PL178536B1 - Sposób i urządzenie do niskoemisyjnego spalania paliwa, zwłaszcza pyłu węglowegowkotle energetycznym - Google Patents

Abstract

1 Sposób niskoemisyjnego spalania paliwa, zwłaszcza pyłu węglowego w kotle energetycznym polegający na realizowaniu trójstrefowego spalania z wykorzystaniem palników pyłowych i dysz dopalających, podczas ktorego w strefie pierwszej, odgazowania, spala się tylko części lotne, w strefie drugiej, głównej, spala się części stałe w warunkach podstechiometrycznych, natomiast w trzeciej strefie doprowadza się powietrze dopalające, dopala siępozostałe części stałe paliwa i następuje utlenianie CO, przy czym reguluje się i kontroluje przepyw powietrza wtórnego, stopniuje się ilość paliwa oraz dopływ powietrza w palniku i palenisku, znamienny tym, że do strefy odgazowania doprowadza się z palników pył węglowy o zwiększonej zawartości wilgoci przemijającej wynoszącej od 2,0 do 4,5%, utrzymuje się temperaturę w zakresie od 700 do 800°C i hamuje się uwalnianie azotu zawartego w paliwie, w strefie głównej kształtuje się niskotuibulentny płomień ledukcyjny o eksplozyjnym charakterze spalania ziaren pyłu węglowego poprzez gwałtowne odparowanie zawartej w nich wilgoci, natomiast w trzeciej strefie kształtuje się płomień dopałająco-utleniający o wysokiej turbulencji, doprowadza się aerodynamicznie uformowane strumienie powietrza dopalającego i utrzymuje się stężenie tlenków azotu na poziomie zbliżonym jak na wylocie ze strefy głównej, przy czym przepływ powietrza wtórnego reguluje i kontroluje się według zależności Vp,M = avp, - bvn - vgnv gdzie, vpxt to ilość powietrza wtórnego do palników, Vp, to teoretyczna ilość powietrza do spalania przy danym obciążeniu kotła, v„to ilość powietrza dossanego przez nieszczelność do komory paleniskowej wraz z instalacją młynową, vglM to ilość powietrza gorącego doprowadzanego do młynów, „a"to współczynnik zależny od typu palnika, ,,b” to udział nieszczelności przypadający na instalację młynową i komorę paleniskową w rejonie palników, zaś nieszczelność komory wyznacza się wcześniej, a wartości „a” i .,b” potwierdza się na drodze pomiarów bilansowych

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do niskoemisyjnego spalania paliwa, zwłaszcza pyłu węglowego w kotle energetycznym, stosowane w komorach paleniskowych kotłów energetycznych parowych i wodnych wyposażonych w palniki strumieniowe lub wirowe. W znanych rozwiązaniach, spalanie w kotłach energetycznych przy obniżonej emisji tlenków azotu, realizuje się przez stopniowanie dopływu powietrza oraz przez stopniowanie ilości paliwa w komorze spalania.

Stopniowanie dopływu powietrza jest stosowane w palniku oraz w palenisku przez doprowadzenie części powietrza wtórnego do komory spalania ponad palnikami lub od dołu komory.

178 536

Stopniowanie ilości paliwa polega na stosowaniu ubogiej i bogatej w paliwo mieszanki paliwowo-powietrznej.

Z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr P. 291682 znany jest niskotemperaturowy sposób spalania paliwa w paleniskach kotłów energetycznych, w którym do komory paleniskowej podaje się strumienie mieszanki paliwowo-powietrznej z narożnych palników, skierowane stycznie do koła wiru tworzącego w środku komory i pochylone w dół komory. Jednocześnie od dołu komory podaje się powietrze, skierowane ku górze, równolegle do skośnych ścian komory w ten sposób, aby współdziałając z poziomym wirem, wywołanym strumieniami palników głównych, tworzyły w dolnej części komory przestrzenny wir, mający wywoływać wielokrotną recyrkulację spalin.

Z kolei, znane z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr P. 298186 palniki narożne, posiadają dodatkowe dysze powietrza wtórnego, kierujące powietrze bliżej ścian i odchylone od ściany komory paleniskowej o kąt 0 do 45°. Ponadto w każdym narożu komory jest zabudowany zespół dwóch dysz powietrza górnego, przy czym dysze te tworzą w komorze paleniskowej koło wiru o przeciwnym kierunku w stosunku do zawirowania wytwarzanego przez palniki.

