PL185958B1

PL185958B1 - Urządzenie do spalania paliwa pyłowego w kotle

Info

Publication number: PL185958B1
Application number: PL94305749A
Authority: PL
Inventors: Pauli Dernjatin; Kati Savolainen; Juha Lepikko
Original assignee: Ivo Internat Oy; Ivo International Oy
Priority date: 1993-11-08
Filing date: 1994-11-08
Publication date: 2003-09-30
Also published as: DE4395243T1; PL305749A1; US5799594A; HU9601208D0; CN1106909A; RU2104443C1; HUT75328A; WO1995013502A1; CZ130296A3; CN1095970C; CZ290627B6; RU94045853A; HU220143B; AU5422594A

Abstract

1. Urzadzenie do spalania paliwa pylowego w kotle z naroznikowymi urzadzeniami do spalania i zmniejszania emisji tlenków azotu skladajace sie z centralnego przewodu paliwowego do doprowa- dzania mieszanki paliwa z powietrzem do pieca kotla oraz usytuowanego w jego sasiedztwie, co najmniej jednego kanalu powietrznego, przy czym na koncu przewodu paliwowego jest umieszczony stabilizator plomieni skladajacy sie z pierscienia umieszczonego wewnatrz przewodu paliwowego prostopadle do jego osi wzdluznej oraz odchylonej na zewnatrz tulei prowadzacej powietrza wtórnego, przy czym glówny kanal powietrzny, otaczajacy przewód paliwowy, jest ograniczony od zewnatrz co najmniej jedna przegroda, tworzaca ze scianami zewnetrznymi urzadzenia, co najmniej jeden dodat- kowy kanal powietrzny, znamienny tym, ze na koncu dodatkowego kanalu powietrznego (11, 13), umieszczone sa rozszerzajace sie tuleje prowadzace (17, 18, 17', 18') usytuowane po przeciwnej stronie przegrody (15, 16; 16') niz stabilizator plomieni (9), zas stosunek dlugosci (1) dodatkowej tulei prowadzacej (17a, 18a, 17a', 18a') do wysokosci (h1 ) dodatkowego kanalu powietrznego (11, 13) jest, co najmniej równy 2. FIG 3 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do spalania paliwa pyłowego w kotle.

Obecnie jednym z głównych przedmiotów zainteresowania podczas prac nad nowymi technologiami spalania i urządzeniami do tego jest zmniejszanie ilości szkodliwych substancji w gazach wydechowych z zakładów energetycznych. W znacznym stopniu opanowano już

185 958 kontrolę emisji, na przykład, tlenków siarki i składników stałych, natomiast nadal poważnym problemem, którego nie udało się dotychczas rozwiązać, jest emisja tlenków azotu. Wiadomo, że powstające w procesie spalania NO_X są głównym składnikiem zanieczyszczającym powietrze. W związku z tym wprowadza się przez cały czas pewne podstawowe usprawnienia w konstrukcji palników albo też w całym układzie spalania.

Podstawowym problemem powstającym podczas spalania paliwa pyłowego jest uwalnianie do fazy gazowej w procesie spalania azotu znajdującego się w związkach organicznych (na przykład udział wagowy tego typu azotu w węglu i torfie wynosi 1-2%), w wyniku czego powstają duże ilości NOx.

W pierwszym etapie spalania węgla, pirolizie, do fazy gazowej jest uwalniana większość azotu znajdującego się w paliwie oraz powstaje większość związków gazowych takich jak HCN i NH3. Po zakończeniu pirolizy mniejsze ilości paliwa z azotem są zatrzymywane w pozostałych cząstkach stałych. Jeżeli podczas tego procesu doprowadzane są duże ilości tlenu, to większość NH3 i HCN jest utleniana do NOx. W przypadku dostatecznie małego stężenia tlenu związki te wykazują skłonność do redukowania się do molekularnego N2. Wiadomo również, że HCN iNH3 mogą redukować powstały już NOx do molekularnego N2 w warunkach niskiej zawartości tlenu i w wysokiej temperaturze.

Wiadomo również, iż pewne rodniki chemiczne, a zwłaszcza rodniki CH,, będące pośrednimi produktami spalania, mogą redukować NOx, w związku z czym znowu powstają NH3 i HCN, które mogą dalej redukować NOx. Im wyższa temperatura i niższa zawartość tlenu, tym wyższe prawdopodobieństwo zachodzenia reakcji redukcji. W związku z tym, warunkiem wstrzymania powstawania NOx podczas spalania węgla lub paliw pyłowych jest opracowanie techniki wytwarzania atmosfery o niskiej zawartości tlenu i wysokiej temperaturze.

Generalnie, proces spalania, określany dalej spalaniem dwuetapowym, odnosi się do spalania w atmosferze o niskiej zawartości tlenu, umożliwiającego zmniejszenie emisji NOx. W procesie tego typu, w strefie palnika w piecu do spalania, tworzy się obszar o mniejszej zawartości powietrza. Powietrze we wspomnianej powyżej niedostatecznej ilości jest doprowadzane przez tak zwane okno wlotowe powietrza wtórnego, znajdujące się za palnikiem. Służy ono do dopalania paliwa, co poprawia spalanie w całym piecu, a tym samym zmniejsza ilość wydalanego NOx. Niestety, w przypadku dwuetapowego spalania tego typu, w strefie niedomiaru powietrza wokół palnika powstają częściowo spalone cząstki węgla (węgiel drzewny), w związku z czym należy w piecu przewidzieć dużo miejsca na dokończenie spalania cząstek tego typu z udziałem powietrza wtórnego. Jak z tego wynika, co prawda przedstawiony powyżej proces spalania (spalanie dwuetapowe) jest stosunkowo skuteczny o ile chodzi o obniżenie emisji NOx, ale jednocześnie ma pewne wady, takie jak niespalony węgiel i niestabilne warunki spalania.

