PL178691B1 - Sposób zmniejszania zawartości tlenków azotu w spalinach przemysłowego kotła i palnik do stosowania tego sposobu - Google Patents

Abstract

1. Sposób zmniejszania zawartosci tlenków azo- t u w spalinach przemyslowego kotla opalanego we- glowym pylem za pom oca palników, w szczególnosci w kotle z frontowym ukladem palników umieszczo- nych na jednej scianie paleniska w poziomych rze- dach, przy czym palniki poszczególnych rzedów sa usytuowane jeden nad drugim w pionowych szere- gach, gdzie spalanie prowadzi sie w co najmniej jednej parze palników, która to pare tw orza palnik usytuowa- ny w wyzszym rzedzie i palnik umieszczony pod nim w nizszym rzedzie, przy czym palnik usytuowany wyzej jest zasilany mieszanina paliwowo-powietrzna ubozsza od mieszaniny paliwowo-powietrznej, która jest zasi- lany palnik usytuowany nizej, znam ienny tym, ze stru- mien mieszaniny paliwowo-powietrznej wyplywajacy z palników umieszczonych w najwyzszym rzedzie kieruje sie skosnie w dól w strone strefy spalania mie- szaniny paliwowo-powietrznej dostarczanej przez palni- ki nizszych rzedów, a jednoczesnie z obszaru palników w najwyzszym rzedzie do paleniska dostarczony stru- mien powietrza kieruje sie w góre w strone strefy do- palania. fig. 1 PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zmniejszenia zawartości tlenków azotu w spalinach przemysłowego kotła i palnik do stosowania tego sposobu. Sposób dotyczy kotła opalanego węglowym pyłem za pomocą palników, w szczególności kotła z frontowym układem palników umieszczonych najednej ścianie paleniska w poziomych rzędach, przy czym palniki poszczególnych rzędów są usytuowane jeden nad drugim w pionowych szeregach, gdzie spalanie prowadzi się w co najmniej jednej parze palników. Parę taka tworząpalnik usytuowany w wyższym rzędzie i palnik umieszczony pod nim w niższym rzędzie, przy czym palnik usytuowany wyżej jest zasilany mieszamnąpaliwowo-powietrznąuboższąod mieszaniny paliwowo-powietrznej, którąjest zasilany palnik usytuowany niżej.

Znany z polskiego opisu patentowego P 300 730 sposób i układ zmniejszania zawartości NO_X w spalinach polega na spalaniu mieszaniny paliwowo-powietrznej w co najmniej jednej parze palników, z których jeden leży wyżej, a drugi niżej w komorze spalania. Przy czym palnik usytuowany w wyższym rzędzie jest zasilany mieszaniną paliwowo-powietrzną uboższą od mieszaniny, którą zasilanyjest palnik usytuowany w niższym rzędzie. Układ do stosowania tego spo178 691 sobu ma jeden i ten sam węglowy młyn zasilający mieszaniną paliwowo-powietrzną obydwa palniki wspomnianej pary, a różnicę w składzie mieszaniny emitowanej przez poszczególne palniki uzyskuje się przez zróżnicowanie ilości pierwotnego powietrza dostarczanego do palników. Znany palnik z opisu patentowego RFN nr 3027587 zawiera centralny cylindryczny kanał, do którego jest dostarczana mieszanina paliwowo-powietrzna z węglowego młyna, a ujście tego kanałujest skierowane do paleniskowej komory. Wspomniany centralny kanałjest otoczony pierścieniowym kanałem, przez który dostarcza się wtórne powietrze, kierowane do paleniskowej komory wokół mieszaniny paliwowo-powietrznej wypływającej z centralnego kanału. Ilość wtórnego powietrza jest regulowana łopatkowym urządzeniem umieszczonym na dopływie powietrza do wspomnianego pierścieniowego kanału. W szczególnym rozwiązaniu znany palnik ma wylot pierścieniowego kanału skierowany po pobocznicy stożka, którego wierzchołek leży wewnątrz palnika, czyli strumień powietrza jest wprowadzany do paleniskowej komory z rozchyleniem względem strumienia mieszaniny paliwowo-powietrznej.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 168 067 palnik do spalania pyłu węglowego ma wokół przewodu doprowadzającego mieszankę paliwowo-powietrzną cylindryczny kanał doprowadzający strumień wtórnego powietrza. Wspomniany kanał w obszarze ujścia przewodu doprowadzającego mieszankę paliwowo-powietrzną rozszerza się w stożek ku paleniskowej komorze, co sprzyja spalaniu przy zmniejszonej ilości powstających przy spalaniu tlenków azotu. Na krawędzi wspomnianego stożka znajduje się pierścieniowa czołowa tarcza z szeregiem otworów, przez które wypływa cześć strumienia wtórnego powietrza, tworzącego w tym obszarze atmosferę utleniającą zapobiegającą tworzeniu się żużla na wylocie palnika. Wspomniany kanał wtórnego powietrza jest otoczony kanałem trzeciego strumienia powietrza, przez który do komory spalania wpływa strumień powietrza w kształcie cylindrycznym.