Znany ze zgłoszenia nr P. 291682 układ strumieni powoduje znaczne przeniesienie procesu spalania w dolne partie komory paleniskowej. W związku ze wzrostem obciążenia cieplnego dolnych obszarów komory następuje istotna zmiana warunków wymiany ciepła w kotle, prowadząca do znacznego obniżenia przegrzewu pary. Ponadto, z uwagi na obniżenie temperatur w komorze, następuje pogorszenie spalania, czyli wzrost części palnych w popiele lotnym.

Natomiast znane ze zgłoszenia nr P. 298 186 palniki, z uwagi na zwiększenie przekrojów wylotowych dysz powietrza wtórnego i górnego przez podwójne okna wylotowe, powodują obniżenie prędkości wylotowych, co prowadzi do słabszego wymieszania powietrza ze spalinami. Ponadto, przeciwny kierunek zawirowania powietrza górnego prowadzi w sumie do wyhamowania zawirowania i skrócenia drogi przebytej w komorze przez niespalone cząsteczki pyłu. Takie rozwiązanie prowadzi do wzrostu zawartości części palnych w pozostałościach po spalaniu oraz wzrostu stężenia tlenku węgla w spalinach. Wymusza to pracę komory paleniskowej przy zwiększonych nadmiarach powietrza, obniżając stopień redukcji emisji tlenków azotu.

W znanych sposobach i urządzeniach stosuje się zasadę spalania pyłu węglowego w warunkach podstechiometrycznych, jednak nie precyzuje się tych warunków, poprzestając na ogólnych ideach.

Również w znanych opisach patentowych oraz literaturze technicznej brak jest wystarczających danych dotyczących zabudowy dysz powietrza dopalającego, ich miejsca i poziomu na wysokości komory paleniskowej, sposobu doprowadzania strumieni powietrza dopalającego w aspekcie nie tylko uzyskania obniżonej emisji tlenków azotu, ale także niskiej emisji tlenku węgla, niskich zawartości części palnych w żużlu i popiele oraz poprawnych warunków wymiany ciepła w kotle, zarówno w części opromieniowanej jak i konwekcyjnej.

W sposobie według wynalazku, do strefy odgazowania doprowadza się z palników pył węglowy o zwiększonej zawartości wilgoci przemijającej wynoszącej od 2,0 do 4,5%, utrzymuje się temperaturę w zakresie od 700 do 800°C i hamując uwalnianie azotu zawartego w paliwie. W strefie głównej kształtuje się niskoturbulentny płomień redukcyjny o eksplozyjnym charakterze spalania ziaren pyłu węglowego poprzez gwałtowne odparowanie zawartej w nich wilgoci. Z kolei w trzeciej strefie kształtuje się płomień dopalająco-utleniający o wysokiej turbulencji, doprowadza się aerodynamicznie uformowane strumienie powietrza dopalającego i utrzymuje się stężenie tlenków azotu na poziomie zbliżonym jak na wylocie ze strefy głównej, przy czym przepływ powietrza wtórnego reguluje i kontroluje się według zależności Vp_Wt = avp - bv_n - v_gm, gdzie, vp_Wtto ilość powietrza wtórnego do palników, vp_t to teoretyczna ilość powietrza do spalania przy danym obciążeniu kotła, v_n to ilość powietrza dossanego przez nieszczelność do komory paleniskowej wraz z instalacją młynową, v_gnl to ilość powietrza gorącego doprowadzanego do młynów, „a” to współczynnik zależny od typu palnika, „b” to udział nieszczelności przypadający na instalację młynową i komorę paleniskową w rejonie palników. Nieszczelność komory wyznacza się wcześniej, a wartości współczynników „a” i „b” potwierdza się na drodze pomiarów bi178 536 lansowych. Z kolei powietrze wtórne doprowadza się do palników w takiej ilości, aby nadmiar powietrza X_k za komorą paleniskową pomniejszony o ilość powietrza dopalającego, odniesioną do ilości teoretycznej, X_dop, wy nosił od 0,90 do 1,00 a nadmiar powietrza ypna wylocie z palników wynosił od 0,78 do 0,92, korzystnie 0,85. Pozostałą część powietrza doprowadza się do komory paleniskowej wielostrumieniowo jako powietrze dopalające oraz jest odsysane, jako fałszywe, do komory paleniskowej i układu młynowego, przy czym korzystnie różnicę nadmiaru powietrza (λ _k - λ _dOp) utrzymuje się w zakresie optymalnym, przy którym emisja tlenków azotu jest najniższa, a zależność emisji jednostkowej NO_X od różnicy nadmiaru powietrza przyjmuje charakter paraboli o wydbiżonym prawym ramieniu skierowanym do góry.