W związku z tym opracowano nowy typ palnika o niskiej emisji NOx, w którym strefa niedoboru powietrza znajduje się bardzo blisko jego końca, a dwuetapowy proces spalania jest realizowany za pomocą pojedynczego palnika. Technika ta, realizowana w całym piecu (technika OFA - Over Fire Air - powietrze dopalające) jest bardzo skuteczna z punktu widzenia zmniejszenia emisji NOx.

Palnik tego typu o niskiej emisji NOx opisano w patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4,545,307. Jest on montowany prostopadle w ścianie pieca. Palniki tego typu są wyposażane w stabilizatory płomienia instalowane na otwartym końcu przewodu doprowadzającego paliwo, co wspomaga szybki zapłon paliwa pyłowego. Takie rozwiązanie umożliwia tworzenie wysoko temperaturowej strefy redukującej w pobliżu palnika. Stabilizator płomienia jest nie tylko skuteczny w zmniejszaniu emisji NOx, ale również skuteczny w zmniejszaniu ilości niespalonego węgla. W palnikach tego typu paliwo pyłowe jest doprowadzane łącznie z powietrzem nośnym, stanowiącym 20 do 30% łącznej ilości powietrza do spalania przepływającego przez przewód węglowy i wtryskiwanego przez wtryskiwacz i stabilizator płomienia do pieca. Na zewnętrznej części obwodu palnika znajduje się pomocnicza zasuwa regulacyjna powietrza, przez którą przepływa ruchem wirowym, pod działaniem specjalnych łopatek, strumień powietrza wtórnego. W dalszej części obwodu zewnętrznego przez trzecią zasuwę regulacyjną przepływa strumień powietrza trzeciorzędowego, poruszający się również ruchem

185 958 wirowym nadanym mu przez zawirowywacz promieniowy. Warunkiem obniżenia stężenia

NOx jest oddzielenie głównej strefy spalania od strumieni powietrza wtórnego i trzeciorzędowego w pobliżu dyszy palnika, w celu wytworzenia odpowiedniej atmosfery redukującej oraz, z drugiej strony, intensyfikacji mieszania niespalonego węgla z powietrzem trzeciorzędowym poza strefą płomienia.

Nowoczesne palniki tego typu o niskiej emisji NOx są montowane prostopadle w ścianie pieca (kotły z palnikami ściennymi), a płomienie są skierowane prostopadle do środka pieca. W kotłach tego typu znajduje się zazwyczaj kilka umieszczonych obok siebie palników, każdy z własnym płomieniem. Wszystkie płomienie są stabilizowane i stopniowane oddzielnie za pomocą palników z silnie zawirowanym strumieniem powietrza do spalania. W znanych palnikach tego typu (np. ujawnionym w patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki Nr 4,545,307) stopniowe spalanie w strefach z niedoborem powietrza występuje w każdym palniku oddzielnie, strefa redukująca powstaje w pobliżu palnika, w wyniku czego zmniejsza się zarówno ilość tlenków azotu jak i niespalonego węgla.

Znane jest z europejskiego opisu patentowego nr EP 0 314 928 urządzenie do spalania paliw pyłowych w kotle z narożnikowymi urządzeniami do spalania i zmniejszania emisji tlenków azotu składające się z centralnego przewodu paliwowego do doprowadzania mieszanki paliwa z powietrzem do pieca kotła oraz usytuowanego w jego sąsiedztwie, co najmniej jednego kanału powietrznego, przy czym na końcu przewodu paliwowego jest umieszczony stabilizator płomieni składający się z pierścienia umieszczonego wewnątrz przewodu paliwowego prostopadle do jego osi wzdłużnej oraz odchylonej na zewnątrz tulei prowadzącej powietrza wtórnego. Jednak tego typu palnik nie może być montowany w kotłach z narożnikowymi urządzeniami do spalania.

W kotłach z narożnikowymi urządzeniami do spalania, palniki są umocowane prostopadle w każdym narożu, a płomienie i powietrze do spalania są kierowane ku przeciwległemu narożu, w wyniku czego w centralnej części pieca powstaje wir. W kotłach z narożnikowymi urządzeniami do spalania, zarówno paliwo jak i powietrze do spalania są wtryskiwane osiowo, a ostateczne mieszanie występuje w wirze centralnym (kula ognista). Wir centralny kompensuje brak zawirowania powietrza do spalania i stabilizuje płomień. Dotychczasowe palniki strumieniowe do kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania składają się zazwyczaj z przewodu paliwowego, przewodu doprowadzającego powietrze wtórne, a czasami również z przewodu powietrza wtórnego przeznaczonego do chłodzenia materiałów pomiędzy przewodem paliwowym a przewodem powietrza wtórnego. Zazwyczaj w palnikach strumieniowych odległość pomiędzy punktem zapłonu a dyszą palnika wynosi 2-3 metrów, a spalanie paliwa występuje głównie w wirze centralnym. Przed miejscem zapłonu równoległe strumienie paliwa i powietrza do spalania mieszają się ze sobą, w wyniku czego spalanie odbywa się w atmosferze utleniającej i emitowane są NOx. W przypadku spalania dwuetapowego strefa niedoboru powietrza powstaje dopiero w wirze centralnym, a w strumieniu paliwa pomiędzy dyszą palnika a wirem centralnym nie występuje spalanie stopniowe. Spalanie stopniowe występuje wyłącznie w płomieniu w strefie wiru centralnego, w związku z czym palniki strumieniowe nie pozwalają na równie głębokie spalanie stopniowe jak nowoczesne ścienne palniki o niskiej emisji NOx.

Emisję NOx z istniejących kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania można osiągnąć drogą modyfikacji zarówno kotła jak i palników oraz zainstalowania układu powietrza dopalającego (OFA), zamiast instalowania całkiem nowych palników o niskiej emisji NOx. Zazwyczaj oznacza to opóźnienie spalania, a w konsekwencji wzrost ilości niespalonego węgla i tylko umiarkowane ograniczenie emisji NOx.

W patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5 020 454 opisano układ spalania do pieców z narożnikowymi urządzeniami do spalania. W jego skład wchodzi skrzynia powietrzna oraz zamontowana w niej: pierwsza bateria dysz paliwowych z zadaniem wtryskiwania porcji paliwa do pieca w taki sposób, żeby utworzyć w nim pierwszą strefę wzbogaconą w paliwo, druga bateria dysz paliwowych z zadaniem wtryskiwania porcji paliwa do pieca w taki sposób, żeby powstawała w nim druga strefa wzbogacona w paliwo, oraz dysza powietrza regulacyjnego, wtryskująca powietrze do pieca i na jego ekrany wodne. W skład całego

185 958 układu wchodzą również dwa zespoły dysz powietrza dopalającego. Układ ten umożliwia uformowanie wewnątrz pieca stref wzbogaconych w paliwo oraz występowanie stopniowego spalania w całym piecu. Rozwiązanie to umożliwiło zmniejszenie emisji tlenków azotu, ale ma kilka wad. Układ ten jest bardzo skomplikowany, a piec wymaga poważnych przeróbek. Nie ma możliwości uzyskania głębokiego spalania stopniowego, ponieważ mieszanie powietrza do spalania odbywa się w sposób gwałtowny, w związku z czym trudno jest utrzymać warunki redukujące w strefie spalania. W zmodyfikowanych w ten sposób kotłach, spalanie stopniowe występuje w wirze głównym, a nie w strefie spalania pierwotnego - wynika to z opóźnienia zapłonu.

Japońskie zgłoszenie patentowe nr 05322114 opisuje typowy, nowoczesny palnik węglowy, do stosowania w piecu typu ścianowego. Płomień palnika jest stabilizowany w samym palniku przez zębaty uchwyt płomienia i wywołanie wirowania wtórnego i trzeciorzędowego strumienia powietrza. Palnik wyraźnie zawiera tłumiki lub łopatki kierujące, które regulują strumień powietrza i wywołają jego wirowanie. Ponadto, trzeciorzędowy strumień powietrza ma ten sam kierunek, co przepływ węgla i nie jest od niego odsuwany.

Europejski opis patentowy nr 0 091 988 opisuje palnik olejowy. Palnik ten ma tylko dwa kanały doprowadzające powietrze. Ponadto, rury kielichowe wtórnych kanałów powietrznych są dość krótkie. Strumień powrotny, wywołany przez wtórne powietrze, jest typowy dla stopniowych palników i jest potrzebny do stabilizowania palnika.

W publikacji autorów T. Wróblewskiego, A. Pepłowskiego, H. Góreckiego zatytułowanej „Kocioł” ujawniono palnik, w którym główny kanał powietrzny, otaczający przewód paliwowy, jest ograniczony od zewnątrz przegrodą, tworzącą ze ścianami zewnętrznymi urządzenia dodatkowy kanał powietrzny.

W związku ze stale rosnącym naciskiem opinii publicznej na kontrolę emisji tlenków azotu z kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania, istnieje zapotrzebowanie na usprawnienie sposobów spalania i palników, które można dostosować również do istniejących kotłów tego typu.

Urządzenie do spalania paliwa pyłowego w kotle z narożnikowymi urządzeniami do spalania i zmniejszania emisji tlenków azotu składające się z centralnego przewodu paliwowego do doprowadzania mieszanki paliwa z powietrzem do pieca kotła oraz usytuowanego w jego sąsiedztwie, co najmniej jednego kanału powietrznego, przy czym na końcu przewodu paliwowego jest umieszczony stabilizator płomieni składający się z pierścienia umieszczonego wewnątrz przewodu paliwowego prostopadle do jego osi wzdłużnej oraz odchylonej na zewnątrz tulei prowadzącej powietrza wtórnego, przy czym główny kanał powietrzny, otaczający przewód paliwowy, jest ograniczony od zewnątrz co najmniej jedną przegrodą, tworzącą ze ścianami zewnętrznymi urządzenia, co najmniej jeden dodatkowy kanał powietrzny według wynalazku charakteryzuje się tym, że na końcu dodatkowego kanału powietrznego, umieszczone są rozszerzające się tuleje prowadzące usytuowane po przeciwnej stronie przegrody niż stabilizator płomieni, zaś stosunek długości dodatkowej tulei prowadzącej do wysokości dodatkowego kanału powietrznego jest, co najmniej równy 2.

W jednym rozwiązaniu, według wynalazku pomiędzy górną przegrodą, a ścianą urządzenia jest usytuowany górny dodatkowy kanał powietrzny, a pomiędzy dolną przegrodą, i ścianą urządzenia jest usytuowany dolny dodatkowy kanał powietrzny, przy czym górna przegroda i dolna przegroda stanowią ograniczniki głównego kanału powietrznego.

W alternatywnym rozwiązaniu, według wynalazku cylindryczna przegroda stanowi ogranicznik głównego kanału powietrznego.

Dodatkowe, pośrednie tuleje prowadzące są umieszczone pomiędzy przegrodami a tulejami prowadzącymi i są ustawione równolegle do tulei prowadzących.

W głównym kanale powietrznym znajdują się osiowe łopatki kierujące.

Tuleje prowadzące są ustawione pod kątem 5 - 40° w stosunku do centralnej osi przewodu paliwowego.

Wylot głównego kanału powietrznego jest ograniczony od wewnątrz tuleją prowadzącą stabilizatora powietrza usytuowaną pod kątem 15 - 25° względem centralnej osi przewodu paliwowego.

185 958

Wewnątrz przewodu paliwowego znajduje się zwężka Venturiego.

