способ подачи газа для сжигания, а также топочная установка

Формула изобретения

1. Способ ведения процесса сжигания в топочных установках, в котором к колосниковой решетке топочной установки подают топливо, газ для первичного сжигания вводят через топливо, а газ для вторичного сжигания, содержащий воздух окружающей среды, вводят через форсунки непосредственно в поток отходящего газа над топливом, причем часть потока отходящего газа отсасывают от потока отходящего газа в задней области колосниковой решетки и подают снова в процесс сжигания в качестве внутреннего рециркуляционного газа, при этом сумму количества газа для первичного сжигания и количества газа для вторичного сжигания снижают настолько, что в отношении потока отходящего газа непосредственно над плоскостью газа для вторичного сжигания достигают по существу стехиометрические условия реакции, при этом предотвращают попадание внутреннего рециркуляционного газа в область вторичного сжигания и подают внутренний рециркуляционный газ в область третичного сжигания, при этом отходящий газ имеет время выдержки по меньшей мере одну секунду после введения газа для вторичного сжигания.

2. Способ по п.1, в котором газ для вторичного сжигания содержит воздух окружающей среды и внешний рециркуляционный газ, прошедший через парогенератор.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ для вторичного сжигания содержит внешний рециркуляционный газ, прошедший через парогенератор.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в области подачи внутреннего рециркуляционного газа, т.е. в области третичного сжигания, впрыскивают химическое средство для восстановления оксидов азота.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что к газу для третичного сжигания, т.е. к внутреннему рециркуляционному газу, подмешивают средство для восстановления оксидов азота.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве химического средства используют мочевину или аммиак.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в области третичного сжигания или над нею, т.е. над введением внутреннего рециркуляционного газа, создают повышенную турбулентность отходящих газов.

8. Топочная установка для осуществления способа по любому из пп.1-7, содержащая колосниковую решетку для приема топлива, устройство под колосниковой решеткой для подачи воздуха для первичного сжигания через колосниковую решетку, а также входящие в топочное пространство форсунки над колосниковой решеткой для подачи газа для вторичного сжигания, содержащего воздух окружающей среды, причем в топочном пространстве над колосниковой решеткой предусмотрен по меньшей мере один отсасывающий трубопровод для отходящего газа, при этом часть потока отходящего газа отсасывается от потока отходящего газа в задней области колосниковой решетки и подается снова в процесс сжигания в качестве внутреннего рециркуляционного газа, при этом предотвращено попадание внутреннего рециркуляционного газа в область вторичного сжигания, и внутренний рециркуляционный газ подается в область третичного сжигания, при этом сумма количества газа для первичного сжигания и количества газа для вторичного сжигания снижается настолько, что в отношении потока отходящего газа непосредственно над плоскостью газа для вторичного сжигания достигаются по существу стехиометрические условия реакции, при этом всасывающая сторона вентилятора соединена только с отсасывающим трубопроводом, сторона нагнетания которого соединена посредством трубопровода с форсунками, направленными в область третичного сжигания и предусмотренными над колосниковой решеткой на высоте, на которой отходящие газы имеют время выдержки по меньшей мере одну секунду после введения газа для вторичного сжигания.

9. Топочная установка по п.8, отличающаяся тем, что газоход для отходящего газа топочного пространства сужен в области третичного сжигания или над нею для создания турбулентности.

10. Топочная установка по п.8, отличающаяся тем, что в газоходе для отходящего газа топочного пространства в области третичного сжигания или над нею для создания турбулентности предусмотрены встроенные элементы, являющиеся помехой для потока отходящего газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу ведения процесса сжигания, в частности, в топочных установках с колосниковой решеткой, при котором газ для первичного сжигания вводят через топливо, а газ для вторичного сжигания вводят непосредственно в поток отходящего газа над топливом, причем часть отходящего газа из потока отходящего газа отсасывают в заднюю область колосниковой решетки и подают снова в процесс сжигания в качестве внутреннего рециркуляционного газа.