Powietrze dopalające doprowadza się do komory paleniskowej w takiej odległości od palników głównych, z uwzględnieniem składowych przestrzennych prędkości spalin w komorze, aby czas pobytu elementarnej cząstki paliwa w strefie redukcyjnej, liczonej od początku strefy głównej do początku strefy dopalania, był dłuższy od czasu tworzenia wolnych rodników i ich reakcji redukcyjnych do pożądanego stopnia redukcji wynoszącego od 0,8 do 1,2 s, a także aby czas liczony od początku strefy dopalania do momentu wylotu pozostałości po spalaniu z komory paleniskowej był dłuższy od czasu niezbędnego do całkowitego i zupełnego wypalenia cząstek paliwa. Stosunek prędkości wylotowej powietrza dopalającego z dysz do składowej pionowej prędkości spalin w komorze paleniskowej wynosi od 7 do 11. Przy zasilaniu kotła węglem o dwóch różnych zawartościach wilgoci całkowitej, paliwo o większej zawartości wilgoci całkowitej doprowadza się do górnych poziomów palników, natomiast paliwo o mniejszej zawartości wilgoci całkowitej doprowadza się do dolnych poziomów palników'.

Dla kotłów energetycznych z palnikami strumieniowymi współczynnik „a” zawarty jest w zakresie od 0,76 do 0,79, zaś optymalna różnica λ d_Op) wynosi od 0,95 do 0,96, natomiast z palnikami wirowymi współczynnik „a” jest zawarty w zakresie od 0,72 do 0,75, zaś optymalna różnica (λ|< - λdop) wynosi od 0,90 do 0,95.

Powietrze dopalające doprowadza się do komory spalania co najmniej czterema strumieniami, z których każdy rozdziela się poziomo na dwa, w taki sposób, aby tworzyły w środku komory koło wiru o kierunku zgodnym z zawirowaniem w głównej strefie spalania o średnicy Dg< Ddo_P< 0,4 P_k, korzystnie Ddop równa od 0,15 P_k do 0,25 P_k, gdzie D_gt to średnica koła wiru w głównej strefie spalania, Ddop to średnica koła wiru w strefie dopalania, Pk to przekątna komory spalania. Dwa strumienie powietrza dopalającego, których kierunek jest symetryczny względem osi komory, ukierunkowuje się na mniejszą średnicę koła wiru a pozostałe dwa na większą, o 35 do 65% od poprzedniej, średnicę koła wiru.

W urządzeniu według wynalazku, dysze powietrza dopalającego są zabudowane symetrycznie względem osi komory paleniskowej, posiadają zmienny kierunek wypływu i są wykonane w postaci kanału o zbieżnych ścianach o kącie (α), na wylocie którego znajduje się kilka kierownic regulacyjnych o zmiennym położeniu w zakresie kąta a, z osią obrotu do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie poziomej, przy czym stosunek długości kierownic do ich podziałki jest większy od 2,5 a skrajne kierownice regulacyjne są usytuowane w odległości podziałki od ścian bocznych. Przed kierownicami regulacyjnymi, przy ścianach bocznych, są umieszczone kierownice nawiewne o długości większej od długości kierownic regulacyjnych, z osią obrotu, na początku kierownicy nawiewnej, kącie obrotu mniejszym od α i kierunku obrotu przeciwnym do kierownic regulacyjnych, a ponadto za kierownicami regulacyjnymi do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie poziomej, są zabudowane kierownice do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie pionowej z osiami obrotu na początku tych kierownic. Dwie dysze dopalające są zabudowane prostopadle, a dwie dysze dopalające są zabudowane pod kątem (90° - β), do ścian komory paleniskowej.

Dysza dopalającajest podzielona poziomo na dwie części, przy czym wysokość jednej części stanowi od 50 do 70% wysokości całości dyszy, a przed przegrodą rozdzielającą jest zabudowana klapa rozdzielająca z poziomą osią obrotu usytuowaną tuż przed przegrodą. Długość klapy rozdzielającej jest większa od wysokości dyszy. Kierownice regulacyjne są osobno wykonane i ustawiane dla górnej i dolnej części dyszy poprzez połączone zespoły dźwigni.

