PL196858B1

PL196858B1 - Sposób spalania węgla w skoncentrowanych strumieniach z redukcją NOx

Info

Publication number: PL196858B1
Application number: PL361169A
Authority: PL
Inventors: Hisashi Kobayashi; Lawrence E.Iii Bool; William J. Snyder
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2008-02-29
Also published as: US6699031B2; CN1328540C; AU2003212026B2; TW200401871A; BR0302366A; CN1510334A; PL361169A1; KR20040007278A; JP2004037072A; CA2434774A1; EP1416221A1; TWI272357B; KR100709849B1; US20030104328A1; AU2003212026A1

Abstract

1. Sposób spalania w egla w skoncentrowanych strumieniach z redukcj a NO x , w którym za pomoc a no snika gazowego wprowadza si e do komory spala- nia rozpylone, sta le paliwo w eglowodorowe, zna- mienny tym, ze ze strumienia paliwa zasilaj acego tworzy si e przynajmniej jeden strumie n obejmuj acy paliwo i no snik, przy czym stosunek ilo sci paliwa do no snika w tym strumieniu jest wi ekszy ni z w stosunek ilo sci paliwa do no snika w strumieniu zasilaj acym, a nast epnie podaje si e uzyskany strumie n i powietrze z palnika (3) do komory spalania (1), wdmuchuj ac tlen do tego strumienia przy lub w pobli zu palnika (3) i spala si e paliwo wprowadzone w tym strumieniu w komorze spalania (1) wraz z powietrzem i tlenem w obszarze p lomienia posiadaj acym stref e (8), bogat a w paliwo, w której to strefie, ilo sc tlenu jest mniejsza ni z 25% ilo sci stechiometrycznej, wymaganej do zrealizowania spalania zupe lnego dostarczonego paliwa i utrzymuje si e t e stref e, podczas gdy redukuje si e ilo sc powietrza podawanego przez palnik (3) przy ilo sci zawieraj acej wystarczaj ac a ilo sc tlenu, tak ze w ca lej strefie spalania zale zno sc stechiometryczna zmienia si e nie wi ecej, ni z w granicach 10% w porównaniu do zale zno sci stechio- metrycznej uzyskiwanej bez dodawania tlenu. PL PL PL PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196858 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 361169 ^{(51) Int.Cl.}

F23K 5/00 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 09.07.2003 (54) Sposób spalania węgla w skoncentrowanych strumieniach z redukcją NOX

(30) Pierwszeństwo: 11.07.2002,US,10/194,828	(73) Uprawniony z patentu: PRAXAIR TECHNOLOGY, INC.,Danbury,US
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 12.01.2004 BUP 01/04	(72) Twórca(y) wynalazku: Hisashi Kobayashi,Putnam Valley,US Lawrence E.III Bool,East Aurora,US William J. Snyder,Ossining,US
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.02.2008 WUP 02/08	(74) Pełnomocnik: Misztak Irena, PATPOL Sp. z o.o.

(57) 1. Sposób spalania węgla w skoncentrowanych strumieniach z redukcją NOx, w którym za pomocą nośnika gazowego wprowadza się do komory spalania rozpylone, stałe paliwo węglowodorowe, znamienny tym, że ze strumienia paliwa zasilającego tworzy się przynajmniej jeden strumień obejmujący paliwo i nośnik, przy czym stosunek ilości paliwa do nośnika w tym strumieniu jest większy niż w stosunek ilości paliwa do nośnika w strumieniu zasilającym, a następnie podaje się uzyskany strumień i powietrze z palnika (3) do komory spalania (1), wdmuchując tlen do tego strumienia przy lub w pobliżu palnika (3) i spala się paliwo wprowadzone w tym strumieniu w komorze spalania (1) wraz z powietrzem i tlenem w obszarze płomienia posiadającym strefę (8), bogatą w paliwo, w której to strefie, ilość tlenu jest mniejsza niż 25% ilości stechiometrycznej, wymaganej do zrealizowania spalania zupełnego dostarczonego paliwa i utrzymuje się tę strefę, podczas gdy redukuje się ilość powietrza podawanego przez palnik (3) przy ilości zawierającej wystarczającą ilość tlenu, tak że w całej strefie spalania zależność stechiometryczna zmienia się nie więcej, niż w granicach 10% w porównaniu do zależności stechiometrycznej uzyskiwanej bez dodawania tlenu.

