RU2262039C2 - Method of combustion of hydrocarbon fuel and device for realization of this method (versions) - Google Patents
Method of combustion of hydrocarbon fuel and device for realization of this method (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2262039C2 RU2262039C2 RU2003135466/06A RU2003135466A RU2262039C2 RU 2262039 C2 RU2262039 C2 RU 2262039C2 RU 2003135466/06 A RU2003135466/06 A RU 2003135466/06A RU 2003135466 A RU2003135466 A RU 2003135466A RU 2262039 C2 RU2262039 C2 RU 2262039C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- steam
- burner
- cap
- cylindrical body
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в химической промышленности и металлургии для уменьшения выбросов окислов азота из топок котлов при сжигании углеводородных топлив.The invention relates to a power system and can be used in the chemical industry and metallurgy to reduce emissions of nitrogen oxides from boiler furnaces when burning hydrocarbon fuels.
Известен способ сжигания углеводородного топлива (см. патент ФРГ NOS 3327597, кл. F 23 C 7/02, опубл.07.02.85 г.), заключающийся в раздельном подводе топлива и воздуха в горелку, распыливании топлива в двухслойном коаксиальном воздушном потоке и сжигании топлива при нестехиометрическом соотношении компонентов в объеме факела.A known method of burning hydrocarbon fuel (see German patent NOS 3327597, class F 23
Подаваемый в горелку воздух разделяется на первичный, участвующий в горении топлива в корневой области факела, и вторичный, участвующий в дожигании хвоста факела. Вторичный воздух подается в зону горения порционно, за счет чего снижается температура в ядре факела и, как следствие, уменьшается образование оксидов азота.The air supplied to the burner is divided into primary, which participates in the combustion of fuel in the root region of the torch, and secondary, which participates in the afterburning of the torch tail. Secondary air is supplied to the combustion zone in portions, due to which the temperature in the core of the flame decreases and, as a result, the formation of nitrogen oxides decreases.
Этот способ сжигания топлива не позволяет снизить выбросы окислов азота без существенного ухудшения горения и увеличения образования других окислов - углерода. Снижение температуры факела при нестехиометрическом горении непременно приводит к неполному выгоранию 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.This method of burning fuel does not allow to reduce emissions of nitrogen oxides without a significant deterioration in combustion and an increase in the formation of other oxides - carbon. A decrease in the flame temperature during non-stoichiometric combustion will certainly lead to incomplete burnout of carbon and the formation of coke residues. Two-stage combustion of fuel is not widespread in the energy sector, since this method is associated with a significant deterioration in the completeness of fuel burnout and, as a consequence, a decrease in the efficiency of the boiler as a whole.
Известен способ сжигания углеводородного топлива, ближайший по технической сущности и взятый за прототип, реализованный устройством (см. «Оксиды азота в дымовых газах котлов» Котлер В.Р., М., Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.30, стр.103), включающий раздельный подвод топлива и воздуха в горелку, преимущественную подачу топлива в центральную область воздушного потока и сжигание топлива на периферии факела в режиме избытка воздуха, а в центральной области факела - в режиме избытка топлива.A known method of burning hydrocarbon fuel, the closest in technical essence and taken as a prototype, implemented by the device (see. "Nitrogen oxides in the flue gases of boilers" Kotler VR, M., Energoatomizdat, 1987, Fig. 3.30, p. 103 ), including the separate supply of fuel and air to the burner, the predominant supply of fuel to the central region of the air flow and the burning of fuel at the periphery of the flare in excess air mode, and in the central region of the flare in excess fuel mode.
Подача топлива осуществляется из центра горелки, а воздушный поток разделен на первичный и вторичный и подается по периферии, и, причем, топливо распыливается главным образом в первичном потоке, и в центральной области факела горение происходит в «богатом» режиме, а на периферии факела организован «бедный» режим горения с избытком воздуха. Образование оксидов азота существенно зависит от температуры в области взаимодействия компонентов реакции горения и уменьшается при снижении температуры.Fuel is supplied from the center of the burner, and the air stream is divided into primary and secondary and is supplied along the periphery, and, moreover, the fuel is atomized mainly in the primary stream, and in the central region of the torch, combustion occurs in a “rich” mode, and is organized on the periphery of the torch “Poor” combustion mode with excess air. The formation of nitrogen oxides substantially depends on temperature in the interaction region of the components of the combustion reaction and decreases with decreasing temperature.
Недостатком способа сжигания углеводородного топлива, взятого за прототип, является ухудшение горения в целом и образование несгоревших частиц углерода в центральной части факела при незначительном снижении выхода оксидов азота. Незначительное переобогащение центральной области факела топливом приводит к некоторому снижению выхода оксидов азота, но, одновременно, при этом ухудшается эффективность сжигания топлива и кпд котла снижается, факел выбрасывает дым и копоть.The disadvantage of the method of burning hydrocarbon fuel, taken as a prototype, is the deterioration of combustion in general and the formation of unburned carbon particles in the central part of the flame with a slight decrease in the yield of nitrogen oxides. Slight re-enrichment of the central region of the flare with fuel leads to a certain decrease in the yield of nitrogen oxides, but at the same time, the efficiency of fuel combustion deteriorates and the efficiency of the boiler decreases, the torch emits smoke and soot.
Известна горелка для сжигания газообразного углеводородного топлива, ближайшая по технической сущности и взятая за прототип (см. «Оксиды азота в дымовых газах котлов» Котлер В.Р., М., Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.30, стр.103), состоящая из воздушного короба, полого трубчатого газового коллектора с выходными газовыми отверстиями и расположенного коаксиально внутри коллектора парового завихрителя, выполненного в виде цилиндрического тела с торцами и радиальными профилированными каналами, установленного с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым отверстием.Known burner for burning gaseous hydrocarbon fuel, the closest in technical essence and taken as a prototype (see. "Nitrogen oxides in the flue gases of boilers" Kotler V. R., M., Energoatomizdat, 1987, Fig. 3.30, p. 103) consisting of an air box, a hollow tubular gas manifold with gas outlets and a steam swirl coaxially located inside the manifold, made in the form of a cylindrical body with ends and radial shaped channels, mounted with a radial clearance in the cylindrical Orpus with nozzle hole.