178 536

Sposób według wynalazku nie wymaga kosztownej wymiany palników pyłowych już zainstalowanych w kotle. Zastosowanie sposobu i urządzenia pozwala na redukcje emisji NO_X w spalinach o 35, a nawet o 45%. W kotle z palnikami szczelinowymi, rozwiązania te pozwalająna obniżenie emisji poniżej poziomu dopuszczalnego obowiązującego od 1998 r. to jest poniżej 170g/GJ.

Ponadto, rozwiązania według wynalazku umożliwiająutrzymanie niskiego stężenia CO w spalinach w zakresie od 5 do 40 ppm oraz niskich zawartości części palnych w popiele w zakresie od 1 do 4%. Ponadto, poprzez obniżenie temperatur spalin wylotowych oraz obniżenie nadmiaru powietrza, czyli zmniejszenie strefy wylotowej, poprawia się sprawność kotła.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie, w przekroju poziomym, komorę paleniskową kotła energetycznego z dyszami powietrza dopalającego, fig. 2 - dyszę powietrza dopalającego w przekroju poziomym, fig. 3 - przekrój pionowy, A - A z fig. 2 dyszy powietrza dopalającego, fig. 4 - ilustruje zależność emisji tlenków azotu ΝΟχ od różnicy nadmiarów powietrza (λ_k - d_dop) w komorze paleniskowej kotła i powietrza dopalającego, zaś fig. 5 - ilustruje zależność zawartości części palnych c, w popiele od wspomnianej różnicy nadmiarów powietrza (λk - λ_άορ).

Komora paleniskowa kotła energetycznego, spalającego pył węglowy z węgla kamiennego, jest wyposażona w cztery zespoły strumieniowych palników pyłowych usytuowane w narożach komory oraz w cztery dysze 1 i 2 powietrza dopalającego, usytuowane na poziomie 23,3 m na ścianach bocznych komory.

Do strefy odgazowania doprowadza się z palników pył węglowy o zwiększonej zawartości wilgoci przemijającej wynoszącej 3,0%, którą reguluje się strumieniem gazu suszącego w młynie, utrzymuje się temperaturę 700°C hamując uwalnianie azotu zawartego w paliwie. W strefie głównej, poprzez obniżenie prędkości wylotowych powietrza wtórnego wypływającego z palników głównych, kształtuje się niskoturbulentny płomień redukcyjny, o temperaturze 1130°C w rejonie palników i 1280°C w przestrzeni od palników do dysz l _i 2 powietrza dopalającego. Gwałtowne odparowanie wilgoci zawartej w pyle węglowym nadaje eksplozyjny charakter spalania, w wyniku którego ziarna pyłu są rozdrabniane na mniejsze.

Z kolei w trzeciej strefie kształtuje się płomień dopalająco-utleniający o wysokiej turbulencji i temperaturze 1280°C, doprowadza się aerodynamicznie uformowane strumienie powietrza dopalającego i utrzymuje się stężenie tlenków azotu na poziomie zbliżonym jak na wylocie ze strefy głównej, przy czym przepływ powietrza wtórnego reguluje i kontroluje się według zależności Vp_Wt = avp_t - bvn - Vgm, gdzie Vp_Wt to ilość powietrza wtórnego do palników, Vp_t to teoretyczna ilość powietrza do spalania, przy danym obciążeniu kotła, Vn to ilość powietrza dossanego przez nieszczelność do komory paleniskowej wraz z instalacją młynową, V_gm to ilość powietrza gorącego doprowadzanego do młynów, ”a” = 0,76, ”b” = 0,6.

Nieszczelność komory wyznaczono wcześniej, a wartości współczynników „a” i „b” potwierdziły pomiary bilansowe. Pozostałą część powietrza doprowadza się do komory paleniskowej przez układ młynowy jako pierwotne i wielostrumieniowe jako powietrze dopalające z nadmiarem λ_ά0(, = 0,19 oraz jest dosysane, jako fałszywe, do komory paleniskowej i układu młynowego, przy czym korzystnie różnicę nadmiarów powietrza (λ k, λ _dop) utrzymuje się w zakresie optymalnym, wynoszącym 0,95 - 0,98, przy którym emisja tlenków azotu jest najniższa a zależność emisji jednostkowej ΝΟχ od różnicy nadmiarów powietrza przyjmuje charakter paraboli o wydłużonym prawym ramieniu skierowanym do góry, jak to przedstawiono na fig. 4. Nadmiar powietrza λniia wyóocie z palników wnoosił0,55.