PL 196 858 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób spalania węgla w skoncentrowanych strumieniach z redukcją NOx, jak również stałych paliw zawierających związki węglowodorowe, zwłaszcza paliw zawierających związany azot.

Spalanie węgla w komorach spalania elektrowni pozostaje w dalszym ciągu podstawowym środkiem wytwarzania energii. Skoro spalanie takie powoduje emisję NOx do atmosfery, co przyczynia się do zanieczyszczenia środowiska naturalnego, należy określić zasadnicze sposoby redukcji NOx emitowanych do atmosfery podczas spalania.

Jednym ze sposobów redukcji NOx jest zastosowanie któregokolwiek ze sposobów spalania wielostopniowego, lub użycie palników aerodynamicznych o niskiej emisji NOx i doprowadzenie powietrza ponad płomieniem. W palnikach aerodynamicznych o niskiej emisji NOx przy zmieszaniu paliwa z odpowiednią ilością powietrza, konieczną do spalania zupełnego paliwa następuje opóź nienie powstawania płomienia ze stosunkowo dużym obszarem płomienia bogatym w paliwo. Zasadniczo spalanie wielostopniowe, lub spalanie wielostopniowe z doprowadzaniem powietrza wtórnego w obszarze ponad doprowadzeniem powietrza pierwotnego do spalania, zapewnia tylko częściowe doprowadzenie tlenu koniecznego do zupełnego spalania węgla, przy czym paliwo dostarcza się do palnika w pierwotnej strefie spalania dla wytworzenia obszaru pł omienia bogatego w paliwo wystę pują cego za obszarem ubogim w paliwo, do którego dostarcza się bilansową ilość powietrza do spalania, (powietrza wtórnego) uzupełniającego ilość powietrza koniecznego do spalania paliwa. Główna strefa spalania zupełnego, z wyjątkiem obszaru znajdującego się w pobliżu palnika, gdzie wdmuchiwane jest powietrze pierwotne i nie jest jeszcze w pełni wymieszane z paliwem, może powstawać obszar bogaty w paliwo spalanego w warunkach spalania wielostopniowego, co powoduje znaczne wydł uż enie czasu redukcji emisji NOx. Dla osiągnięcia warunków spalania, w których powstaje obszar bogaty w paliwo, według stanu techniki proponuje się ograniczenie ilości powietrza pierwotnego dostarczanego wraz z paliwem do gł ównej strefy spalania, i dodanie gazów palnych do tego obszaru, lub zastosowanie ubogiego w tlen, strumienia zawróconych gazów spalinowych. Dodanie w tym obszarze strumienia gazów ubogich w tlen w procesie znanym ze stanu techniki jest niekorzystne, ponieważ nie jest to zgodne z założonym celem rozwiązania, zgodnie z którym należy eliminować nadmiar tlenu z tego obszaru płomienia. W komorach spalania, w których spala się pył węglowy, zwykle jest on transportowany do i przenoszony przez palnik w postaci strumienia cząstek węgla wymieszanego dokładnie z powietrzem pierwotnym (tak zwanym „powietrzem noś nym”).

Powietrze nośne, w pewnej części również wykorzystywane jest jako powietrze konieczne do spalania węgla. Powietrze nośne może również zawierać gazy spalinowe zawrócone z obiegu spalin, lub produkty spalania stosowane w przypadku palników z kanałami wewnętrznymi, aby ograniczyć ilość wilgoci w węglu. Ograniczenie ilości powietrza nośnego jest jednym ze znanych sposobów redukcji ilości NOx powstających przy spalaniu węgla. Jednak w wielu przypadkach ograniczenie ilości powietrza nośnego jest niemożliwe do realizacji, jeśli ono niekorzystnie wpływa na pracę młyna węglowego i cały układ dostarczania i odpowiedniego rozdziału węgla.