Воздушный поток разделяется на два - первичный и вторичный. Газообразное топливо распыливается в оба воздушных потока, но в первичный поток - избыточное количество, а во внешний - недостаточное количество для получения стехиометрического соотношения компонентов в области горения. Температура факела меньше стехиометрической ввиду забалластирования факела избытком топлива во внутренней области и избытком воздуха на периферии, что приводит к снижению выхода оксидов азота.The air flow is divided into two - primary and secondary. Gaseous fuel is sprayed into both air streams, but there is an excessive amount in the primary stream, and not enough in the external stream to obtain a stoichiometric ratio of the components in the combustion area. The flame temperature is less than stoichiometric due to ballast ballasting with excess fuel in the inner region and excess air at the periphery, which leads to a decrease in the yield of nitrogen oxides.
Недостатком горелки, принятой за прототип, является неполное сгорание топлива в факеле и, как следствие этого, снижение экономических показателей энергоустановки в целом. Недостаток кислорода во внутренней области факела приводит к образованию в этой области крупных частиц спекшегося углерода С*, который очень трудно выжечь в дальнейшем. В хвосте факела, где к продуктам неполного сгорания из центральной области подмешивается вторичный воздух, невостребованный в процессе горения на периферии, температура уже снизилась и образовавшиеся ранее крупные частицы углерода С* не успевают выгореть полностью.The disadvantage of the burner, taken as a prototype, is the incomplete combustion of fuel in a flare and, as a consequence of this, a decrease in the economic indicators of the power plant as a whole. The lack of oxygen in the inner region of the plume leads to the formation of large particles of sintered carbon C * in this region, which is very difficult to burn out in the future. In the tail of the torch, where secondary air, unclaimed during combustion at the periphery, is mixed with products of incomplete combustion from the central region, the temperature has already decreased and the previously formed large C * carbon particles do not have time to burn out completely.
Известна горелка для сжигания жидкого углеводородного топлива, ближайшая по технической сущности и взятая за прототип (см. «Оксиды азота в дымовых газах котлов» Котлер В.Р., М., Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.27, стр.95), состоящая из воздушного короба и форсунки на стволе, представляющей собой топливный завихритель и паровой распылитель, установленные с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым устройством, выполненным в виде полого съемного колпачка с отверстиями на сферическом торце.Known burner for burning liquid hydrocarbon fuel, the closest in technical essence and taken as a prototype (see "Nitrogen oxides in the flue gases of boilers" Kotler VR, M., Energoatomizdat, 1987, Fig. 3.27, p. 95) , consisting of an air box and a nozzle on the barrel, which is a fuel swirl and a steam atomizer installed with a radial clearance in a cylindrical body with a nozzle device made in the form of a hollow removable cap with holes on the spherical end face.
Воздушный поток разделяется на два - первичный и вторичный. Жидкое топливо распыливается в оба воздушных потока, но в первичный поток - избыточное количество, а во внешний - недостаточное количество для получения стехиометрического соотношения компонентов в области горения. Температура факела меньше стехиометрической ввиду забалластирования факела избытком топлива во внутренней области и избытком воздуха на периферии, что приводит к снижению выхода оксидов азота.The air flow is divided into two - primary and secondary. Liquid fuel is sprayed into both air streams, but there is an excessive amount in the primary stream, and not enough in the external stream to obtain a stoichiometric ratio of components in the combustion area. The flame temperature is less than stoichiometric due to ballast ballasting with excess fuel in the inner region and excess air at the periphery, which leads to a decrease in the yield of nitrogen oxides.
Недостатки горелки, принятой за прототип, те же. Неполное сгорание топлива в факеле и, как следствие этого, снижение экономических показателей энергоустановки в целом. Недостаток кислорода во внутренней области факела приводит к образованию в этой области крупных частиц спекшегося углерода С*. В хвосте факела, где к продуктам неполного сгорания из центральной области подмешивается вторичный воздух, невостребованный в процессе горения на периферии, температура уже снизилась и образовавшиеся ранее крупные частицы углерода С* не успевают выгореть полностью.The disadvantages of the burner adopted for the prototype are the same. Incomplete combustion of fuel in a flare and, as a consequence of this, a decrease in the economic indicators of the power plant as a whole. The lack of oxygen in the inner region of the plume leads to the formation of large particles of sintered carbon C * in this region. In the tail of the torch, where secondary air, unclaimed during combustion at the periphery, is mixed with products of incomplete combustion from the central region, the temperature has already decreased and the previously formed large C * carbon particles do not have time to burn out completely.
Известна горелка для сжигания твердого углеводородного топлива, ближайшая по технической сущности и взятая за прототип (см. «Оксиды азота в дымовых газах котлов» Котлер В.Р., М., Энергоатомиздат, 1987 г., рис.3.14, стр.76), состоящая из воздушного короба, полого трубчатого коллектора подачи топлива с кольцевым выходом и расположенного коаксиально внутри коллектора парового завихрителя, выполненного в виде цилиндрического тела торцами и радиальными профилированными каналами, установленного с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым отверстием.Known burner for burning solid hydrocarbon fuels, the closest in technical essence and taken as a prototype (see. "Nitrogen oxides in the flue gases of boilers" Kotler VR, M., Energoatomizdat, 1987, Fig. 3.14, p.76) consisting of an air box, a hollow tubular fuel supply manifold with an annular outlet and a steam swirl located coaxially inside the manifold, made in the form of a cylindrical body with ends and radial profiled channels installed with a radial clearance in the cylindrical body from the nozzle m hole.
Подача топлива в виде аэросмеси осуществляется из центра горелки, а воздушный поток подается по периферии и разделен на первичный и вторичный, причем топливо распыливается главным образом в первичном потоке, и в центральной области факела горение происходит в «богатом» режиме, а на периферии факела организован «бедный» режим горения с избытком воздуха.Fuel is supplied in the form of an air mixture from the center of the burner, and the air stream is supplied on the periphery and divided into primary and secondary, and the fuel is atomized mainly in the primary stream, and in the central region of the flame, combustion occurs in a “rich” mode, and is organized on the periphery of the flame “Poor” combustion mode with excess air.