Powietrze dopalające doprowadza się do komory paleniskowej w odległości 4,8 m od górnego poziomu palników głównych, a czas pobytu elementarnej cząstki paliwa w strefie redukcyjnej, liczonej od początku strefy głównej do początku strefy dopalania, wynosi 0,8 s. Stosunek prędkości wylotowej powietrza dopalającego z dysz 1 i 2 do składowej pionowej prędkości spalin w komorze paleniskowej wynosi 7. Paliwo o większej zawartości wilgoci całkowitej doprowadza się do młynów zasilających górne poziomy palników, natomiast paliwo o mniejszej zawartości wilgoci całkowitej doprowadza się do młynów zasilających dolne poziomy palników.

178 536

Powietrze dopalające doprowadza się do komory spalania czterema strumieniami, z których każdy rozdziela się poziomo na dwa, w taki sposób, aby tworzyły w środku komory koło wiru o kierunku zgodnym z zawirowaniem w głównej strefie spalania o średnicy Ddop = 0,15 Pk, gdzie Pk to przekątna komory spalania. Dwa strumienie 2a powietrza dopalającego, których kierunek jest symetryczny względem osi komory, ukierunkowuje się na mniejszą średnicę koła wiru a pozostałe dwa strumienie la na większą, korzystnie o 35% od poprzedniej, średnicę koła wiru.

W urządzeniu, dysze 1 i 2 powietrza dopalającego są zabudowane symetrycznie względem osi komory paleniskowej, posiadajązmienny kierunek wypływu i są wykonane w postaci kanału o zbieżnych ścianach o kącie α = 20°, na wylocie którego znajdują się trzy kierownice 3 regulacyjne o zmiennym położeniu w zakresie kąta α, z osią obrotu do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie poziomej, przy czym stosunek długości 1 = 350 mm kierownic 3 do ich podziałki t = 140 mm wynosi 2,5 a skrajne kierownice 3 regulacyjne sąusytuowane w odległości 140 mm od ścian bocznych 9. Przed kierownicami 3 regulacyjnymi, przy ścianach bocznych 9, są umieszczone kierownice 5 nawiewne o długości większej od długości kierownic 3 regulacyjnych, z osiąobrotu 10 na początku kierownicy 5 nawiewnej, kącie obrotu mniejszym od α i kierunku obrotu przeciwnym do kierownic 3 regulacyjnych. Ponadto za kierownicami 3 regulacyjnymi do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie poziomej, są zabudowane kierownice 4 do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie pionowej z osiami obrotu 11 na początku tych kierownic 4. Dwie dysze 1 dopalające są zabudowane prostopadle, a dwie dysze 2 dopalające są zabudowane pod kątem 60° do ścian komory paleniskowej.

Dysza dopalająca 1 i 2 jest podzielona poziomo na dwie części, przy czym wysokość jednej części stanowi 50% wysokości całości dyszy 1 i 2, a przed przegrodą 7 rozdzielającąjest zabudowana klapa 6 rozdzielająca z poziomą osią obrotu 14 usytuowaną tuż przed przegrodą 7. Długość klapy 6 rozdzielającej jest większa od wysokości dyszy 1i 2. Kierownice 3 regulacyjne są osobno wykonane ustawiane dla górnej 13 i dolnej 12 części dyszy 1 i 2 poprzez połączone zespoły dźwigni.

Do strefy odgazowania doprowadza się czterema zespołami palników pył węglowy o zwiększonej zawartości wilgoci przemijającej wynoszącej 3,0%, która utrzymuje się poprzez regulacje natężenia przepływu i temperatury gazu suszącego dopływającego do młynów, prowadzącą do obniżenia temperatury mieszanki pyło-gazowej, do zakresu 70 - 90°C. Pozwala to na utrzymanie temperatury w strefie odgazowania na niskim poziomie 700°C. Powyższe czynniki umożliwiają opóźnienie uwalniania azotu zawartego w paliwie, w tym w częściach stałych, co przy niskich prędkościach reakcji tworzenia NO_X na bazie azotu uwalnianego z koksiku obniża poziom powstałych ΝΟχ.