Drugi znany sposób redukcji NOx w przypadku stosowania palników na pył węglowy polega na tym, że stosuje się urządzenia koncentrujące lub kruszarki węgla. Urządzenia koncentrujące lub kruszarki węgla separują pod działaniem sił bezwładności cząstki węgla i powietrze ze strumienia powietrza nośnego, przy lub w pobliżu końcówki palnika w dwóch, lub w większej ilości oddzielnych strumieniach pyłu węglowego, w którym prędkość z jaką przepływają cząstki węgla w jednym lub w większej ilości strumieni jest większa niż w innych strumieniach. Urządzenia te wdmuchują oddzielnie lub warstwowo dwa, lub większą ilość strumieni do komory spalania. W ten sposób, strumień bogaty w paliwo spala się w warunkach określonych dla takiego strumienia, a wraz ze strumieniem ubogim w paliwo był oby wprowadzane powietrze dodatkowe i pewna ilość ciepł a konieczna do prowadzenia procesu denitryfikacji węgla. Urządzenia te pozwalają również na zmniejszenie zakresu działania palnika, ponieważ gdy zmniejsza się obciążenia palnika pyłem węglowym, wraz ze zmniejszeniem prędkości spalania, (mniej węgla i mniejsza ilość powietrza nośnego), koncentratory pozwalają na zagęszczenie strumieni węgla przy końcówce palnika, co pomaga w utrzymaniu stabilności zapłonu płomienia. Sposoby postępowania tego rodzaju są ogólnie znane w przemyśle i obecnie stosuje się wiele koncentratorów węgla przeznaczonych do tego celu. Jednak proponowane przepisy dotyczące zawartości NOX w spalinach pochodzących z kotłów parowych są bardzo surowe i zastosowanie układu

PL 196 858 B1 spalania z wykorzystaniem tylko koncentratora węgla i z niską emisją NOx znanego ze stanu techniki jest niewystarczające do spełnienia warunków zawartych w tych przepisach.

A zatem pojawił a się potrzeba opracowania sposobu spalania wę gla, zgodnie z którym zarówno emisja NOx byłaby niska, jak i zawartość niespalonych cząstek węgla w popiołach zostałaby znacznie ograniczona, korzystnie przy wykorzystaniu zalet, jakie przynosi zastosowanie koncentratorów węgla.

Przedmiotem wynalazku jest sposób spalania węgla w skoncentrowanych strumieniach z redukcją NOx, w którym za pomocą nośnika gazowego wprowadza się do komory spalania rozpylone, stałe paliwo węglowodorowe. Istota wynalazku polega na tym, że ze strumienia paliwa zasilającego tworzy się przynajmniej jeden strumień obejmujący paliwo i nośnik, przy czym stosunek ilości paliwa do nośnika w tym strumieniu jest większy niż w stosunek ilości paliwa do nośnika w strumieniu zasilającym.

Następnie podaje się uzyskany strumień i powietrze z palnika do komory spalania, wdmuchując tlen do tego strumienia przy lub w pobliżu palnika. Dostarczone paliwo wprowadzone w tym strumieniu spala się w komorze spalania wraz z powietrzem i tlenem w obszarze płomienia posiadającym strefę bogatą w paliwo, w której to strefie, ilość tlenu jest mniejsza niż 25% ilości stechiometrycznej, wymaganej do zrealizowania spalania zupełnego dostarczonego paliwa. Strefę tę utrzymuje się, podczas gdy redukuje się ilość powietrza podawanego przez palnik przy ilości zawierającej wystarczającą ilość tlenu, tak że w całej strefie spalania zależność stechiometryczna zmienia się nie więcej, niż w granicach 10% w porównaniu do zależności stechiometrycznej uzyskiwanej bez dodawania tlenu. Korzystnie, w strefie bogatej w paliwo zależność stechiometryczna wynosi od 0,6 do 1,0.