Znany z polskiego opisu patentowego P 300 730 sposób zmniejszenia tlenków azotu w spalinach ma jednak ograniczoną skuteczność, co wynika ze stosunkowo krótkiej strefy redukcji NO_X mieszczącej się między strefą spalania i strefą dopalania ponad dyszami dodatkowego powietrza, zwanymi dyszami ofa. Redukcja NOx do azotu molekularnego zależy od czasu przebywania tlenków azotu w strefie redukcji. Czas ten wnika z prędkości unoszenia gazów w paleniskowej komorze i długości strefy redukcji. Wobec stałej prędkości unoszenia gazów ich czas przebywania w strefie redukcji jest proporcjonalny do długości tej strefy mierzonej wzdłuż paleniskowej komory. W znanym sposobie spalania długość strefy redukcji okazuje się zbyt mała. Wadą znanego palnika z opisu patentowego RFN nr 3027587 jest niemożność regulowania rozwartości stożka dodatkowego powietrza wypływającego z palnika i omywającego z zewnątrz płomień palącej się mieszaniny paliwowo-powietrznej wypływającej z palnika, a która to mieszanina jest uboga w tlen, co sprzyja zmniejszeniu ilości tlenków azotu powstających w czasie palenia. Palnik znany z polskiego opisu patentowego nr 167 067 ma wszystkie składowe elementy wzajemnie nieruchome, przez co nie ma możliwości regulacji ilości przepływającego wtórnego powietrza, czyli wpływania na zmianę spalania, gdy ulegną zmianie warunki eksploatacyjne jak na przykład zmiana właściwości paliwa.

Celem sposobu według wynalazku jest wydłużenie strefy redukcji NOx, aby zmniejszyć ilość tlenków azotu uchodzących z kotła w spalinach oraz palnik do realizacji tego sposobu.

Istotą sposobu według wynalazku jest kierowanie strumienia mieszaniny paliwowo-powietrznej wypływającej z palników w najwyższym rzędzie skośnie w dół w stronę strefy spalania mieszaniny paliwowo-powietrznej dostarczanej przez palniki niższych rzędów i obniżenie przez to granicy tej strefy, co powoduje wydłużenie odległości granicy tej strefy od strefy dopalania, a tym samym wydłużenie strefy redukcji NOx. Zarazem według sposobu z obszaru palników w najwyższym rzędzie strumień powietrza kieruje się w górę w stronę strefy dopalania, aby zwiększyć ilość tlenu w strefie redukcji NOx, co powoduje dalszą redukcję tlenków azotu do molekularnego azotu oraz przemianę CO w CO₂.