Способ этого типа известен из EP 0498014 B2. Там этот способ был использован, чтобы снизить количество потока отходящего газа, не обсуждая, однако, возможность снижения выделения вредных веществ.

Согласно современным знаниям часть содержащегося в отходах азота при сгорании реагирует с образованием NO или NO₂, который покидает топку с отходящим газом и должен подвергаться дорогостоящей обработке, чтобы не поступать в окружающую среду в качестве вредного вещества (NO_x /оксиды азота). Другая часть азота в топливе реагирует с образованием радикалов NH- или CN-соединений, которые в качестве так называемых промежуточных продуктов не обладают стабильностью при высоких температурах и продолжают реагировать. Так как эти радикалы промежуточных продуктов в состоянии восстанавливать уже образованные NO/NO₂ в N₂, то имеет смысл проводить процесс сжигания таким образом, чтобы использовать этот эффект в качестве присущего процессу способа удаления азота.

Согласно уровню техники сжигание в топочных пространствах топочных установок с колосниковой решеткой осуществляется таким образом, что над топочной колосниковой решеткой и непосредственно после осуществленного на колосниковой решетке первичного сжигания, при подаче воздуха окружающей среды или возвращенного отходящего газа образуется непосредственно зона вторичного сжигания в виде зоны высокой турбулентности, в которой осуществляется, по возможности, полное сгорание всех еще имеющихся горючих составляющих частей газа (газы и частицы твердых веществ).

При этом процесс проводится таким образом, что реакции сжигания протекают при условиях выше стехиометрических, как правило, при коэффициенте избытка воздуха лямбда=1,7 до лямбда=2,2. Добавка вторичного воздуха и/или возвращенного отходящего газа в области дожигания с высоким импульсом и соответственно высоким эффектом смешивания приводит к тому, что указанные выше промежуточные продукты (NH- или CN-соединения) преждевременно разрушаются, т.е. окисляются, и, таким образом, больше не имеются в распоряжении для реакции с уже образованными оксидами азота (NO_x). При этом возвращенный отходящий газ после прохождения через парогенератор и большей частью также дополнительно через установку очистки отходящего газа, как правило, отбирается, так что в отношении этого газового потока можно говорить о «наружном рециркуляционном газе».

Проведение способа при первичном сжигании в условиях явно ниже стехиометрических, прежде всего при подаче горючих веществ, которые сильно колеблются в своих значениях теплоты сгорания и характеристики горения, приводит к тому, что не всегда может обеспечиваться полное выгорание твердых веществ. Близкий к стехиометрическим условиям режим работы в области вторичного сжигания, т.е. при лямбда 1,6, приводит к наличию несгоревших составляющих газа и, как следствие, к нежелательной эмиссии в окружающую среду или коррозии в расположенном ниже по потоку парогенераторе.

Задачей изобретения является осуществление регулирования процесса сжигания таким образом, чтобы достигалось оптимальное выгорание твердых горючих веществ и оптимальное выгорание отработанных газов, чтобы при этом образовывалось или выделялось как можно меньше оксидов азота и чтобы можно было проводить стабильный процесс при небольших коэффициентах избытка воздуха (лямбда=1,3 до лямбда=1,5) при, по возможности, малых объемах отходящего газа.

Эта задача, исходя из способа поясненного вначале типа, решается согласно изобретению благодаря тому, что сумму количества газа для первичного сжигания и количества газа для вторичного сжигания снижают настолько, что в отношении потока отходящего газа непосредственно над плоскостью вторичного сжигания достигают по существу стехиометрические или близкие к стехиометрическим условия реакции, причем внутренний рециркуляционный газ подают в область третичного сжигания, в которой отходящие газы после введения газа для вторичного сжигания имеют время выдержки в течение по меньшей мере одной секунды.