Według wynalazku, z odpowiedniego źródła dodaje się powietrze, inne od tego, które podawane jest z palnika do obszaru wewnątrz komory spalania, poza strefą bogatą w paliwo i tworzy się pierwotną strefę spalania. Powietrze podaje się w ilości zawierającej przynajmniej taką ilość tlenu, która jest wystarczająca do tego, żeby ogólna ilość tlenu podawanego do komory spalania była równa przynajmniej ilości stechiometrycznej, koniecznej do zupełnego spalenia paliwa.

W pierwotnej strefie spalania zależ ność stechiometryczna jest zawarta mi ę dzy 0,6 i 1,0.

W sposobie według wynalazku jako paliwo stosuje się węgiel a jako nośnik paliwa - powietrze.

Jest zrozumiałe, że można wytworzyć jeden, lub kilka strumieni węgla i powietrza mających większy stosunek cząstek stałych paliwa do powietrza, niż ma to miejsce w strumieniu zasilającym, ale nie ma takiej potrzeby, aby jako strumień, lub strumienie wytwarzać oddzielne strumienie, w których zależności ilościowe między cząstkami stałymi a powietrzem są odwrotne, chociaż takie strumienie mogą się pojawić. Oznacza to, że w komorze spalania mogą istnieć obszary, w których występują strumienie mieszaniny paliwowo-powietrznej obydwu rodzajów.

Wynalazek dotyczy wysokotemperaturowego procesu spalania, w którym strefa płomienia bogata w paliwo jest tworzona dzięki pierwszemu procesowi koncentracji strumienia węgla, a następnie doprowadzaniu tlenu do skoncentrowanego strumienia w zlokalizowanym obszarze znajdującym się przy otworze wypływowym palnika. Pozwala to na osiągnięcie stosunkowo wysokiego stopnia koncentracji tlenu, który kontaktuje się z węglem i może podtrzymać zależności stechiometryczne na poziomie lub poniżej pierwotnej ilości powietrza zależnie od stopnia osiągniętej koncentracji węgla.

Połączenie lokalnych wysokich koncentracji tlenu z niskimi zależnościami stechiometrycznymi stwarza idealne warunki do obniżenia poziomu wytwarzania tlenków azotu. Zastosowanie tlenu przy skoncentrowanych strumieniach węgla może prowadzić do osiągnięcia tych warunków przy wyłączeniu z normalnego procesu spalania węgla, części składników inertnych, to znaczy azotu zawartego w powietrzu, co pozwala na osią gnię cie wyż szej temperatury spalania i wpł ywa na ogólne obniż enie emisji tlenków azotu, oraz ogranicza ilość niespalonego węgla w popiele. Poza tym przy podawaniu tlenu tym sposobem wymagana jest mniejsza ilość tlenu, co ma znaczenie dla ekonomiki procesu.

Pod określeniem „zależność stechiometryczna” należy rozumieć stosunek tlenu podawanego do paleniska do ilości tlenu, która byłaby konieczna do przemiany całej ilości węgla, siarki i wodoru zawartych w substancjach wprowadzanych do komory spalania w dwutlenek węgla, dwutlenek siarki i wodę. W strefie bogatej w paliwo zależność stechiometryczna szczególnie korzystnie zawarta jest między 0,7 i 0,85.

Pod pojęciem NOx należy rozumieć tlenki azotu, takie jak NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N3O4 i ich mieszaniny. Określenie stosowane w opisie „spalanie wielostopniowe z zastosowaniem palników o niskiej emisji NOx” oznacza spalanie w komorze spalania, w której następuje proces mieszania paliwa z powietrzem koniecznym do zupełnego spalania tego paliwa jest opóźniony, aby wytworzyć płomień posiadający strefę relatywnie bogatą w paliwo. W rozwiązaniu według wynalazku zastosowano ogólnie znany proces spalania wielostopniowego, w którym strumienie powietrza koniecznego do zupełnego spalania,

PL 196 858 B1 wprowadzane są do komory spalania na różnych poziomach, również na poziomie ponad obszarem płomienia.

