Известны способы сжигания жидкого и газообразного топлива с вводом рециркулирующих дымовых газов в воздушный тракт горелочных устройств [1] Рециркуляция дымовых газов через горелочные устройства позволяет снизить тепловые нагрузки экранов и перераспределить тепловосприятия поверхностей нагрева котлов, а также снизить выход оксидов азота. Однако для сокращения выхода оксидов азота при таком способе сжигания топлива газы рециркуляции нужно подавать в значительных объемах, что может привести к нарушению стабилизации процессов горения топлива с появлением сажи и оксида углерода, а тем самым — к уменьшению КПД котла и снижению надежности его работы [2].
Этому способу присущи следующие недостатки:
- чрезмерное охлаждение газами рециркуляции периферийной зоны факела для достижения требуемой температуры по условиям подавления оксидов азота в ядре горения, что приводит к неустойчивости горения;
- требуются значительные объемы газов рециркуляции, что влечет за собой рост энергетических затрат на собственные нужды;
- увеличение потерь с уходящими газами.
Эффективность регулирования характеристик газомазутного факела по температуре и концентрации кислорода в зоне горения зависит от способа ввода газов рециркуляции в горелочное устройство или места ввода в топочную камеру. Известно, что топливный факел, выходящий из горелки, состоит из нескольких зон, имеющих различный температурный уровень и концентрацию кислорода. Наиболее интенсивно оксиды азота образуются в ядре горения, имеющем более высокие температуру и концентрацию окислителя, чем остальные зоны факела. Газы рециркуляции вводятся в топочную камеру для решения нескольких задач, а именно:
- снижение образования оксидов азота;
- перераспределение тепловых потоков между радиационными и конвективными поверхностями нагрева котлоагрегата;
- поддержание требуемой температуры перегрева пара;
- уменьшение заноса поверхностей нагрева и их коррозионного разрушения (для жидких топлив).
Разделением газов рециркуляции на два потока можно сократить их общий объем, поскольку ввод части газов рециркуляции в ядро горения факела позволяет более эффективно снизить его температуру, обеспечить при этом пониженный выход оксидов азота и одновременно решить вышеперечисленные задачи.
Рециркуляция части продуктов сгорания топлива в прикорневую зону ядра горения за счет ввода «холодных» дымовых газов и снижения тем самым концентрации окислителя из-за разбавления охлажденными продуктами сгорания позволяет достичь значительного снижения температуры ядра факела.
Рис. 1. Принципиальная схема рециркуляция дымовых газов с горелочными устройствами.
Согласно данным [1] и других литературных источников воздействие на течение топочных процессов путем понижения избытков воздуха и температуры в ядре факела позволяет существенно снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах. Для достижения этого эффекта достаточно ввести в ядро горения топливного факела газы рециркуляции в количестве не более 20–35 % от их общего объема. Поскольку в зоне горящего топливного факела ядро горения занимает не более 1/3 объема, то объем рециркулирующих газов, подаваемых непосредственно в ядро горения, не должен превышать 1/3 их общего объема. Остальная часть газов рециркуляции подается в периферийные зоны факела для их охлаждения и обеспечения условий двухстадийного сжигания топлива за счет послойного разделения воздушных потоков. В зоне горения обеспечиваются условия для протекания реакций восстановления азотистых соединений.
Предлагаемый способ рециркуляция газов может быть реализован с помощью горелочного устройства, схематически показанного на рис. 1.
Газомазутная горелка содержит корпус с коаксиально размещенными в нем центральным (1) и периферийным (2) каналами для подачи соответственно первичного и вторичного воздуха, осевой канал (9) с установленной в нем мазутной форсункой (4), кольцевой канал (5) для подачи природного газа с выпуском его через патрубки (6), дополнительный осевой канал (7) для подачи газов рециркуляции в ядро горения и канал (8) для подачи газов рециркуляции в периферийные зоны топливного факела. В отличии от известных конструкций горелочных устройств для реализации предлагаемого способа сжигания топлива в горелочном устройстве предусмотрен дополнительный канал (7) для подачи газов рециркуляции между осевым каналом (9) для установки мазутной форсунки (4) и каналом первичного воздуха (3).
Рис. 2. Принципиальная схема системы автоматического регулирования процесса сжигания топлива
Для осуществления способа в общем случае переменных нагрузок котлоагрегата применить схему автоматического регулирования, позволяющую выдерживать заданное количество и соотношение потоков газов рециркуляции, подаваемых через горелочное устройство, в рабочем диапазоне нагрузок котлоагрегата. В частном случае — при постоянной нагрузке котлоагрегата за длительный период эксплуатации способ сжигания топлива может быть реализован при отключенной схеме автоматического регулирования с контролем выхода оксидов азота в дымовых газах.