Под газом для первичного сжигания подразумевается, в частности, воздух окружающей среды. В особых случаях этот воздух окружающей среды может быть также обогащен кислородом.

Чтобы достичь, по возможности, оптимального выгорания твердых горючих веществ, осуществляется неизмененное, по сравнению с обычным способом работы топочной установки с колосниковой решеткой, добавление газа для первичного сжигания в приблизительно стехиометрическом количестве. Чтобы тем не менее достичь незначительного избытка воздуха для всего процесса сжигания и создать необходимый для смешивания или гомогенизации газа для сжигания объемный поток газа для вторичного сжигания, сумму количества первичного газа для сжигания и количества вторичного газа для сжигания снижают настолько, что достигают по существу стехиометрические или близкие к стехиометрическим условия реакции. На практике это устанавливается благодаря тому, что той части, которая в образованных при первичном сжигании газах еще содержит заметные количества непрореагировавшего кислорода, создаются помехи для того, чтобы улетучиться в зону вторичного сжигания.

В отношении этих газов речь идет о том объемном потоке, который возникает в задней области топочной колосниковой решетки. Там первичный воздух для сжигания подается в первую очередь для того, чтобы обеспечить полное выгорание твердых горючих веществ (остаточное выгорание) и охладить остатки сгорания (шлаки). Возникающий при этом поток отходящих газов поэтому отличается лишь незначительно пониженным по сравнению с воздухом окружающей среды содержанием кислорода.

Путем отсасывания объемного потока из задней области топки этот газовый поток удаляется из системы, благодаря чему он не может улетучиться в зону вторичного сжигания. Этот газ называется внутренним рециркуляционным газом и в соответствии с изобретением снова добавляется в верхней области топочного пространства, т.е. явно после зоны вторичного сжигания.

В этой области, которая называется областью третичного сжигания, отработанные газы после подачи вторичного газа для сжигания имеют некоторое время выдержки, по меньшей мере, одну секунду, предпочтительно даже более двух секунд. В области вторичного сжигания при способе согласно изобретению добавляется лишь столько кислорода в форме вторичного газа для сжигания, чтобы можно было достичь достаточно хорошего смешивания или гомогенизации потока отходящего газа.

При этом вторичный газ для сжигания может содержать воздух окружающей среды, воздух окружающей среды и внешний рециркуляционный газ или только внешний рециркуляционный газ, который прошел через парогенератор и, при необходимости, установку для очистки отходящего газа.

Благодаря снижению количества первичного газа для сжигания в условиях реакции, близких к стехиометрическим, предпочтительно в областях со слегка пониженной стехиометрией, образуется, с одной стороны, меньше NO₂, а с другой стороны, однако, больше NH- и CN-соединений.

Если теперь установить уменьшенную в своей действенности зону вторичного сжигания, которая как раз позволяет некоторое перемешивание и гомогенизацию потока отходящего газа, не разрушая при этом при интенсивном дожигании все NH-и CN-соединения, этим соединениям предоставляется возможность восстанавливать NO_x в N₂.

По опыту для достаточно высокого коэффициента полезного действия реакции для этого достаточно времени выдержки в диапазоне 1-2 секунды. В частности, при введении внешнего рециркуляционного газа в область вторичного сжигания эта частичная задача поддержания минимального количества оксида азота решается очень эффективно. Разумеется, при этом в качестве недостатка следует принять, что полное выгорание отработанных газов, прежде всего полное разрушение вредных газов, не всегда можно надежно отрегулировать, так что следует создать дальнейшую область реакции.

Чтобы этого достичь, в соответствии с изобретением, примыкая к области вторичного сжигания, образуется область третичного сжигания, в которой осуществляется полное выгорание газа и разрушение, возможно, еще имеющихся органических соединений. Необходимая для этого турбулентность и необходимый для этого требуемый избыток воздуха в соответствии с изобретением устанавливаются с помощью внутреннего рециркуляционного газа. Этим внутренним рециркуляционным газом является тот газ, который был отсосан в задней области колосниковой решетки и которому созданы препятствия для проникновения в область вторичного сжигания.