Jako nośnik dla pyłu węglowego zastosowano medium gazowe zawierające, lub nie zawierające tlenu, pozwalające na przenoszenie pyłu węglowego bez ryzyka jego zapłonu w przewodach paliwowych. Nośnik ten może zawierać składniki inertne, pochodzące również z pierwotnego procesu spalania. Praktycznie objętość przepływu nośnika gazowego powinna być odpowiednia do tego, aby wprowadzić i przemieścić cząstki pyłu węglowego w każdym wymiarze. Pod pojęciem „azotu związanego” należy rozumieć również azot, stanowiący część molekuły zawierającej również węgiel i wodór, czasami również tlen.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny urządzenia do realizacji sposobu według wynalazku, fig. 2 - przekrój wzdłużny palnika używanego do realizacji sposobu według wynalazku, fig. 3-6 przedstawiają przekroje wzdłużne urządzenia do realizacji sposobu według wynalazku służących do formowania ze strumieni paliwa stałego i powietrza, strumieni o większej prędkości paliwa stałego w stosunku do powietrza, niż w obszarze zasilania, fig. 7-9 przedstawiają przekroje wzdłużne urządzeń do realizacji sposobu według wynalazku, stosowanych w praktyce.

Chociaż przedmiot zaproponowanego wynalazku, opisano poniżej przy użyciu określeń dotyczących procesów spalania węgla i powietrza jako gazu nośnego, podobnie jak to zostało przedstawione w korzystnych przykładach wykonania wynalazku, sposoby postępowania przedstawione poniżej mogły by być zastosowane do innego paliwa pyłowego i innego nośnika gazowego. Przedmiotowy wynalazek został opisany przy wykorzystaniu załączonych figur rysunku, co nie ogranicza zakresu ochrony zaproponowanego rozwiązania.

Mówiąc ogólnie, według sposobu zgodnego z wynalazkiem, najpierw dzieli się strumień węgla i powietrza nośnego na kilka strumieni (strumienie „uzyskane”) w których pierwsza cz ęść strumienia ma większą prędkość cząstek paliwa w stosunku do powietrza, niż w strumieniu zasilającym. Po uformowaniu strumienia, lub strumieni „uzyskanych” tworzy się jeden lub większą ilość strumieni, w których prędkość cząstek paliwa stałego w stosunku do powietrza jest mniejsza w strumieniu wlotowym. Tlen w ilości podstechiometrycznej w stosunku do ilości paliwa w uzyskanym strumieniu lub strumieniach jest następnie wdmuchiwany do, lub w pobliżu uzyskanego strumienia w palniku aby uzyskać szybsze spalanie przy wyższej temperaturze i zgazowanie cząstek paliwa. Podporządkowanie cząstek paliwa tym warunkom, we wcześniejszych okresach spalania sprzyja przemianie azotu związanego w paliwie w N2 bardziej niż w NOx i uł atwia zupeł ne spopielenie w końcowym okresie czasu trwania procesu spalania. Strumienie lub strumień stosunkowo ubogi w węgiel, wytwarzany jest w inny sposób, na przykład można je wdmuchiwać do komory spalania oddzielnie od strumienia tlenu, lub każdy z nich jest kierowany do określonego miejsca poza palnikiem (na przykład ponad powietrzem koniecznym do spalania, lub jako inny, stopniowany strumień powietrza).

Zasadniczo, prędkość strumienia zasilającego i bardziej skoncentrowanego strumienia mieszaniny węgla i powietrza wynosi od 7,6 m/s do 76 m/s, a korzystnie 15,2 m/s do 61 m/s. Przeważnie, stosunek ilości paliwa stałego do powietrza wynosi od 0,25 : 1 do 1,5 : 1, a korzystnie od 0,35 : 1 do 0,7 : 1. Ogólnie, stosunek ilości paliwa stałego do powietrza w uzyskanym, bardziej skoncentrowanym strumieniu wynosi od 0,4 : 1 do 10 : 1, a korzystnie 0,5 do 3 : 1.