Недостатком горелки, взятой за прототип, является ухудшение горения в целом и образование несгоревших частиц углерода в центральной части факела при незначительном снижении выхода оксидов азота. Незначительное переобогащение центральной области факела топливом приводит к некоторому снижению выхода оксидов азота, но, одновременно, при этом ухудшается эффективность сжигания топлива и кпд котла.The disadvantage of the burner, taken as a prototype, is the deterioration of combustion in general and the formation of unburned carbon particles in the central part of the flame with a slight decrease in the yield of nitrogen oxides. A slight re-enrichment of the central region of the flare with fuel leads to a certain decrease in the yield of nitrogen oxides, but at the same time, the efficiency of fuel combustion and boiler efficiency deteriorates.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение образования оксидов азота при сжигании углеводородного топлива без снижения полноты его выгорания.The technical result of the present invention is to reduce the formation of nitrogen oxides during the combustion of hydrocarbon fuels without reducing the completeness of its burnout.
Технический результат достигается тем, что в способе сжигания углеводородного топлива, включающем раздельный подвод топлива и воздуха в горелку, преимущественную подачу топлива в центральную область воздушного потока и сжигание топлива на периферии факела в режиме избытка воздуха, а в центральной области факела - в режиме избытка топлива, в центральную область факела подается пар и на эту область накладывается поле акустических колебаний.The technical result is achieved by the fact that in the method of burning hydrocarbon fuel, comprising the separate supply of fuel and air to the burner, predominantly supplying fuel to the central region of the air stream and burning fuel at the periphery of the flare in excess air mode, and in the central region of the flare in excess fuel mode , steam is supplied to the central region of the torch and a field of acoustic vibrations is superimposed on this region.
В горелке, предназначенной для сжигания газообразного углеводородного топлива, состоящей из воздушного короба, полого трубчатого газового коллектора с выходными газовыми отверстиями и расположенного коаксиально внутри коллектора парового завихрителя, выполненного в виде цилиндрического тела торцами и радиальными профилированными каналами, установленного с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым отверстием, у парового завихрителя один торец заглушен, а противоположный плавно сопряжен с сопловым отверстием в корпусе.In a burner designed to burn gaseous hydrocarbon fuel, consisting of an air box, a hollow tubular gas manifold with gas outlet openings and coaxially located inside the steam swirl manifold, made in the form of a cylindrical body with ends and radial shaped channels installed with a radial clearance in a cylindrical body with nozzle hole, the steam swirl one end is muffled, and the opposite smoothly mates with the nozzle hole in the housing.
В горелке, предназначенной для сжигания жидкого углеводородного топлива, состоящей из воздушного короба и форсунки на стволе, представляющей собой топливный завихритель и паровой распылитель, установленные с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым устройством, выполненным в виде полого съемного колпачка с отверстиями на сферическом торце, внутри колпачка установлен с зазором меньший, аналогичный по форме колпачок с отверстиями, соосными наружному, при этом в наружном колпачке выполнены дополнительные отверстия в центральной части, не имеющие соответствующих во внутреннем колпачке.In a burner designed to burn liquid hydrocarbon fuel, consisting of an air box and a nozzle on the barrel, which is a fuel swirl and a steam atomizer installed with a radial clearance in a cylindrical body with a nozzle device made in the form of a hollow removable cap with holes at the spherical end face, a smaller, similar in shape cap with openings coaxial to the outer one is installed inside the cap with a gap, while additional openings are made in the center of the outer cap flax parts that do not have the corresponding in the inner cap.
В горелке, предназначенной для сжигания твердого углеводородного топлива, состоящей из воздушного короба, полого трубчатого коллектора подачи топлива с кольцевым выходом и расположенного коаксиально внутри коллектора парового завихрителя, выполненного в виде цилиндрического тела с торцами и радиальными профилированными каналами, установленного с радиальным зазором в цилиндрический корпус с сопловым отверстием, у парового завихрителя один торец заглушен, а противоположный плавно сопряжен с сопловым отверстием в корпусе.In a burner intended for burning solid hydrocarbon fuel, consisting of an air box, a hollow tubular fuel supply manifold with an annular outlet and coaxially located inside the steam swirl manifold, made in the form of a cylindrical body with ends and radial shaped channels installed with a radial clearance in the cylindrical body with a nozzle hole, in the steam swirl, one end is plugged, and the opposite smoothly mates with the nozzle hole in the housing.
Предложенный способ сжигания углеводородного топлива состоит в следующем.The proposed method of burning hydrocarbon fuel is as follows.
При сжигании углеводородного топлива обычно топливный коллектор располагается по центру воздушного короба, и топливо впрыскивается струями в воздушный поток изнутри, т.е. струи топлива распространяются в сносящем потоке воздуха от центра к периферии под некоторым углом. При этом струи топлива распространяются веером и создают завесу проникновению воздуха к центру общего потока.When burning hydrocarbon fuel, the fuel manifold is usually located in the center of the air box, and fuel is injected by jets into the air stream from the inside, i.e. jets of fuel are distributed in a blowing stream of air from the center to the periphery at a certain angle. At the same time, fuel jets spread like a fan and create a curtain of air penetration to the center of the general flow.
Аэрация потока топлива происходит с периферии внутрь, к центру горелки. Прогрев смеси и последующая вспышка топлива начинаются наоборот изнутри факела и инициируются за счет тепла, приносимого раскаленными продуктами сгорания в зоне обратных токов из хвоста факела в корневую область.Aeration of the fuel flow occurs from the periphery inward to the center of the burner. The heating of the mixture and the subsequent flash of fuel begin on the contrary from the inside of the torch and are initiated due to the heat brought by the hot products of combustion in the reverse current zone from the tail of the torch to the root region.