Centralnie w przewodzie paliwowym znajduje się koncentrator paliwa z rozszerzającą się częścią, która jest nachylona względem osi przewodu paliwowego pod kątem 5 - 60° po wlotowej stronie strumienia paliwa, oraz pod kątem kąt 5 - 30° po wylotowej stronie strumienia paliwa.

Wynalazek opiera się na takiej regulacji przepływu powietrza i paliwa w palnikach do kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania, że do komory spalania jest doprowadzana przez stabilizator płomienia zubożona w powietrze mieszanka powietrza pierwotnego z paliwem, a do obszaru otaczającego strumień paliwa pierwotnego, płynący do wiru centralnego, jest kierowany w taki sposób co najmniej jeden strumień powietrza do spalania, że powietrze do spalania w zasadzie nie miesza się z paliwem zanim nie znajdzie się w wirze centralnym, zaś w sąsiedztwie wylotu palnika powstaje zubożona w powietrze strefa redukująca.

Zgodnie z przykładem wykonania wynalazku, wokół płomienia palącego się paliwa przepływa strumień powietrza wtórnego do spalania, w wyniku czego powstaje oddzielna warstwa powietrza otaczającego płomień, natomiast ku ekranom i poziomo, w kierunku od płomienia, płynie strumień powietrza trzeciorzędowego.

Główną zaletą rozwiązania według wynalazku jest istotne zmniejszenie emisji tlenków azotu z gazami wylotowymi. Dzięki wynalazkowi można zmniejszyć emisję NOx z kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania co najmniej do takiego samego poziomu jak w nowoczesnych kotłach ze ściennymi urządzeniami do spalania. Spalanie stopniowe występuje nie tylko w oddzielnej pierwotnej strefie spalania przed palnikiem, ale również w wirze głównym z powietrzem dopalającym. Nowy sposób spalania umożliwia znacznie głębsze spalanie stopniowe niż w konwencjonalnych kotłach z narożnikowymi urządzeniami do spalania.

Problem zażużlenia kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania rozwiązano kierując powietrze na ekrany wodne, w wyniku czego w ich pobliżu powstaje atmosfera utleniająca. Ilość niespalonego węgla zmniejszono dzięki szybkiemu zapłonowi paliwa - równocześnie poprawiono stabilność płomienia. Palnik ma stosunkowo prostą konstrukcję. Według wynalazku, palniki tego typu mają być stosowane głównie do modernizacji istniejących kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania. Po takiej modernizacji emisja NOx znacznie spada z równoczesnym wzrostem sprawności spalania.

Reasumując przedmiotem wynalazku jest zupełnie nowy typ urządzenia do spalania o niskiej emisji NOx do kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania, którego konstrukcja opiera się na kilku wspomnianych zasadach zastosowanych w palnikach o niskiej emisji NOx do kotłów ze ściennymi urządzeniami do spalania. W kotle z urządzeniem do spalania spalanie stopniowe odbywa się zarówno w pierwotnej strefie spalania przed palnikiem, jak i w wirze głównym z powietrzem dopalającym.

W urządzeniu do spalania według wynalazku paliwo pyłowe jest wtryskiwane za pomocą powietrza nośnego, stanowiącego od około 20 do 30% łącznej ilości powietrza do spalania doprowadzanego do pieca. Wokół przewodu paliwowego znajduje się koncentrycznie z nim umieszczony przewód, doprowadzający do pieca powietrze wtórne. W najwyższej i najniższej części palnika znajdują się przewody powietrza trzeciorzędowego oraz odpowiednie dysze wtryskowe. Strumień paliwa oddzielają od strumieni powietrza trzeciorzędowego elementy dystansowe, dzięki czemu w pierwotnej strefie spalania powstaje atmosfera redukująca. Oprócz elementów dystansowych, obie dysze wtryskowe powietrza trzeciorzędowego są zaopatrzone w skierowane na zewnątrz tuleje prowadzące, kierujące trzeciorzędowe strumienie powietrza pionowo, z dala od pierwotnej strefy spalania. Ponadto powietrze trzeciorzędowe można kierować poziomo z dala od centralnej części pieca ku ekranom wodnym. Dzięki takiemu rozwiązaniu tlen utrzymuje się na ekranach wodnych, co poprawia wchłanianie ciepła w dolnej części pieca. Eliminuje to równocześnie skłonność do osadzania się dużych ilości powietrza dopalającego w dolnej części pieca i do wzrostu temperatury na jego wylocie.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia konwencjonalne urządzenie do spalania do pieca z narożnikowymi urządzeniami do spalania, w schematycznym rzucie z przodu i przekroju poprzecz185 958 nym; fig. 2 - pierwszy przykład wykonania urządzenia do spalania paliwa pyłowego według wynalazku w schematycznym rzucie z przodu i przekroju poprzecznym; fig. 3 - drugi przykład wykonania urządzenia do spalania paliwa pyłowego według wynalazku w schematycznym rzucie z przodu i przekroju poprzecznym; fig. 4 - trzeci przykład wykonania urządzenia do spalania paliwa pyłowego według wynalazku w schematycznym rzucie z przodu i przekroju poprzecznym; fig. 5 - czwarty przykład wykonania urządzenia do spalania paliwa pyłowego według wynalazku wrzucie schematycznym; fig. 6 - zasadę poziomego kierowania strumienia ku ekranowi wodnemu, w rzucie schematycznym.

Zalecaną konstrukcję urządzenia do spalania według wynalazku przedstawiono na fig. 2-5. Na fig. 1-4 przedstawiono również kształt płomieni oraz różne strefy spalania ilustrujące proces spalania.

Na rysunkach zastosowano następujące oznaczenia: Io - strefa przeprowadzania paliwa w stan lotny, I - pierwsza strefa recyrkulacji, II - strefa redukująca, iii - strefa gwałtownego spalania turbulencyjnego, IV - trzeciorzędowa strefa recyrkulacji, V - strefa spiętrzenia, VI strefa recyrkulacji wtórnej oraz VII -wir główny.