W strefie głównej, przez obniżenie prędkości wylotowych powietrza wtórnego z palników, kształtuje się niskoturbulentny płomień redukcyjny, o temperaturze 1130°C w rejonie palników i 1280°C w przestrzeni od palników do dysz 1 i 2 powietrza dopalającego. Gwałtowne odparowanie wilgoci przemijającej zawartej w pyle nadaje eksplozyjny charakter spalania, w wyniku którego ziarna pyłu zostająrozrywane na drobniejsze cząsteczki, dzięki czemu czas spalania skraca się a zawartość części palnych w pozostałościach po spalaniu jest niska.

Z kolei w trzeciej strefie kształtuje się płomień dopalająco-utleniający o wysokiej turbulencji i temperaturze 1280°C, doprowadza się aerodynamicznie uformowane strumienie powietrza dopalającego i utrzymuje się stężenie tlenków azotu na poziomie zbliżonym jak na wylocie ze strefy głównej, przy czym przepływ powietrza wtórnego reguluje i kontroluje się.

Powietrze wtórne doprowadza się do palników w takiej ilości aby nadmiar powietrza λ k za kOmorąpaleniskowąpomniejszony o ilość powietrza dopalającego odniesioną do ilości teoretycznej do_op, wn^nosd 0,66 a nadrmar fiowictrza λ_ρ na wylocie z palników wnoos ił 0,55. Powyższe umożliwia formowanie płomienia w drugiej strefie o silnych własnościach redukcyjnych, gdzie są wytwarzane wolne rodniki. Ponadto w tych warunkach różnicy nadmiarów powietrza, zawartość części palnych w popiele lotnym utrzymuje się na niskim poziomie od 1 do 4%, co przedstawiono na fig. 5.

178 536

Powietrze dopalające doprowadza się do komory paleniskowej w takiej odległości oO palników głównych, z uwzględnieniem składowych przestrzennych prędkości spalin w komorze, aby czas pobytu elementarnej cząstki paliwa w strefie redukcyjnej, liczonej od początku strefy głównej do początku strefy dopalania, -wynosił 0,8 s. Czas ten jest niezbędny do przebiegu reakcji tworzenia wolnych rodników w atmosferze redukcyjnej oraz do redukcji ΝΟχ.

Wielostrumieniowy sposób doprowadzenia powietrza dopalającego, w którym strugi powietrza o dużej prędkości wylotowej kieruje się na różne i dobrane koła wiru do strefy dopalania, zapewnia z jednej strony dobre i intensywne wymieszanie powietrza dopalającego z całą objętością spalin, tak aby proces spalania uległ zakończeniu. Z drugiej zaś strony wielostrumieniowe, rozproszone doprowadzenie powietrza pozwala na wyeliminowanie lokalnych stref z podwyższonym nadmiarem powietrza, które sprzyjałyby reakcjom utleniania wolnych rodników oraz powtórnego tworzenia tlenków azotu.

Przy spalaniu dwóch paliw o różnych zawartościach wilgoci całkowitej, paliwo o większej zawartości wilgoci podaje się do młynów zasilających górne palniki, a paliwo o niższej zawartości wilgoci, do młynów zasilających dolne palniki, celem wydłużenia procesu spalania i wyrównania temperatur spalin w komorze paleniskowej, co sprzyja ograniczeniu powstawania ΝΟχ.

Sposób i urządzenie według wynalazku warunkują stabilny zapłon paliwa w pierwszej strefie spalania, gdzie powstaąąjednocześnie ΝΟχ oraz wolne wodniki NH₂, HC i HCN. W drugiej strefie głównej, przy temperaturze spalania od 1130 do 1300°C w rejonie palników głównych i od 1280 do 1350°C ponad palnikami, niedobór powietrza sprzyja powstawaniu wolnych rodników, przy jednoczesnym wchodzeniu części wolnych rodników w reakcje redukcyjne z powstałymi w pierwszej strefie tlenkami azotu i ich redukcji do wolnego azotu. W trzeciej strefie pozostała część wolnych rodników wchodzi w reakcje redukcyjne z powstałymi w pierwszej i trzeciej strefie tlenkami azotu, redukując je do wolnego azotu a pozostała część wolnych rodników ulega utlenieniu. Opisany sposób doprowadzenia powietrza dopalającego minimalizuje utlenianie, degradację wolnych rodników.

Powyższy sposób spalania pozwala na zmniejszenie emisji ΝΟχ do wartości dopuszczalnych normą od 1998 r. a wynoszących 170 g/GJ.

178 536

Fig.2

W

178 536

A-A

Fig-3

178 536

1 1 t I ........