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 O2 в области высоких температур (выше 1750 К). Обычно снижают уровень выбросов NOx уменьшением температуры в зоне активного горения путем создания областей нестехиометрического горения. Центральную область корня насыщают топливом на начальном участке факела, препятствуя свободному доступу к нему кислорода с периферии, а затем дожигают недогоревшие остатки в хвосте, в области избытка кислорода. При этом уровень образования оксидов азота снижается, но в топке котла наблюдается дым и копоть, которая оседает на холодных экранах.The NOx emission level is mainly determined by three operational parameters: oxygen concentration in the reverse current zone, combustion temperature, and the residence time of nitrogen molecules N 2 and oxygen O 2 at high temperatures (above 1750 K). NOx emissions are typically reduced by lowering the temperature in the active combustion zone by creating non-stoichiometric combustion regions. The central region of the root is saturated with fuel in the initial part of the torch, preventing the free access of oxygen from the periphery to it, and then the unburned residues in the tail are burned up in the region of excess oxygen. At the same time, the level of formation of nitrogen oxides decreases, but smoke and soot are observed in the boiler furnace, which settles on cold screens.
Способ снижения образования оксидов азота, взятый в качестве прототипа, основан на снижении температуры факела за счет его расчленения на две области нестехиометрического горения. Но области разделены не по горизонтали, вдоль направления движения компонентов, а в вертикальной плоскости, т.е. поперек направления движения потоков топлива и воздуха. Топливо подается из центра в поток первичного воздуха и горение начинается в условии переобогащения начального участка факела топливом. Первичный поток воздуха отделен от вторичного слоем инертных газов рециркуляции, которые препятствуют турбулентному перемешиванию компонентов, и горение на периферии факела осуществляется при недостатке горючего. Факел расчленен на две области горения условно - горение происходит и на периферии факела, и в его внутренний области одновременно, но горение внутри развивается в условии переобогащения топливом, а на периферии - при условии переобогащения воздухом. Факел как бы двухслойный.A method for reducing the formation of nitrogen oxides, taken as a prototype, is based on reducing the temperature of the flame due to its decomposition into two areas of non-stoichiometric combustion. But the areas are not divided horizontally, along the direction of movement of the components, but in the vertical plane, i.e. across the direction of flow of fuel and air. Fuel is supplied from the center to the primary air stream and combustion begins under the condition of re-enrichment of the initial section of the flare with fuel. The primary air flow is separated from the secondary by a layer of inert recirculation gases, which inhibit the turbulent mixing of the components, and combustion at the periphery of the torch is carried out with a lack of fuel. The torch is divided into two areas of combustion conditionally - combustion occurs both on the periphery of the torch and in its inner region at the same time, but burning inside develops under the condition of re-enrichment with fuel, and on the periphery - under the condition of re-enrichment with air. The torch is as if two-layer.
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. Снижение образования окислов азота в двухслойном факеле достигается за счет того, что наружный факел забалластирован избытком воздуха, ненужного для горения на этом этапе и лишь поглощающем энергию, выделяемую при горении. А внутренний факел забалластирован избытком топлива CH4, которое при недостатке свободного кислорода но достаточном уровне температуры разлагается на компоненты, а именно на молекулы углерода С и водорода H. Молекулы водорода выгорают в первую очередь и молекулам углерода уже не остается кислорода для горения, хотя температура вполне достаточна. При недостатке кислорода, но достаточном уровне температуры молекулы углерода начинают спекаться и образовывать крупные частицы кристаллического углерода С*. Покинув корень факела, частицы углерода частично догорают на некотором удалении от горелки, создавая свечение в этой области. Горение растянуто. Также растягивается и пик температуры на начальном участке факела, а следовательно, уменьшается образование оксидов азота.Oxygen can enter the torch’s inner region into the root section only by ejecting it from the torch’s tail, where the air flow is largely ballasted by the combustion products. Reducing the formation of nitrogen oxides in a two-layer flare is achieved due to the fact that the outer flare is ballasted with excess air, which is unnecessary for combustion at this stage and only absorbs the energy released during combustion. And the internal torch is ballasted by an excess of CH 4 fuel, which decomposes into components, namely carbon molecules C and hydrogen H, with a lack of free oxygen and a sufficient temperature level. Hydrogen molecules burn out in the first place and carbon molecules no longer have oxygen for combustion, although the temperature quite enough. With a lack of oxygen, but a sufficient level of temperature, the carbon molecules begin to sinter and form large particles of crystalline carbon C *. Leaving the torch root, carbon particles partially burn out at some distance from the burner, creating a glow in this area. Burning is extended. The temperature peak in the initial section of the plume also stretches, and, consequently, the formation of nitrogen oxides decreases.
При соблюдении необходимых условий уровень выброса окислов азота снижается на 15...25%, в зависимости от режима работы котла. Но факел при этом вытягивается и хвостовая часть его становится светящейся, что говорит о наличии значительного количества раскаленных частичек углерода. Таким образом, платой за снижение образования оксидов азота является уменьшение полноты сгорания топлива и, как следствие, уменьшение кпд энергоустановки в целом.Subject to the necessary conditions, the level of nitrogen oxide emissions is reduced by 15 ... 25%, depending on the mode of operation of the boiler. But the torch thus extends and its tail becomes luminous, which indicates the presence of a significant amount of hot particles of carbon. Thus, the payment for reducing the formation of nitrogen oxides is a decrease in the completeness of fuel combustion and, as a result, a decrease in the efficiency of the power plant as a whole.
Предложенный способ сжигания газообразных углеводородов позволяет сжигать топливо с невысоким уровнем образования оксидов азота, ниже, чем в прототипе, и при этом уверенно выжигать топливо без образования коксовых остатков и уменьшения кпд энергоустановки за счет подачи пара именно в переобогащенную центральную область корневого сечения факела. Кроме этого, существенное влияние на выгорание топлива в условиях недостатка кислорода оказывает наложение на эту область интенсивных акустических колебаний.The proposed method of burning gaseous hydrocarbons allows you to burn fuel with a low level of formation of nitrogen oxides, lower than in the prototype, and at the same time confidently burn fuel without the formation of coke residues and reduce the efficiency of the power plant by supplying steam to the re-enriched central region of the torch root section. In addition, the imposition of intense acoustic vibrations on this area has a significant effect on fuel burnout under conditions of oxygen deficiency.