Konwencjonalne urządzenie do spalania przedstawione na fig. 1 składa się z prostokątnego przewodu paliwowego 1, w którym jest umieszczone okno wtryskowe 2. Wokół przewodu paliwowego 1 znajduje się górny kanał 3 powietrza wtórnego z górnym oknem wtryskowym 4 powietrza wtórnego oraz dolny kanał 5 powietrza wtórnego z dolnym oknem wtryskowym 6 powietrza wtórnego. Jak widać na fig. 1, strefa redukująca ii jest bardzo mała.

Na fig. 2 przedstawiono urządzenie do spalania według wynalazku. Urządzenie do spalania składa się z prostokątnego przewodu paliwowego 1 oraz okna wtryskowego 2 na jego końcu wylotowym. Wokół przewodu paliwowego 1 znajduje się koncentryczny z nim prostokątny główny kanał powietrzny 7 do dostarczania powietrza wtórnego, otaczający z zewnątrz przewód paliwowy 1 i zakończony oknem wtryskowym 8. Urządzenie do spalania jest również wyposażone w stabilizator płomieni 9, składający się z pierścienia 9a umieszczonego wewnątrz przewodu paliwowego 1 i tulei prowadzącej 9b w głównym kanale powietrznym 7. Pierścień 9a jest prostokątny tak jak przekrój poprzeczny okna wtryskowego 2 przewodu paliwowego 1 i biegnie prostopadle ku centralnej osi przewodu paliwowego 1. W przekroju poprzecznym pierścień 9a ma kształt pierścienia ciągłego, a korzystnie, w przedstawionej tu konstrukcji ma on ząbki wchodzące do przewodu paliwowego 1. Główny kanał powietrzny 7 otacza końcówkę przewodu paliwowego 1. Wylot głównego kanału powietrznego 7 jest ograniczony od zewnątrz rozszerzającą się tuleją prowadzącą 9b do kierowania strumienia powietrza wtórnego, stanowiącą element stabilizatora płomienia 9. Ponadto od zewnątrz część głównego kanału powietrznego 7 urządzenia do spalania 1 jest ograniczona kątową tuleją prowadzącą 10. Kąt Q2 kątowej tulei prowadzącej 10 względem centralnej osi urządzenia do spalania wynosi zazwyczaj od 5 do 40°.

Stabilizator płomieni 9 jest wykonany z materiału odpornego na zużycie i temperaturę, na przykład z materiału ceramicznego lub stali żaroodpornej, albo jest powlekany takim materiałem. W tym przypadku, stabilizator płomieni 9 jest rurą o przekroju prostokątnym lub kołowym z otworem, którego centralną częścią płynie strumień paliwa pyłowego, usytuowaną w końcowym otworze przewodu paliwowego 1. Wewnętrzna część stabilizatora płomieni 9, pierścień 9a, jest usytuowana prawie prostopadle do kierunku osiowego przewodu paliwowego 1. Jego tuleja prowadząca 9b tworzy taki kąt, ze jej średnica rośnie w kierunku promieniowym głównego kanału powietrznego 7. Ponadto, w celu intensyfikacji palności paliwa na wylocie okna wtryskowego 2 przewodu paliwowego 1 oraz niezawodnego wytworzenia na wylocie wysokotemperaturowego płomienia redukującego, pierścień 9a posiada zębatą osłonę wystającą z wewnętrznej powierzchni obwodowej przewodu paliwowego 1 na wylocie okna wtryskowego 2 i biegnącą ku centralnej części przewodu paliwowego 1, co zapewnia odpowiednią sprawność działania urządzenia według wynalazku. Osłona ta może mieć kształt ciągłego pierścienia, ale w przedstawionym rozwiązaniu ma ona postać zębatki.

Korzystne jest, gdy średnica wewnętrzna albo wymiar d{ pierścienia 9a stabilizatora płomieni 9 oraz średnica wewnętrzna d2 przewodu paliwowego 1 są dobierane w taki sposób, żeby spełniały warunek 0,7=1=(di/d2)=1=0,98 a najbardziej korzystne jest, aby stosunek dj/d2

185 958 wynosił około 0,9. Stosunek d,/d2 nie musi mieścić się w podanym przedziale wartości, ale jeżeli jest on zbyt niski, to stabilizator płomieni 9 wchodzi zbyt głęboko do przewodu paliwowego 1, co zwiększa masowe natężenie przepływu strumienia pyłu węglowego przez okno wtryskowe 8, a tym samym zwiększa spadek ciśnienia wewnątrz przewodu doprowadzającego paliwo.

Kąt Qi pomiędzy kątową tuleją prowadzącą 9b powietrza wtórnego a centralną osią przewodu paliwowego wynosi zazwyczaj 15 - 25°, co zapewnia odpowiednie podtrzymywanie płomienia oraz dostatecznie oddziela centralny płomień redukujący od głównego płomienia utleniającego i powietrza do spalania.

Na fig. 3 pokazano drugi przykład wykonania urządzenia do spalania, które składa się z prostokątnego przewodu paliwowego 1 z oknem wtryskowym 2. Wokół przewodu paliwowego 1 znajduje się koncentryczny z nim prostokątny główny kanał powietrzny 7 do doprowadzania powietrza wtórnego, otaczający z zewnątrz przewód paliwowy 1 oraz zakończony oknem wtryskowym 8. W dolnej części urządzenia do spalania główny kanał powietrzny 7 jest ograniczony od zewnątrz gómą przegrodą 16 tworzącą ze ścianami zewnętrznymi urządzenia górny dodatkowy kanał powietrzny 11 do doprowadzania powietrza trzeciorzędowego do strefy spalania. W górnej części urządzenia do spalania główny kanał powietrzny 7 jest ograniczony od zewnątrz dolną przegrodą 16 tworzącą ze ścianami zewnętrznymi urządzenia dolny dodatkowy kanał powietrzny 13 do doprowadzania do strefy spalania drugiego strumienia powietrza trzeciorzędowego. Oba dodatkowe kanały powietrzne są zakończone odpowiednimi oknami wtryskowymi 12 i 14. Głównym zadaniem przegród 15, 16 jest oddzielanie strumienia powietrza wtórnego od strumienia powietrza trzeciorzędowego w celu ochrony procesu tworzenia się strefy redukującej II przed urządzeniem do spalania. Wysokość (d3) przegród 15, 16 wynosi zazwyczaj od 30 do 150 mm. Stabilizator płomieni jest podobny do stabilizatora urządzenia do spalania z fig. 2.