Palnik według wynalazku zawierający cylindryczny centralny paliwowy kanał połączony z jednego końca z przewodem łączącym go z węglowym młynem, a drugim otwartym końcem skierowany do paleniskowej komory kotła, który to centralny paliwowy kanałjest otoczony pier4

178 691 ścieniowym kanałem wtórnego powietrza, przy czym centralny kanał ma od otwartego końca zwróconego do paliwowej komory nasadzony wzdłuż jego osi stożkowy dyfuzor o większej podstawie od strony paleniskowej komory, charakteryzuje się tym, że wierzchołkowy kąt stożkowego dyfuzorajest równy wierzchołkowemu kątowi stożka otworu w ścianie paleniskowej komory, a wspomniany stożkowy dyfuzor jest osadzony przesuwnie wzdłuż paliwowego kanału. Szczególne rozwiązanie palnika charakteryzuje się tym, że część stożkowego dyfuzora obejmująca dolną połowę centralnego paliwowego kanału jest osadzona przesuwnie wzdłuż tego kanału, a część stożkowego dyfuzora obejmująca górną połowę centralnego kanału jest osadzona nieruchomo i jest połączona ze źródłem dodatkowego powietrza poprzez regulacyjną komorę zaopatrzoną w obrotowe klapy. W korzystnym rozwiązaniu palnik charakteryzuje się tym, że ma w centralnym kanale w sąsiedztwie jego otwartego końca kierownicę przegradzającą górna cześć centralnego kanału i skierowaną skośnie w stronę dolnej części centralnego kanału.

Sposób i palnik w przykładzie stosowania będzie objaśniony z pomocą rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia schemat podłużnego przekroju paleniskowej komory, a fig. 2 schemat rozmieszczenia palników w paleniskowej komorze; palnik w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, gdzie fig. 3 jest podłużnym przekrojem palnika ze stożkowym dyfuzorem, a fig. 4 jest podłużnym przekrojem palnika z kierownicą w paliwowym kanale.

Przykład stosowania sposobu.

W paleniskowej komorze 15 kotła sązainstalowane cztery poziome rzędy palników 18,19, 20,21 umieszczonych w ścianie 7 komory 15. Dwa górne rzędy zawierająpo sześć palników 201 21, natomiast dwa niższe rzędy po cztery palniki 18 i 19. Palniki poszczególnych rzędów są umieszczone jeden nad drugim w pionowych szeregach. Palniki 18, 19, 20, 21 są zasilane mieszaniną paliwowo-powietrzną z węglowych młynów 24, przy czym jeden młyn zasila po cztery palniki rozmieszczone po dwa w jednym szeregu, a zatem zasila palniki leżące w wyższym rzędzie i w niższym rzędzie. Między palnikami 21 najwyższego rzędu i wylotem 23 z paleniskowej komory 15 w ścianie 7 sąumieszczone dysze 22 dodatkowego powietrza, zwane dyszami ofa. Palniki 18 i 19 dolnych rzędów dostarczają mieszaninę paliwowo-powietrzną bogatą, z niedomiarem powietrza λ < 1, co czyni tę mieszaninę o składzie podstechiometrycznym. Spalana mieszanina tworzy strefę 25a spalania, w której na skutek niedomiaru powietrza powstaje stosunkowo mała ilość tlenków azotu, mniejsza, niż gdyby spalanie odbywało się z dużym nadmiarem powietrza. Gazy ze strefy 25a przepływajądo strefy 25b spalania, do której jest dostarczana z palników 20 i 21 uboga mieszanina paliwowo-powietrzna, o λ = 1,2 - 1,4. Mieszanina wypływająca z palników 20 i 21 jest więc źródłem dodatkowych ilości tlenu i zarazem źródłem węglowodorów C_nH_m. Gazy ze strefy 25b spalania przepływajądo strefy 26 redukcji NO_X do molekularnego azotu. Redukcja ΝΟχ do molekularnego azotu wymaga pewnego czasu. Wobec stałej prędkości unoszenia gazów w górę wzdłuż paleniskowej komory 15, czas przebywania ΝΟχ w strefie 26 zależy od długości tej strefy, czyli od odległości górnej granicy strefy 25b spalania od dysz 22 dodatkowego powietrza. W celu wydłużenia czasu przebywania gazów w strefie 26 w sposobie według wynalazku obniża się położenie górnej granicy strefy 25b spalania przez skierowanie strumienia 29 mieszaniny paliwowo-powietrznej dostarczanej przez palniki 21 skośnie w dół w stronę strefy 25a. Jednocześnie z obszaru palników 21 dostarcza się do strefy 26 redukcji ΝΟχ strumień 30 dodatkowego powietrza. W strefie 26 zachodzą przemiany według ogólnego wzoru