Известно, что пары воды существенно интенсифицируют процесс окисления углерода. Механизм этого явления не раскрыт до конца до сих пор, но многочисленными опытами детально проверено, что присутствие паров воды существенно убыстряет реакцию горения углерода. Существует много публикаций на эту тему и многие исследователи подавали воду и водяной пар в горелки энергетических котлов. В рассматриваемом способе предлагается подавать водяной пар не просто в газовый факел, а именно в предварительно созданную область «богатого» горения части топлива в центральной области корневого сечения факела. Кроме того, для интенсификации процессов, происходящих в области горения, предлагается наложить на нее поле акустических колебаний.It is known that water vapor significantly intensifies the process of carbon oxidation. The mechanism of this phenomenon has not yet been fully disclosed, but numerous experiments have verified in detail that the presence of water vapor significantly accelerates the carbon combustion reaction. There are many publications on this subject and many researchers have supplied water and water vapor to the burners of energy boilers. In this method, it is proposed to supply water vapor not just to a gas torch, but to a previously created region of “rich” combustion of a part of the fuel in the central region of the torch root section. In addition, to intensify the processes occurring in the combustion area, it is proposed to impose a field of acoustic vibrations on it.
Предложенный способ позволяет снизить уровень образования оксидов азота за счет снижения температуры в ядре факела, а зону активного горения расчленить на две области и забалластировать обе: периферийную область - избытком воздуха, а центральную - избытком топлива. Периферия факела выгорает чисто, избыток воздуха несколько снижает температуру горения на периферии, но внешне это никак не сказывается - горение снаружи прозрачное. А вот подача паров воды во внутреннюю область факела сразу приводит к повышению прозрачности также и центральной области факела, и исчезновению черного «хвоста» факела. Такие визуальные изменения горения позволяют судить о полноте горения топлива и, косвенно, даже о кпд энергоустановки в целом.The proposed method allows to reduce the level of formation of nitrogen oxides by lowering the temperature in the flame core, and to divide the active combustion zone into two areas and ballast both: the peripheral region with excess air, and the central region with excess fuel. The periphery of the torch burns out cleanly, an excess of air slightly reduces the combustion temperature at the periphery, but this does not affect the appearance - the burning from the outside is transparent. But the supply of water vapor in the inner region of the torch immediately leads to increased transparency as well as the central region of the torch, and the disappearance of the black "tail" of the torch. Such visual changes in combustion make it possible to judge the completeness of fuel combustion and, indirectly, even the efficiency of the entire power plant.
В каждой газовой горелке имеется распыливающее устройство для подачи в горелку жидкого топлива. Предлагается установить вместо него распыливающее устройство с использованием водяного пара в качестве рабочего тела для генерации акустических колебаний среды. Отработавший пар подается в корневую часть факела и внутри этой области создается источник акустических колебаний, который принципиально напоминает обычную паровую или паромеханическую форсунку с той лишь разницей, что внутри него предусмотрены паровые каналы специальной формы, позволяющие организовать внутри устройства систему догоняющих сверхзвуковых струй. Сдвиговые напряжения на кромках струй создают значительные перепады давления и генерируют возмущения в окружающей среде, которые распространяются из распылителя наружу. Интенсивные колебания среды улучшают смешение компонентов в замкнутом объеме и препятствуют образованию в области горения крупных спекшихся частичек углерода. В этом случае продуктом неполного окисления углерода будет монооксид углерода СО, который обязательно окислится до двуокиси углерода СО2 в хвосте факела.Each gas burner has a spray device for supplying liquid fuel to the burner. It is proposed to install a spray device instead using water vapor as a working fluid for generating acoustic vibrations of the medium. The exhaust steam is fed to the root of the torch and an acoustic oscillation source is created inside this region, which basically resembles a conventional steam or steam-mechanical nozzle with the only difference being that steam channels of a special shape are provided inside it, which allow organizing a system of catching-up supersonic jets inside the device. Shear stresses at the edges of the jets create significant pressure drops and generate disturbances in the environment that propagate outward from the atomizer. Intense vibrations of the medium improve the mixing of the components in a confined space and prevent the formation of large sintered carbon particles in the combustion area. In this case, the product of incomplete oxidation of carbon will be carbon monoxide CO, which will be oxidized to carbon dioxide CO 2 in the tail of the torch.
Схема пароакустического генератора представлена на фиг.4 и расположение паровых каналов видно на фиг.4 и 5. В поперечном сечении пароакустического генератора видно взаимное положение паровых каналов и очевидно, что сами каналы могут иметь сечение произвольной формы, лишь бы на выходе из каналов получалась система догоняющих сверхзвуковых газовых струй.The scheme of the steam-acoustic generator is shown in Fig. 4 and the location of the steam channels is shown in Figs. 4 and 5. In the cross-section of the steam-acoustic generator, the relative position of the steam channels is visible and it is obvious that the channels themselves can have an arbitrary shape cross-section, if only a system would be obtained catching up supersonic gas jets.
Объединение трех технических решений в одну заявку связано с тем, что три устройства горелки решают одну и ту же задачу - снижение выхода оксидов азота при сжигании углеводородного топлива без уменьшения полноты сгорания топлива одним и тем же способом, а именно: формированием в центральной области факела избытка топлива, подачей в эту область пара или распыленной воды и наложением на эту область поля акустических колебаний.The combination of three technical solutions in one application is due to the fact that three burner devices solve the same problem - reducing the yield of nitrogen oxides during the combustion of hydrocarbon fuels without reducing the completeness of fuel combustion in the same way, namely, the formation of an excess in the central region of the torch fuel, by supplying steam or sprayed water to this area and applying acoustic waves to this area.