Zarówno w górny dodatkowy kanał powietrzny 11 jak i dolny dodatkowy kanał powietrzny 13 są ograniczone tulejami prowadzącymi 17 i 18 o kątach odchylenia względem osi urządzenia Q3, zazwyczaj wynoszących od 5 do 40°. Warunkiem uzyskania odpowiedniego zasysania powietrza trzeciorzędowego w oknach wtryskowych 12, 14 dodatkowych kanałów powietrznych 11, 13 jest dobranie długości obu tulei prowadzących 17, 18 w taki sposób, żeby stosunek ich długości 1 do wysokości h dodatkowego kanału powietrznego 11,13 wynosi co najmniej 2 (1/h1 > 2) (fig. 3).

Istnieje możliwość skrócenia tulei poprzez zastosowanie dodatkowych tulei prowadzących 17a i 18a bez pogarszania zasysania. Dodatkowe tuleje prowadzące 17a i 18a w tym przypadku mają długość 1, przy której stosunek tej długości 1 do wysokości h dodatkowego kanału powietrznego 11,13 wynosi 1/h1>2.

Na fig. 4 przedstawiono trzeci przykład wykonania urządzenia do spalania, które jest w zasadzie podobne do urządzenia do spalania z fig. 3, z tym wyjątkiem, że w głównym kanale powietrznym 7 do doprowadzania powietrza wtórnego znajdują się osiowe łopatki kierujące 19. Łopatki kierujące 13 nadają prędkości strumienia powietrza wtórnego składową styczną, co poprawia spalanie turbulentne w pobliżu gardzieli urządzenia do spalania. Zazwyczaj jest ich 8 do 15 i są ustawione w kierunku osiowym pod kątem 40 - 50°, w wyniku czego zawirowanie strumienia wynosi od 0,5 do 1,0. Ponadto oba urządzenia do spalania, z fig. 3 i fig. 4, różnią się kształtem przewodu paliwowego 1 i kanałów powietrznych. Przewód paliwowy 1, okno wtryskowe paliwa 2, główny kanał powietrzny 7 powietrza wtórnego i jego okno wtryskowe 8 mają kształt cylindryczny i są zaopatrzone w stabilizator płomienia 9, składający się z kątowej tulei prowadzącej 9b powietrza wtórnego i zębatego pierścienia 9a. Główny kanał powietrzny 7 jest ograniczony jedną cylindryczną przegrodą 16', a pomiędzy nią i ścianami urządzenia są ukształtowane dwa zakrzywione dodatkowe kanały powietrzne 11, 13 do doprowadzania powietrza trzeciorzędowego, zakończone cylindrycznymi oknami wtryskowymi 12. Stabilizator płomieni 9 ma również kształt cylindryczny.

Ilość powietrza pierwotnego zależy głównie od stopnia rozdrobnienia paliwa, i zazwyczaj wynosi od 20 do 30%. Korzystnie, prędkość powietrza pierwotnego powinna wynosić 15

185 958 do 25 m/s. Według wynalazku, jednym z zadań powietrza wtórnego jest zapobieganie rozproszeniu się strumienia mieszanki węgla z powietrzem pierwotnym.

Powietrze wtórne płynie z dużą prędkością wokół płomienia redukującego II i tworzy warstwę oddzielającą, zmniejszającą ilość cząstek węgla lecących w kierunku ścian pieca, co zmniejsza zażużlanie pieca. Ilość powietrza pierwotnego i wtórnego dobiera się dla umożliwienia spalenia lotnych składników paliwa. Jak z tego wynika, procentowa zawartość składników lotnych w węglu lub innych paliwach determinuje ilość powietrza wtórnego, wynoszącą zazwyczaj poniżej 30%. Warunkiem uzyskania odpowiedniego nakładania się na siebie i prawidłowego mieszania powietrza wtórnego z mieszanką powietrza pierwotnego z paliwem jest odpowiednio duża prędkość przepływu powietrza wtórnego, wynosząca około 30 - 80 m/s. Pozostała część powietrza do spalania jest wtryskiwana przez okna wtryskowe 12, 14 dodatkowych kanałów powietrznych 11, 12 dla powietrza trzeciorzędowego, przy czym stosunek masowych natężeń przepływu powietrza wtórnego i trzeciorzędowego wynosi 1:2-1:5. Prędkość powietrza trzeciorzędowego w oknie wtryskowym 12, 13 wynosi 30 - 80 m/s. Jeżeli zawartość składników lotnych w paliwie jest niska, to powietrze pierwotne może wystarczyć do ich spalenia w płomieniu redukującym. W takim przypadku należy zapobiec mieszaniu się powietrza wtórnego z płomieniem redukującym. W rozwiązaniu z fig. 2 przepływ powietrza wtórnego jest podobny do przepływu powietrza trzeciorzędowego, w związku z czym nie ma oddzielnych strumieni powietrza wtórnego, jak w urządzeniach do spalania pokazanych na fig. 3 i 4. W takiej sytuacji główny kanał powietrzny 7 otacza kanał paliwowy 1, albo też mogą to być dwa oddzielne kanały biegnące nad i pod przewodem paliwowym 1.

innym, bardzo ważnym czynnikiem dotyczącym stabilizacji płomienia i mieszania, w przypadku urządzenia do spalania z zawirowaniem, jest zapewnienie odpowiednio wysokiego stopnia zawirowania powietrza trzeciorzędowego, które umożliwia dobre mieszanie za płomieniem i odpowiednią stabilizację. O ile chodzi o urządzenie do spalania do kotłów z narożnikowymi urządzeniami do spalania, powietrze trzeciorzędowe ma tylko pęd osiowy, ale w tym przypadku brak zawirowania kompensuje obecność wiru centralnego, który również odpowiada za mieszanie i stabilizację płomienia.