2NO + 2C_nH_m + (2n + y - 1) O₂-> N₂ + 2NCO₂ + mH₂O

Przy czym drobiny NO pochodzą ze stref 25a i 25b, drobiny C_nH_m pochodzą głównie ze strefy 25b odparowane z dodatkowego paliwa dostarczonego palnikami 201 21, a drobiny O2 pochodzą z nadmiaru powietrza dostarczanego palnikami 20 i 21 w mieszaninie paliwowo-powietrznej oraz z powietrza dostarczanego strumieniem 30. Wydłużenie strefy 26 według wynalazku pozwala na zajście reakcji według wspomnianego wzoru. Gazy ze strefy 26 przepływajądo strefy 27 dopalania, gdzie dzięki powietrzu dostarczanemu dyszami 22 następuje przemiana CO w CO2. Okazało się, że przy ogólnym nadmiarze powietrza w granicach λ = 1,2 - 1,4, dzięki wydłużeniu strefy 26 redukcji NOx, została w spalinach zmniejszona ilość NOx poniżej granicy

178 691

170 mg/Nm³, czyli poniżej wymaganej granicy międzynarodowymi przepisami, przy zawartości CO bliskiej zeru.

Na fig. 3 przedstawiono palnik według wynalazku stosowanyjako palnik 20 w szeregu drugim od góry w paleniskowej komorze 15. Cylindryczny centralny paliwowy kanał 1 jest z jednego końca połączony z przewodem 6, łączącym palnik z węglowym młynem 24. Drugi, otwarty koniec kanału 1 jest skierowany do paleniskowej komory 16. W osi paliwowego kanału 1 jest umieszczona rura 8 na lancę mazutowąlub gazową służącą do rozpalania kotła. Od strony otwartego końca kanału 1 jest na ten kanał nasadzony przesuwny dyfuzor 3 zakończony stożkiem o większej podstawie 16 od strony paleniskowej komory 151 obejmujący cały obwód wylotu palnika. Wierzchołkowy kąt stożkowego dyfuzora 3 jest równy wierzchołkowemu kątowi stożka 5 otworu w ścianie 7 paleniskowej komory 15. Kanał 1 jest otoczony pierścieniowym kanałem 2 dodatkowego powietrza. Dyfuzor 3 jest zaopatrzony w promieniowe łopatki 9 usytuowane przed stożkiem dyfuzora 3, które to łopatki 9 znajdują się w pierścieniowym kanale 2 i nadają ruch wirowy przepływającemu wtórnemu powietrzu. Między dyfuzorem 3 i stożkiem 5 istnieje szczelina 4, której szerokość jest zmienna w zależności od położenia dyfuzora 3, skrajne położenia dyfuzora 3 zaznaczono na fig. 3 linią przerywaną. Przy najbardziej wysuniętym dyfuzorze 3 szczelina 4 jest najszersza i umożliwia przepływ dużych ilości wtórnego powietrza. Przy najbardziej cofniętym dyfuzorze 3 szczelina 4 zostaje redukowana całkowicie i tym samym do paleniskowej komory 15 nie przepływa wtórne powietrze. Ilość powietrza przepływającego przez szczelinę 4 jest niewielka i nie ma zasadniczego wpływu na skład mieszaniny dostarczanej przez palnik 20. Zadaniem strugi powietrza wypływającego przez szczelinę 4 jest zapobieganie tworzeniu się pierścienia żużla wokół wylotu palnika. Na fig. 4 i fig. 5 przedstawiono palnik według wynalazku, w którym przesuwny dyfuzor 3 obejmuje dolną połowę wylotu paliwowego kanału