Общий избыток воздуха в процессе сжигания далее не поддерживается, благодаря чему решается частичная задача проведения процесса сжигания при небольших коэффициентах избытка воздуха. Кроме того, благодаря мероприятиям по возврату внутреннего рециркуляционного газа достигается то, что не используется никакой дополнительный воздух для третичного сжигания в виде воздуха окружающей среды, благодаря чему объем отходящего газа можно поддерживать как можно меньшим.

Чтобы сделать возможным дальнейшее снижение содержания NO_x, а также охватить те молекулы NO _x, которые к началу области третичного сжигания еще не могли восстановиться, в дальнейшем варианте выполнения изобретения в области добавки газа для третичного сжигания в поток отработанных газов топочной установки может вдуваться химическое средство для восстановления оксидов азота.

В другом варианте выполнения изобретения химическое средство для восстановления оксидов азота можно примешивать также к газу для третичного сжигания, т.е. к внутреннему рециркуляционному газу. В этом случае благоприятное воздействие турбулентности добавки газа для третичного сжигания можно использовать также для интенсивного смешивания этого химического средства с отработанным газом.

Эти химические средства известны из способа селективной некаталитической реакции (способ селективного некаталитического восстановления (SNCR)), причем предпочтительно речь идет о мочевине или о водном растворе аммиака.

Далее, предпочтительно, если в области третичного сжигания или над ней, т.е. выше введения внутреннего рециркуляционного газа, производится повышенная турбулентность отходящего газа. В дополнение к турбулентности, которая получается из-за введения внутреннего рециркуляционного газа, этого можно достичь благодаря тому, что, например, канал для вытяжки отработанных газов топочного пространства в области введения внутреннего рециркуляционного газа или над ней сужается или используются встроенные элементы для повышения турбулентности.

Оказалось, что особенно предпочтительно, если отходящие газы от введения газа для вторичного сжигания до подачи внутреннего рециркуляционного газа имеют время выдержки в течение более трех секунд. Именно это относительно большое время выдержки приводит на практике к оптимальным результатам в отношении параметров отходящего газа.

Изобретение относится также к топочной установке для проведения способа. Эта топочная установка имеет колосниковую решетку, устройство под колосниковой решеткой для подачи воздуха для первичного сжигания через колосниковую решетку, а также входящие в топочное пространство форсунки над колосниковой решеткой для подачи газа для вторичного сжигания, причем в топочном пространстве над колосниковой решеткой предусмотрен по меньшей мере один отсасывающий трубопровод для отходящего газа, при этом сторона всасывания вентилятора соединена лишь исключительно с отсасывающим трубопроводом, а его сторона нагнетания посредством трубопровода соединена с форсунками, направленными в область третичного сжигания, предусмотренными над колосниковой решеткой на некоторой высоте, на которой отходящие газы после подачи газа для вторичного сжигания имеют время выдержки по меньшей мере одну секунду.

В целях обеспечения более интенсивного перемешивания предлагается, чтобы газоход для отходящего газа в топочном пространстве в области третичного сжигания или над нею был сужен для образования турбулентности. Кроме того, предпочтительно, если в дымоходе для отходящего газа в топочном пространстве в области третичного сжигания или над нею в целях получения турбулентности предусмотрены встроенные элементы, образующие помеху для потока отходящего газа.

Также в конструкции топочной установки при выборе места подачи газа следует обратить внимание на то, чтобы предпочтительным образом отходящие газы от введения газа для вторичного сжигания до подачи внешнего рециркуляционного газа имели время выдержки более 3 секунд.

Далее, предпочтительно, если сторона всасывания вентилятора соединена с отсасывающим трубопроводом, а его сторона нагнетания посредством трубопровода соединена с форсунками, направленными в область третичного сжигания.