Figura 1 przedstawia urządzenie do spalania 1, które może być dowolnym urządzeniem, w którym możliwa jest realizacja procesu spalania, w komorze 2 tego urządzenia. Korzystnie można wykorzystać tu piece i kotły, stosowane do wytwarzania energii elektrycznej przy wykorzystaniu konwencjonalnych środków, które nie zostały przedstawione. Każdy z palników 3, usytuowany w ścianie bocznej urządzenia do spalania, lub przy jej zakończeniu podaje do komory 2 paliwo, powietrze i tlen pochodzące ze źródeł znajdujących się poza urządzeniem do spalania 1. W korzystnym rozwiązaniu według wynalazku, paliwo zawiera rozpylone, stałe paliwa węglowodorowe, a w korzystnym przykładzie wykonania, węgiel w postaci pyłu, lub koks naftowy.

Jak to pokazano na fig. 1, a bardziej dokładnie na fig. 2, palnik 3 jest korzystnie wyposażony w kilka koncentrycznie usytuowanych kanałów, chociaż można zastosować tu również inną konstrukcję dla uzyskania tego samego efektu. Paliwo dostarczane jest do urządzenia do spalania 1 poprzez pierścieniowy kanał 4. Korzystnie, paliwo i powietrze nośne są podawane ze źródła zasilania 20 do jednego, lub kilku palników 3, gdzie strumień mieszaniny przechodzi przez koncentrator węgla 18 i strumienie wynikowe są wdmuchiwane do komory 2 urządzenia do spalania 1. Efektywna ilość dostarczanego powietrza pierwotnego, wykorzystywanego jako nośnik dla 0,45 kg węgla wynosi około 0,68 do 0,9 kg, co odpowiada około 20% ilości stechiometrycznej powietrza koniecznego do zupełnego spalenia węgla bitumicznego.

PL 196 858 B1

Powietrze pierwotne 22 jest podawane przez wentylator typu „FD” do jednej, lub większej ilości skrzynek powietrznych 21 i wdmuchiwane do kanału powietrznego jednego, lub wielu palników 3. Powietrze wtórne 15, konieczne do spalania, podaje się przez palnik 3 do urządzenia do spalania 1, korzystnie przez usytuowane centralnie, pierścieniowe kanały 11 otaczające przestrzeń 4, przez którą podaje się paliwo węglowodorowe. Korzystnie, trzecie powietrze do spalania 16 podaje się przez palnik 3 do urządzenia do spalania 1, korzystnie poprzez rozmieszczone koncentrycznie, pierścieniowe kanały 12, otaczające kanał powietrza wtórnego. Korzystnie, powietrze konieczne do spalania jest również podawane przez dyszę 7, znajdująca się w urządzeniu do spalania, (patrz fig. 1) ponad obszarem spalania.

W korzystnym rozwiązaniu, palniki z niską emisją NOx posiadają kanał pierwotny (paliwo), i kanały dla powietrza drugiego i trzeciego, których konstrukcja pozwala na dobrą regulację aerodynamiczną. Jednak można zastosować tu inne konstrukcje palników z niską emisją NOx, wyposażone tylko w kanały przepływu powietrza pierwszego i drugiego. Jeśli zastosowano optymalne konstrukcje z trzema kanałami, przepływ powietrza drugiego może wywoływać wiry i w kanale może pojawić się przepływ o charakterystyce właściwej dla przepływu z mieszaniem strumieni aerodynamicznych, jak w przypadku palnika z trzema kanałami powietrznymi. Alternatywnie, można zastosować palniki z dodatkowym kanałem (czwartym).

Spalanie paliwa węglowodorowego realizowane jest przy wykorzystaniu tlenu zawartego w powietrzu pierwotnym i tlenu wynikającego z formowania płomienia 6. Obszar 8 płomienia najbardziej zbliżony do palnika 3, to znaczy tam, gdzie paliwo węglowodorowe wydostaje się z palnika, jest strefą bogatą w paliwo. Obszar płomienia 6, wokół tej przestrzeni, jest stosunkowo niewielki, gdy powietrze drugie i trzecie nie reaguje w pełni z paliwem. Jeśli przez dyszę 7, znajdującą się ponad obszarem płomienia, dostarczy się wystarczającą ilość powietrza, dla uzyskania ogólnego spalania wielostopniowego, niższa strefa dopływu komory spalania, lub strefa powietrza pierwotnego, (PCZ), pod dyszą 7, staje się strefą bogatą w paliwo, z wyjątkiem obszarów znajdujących się w pobliżu palników 3, gdzie wdmuchuje się powietrze a ono nie przereagowało jeszcze z paliwem.