Принципиальная схема системы автоматического регулирования процесса сжигания топлива представлена на рис. 2. Система содержит датчики расхода воздуха 1 и топлива 2 и 3, автоматические газоанализаторы 4 и 5 для определения соответственно содержания оксидов азота и окиси углерода в дымовых газах, отбираемых соответственно из конвективной шахты и топки котлоагрегата 6. В состав системы входит преобразователь сигналов 8, вход которого сообщен с газоанализаторами 4 и 5, а выход — с вычислительным устройством 9, на вход которого поступает сигнал от задатчика количества и соотношения газов рециркуляции 10. Выход вычислительного устройства 9 сообщен с входом регулятора 11, на выход которого поступают сигналы датчиков 1, 2, 3. Газы рециркуляции по линии дымососа рециркуляции 13 поступают через регулирующие органы шиберов 15 и 16 в соответствующие каналы горелки 7. Регулятор 11 сообщен с направляющим аппаратом 14 дутьевого вентилятора и регулирующими органами шиберов 15 и 16.
Предлагаемый способ сжигания топлива осуществляется следующим образом. Для текущей нагрузки котла устанавливается соответствующий режим работы горелочного устройства с минимальным выходом оксидов азота в продуктах сгорания топлива (по датчику 4 рис. 2) и при условии отсутствия химического недожога (по датчику 5 рис. 2). Устанавливается соотношение «топливо-воздух» (по датчикам 1, 2, 3 рис. 2). При этом количество и соотношение подаваемых газов рециркуляции в осевой канал 7 горелки (рис. 1) и периферийный канал 8 (рис. 1) устанавливается задатчиком 10 (рис. 2) с подачей от него сигнала на вычислительное устройство 9, выход которого сообщен с регулятором 11.
При изменении нагрузки котла или при превышении выбросами оксидов азота заданного режимного значения от задатчиков 4 и 5 поступают сигналы на преобразователь 8, выход которого сообщен с вычислительным устройством 9, который сообщен с задатчиком соотношения количества и соотношения газов рециркуляции 10. После вычислительного устройства 9 сигнал поступает на регулятор 11, вход которого сообщен с задатчиком расхода воздуха 1 и топлива 2, 3. Регулятор 11 подает сигналы на регулирующие органы шиберов 15, 16 для изменения соотношения газов рециркуляции, подаваемых соответственно в осевой 7 и периферийный 8 каналы горелки (рис. 1), а также для изменения общего количества газов рециркуляции — на регулирующий орган шибера 17 дымососа рециркуляции 13. Регулятор 11 воздействует на направляющие аппараты 14 дутьевого вентилятора, изменяя при этом расход воздуха, и поддерживает требуемое соотношение «топливо-воздух».
Газы рециркуляции, поступающие по осевому и периферийному каналам, воздействуют соответственно на ядро горения и периферийную зону факела, позволяя тем самым снизить температуру факела, обеспечить заданный избыток воздуха и создать условия для сокращения образующихся оксидов азота. В дальнейшем при изменении нагрузки и режима сжигания топлива последовательность операций для осуществления предлагаемого способа сжигания топлива повторяется в описанном выше порядке.
Автоматическое регулирование позволяет достичь максимальной эффективности подавления оксидов азота, не приводя к чрезмерному балластированию зоны воспламенения и начальной стадии горения и, соответственно, не ухудшая устойчивости горения и не увеличивая выбросов сажистых частиц в широком диапазоне нагрузки котла.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа сжигания топлива состоит прежде всего в сокращении выбросов оксидов азота при сниженном расходе рециркулирующих газов и, соответственно, затрат на их подачу. Оценка эффективности предлагаемого способа показала, что использование предложенного способа сжигания топлива позволяет сократить выбросы оксидов азота на 60–70 % и более по сравнению с техническим решением, приведенным в прототипе, а также на 20–30 % снизить затраты на подачу газов рециркуляции через горелочное устройство.
Литература:
1. Ахмедов Р. В. Основы регулирования топочных процессов. -М.: Энергия, 1977. с. 245–248.
2. Липов Ю. М. Компоновка и тепловой расчет парового котла. –М.: Энергоатомиздат, 1988. -208 стр.
3. Способ сжигания жидкого и газообразного топлив (Патент RU 2145401)