Изобретение поясняется далее более подробно на основе представленного в чертеже примера выполнения.

На чертеже схематично показан продольный разрез топочной установки.

Как видно из чертежа, топочная установка имеет загрузочную воронку 1 с примыкающим к ней загрузочным желобом 2 для загрузки топлива (горючего материала) на загрузочный стол 3, на котором предусмотрены загрузочные поршни, установленные с возможностью совершения возвратно-поступательных движений для подачи поступающего из загрузочного желоба 2 топлива на колосниковую решетку 5, на которой топливо сжигается. При этом не имеет значения, идет ли речь о расположенной наклонно или горизонтально колосниковой решетке неважно какого принципа.

Под колосниковой решеткой 5 расположено обозначенное в целом цифрой 6 устройство для подачи воздуха для первичного сжигания, которое может включать в себя несколько камер 7-11, в которые подается посредством вентилятора 12 через трубопровод (линию) 13 воздух для первичного сжигания. Благодаря установке камер 7-11 колосниковая решетка подразделена на несколько зон нижнего дутья, так что можно по-разному регулировать воздух для первичного сжигания на колосниковой решетке в соответствии с потребностями.

Над колосниковой решеткой 5 находится топочное пространство 14, которое в передней части переходит в газоход 15 для отходящего газа, к которому примыкают непоказанные агрегаты, как, например, подогревающий котел и установка для очистки отходящего газа. В нижней области топочное пространство 14 ограничено крышкой 16, задней стенкой 17 и боковыми стенками 18.

Сжигание обозначенного позицией 19 топлива осуществляется на передней части колосниковой решетки 5, над которой находится газоход 15 для отходящего газа. В этой области через камеры 7, 8 и 9 подается большая часть воздуха для первичного сжигания. На задней части колосниковой решетки 5 находится лишь выгоревший в достаточной степени материал, т.е. шлаки, и в этой области воздух для первичного сжигания подается через камеры 10 и 11 по существу лишь для охлаждения и остаточного выжигания этих шлаков.

Выгоревшие части топлива падают затем в желоб 20 для выгрузки шлаков в конце колосниковой решетки 5 для сжигания. В нижней области газохода 15 для отходящего газа предусмотрены форсунки 21 и 22, которые подают воздух для вторичного сжигания в поднимающийся отходящий газ, чтобы способствовать перемешиванию потока отходящего газа и дожиганию находящихся в отходящем газе горючих составляющих частей.

Для проведения способа согласно изобретению теперь в задней части пространства для сжигания, которая ограничена крышкой 16, задней стенкой 17 и боковыми стенками 18, отсасывается отходящий газ, который называется внутренним рециркуляционным газом.

В представленном примере выполнения в задней стенке 17 предусмотрено отверстие 23 для вытяжки. Это отверстие 23 для вытяжки посредством отсасывающего трубопровода 24 соединено со стороной всасывания вентилятора 25, так что отходящий газ может отсасываться. Со стороной нагнетания вентилятора соединен трубопровод 26, который отсосанное количество отходящего газа направляет к форсункам 27 в верхней области газохода 15 для отходящего газа, области 28 третичного сжигания. В этой области, начиная от введения газа для вторичного сжигания до подачи внутреннего рециркуляционного газа, отходящий газ, исходя из форсунок 21 и 22 подачи воздуха для вторичного сжигания, имеет время выдержки, по меньшей мере, 1 секунду или предпочтительно даже, по меньшей мере, 2 секунды.

В области 28 третичного сжигания или над нею для повышения турбулентности и перемешивания потока отходящего газа газоход 15 для отходящего газа заметно сужен, причем форсунки 27 находятся в этой суженной области. Могут быть предусмотрены, однако, встроенные детали или элементы 29, которые создают помехи газовому потоку и таким образом способствуют турбулентности.