'71

X \

- -η

r-----

1 1 .

I !

1Ó.

\12

9

L

X

-— 06 I

T

I

\ 04 \2

-22

\ -z

|

□

,Ί

7

i I --1 --

•2

1

jifT

I ' . I

16 17

0,85 q 9 1,00 χίο (λ* - - różnica nadmiarów powietrza za komorą paleniskową i powietrza dopalającego

178 536

Fig.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób niskoemisyjnego spalania paliwa, zwłaszcza pyłu węglowego w kotle energetycznym polegający na realizowaniu trój strefowego spalania z wykorzystaniem palników pyłowych i dysz dopalających, podczas którego w strefie pierwszej, odgazowania, spala się tylko części lotne, w strefie drugiej, głównej, spala się części stałe w warunkach podstechiometrycznych, natomiast w trzeciej strefie doprowadza się powietrze dopalające, dopala się pozostałe części stałe paliwa i następuje utlenianie CO, przy czym reguluje się i kontroluje przepływ powietrza wtórnego, stopniuje się ilość paliwa oraz dopływ powietrza w palniku i palenisku, znamienny tym, że do strefy odgazowania doprowadza się z palników pył węglowy o zwiększonej zawartości wilgoci przemijającej wynoszącej od 2,0 do 4,5%, utrzymuje się temperaturę w zakresie od 700 do 800°C i hamuje się uwalnianie azotu zawartego w paliwie, w strefie głównej kształtuje się niskoturbulentny płomień redukcyjny o eksplozyjnym charakterze spalania ziaren pyłu węglowego poprzez gwałtowne odparowanie zawartej w nich wilgoci, natomiast w trzeciej strefie kształtuje się płomień dopalająco-utleniający o wysokiej turbulencji, doprowadza się aerodynamicznie uformowane strumienie powietrza dopalającego i utrzymuje się stężenie tlenków azotu na poziomie zbliżonym jak na wylocie ze strefy głównej, przy czym przepływ powietrza wtórnego reguluje i kontroluje się według zależności v_pwt = av_pt - bv_n - v_gm, gdzie, v_pwtto ilość powietrza wtórnego do palników, vp_t to teoretyczna ilość powietrza do spalania przy danym obciążeniu kotła, vn to ilość powietrza dossanego przez nieszczelność do komory paleniskowej wraz z instalacją młynową, v_gm to ilość powietrza gorącego doprowadzanego do młynów, „a” to współczynnik zależny od typu palnika, „b” to udział nieszczelności przypadający na instalację młynową i komorę paleniskową w rejonie palników, zaś nieszczelność komory wyznacza się wcześniej, a wartości „a” i „b” potwierdza się na drodze pomiarów bilansowych.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powietrze wtórne doprowadza się do palników w takiej ilości, aby nadmiar powietrza λ _k za komorą paleniskową pomniejszony o ilość powietrza dopalającego, odniesioną do ilości teoretycznej, d_dp_p, wynosiło d 0,0 0 dol,0 0 a riadmiar powietrza λ na wylocie z palników wynosił od 0,78 do 0,92, korzystnie 0,85, zaś pozostałą część powietrza doprowadza się do komory paleniskowej wielostrumieniowo jako powietrze dopalające oraz jest dosysane, jako fałszywe, do komory paleniskowej i układu młynowego, przy czym korzystnie różnicę nadmiaru powietrza (/._k - λο,^) utrzymuje się w zakresie optymalnym, przy którym emisja tlenków azotu jest najniższa a zależność emisji jednostkowej NO_X od różnicy nadmiaru powietrza przyjmuje charakter paraboli o wydłużonym prawym ramieniu skierowanym do góry.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powietrze dopalające doprowadza się do komory paleniskowej w takiej odległości od palników głównych, z uwzględnieniem składowych przestrzennych prędkości spalin w komorze, aby czas pobytu elementarnej cząstki paliwa w strefie redukcyjnej, liczonej od początku strefy głównej do początku strefy dopalania, był dłuższy od czasu tworzenia wolnych rodników i ich reakcji redukcyjnych do pożądanego stopnia redukcji wynoszącego od 0,8 do 1,2 s, a także aby czas liczony od początku strefy dopalania do momentu wylotu pozostałości po spalaniu z komory paleniskowej był dłuższy od czasu niezbędnego do całkowitego i zupełnego wypalenia cząstek paliwa, przy czym stosunek prędkości wylotowej powietrza dopalającego z dysz do składowej pionowej prędkości spalin w komorze paleniskowej wynosi od 7 do 11, natomiast przy zasilaniu kotła węglem o dwóch różnych zawartościach wilgoci całkowitej, paliwo o większej zawartości wilgoci całkowitej doprowadza się do górnych poziomów palników, natomiast paliwo o mniejszej zawartości wilgoci całkowitej doprowadza się Oo dolnych poziomów palników.