Каждое из технических решений отличается от своего прототипа тем, что к известному способу снижения выхода оксидов азота за счет создания в центральной области факела восстановительной среды, добавляется еще и подача именно в нее пара или распыленной воды для улучшения выгорания кристаллического углерода и создание поля акустических колебаний для улучшения взаимодействия компонентов смеси.Each of the technical solutions differs from its prototype in that in addition to the known method of reducing the yield of nitrogen oxides by creating a reducing medium in the central region of the plume, it is also supplied with steam or atomized water to improve the burnup of crystalline carbon and creating an acoustic vibration field for improving the interaction of the components of the mixture.
Решения не могут быть изложены в одном пункте формулы ввиду различия их ограничительных частей, выражающих различия в конструкции горелок, и каждая конструкция представляет собой самостоятельное изобретение. Но в формуле твердотопливной и газовой горелки одинаковая отличительная часть ввиду того, что угольная пыль подается в горелку в виде аэросмеси.Decisions cannot be stated in one paragraph of the formula because of the differences in their restrictive parts expressing differences in the design of the burners, and each design is an independent invention. But in the formula of a solid fuel and gas burner, the same distinctive part is due to the fact that coal dust is fed into the burner as an aerosol.
Углеводородное топливо используется в качестве горючего в трех агрегатных состояниях: в газообразном виде, в жидком или твердом, вместе с этим несколько различна и конструкция горелочных устройств для его сжигания. Устройства представляют собой самостоятельные технические решения, но они объединены единым способом работы и преследуют единую цель.Hydrocarbon fuel is used as fuel in three aggregate states: in gaseous form, in liquid or solid, and at the same time the design of burner devices for its combustion is somewhat different. Devices are independent technical solutions, but they are combined in a single way of working and pursue a single goal.
Аналогами пароакустической форсунки по п.4 формулы являются два устройства (см. патент №2158390 и «Малые котлы и защита атмосферы» Беликов С.Е., Котлер В.Р. М., Энергоатомиздат, 1996 г., с.112), также предназначенные для распыливания жидкого топлива за счет энергии пара. Предложенная конструкция пароакустической форсунки является «изюминкой» конструкции горелки, предназначенной для сжигания жидкого углеводородного топлива. Предложенная конструкция форсунки позволяет подать пар в центральную область факела из центральных отверстий соплового устройства. Внутренний колпачок предназначен для того, чтобы паровой вихрь, распространяющийся по периферии внутренней полости форсунки, натекал в щель между колпачками и вытекал через центральные отверстия внешнего колпачка, а распыленное топливо вместе с частью пара вытекает через отверстия внутреннего колпачка и далее через внешние отверстия наружного колпачка. Диаметр отверстий во внутреннем колпачке меньше диаметра внешних отверстий наружного колпачка, а диаметр внутренних отверстий наружного колпачка еще меньше, и выполнены они под меньшим углом к оси устройства, чем внешние отверстия.Analogs of the steam acoustic nozzle according to claim 4 of the formula are two devices (see patent No. 2158390 and “Small boilers and protection of the atmosphere” Belikov S.E., Kotler V.R. M., Energoatomizdat, 1996, p. 112), also designed for atomization of liquid fuel due to steam energy. The proposed design of the steam-acoustic nozzle is a “highlight” of the burner design, intended for burning liquid hydrocarbon fuel. The proposed nozzle design allows to supply steam to the central region of the torch from the central holes of the nozzle device. The inner cap is designed so that the steam vortex propagating along the periphery of the inner cavity of the nozzle flows into the gap between the caps and flows out through the central openings of the outer cap, and the atomized fuel, along with part of the vapor, flows out through the openings of the inner cap and then through the outer openings of the outer cap. The diameter of the holes in the inner cap is smaller than the diameter of the outer holes of the outer cap, and the diameter of the inner holes of the outer cap is even smaller, and they are made at a smaller angle to the axis of the device than the outer holes.
Паровые каналы форсунки генерируют интенсивные акустические колебания во внутренней полости форсунки, и акустические волны распространяются через сопловые отверстия вместе со струями пара вовне форсунки.The vapor channels of the nozzle generate intense acoustic vibrations in the internal cavity of the nozzle, and acoustic waves propagate through the nozzle openings along with the jets of steam outside the nozzle.
Аналогом пароакустического генератора по п.п.3 и 5 формулы является устройство форсунки (см. патент №2158389), предназначенной для распыливания жидкого топлива за счет энергии пара. При отсутствии подачи топлива генерация паровыми каналами акустических колебаний во внутренней полости устройства усиливается многократно. Можно использовать в качестве пароакустического генератора форсунку по патенту №2158389, если вместо жидкого топлива подавать тот же пар или воду. На всех ТЭС или котельных имеются замазученные или замасленные стоки воды, которую нельзя сливать в городскую канализацию. Можно подавать такую воду в топливный канал и «поймать двух зайцев» - избавиться от замазученной воды и снизить выход оксидов азота при сжигании газа или же угольной аэросмеси.An analogue of the steam acoustic generator according to claims 3 and 5 of the formula is a nozzle device (see patent No. 2158389), intended for atomization of liquid fuel due to steam energy. In the absence of fuel supply, the generation of acoustic oscillations in the internal cavity of the device by steam channels is amplified many times. You can use the nozzle according to patent No. 2158389 as a steam acoustic generator if, instead of liquid fuel, the same steam or water is supplied. All TPPs or boiler houses have oil-contaminated or oily effluents that cannot be drained into the city sewer. You can supply such water to the fuel channel and “catch two birds with one stone” - get rid of oil-contaminated water and reduce the yield of nitrogen oxides when burning gas or coal mixtures.
Предложенный способ сжигания углеводородных топлив позволяет существенно снизить выбросы окислов азота по сравнению со способом, взятым за прототип, без ухудшения полноты выгорания топлива и снижения экономических показателей работы энергоустановки в целом.The proposed method of burning hydrocarbon fuels can significantly reduce the emissions of nitrogen oxides compared to the method taken as a prototype, without compromising the completeness of fuel burnout and reducing the economic performance of the power plant as a whole.
На фиг.1 представлена схема газовой горелки и двухслойного факела.Figure 1 presents a diagram of a gas burner and a two-layer torch.
На фиг.2 представлена схема жидкостной горелки.Figure 2 presents a diagram of a liquid burner.