1. Natomiast górną połowę paliwowego kanału 1 obejmuje nieruchomy dyfuzor 28 połączony z kanałem 10 dodatkowego powietrza. Kanał 10 jest połączony z regulacyjną komorą 17, która na obwodzie ma promieniowe klapy 11 osadzone na osiach 12. Obrót osi 12 powoduje zmianę położenia klapy 11 bardziej lub mniej przesłaniającej przepływ powietrza. Do obracania osi 12 służy mechanizm 13. Stożek dyfuzora 28 kieruje strumień powietrza ku górze, który stanowi strumień 30. W górnej części paliwowej komory 1 w sąsiedztwie wylotu do paleniskowej komory 15 palnik ma kierownicę 14 usytuowaną skośnie dolną krawędzią ku wylotowi kanału 1. Kierownica 14 kieruje strumień mieszaniny paliwowo-powietrznej przepływającej ku paleniskowej komorze 1 w dół i stanowi on strumień 29. Dyfuzor 3 w dolnej części kanału 1 wytwarza strumień powietrza wypływającego przez szczelinę 4, który zapobiega tworzeniu się żużla na obwodzie wylotu palnika. Natomiast dodatkowe powietrze dopływające od strony nieruchomej górnej części dyfuzora 28 służy do wzbogacania spalin w strefie 26 redukcji NO_X w dodatkowy tlen.

178 691

178 691

178 691

178 691

8 1

fig. 5 fig.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 Cena 2,00 zł.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zmniejszania zawartości tlenków azotu w spalinach przemysłowego kotła opalanego węglowym pyłem za pomocąpalników, w szczególności w kotle z frontowym układem palników umieszczonych na jednej ścianie paleniska w poziomych rzędach, przy czym palniki poszczególnych rzędów są usytuowane jeden nad drugim w pionowych szeregach, gdzie spalanie prowadzi się w co najmniej jednej parze palników, którąto parę tworząpalnik usytuowany w wyższym rzędzie i palnik umieszczony pod nim w niższym rzędzie, przy czym palnik usytuowany wyżej jest zasilany mieszaniną paliwowo-powietrzną uboższą od mieszaniny paliwowo-powietrznej, którąjest zasilany palnik usytuowany niżej, znamienny tym, ze strumień mieszaniny paliwowo-powietrznej wypływający z palników umieszczonych w najwyższym rzędzie kieruje się skośnie w dół w stronę strefy spalania mieszaniny paliwowo-powietrznej dostarczanej przez palniki niższych rzędów, a jednocześnie z obszaru palników w najwyższym rzędzie do paleniska dostarczony strumień powietrza kieruje się w górę w stronę strefy dopalania.
2. 2. Palnik zawierający cylindryczny centralny paliwowy kanał połączony zjednego końca z przewodem łączącym go w węglowym młynem, a drugim otwartym końcem skierowany do paleniskowej komory kotła, który to centralny paliwowy kanał jest otoczony pierścieniowym kanałem wtórnego powietrza, przy czym centralny kanał ma od otwartego końca zwróconego do paleniskowej komory nasadzony wzdłuż jego osi stożkowy dyfuzor o większej podstawie od strony paleniskowej komory, znamienny tym, że wierzchołkowy kąt stożkowego dyfuzora (3) jest równy wierzchołkowemu kątowi stożka (5) otworu w ścianie (7) paleniskowej komory (15), przy czym dyfuzor (3) jest osadzony przesuwnie wzdłuż paliwowego kanału (1).
3. 3. Palnik według zastrz. 2, znamienny tym, że część stożkowego dyfuzora (3) obejmująca dolną połowę centralnego kanału (1) jest przesuwna wzdłuż osi centralnego kanału (1), a część stożkowego dyfuzora (3) obejmująca górną połowę centralnego kanału (1) jest nieruchoma i jest połączona ze źródłem dodatkowego powietrza poprzez regulacyjną komorę (17) zaopatrzoną w obrotowe klapy (11).
4. 4. Palnik według zastrz. 3, znamienny tym, że ma w centralnym kanale (1) w sąsiedztwie jego otwartego końca kierownicę (14) przegradzającą górną część centralnego kanału (1) i skierowaną skośnie w stronę dolnej części kanału (1).