   178 536
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że dla kotłów energetycznych z palnikami strumieniowymi współczynnik „a” zawarty jest w zakresie od 0.76 do 0,79, zaś optymalna różnica (λ_k - λ_dop) wynosi od 0,95 do 0,95, natomiast z palnikami wirowymi współczynnik „a” jest zawarty w zakresie od 0,72 do 0,75, zaś optymalna różnica (λ _k- λ _dOp) wynosi od 0,90 do 0,95.
5. 5. Sposób według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że powietrze dopalające doprowadza się do komory spalania co najmniej czterema strumieniami, z których każdy rozdziela się poziomo na dwa, w taki sposób, aby tworzyły w środku komory koło wiru o kierunku zgodnym z zawirowaniem w głównej strefie spalania o średnicy D_g)< Ddop 0,4 P_k, korzystnie Ddop równa od 0,15 P_k do 0,25 Pk, gdzie Dg to średnica koła wiru w głównej strefie spalania, Ddop to średnica koła wiru w strefie dopalania, Pk to przekątna komory spalania, przy czym dwa strumienie (2a) powietrza dopalającego, których kierunek jest symetryczny względem osi komory, ukierunkowuje się na mniejszą średnicę koła wiru a pozostałe dwa strumienie (1a) na większą, korzystnie o 35 do 65% od poprzedniej, średnicę koła wiru.
6. 6. Urządzenie do niskoemisyjnego spalania paliwa, zwłaszcza pyłu węglowego w kotle energetycznym zawierające palniki z dyszami mieszanki paliwowo-powietrznej, dyszami powietrza wtórnego oraz dysze powietrza dopalającego usytuowane ponad palnikami, klapy regulacyjne i przyrządy do pomiaru natężenia przepływu bezpośredniego lub pośredniego powietrza do młynów, do palników oraz powietrza dopalającego, a także analizator spalin zabudowany w kanałach często za podgrzewaczem wody, znamienne tym, że dysze (1 i 2) powietrza dopalającego są zabudowane symetrycznie względem osi komory paleniskowej, posiadają zmienny kierunek wypływu i są wykonane w postaci kanału o zbieżnych ścianach o kacie (a) na wylocie którego znajduje się kilka kierownic (3) regulacyjnych o zmiennym położeniu w zakresie kąta a, z osią obrotu do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie poziomej, przy czym stosunek długości (1) kierownic (3) do ich podziałki (t) jest większy od 2,5 a skrajne kierownice (3) sąusytuowane w odległości podziałki (t) od ścian bocznych (9) , natomiast przed kierownicami (3) regulacyjnymi, przy ścianach bocznych (9), sąumieszczone kierownice (5) nawiewne o długości większej od długości (1) kierownic (3) regulacyjnych, z osią obrotu (10), na początku kierownicy (5), nawiewnej, kącie obrotu mniejszym od a i kierunku obrotu przeciwnym do kierownic (3) regulacyjnych, a ponadto za kierownicami (3) regulacyjnymi do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie poziomej, są zabudowane kierownice (4) do regulacji kąta wypływu w płaszczyźnie pionowej z osiami obrotu (11) na początku tych kierownic (4), przy czym dwie dysze (1) dopalające są zabudowane prostopadle, a dwie dysze (2) dopalające są zabudowane pod kątem (90° - P) do ścian komory paleniskowej.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że dysze (1 i 2) dopalające są podzielone poziomo na dwie części, przy czym wysokość jednej części stanowi od 50 do 70% wysokości całości dyszy (1 i 2), a przed przegrodą(7) rozdzielającąjest zbudowana klapa (6) rozdzielająca z poziomą osią obrotu (14) usytuowaną tuż przed przegrodą (7), zaś długość klapy (6) rozdzielającej jest większa od wysokości dyszy (1 i 2), przy czym kierownice (3) regulacyjne są osobno wykonane i ustawiane dla górnej (13) i dolnej (14) części dyszy (1 i 2) poprzez połączone zespoły dźwigni.

   * * *