На фиг.3 представлена схема твердотопливной горелки.Figure 3 presents a diagram of a solid fuel burner.
На фиг.4 представлен сборочный чертеж пароакустического генератора и представлена схема расположения паровых каналов.Figure 4 presents an assembly drawing of a steam acoustic generator and presents a layout of steam channels.
На фиг.5 представлен сборочный чертеж пароакустической форсунки-генератора и представлена схема расположения паровых каналов.Figure 5 presents the assembly drawing of the steam-acoustic nozzle-generator and presents the layout of the steam channels.
Горелка для сжигания газообразного углеводородного топлива состоит из: воздушного короба 1 (см. фиг.1), в каналах которого установлены лопаточные завихрители воздуха 2, газового коллектора 3, представляющего собой трубу-в-трубе, между которыми подается газ, вытекающий в закрученный воздушный поток через газовые отверстия 4 в газовом насадке. В газовый коллектор 3 вставляется штанга с пароакустическим генератором 5 на конце. Пароакустический генератор представляет собой полый цилиндрический корпус 14 (см. фиг.4) с сопловым отверстием 16, в котором с осевым зазором вставлен паровой завихритель 15, представляющий собой полое тело вращения с радиальными профилированными каналами на торце, обращенном к сопловому отверстию в корпусе и заглушенное с противоположной стороны. Паровые каналы в плоскости поперечного сечения распыливающего устройства имеют форму повторяющегося элемента логарифмической кривой.The burner for burning gaseous hydrocarbon fuel consists of: an air box 1 (see Fig. 1), in the channels of which there are bladed air swirls 2, a gas manifold 3, which is a pipe-in-pipe, between which gas is flowing, flowing into a swirling air flow through gas openings 4 in a gas nozzle. A rod with a steam acoustic generator 5 at the end is inserted into the gas manifold 3. The steam acoustic generator is a hollow cylindrical body 14 (see FIG. 4) with a
Горелка для сжигания жидкого углеводородного топлива отличается тем, что в газовый коллектор вставляется не пароакустический генератор, а пароакустическая форсунка-генератор 8 (см. фиг.2), позволяющая и распыливать жидкое топливо в спутный поток воздуха, и генерировать акустические колебания при истечении из нее пара.A burner for burning liquid hydrocarbon fuel is characterized in that not a steam acoustic generator, but a steam acoustic nozzle generator 8 (see FIG. 2) is inserted into the gas manifold, which makes it possible to spray liquid fuel into a satellite air stream and generate acoustic vibrations when it flows out of it couple.
Пароакустическая форсунка-генератор состоит из полого цилиндрического корпуса 18 (см. фиг.5), в который вставлены тела вращения: топливный завихритель 19 и паровой распылитель 20, на торцах которого нарезаны лопаточные паровые каналы, представляющие в плоскости поперечного сечения устройства повторяющийся элемент логарифмической кривой. Сопловое устройство представляет собой наружный полый съемный колпачок 21 с отверстиями на сферическом торце, внутри которого установлен с зазором такой же по форме, но меньший по размеру колпачок 22 с отверстиями, соосными отверстиям наружного колпачка. Кроме периферийных отверстий в центральной части наружного колпачка выполнены еще отверстия меньшего диаметра. Корпус форсунки наворачивается через медную прокладку 23 на основание 24, в котором выполнены сверления для подачи в форсунку топлива по центральному каналу и пара по периферийным каналам.The steam-acoustic nozzle-generator consists of a hollow cylindrical body 18 (see Fig. 5), into which rotation bodies are inserted: a fuel swirl 19 and a
Горелка для сжигания твердого углеводородного топлива отличается от горелки газовой лишь исполнением коллектора подачи топлива, который также представляет собой «трубу-в-трубе», но не имеет конического насадка с отверстиями на конце, а заканчивается кольцевой щелью, через которую в камеру воспламенения подается топливо в виде аэросмеси.The burner for burning solid hydrocarbon fuel differs from the gas burner only in the design of the fuel supply manifold, which is also a “pipe-in-pipe”, but does not have a conical nozzle with holes at the end, and ends with an annular gap through which fuel is fed into the ignition chamber in the form of aerosol.
Работает горелка следующим образом.The burner works as follows.
Воздух нагнетается внутрь воздушного короба 1 (см. фиг.1), продавливается через лопаточные завихрители 2 и двумя закрученными потоками поступает в камеру воспламенения. Газ подается в газовый коллектор и выдавливается из него через отверстия в коническом газовом насадке тоже в камеру воспламенения. Газовые отверстия спроектированы таким образом, что в первичный поток воздуха подается избыточное количество газа, а во вторичный поток - недостаточное для создания стехиометрического соотношения компонентов горючей смеси.The air is forced inside the air box 1 (see Fig. 1), forced through the scapular swirlers 2 and in two swirling flows enters the ignition chamber. Gas is supplied to the gas manifold and squeezed out of it through openings in the conical gas nozzle, also into the ignition chamber. Gas holes are designed in such a way that an excess amount of gas is supplied to the primary air stream, and insufficient to create a stoichiometric ratio of the components of the combustible mixture into the secondary stream.
Пар подается по штанге в кольцевой канал между цилиндрическим корпусом генератора 14 и паровым завихрителем 15 (см. фиг.4), продавливается через профилированные лопаточные каналы и образует во внутренней полости генератора систему догоняющих сверхзвуковых струй. Отработавший в генераторе пар выбрасывается через сопловое отверстие 16 в центральную область факела. Система догоняющих струй генерирует акустические волны, распространяющиеся вне генератора во внутреннюю область факела. На периферии факела формируется область «бедного» горения, а во внутренней области факела создается область с избытком топлива и присутствием в ней пара или распыленной воды, а также акустических волн.Steam is supplied through a rod into the annular channel between the cylindrical body of the
В случае работы жидкостной горелки воздух подается в камеру воспламенения таким же образом, газовый коллектор отключен, а жидкое топливо подается по стволу в пароакустическую форсунку, продавливается через каналы топливного завихрителя 19 (см. фиг.5) и закрученным потоком поступает во внутреннюю полость форсунки.In the case of the operation of the liquid burner, air is supplied to the ignition chamber in the same way, the gas manifold is turned off, and the liquid fuel is supplied through the barrel to the steam-acoustic nozzle, forced through the channels of the fuel swirl 19 (see Fig. 5), and flows into the internal cavity of the nozzle with a swirling flow.
