большая доля топлива в предложенном способе выгорает во внешнем факеле в режиме избытка окислителя и вызванной этим несколько меньшей температурой горения. Интенсивность горения во внешнем факеле определяется размерами топки котла, а именно ее глубиной. Снижение интенсивности горения во внешнем факеле снижает образование окислов азота, но затягивает горение и факел может задевать задние экраны. По этой же причине угол Ф1 не может быть ниже определенного, поскольку уменьшение наружного диаметра факела приводит к увеличению его длины.

Небольшая доля топлива, подаваемая во внутренний факел, сгорает в режиме недостатка окислителя, что приводит к формированию в приосевой области восстановительной среды с наличием в ней аминов NH, разрушающих уже образовавшиеся молекулы окислов азота. Вместе с тем подача топлива во внутренний факел приводит к снижению чрезмерной интенсивности зоны обратных токов, уменьшает прогрев топлива внешнего факела на начальном участке и позволяет полнее использовать объем факела.

Предложенный способ сжигания жидких углеводородных топлив позволяет снизить выбросы окислов азота по сравнению со способом, взятым за прототип, за счет нарушения стехиометрического соотношения компонентов в поперечном сечении факела, что приводит к снижению максимальной температуры в зоне активного горения и созданию восстановительной среды в зоне обратных токов.

На фиг. 1 изображено устройство для сжигания жидких углеводородных топлив, общий вид.

На фиг.2 представлена схема двухслойного факела.

На фиг.3 представлен общий вид вихревой форсунки с двухъярусным сопловым устройством.

Форсунка вихревая для осуществления предложенного способа состоит из следующих конструктивных элементов. Полый цилиндрический корпус 1 содержит топливный завихритель 2, а также паровой завихритель и паровой распылитель, соединенные в единую деталь - паровой блок 3. Одним концом корпус крепится на основании 6, а на другой его конец навинчивается сопловое устройство 4. Для компенсации термических напряжений между деталями форсунки и неподвижным основанием устанавливается медная прокладка 5. Сопловое устройство представляет собой полый съемный колпачок с отверстиями 7 и 8 на сферическом торце (причем отверстия могут быть различной формы). Отверстия выполнены по окружности двумя рядами в виде двух ярусов. Отверстия наружного яруса выполнены под большим углом Ф2 к оси устройства, их больше по количеству, их диаметр D2 больше и общая площадь тоже. Отверстия внутреннего яруса имеют меньший диаметр D1, они выполнены под меньшим углом Ф1 к оси устройства и их общая площадь меньше.

Работает вихревая форсунка следующим образом. Топливо (обычно мазут) продавливается через тангенциальные каналы топливного завихрителя во внутреннюю полость форсунки и движется закрученным потоком в сторону соплового устройства, совершая винтовое движение. Пар продавливается через тангенциальные каналы парового блока во внутреннюю полость форсунки, разгоняясь при этом до звуковой скорости, сталкивается на выходе из каналов с пленкой топлива, закрученной навстречу движению паровых струй, и далее они оба движутся в сторону сопла в виде паромазутной эмульсии. Во внутреннем объеме соплового устройства продолжается интенсивное перемешивание паровых и мазутных фрагментов.

Топливо в виде паромазутной эмульсии распыливается в спутный поток воздуха в горелку через два (или более) ряда отверстий, выполненных на сферическом торце соплового устройства по окружности, ярусами, причем отверстия могут представлять собой не только сверления, но и щелевые пазы. Отверстия внешнего яруса обычно имеют каждое больший диаметр D2 и общую площадь и выполнены под большим углом Ф2 к оси соплового устройства. Через них подается большая часть топлива, около 75%. Отверстия внутреннего яруса имеют, каждое, меньший диаметр D1, меньшую общую площадь и выполнены под меньшим углом Ф1 к оси соплового устройства. Отверстия внешнего яруса формируют внешний слой факела в форме полого конуса, а отверстия внутреннего яруса формируют внутренний слой факела также в форме полого конуса и расположенного внутри внешнего конуса факела.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа при сжигании мазута на тепловых станциях заключается в снижении выбросов окислов азота без снижения полноты сгорания топлива и появления копоти, сажи, а также без увеличения длины факела.