W przypadku konwencjonalnych urządzeń do spalania (przepływ osiowy, brak zawirowania, fig. 1), punkt zapłonu znajduje się dosyć daleko od przewodu paliwowego, strefa Io przeprowadzania składników paliwa w stan lotny jest duża, płomień jest niestabilny i nie ma strefy redukującej II, albo jest bardzo mała, co powoduje wysoką emisję NOx. Prawdziwa stabilizacja płomienia w kotłach z narożnikowymi urządzeniami do spalania pojawia się w strefie wiru głównego VII. Strefa spalania turbulentnego/utleniającego III pojawia się na zewnętrznej warstwie przyściennej pierwotnego strumienia powietrza oraz w wirze głównym.

Urządzenie do spalania według wynalazku jest wyposażone w stabilizator płomienia 9, który intensyfikuje tworzenie się pierwotnej strefy recyrkulacji I, co poprawia zapłon i stabilność płomienia. Powietrze wtórne płynie wokół powietrza pierwotnego i paliwa z większą prędkością co zapobiega rozpraszaniu strumienia paliwa. Główny kanał powietrzny 7 do powietrza wtórnego jest ukształtowany w taki sposób, że kieruje część powietrza wtórnego z dala od powietrza pierwotnego i paliwa. W rezultacie strefa redukująca II jest większa i znajduje się bliżej gardzieli urządzenia do spalania niż w konwencjonalnym urządzeniu do spalania strumieniowego.

Zapłon i stabilność płomienia w urządzeniu do spalania z fig. 3 jest lepsza w porównaniu z urządzeniem do spalania z fig. 1 dzięki strefie recyrkulacji trzeciorzędowej IV. Wynika to z obecności strefy podciśnienia pomiędzy wtórnym a trzeciorzędowym strumieniem powietrza, w której gorące gazy wylotowe z wiru głównego są zawracane do strefy spalania. Ponadto do strefy przeprowadzania składników paliwa w stan lotny dopływa i miesza się mniej powietrza wtórnego, co w porównaniu z urządzeniem do spalania, eliminuje zjawisko rozcieńczania i intensyfikuje zapłon oraz stabilizuje płomień. W związku z tym, przechodzenie składników paliwa w stan lotny następuje dużo gwałtowniej, a strefa tego przechodzenia jest mniejsza. Przed obu przegrodami 15, 16, 16' powstaje strefa spiętrzenia V zapobiegająca skutecznemu mieszaniu powietrza trzeciorzędowego ze strefą redukującą II, więc nie zakłóca ono tworzenia się warunków redukujących. Grubość (¢3) przegród 15, 16, 16' determinuje

185 958 poziomą długość strefy spiętrzenia V, więc im większa grubość d3, tym lepsza strefa spiętrzenia i lepsze redukowanie NOx. Mieszaniu się powietrza trzeciorzędowego ze strefą redukuj ącą II zapobiegają nie tylko przegrody 15, 16, 16', ale również tuleje prowadzące 17, 18 powietrza trzeciorzędowego, ponieważ tuleje te kierują to powietrze z dala od pierwotnej strefy spalania. Górne okno wtryskowe 12 górnego dodatkowego kanału 11 jest skierowane ku górze, natomiast dolne okno wtryskowe 14 dolnego dodatkowego kanału powietrznego 13 jest skierowane ku dołowi od strefy spalania pierwotnego, co zapobiega mieszaniu się tego powietrza z płomieniem do miejsca, w którym znajduje się wir centralny (kula ogniowa), gdzie następuje końcowe utlenianie paliwa.

Okna wtryskowe 12 i 14 dodatkowych kanałów powietrznych 11, 13 są nie tylko skierowane w górę i w dół, ale również odpowiednio ukształtowane w taki sposób, ze kierują to powietrze z dala od centralnej części pieca i ku ekranom wodnym 23 (fig. 6). Dzięki takiemu rozwiązaniu tlen nie dopływa do centralnej części pieca, ale jest utrzymywany w pobliżu ekranów wodnych 23, co zapobiega tworzeniu się tam atmosfery redukującej. Zmniejsza to zażużlenie dolnej części pieca oraz zwiększa w niej absorpcję ciepła. Korzystnie, kąt Q7 pomiędzy strumieniem powietrza trzeciorzędowego 26 a ekranem wodnym 23 wynosi od 5 do 45°, w związku z czym odpowiednio ukształtowane są tuleje prowadzące w kanałach powietrza trzeciorzędowego. Na fig. 6 pokazano również przepływ paliwa 25 z narożnika pieca w kierunku wiru centralnego 24, gdzie ulega ostatecznemu spaleniu.

Skutkiem działania przegród 15, 16, 16' oraz rozdzielonych strumieni powietrza wtórnego i trzeciorzędowego jest większa strefa redukująca II w urządzeniu do spalania z fig. 3 niż w urządzeniu do spalania konwencjonalnego i urządzeniu do spalania z fig. 2.