Пар подается по стволу в форсунку, в кольцевой канал между цилиндрическим корпусом 18 и паровым распылителем 20, и далее картина течения аналогична движению пара через пароакустический генератор. Пар продавливается через профилированные каналы во внутреннюю полость форсунки, где образует систему догоняющих струй, и активно взаимодействует с закрученным потоком топлива. Часть парового вихря сохраняет свою структуру при поступательном движении, натекает в кольцевую щель между наружным 21 (см.фиг.5) и внутренним 22 колпачками соплового устройства, и вытекает наружу через центральные отверстия наружного колпачка. Паровой вихрь отжимает топливо к центру внутренней полости форсунки и поэтому паромазутная эмульсия вытекает через отверстия во внутреннем колпачке и далее через периферийные отверстия наружного колпачка в камеру воспламенения горелки.Steam is fed through the barrel into the nozzle, into the annular channel between the
Акустические волны распространяются через сопловые отверстия наружу и существенно интенсифицируют тепло и массообменные процессы в факеле, что препятствует образованию крупных частиц кристаллического углерода.Acoustic waves propagate through nozzle openings to the outside and significantly intensify heat and mass transfer processes in the flare, which prevents the formation of large particles of crystalline carbon.
В случае работы горелки на твердом топливе система подачи воздуха в горелку остается прежней. Топливо в виде аэросмеси подается в горелку по топливному коллектору и вытекает из кольцевой щели в камеру воспламенения. Работа пароакустического генератора аналогична варианту газовой горелки.In the case of a solid fuel burner, the air supply system to the burner remains the same. Fuel in the form of a mixture is fed into the burner through the fuel manifold and flows from the annular gap into the ignition chamber. The operation of the steam acoustic generator is similar to the gas burner version.
Положительный эффект от использования предлагаемого способа сжигания углеводородного топлива на тепловых станциях заключается в снижении выбросов оксидов азота без снижения полноты сгорания топлива.The positive effect of the use of the proposed method of burning hydrocarbon fuel at thermal plants is to reduce nitrogen oxide emissions without reducing the completeness of fuel combustion.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003135466/06A RU2262039C2 (en) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | Method of combustion of hydrocarbon fuel and device for realization of this method (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003135466/06A RU2262039C2 (en) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | Method of combustion of hydrocarbon fuel and device for realization of this method (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003135466A RU2003135466A (en) | 2005-05-27 |
| RU2262039C2 true RU2262039C2 (en) | 2005-10-10 |
Family
ID=35824225
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003135466/06A RU2262039C2 (en) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | Method of combustion of hydrocarbon fuel and device for realization of this method (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2262039C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014088450A1 (en) * | 2012-12-06 | 2014-06-12 | Schlumberger Canada Limited | Multiphase flare for effluent flow |
| RU220516U1 (en) * | 2023-07-25 | 2023-09-19 | Дмитрий Рюрикович Григорьев | Burner device for combustion of low-calorie gas and natural gas with low nitrogen oxide emissions |
-
2003
- 2003-12-04 RU RU2003135466/06A patent/RU2262039C2/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014088450A1 (en) * | 2012-12-06 | 2014-06-12 | Schlumberger Canada Limited | Multiphase flare for effluent flow |
| GB2523020A (en) * | 2012-12-06 | 2015-08-12 | Schlumberger Holdings | Multiphase flare for effluent flow |
| GB2523020B (en) * | 2012-12-06 | 2017-09-20 | Schlumberger Holdings | Multiphase flare for effluent flow |
| RU220516U1 (en) * | 2023-07-25 | 2023-09-19 | Дмитрий Рюрикович Григорьев | Burner device for combustion of low-calorie gas and natural gas with low nitrogen oxide emissions |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2003135466A (en) | 2005-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5158445A (en) | Ultra-low pollutant emission combustion method and apparatus | |
| US5542840A (en) | Burner for combusting gas and/or liquid fuel with low NOx production | |
| KR960002751B1 (en) | Method of inhibiting formation of unburned substances in refuse incinerator, and refuse incinerator | |
| US5013236A (en) | Ultra-low pollutant emission combustion process and apparatus | |
| PL212230B1 (en) | Low nox combustion | |
| US6102687A (en) | Simplified configuration for the combustor of an oil burner using a low pressure, high flow air-atomizing nozzle | |
| US7891971B2 (en) | Combustion head and method for combusting fuel | |
| JPS5837413A (en) | Combustion equipment for liquid fuel | |
| CN213930924U (en) | Torch combustion system | |
| US7367798B2 (en) | Tunneled multi-swirler for liquid fuel atomization | |
| RU2262039C2 (en) | Method of combustion of hydrocarbon fuel and device for realization of this method (versions) | |
| KR200421616Y1 (en) | LOW NOx GAS BURNER | |
| CN102032563B (en) | Pulverized coal burner and boiler with same | |
| CN1194191C (en) | Natural gas re-burning nozzle for coal boiler | |
| CN201363716Y (en) | Boiler capable of realizing low exhaustion of nitrogen oxide | |
| KR100460195B1 (en) | A burner system reducing air-polution material | |
| JP6466157B2 (en) | Heavy oil-fired boiler combustion method and heavy oil-fired boiler | |
| JP2005226850A (en) | Combustion device | |
| CN101440955B (en) | Low nitrogen combustion apparatus and method | |
| JP2003172505A (en) | Method of internal mixture type high pressure air flow spray combustion and oil burner | |
| RU215037U1 (en) | Oil-gas burner with threaded channels for enhanced mixing | |
| RU215191U1 (en) | Oil-gas burner with variable flame angle | |
| FI127741B (en) | Bio oil burner | |
| RU2210027C2 (en) | Method of burning liquid hydrocarbon fuels | |
| KR100551984B1 (en) | LOW NOx BURNER |