Urządzenie do spalania z fig. 4 jest podobne do urządzenia do spalania z fig. 3, z tym wyjątkiem, że przewód paliwowy 1, główny kanał powietrzny 7 i jego okno wtryskowe 8 mają przekrój okrągły. W związku z tym w głównym kanale powietrznym 7 można zainstalować zawirowywacz osiowy. Stopień zawirowania wynosi od 0,5 do 1,0. W związku z zawirowaniem powietrza wtórnego, pomiędzy dyszą powietrza pierwotnego a dyszą powietrza trzeciorzędowego tworzy się strefa recyrkulacyjna VI powietrza wtórnego, w której panuje wysoka temperatura, oraz zwiększa się transport ciepła do strefy spalania pierwotnego. Poprawia to stabilizację płomienia oraz gwałtowność przeprowadzania składników paliwa w stan lotny, a także przyczynia się do powstawania większej strefy redukującej. Przy takiej konfiguracji istnieje możliwość zarówno zmniejszenia ilości niespalonego węgla (szybki zapłon) jak i obniżenia emisji NOx (duża strefa redukująca).

W urządzeniu do spalania według wynalazku można instalować wewnątrz przewodu paliwowego 1 zwężkę Venturiego 20 oraz koncentrator paliwa pyłowego 22. Przewód paliwowy 1 tego typu pokazano na fig. 5. Zwężka Venturiego 20 znajduje się w pewnej odległości od wylotu przewodu paliwowego 1, a koncentrator 22 przechodzi przez jego gardziel. Wymiary koncentratora 22 zaczynają zwiększać się od tego samego miejsca, od którego zaczyna zwiększać się średnica wewnętrzna przewodu paliwowego 1 za zwężką 20. Natomiast wymiary koncentratora 22 zaczynają zmniejszać się w pobliżu wylotu z przewodu paliwowego 1, a kończą się w sąsiedztwie stabilizatora płomienia 9. Zwężka Venturiego 20 umożliwia uzyskanie bardziej równomiernego rozkładu cząstek paliwa przed koncentratorem 22. Najskuteczniejszym sposobem poprawy zapłonu i zwiększenia stężenia paliwa pyłowego wokół stabilizatora płomienia jest stabilizacja płomienia. W dwufazowym strumieniu gazu i cząstek, skutkiem rozszerzenia się przepływu jest powstanie niejednorodnego stężenia. Wynika to z różnic pędu gazu i cząstek paliwa, w związku z czym stosuje się koncentrator. Koncentrator 22 jest umieszczony w osi przewodu paliwowego 1. Ma on część rozszerzaj ącą się, tworzącą 5 - 60° (Q5) po stronie napływu strumienia paliwa, i kąt 5 - 30° (Qe) po stronie wypływu strumienia paliwa.

185 958

FIG. 6

185 958

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do spalania paliwa pyłowego w kotle z narożnikowymi urządzeniami do spalania i zmniejszania emisji tlenków azotu składające się z centralnego przewodu paliwowego do doprowadzania mieszanki paliwa z powietrzem do pieca kotła oraz usytuowanego w jego sąsiedztwie, co najmniej jednego kanału powietrznego, przy czym na końcu przewodu paliwowego jest umieszczony stabilizator płomieni składający się z pierścienia umieszczonego wewnątrz przewodu paliwowego prostopadle do jego osi wzdłużnej oraz odchylonej na zewnątrz tulei prowadzącej powietrza wtórnego, przy czym główny kanał powietrzny, otaczający przewód paliwowy, jest ograniczony od zewnątrz co najmniej jedną przegrodą, tworzącą ze ścianami zewnętrznymi urządzenia, co najmniej jeden dodatkowy kanał powietrzny, znamienny tym, że na końcu dodatkowego kanału powietrznego (11, 13), umieszczone są rozszerzające się tuleje prowadzące (17, 18, 17', 18') usytuowane po przeciwnej stronie przegrody (15, 16; 16') niż stabilizator płomieni (9), zaś stosunek długości (1) dodatkowej tulei prowadzącej (17a, 18a, 17a', 18a') do wysokości (hj) dodatkowego kanału powietrznego (11,13) jest, co najmniej równy 2.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy górną przegrodą (16), a ścianą urządzenia jest usytuowany górny dodatkowy kanał powietrzny (11), a pomiędzy dolną przegrodą (15), i ścianą urządzenia jest usytuowany dolny dodatkowy kanał powietrzny (13), przy czym górna przegroda (16) i dolna przegroda (15) stanowią ograniczniki głównego kanału powietrznego (7).
3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że cylindryczna przegroda (16') stanowi ogranicznik głównego kanału powietrznego (7).
4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, ze dodatkowe, pośrednie tuleje prowadzące (17a, 18a; 17a', 18a') są umieszczone pomiędzy przegrodami (15, 16; 16') a tulejami prowadzącymi (17, 18; 17', 18') i są ustawione równolegle do tulei prowadzących (17, 18; 17', 18').
5. Urządzenie według zastrz. 2 albo 3, znamienne tym, że w głównym kanale powietrznym (7) znajdują się osiowe łopatki kierujące (19).
6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że tuleje prowadzące (17, 17a, 18, 18a, 17', 17a', 18', 18a') są ustawione pod kątem 5 - 40° w stosunku do centralnej osi przewodu paliwowego (1).
7. Urządzenie według zastrz. 2 albo 3, znamienne tym, że wylot głównego kanału powietrznego (7) jest ograniczony od wewnątrz tuleją prowadzącą (9b) stabilizatora powietrza (9) usytuowaną pod kątem 15 - 25° względem centralnej osi przewodu paliwowego (1).
8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że wewnątrz przewodu paliwowego (1) znajduje się zwężka Venturiego (20).
9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, ze centralnie w przewodzie paliwowym (1) znajduje się koncentrator paliwa (22) z rozszerzającą się częścią, która jest nachylona względem osi przewodu paliwowego (1) pod kątem (Qs) wynoszącym 5 - 60° po wlotowej stronie strumienia paliwa, oraz pod kątem (Qe) wynoszącym 5 - 30° po wylotowej stronie strumienia paliwa.