Korzystnie, powietrze podawane przez otwór dyszy 7 do komory spalania urządzenia 1, sprawia, że strefa spalania pierwotnego 10 staje się bardziej bogata w paliwo i wprowadza dodatkowe wspomaganie tlenem, co pozwala na osiągnięcie zupełnego spalania paliwa w strefie spalania 9. Tlen zawarty w powietrzu podawanym do komory spalania przez palnik 3, połączony z tlenem podawanym przez dyszę 7, jest przynajmniej wystarczający do umożliwienia zupełnego spalania i zwykle obejmuje 10, do 15% objętościowo nadmiaru tlenu koniecznego do zupełnego spalenia paliwa.

Korzystnie, powietrze drugie i trzecie podawane jest do palnika 3 po to aby spowodować zawirowanie przepływu linearnego, skutkiem czego wytwarzana jest strefa recyrkulacji występująca w pobliżu palnika, poprawiająca warunki powstawania mieszaniny paliwa i powietrza. Wir może być wytwarzany znanymi sposobami, takimi jak zastosowanie deflektorów 13 i 14 zamontowanych w kanałach pierścieniowych dla powietrza drugiego i trzeciego w palniku, które kierują przepływ strumieni wzdłuż linii wiru. Korzystnie, można wykorzystać tu wir wysokiego stopnia, a najlepiej określoną liczbę wirów, to znaczy od 0,6 do 2,0.

Korzystnie, ogólna ilość powietrza podawanego przez palnik 3, to znaczy suma powietrza pierwszego, drugiego i trzeciego, wynosi między 60% i 100% ilości stechiometrycznej, wymaganej do zupełnego spalenia. Najkorzystniej jest, gdy ogólna ilość powietrza podawanego przez palnik 3 stanowi 70 do 85% ilości stechiometrycznej, wymaganej do zupełnego spalenia.

Gdy tlen jest wymieszany wstępnie lub wymieszany z dużą szybkością w strumieniu nośnym, przy wykorzystaniu 20% ilości stechiometrycznej powietrza i całościowa proporcja spalania stechiometrycznego wynosi 1,15, wyliczone zostały, podane poniżej przeciętne koncentracje tlenu w strumieniu nośnym powietrza i w całościowo potraktowanym powietrzu koniecznym do spalania.

% powietrza zastąpionego O2*	Koncentracja O2 w powietrzu nośnym (objętościowo)	Przec. koncentr. O2 w pow. do spal. (objętościowo)
0	21,0	21,0
5	24,9	21,7
10	28,5	22,5
15	31,7	23,4
20	34,7	24,3
25	37,4	25,4

(* na przykład 0,142 m³ powietrza z 0,003 m³ czystego O2 aby uzyskać tę samą ilość O2)

PL 196 858 B1

Ilość tlenu dostarczanego do palników powinna być wystarczająca do uzyskania proporcji stechiometrycznej w strefie płomienia bogatej w paliwo, która kształtuje się poniżej 0,85. Ilość tlenu podawana przez kanał 5 powinna być mniejsza niż 25% ilości stechiometrycznej koniecznej do zupełnego spalenia paliwa. Bardziej korzystne byłoby rozwiązanie, w którym ilość ta odpowiada 15% ilości stechiometrycznej koniecznej do zupełnego spalenia paliwa.

Jednocześnie, istnieje potrzeba zmniejszenia ilości powietrza drugiego i trzeciego podawanego przez palnik 3 do komory urządzenia do spalania, do ilości tlenu odpowiadającej tej, która jest podawana przez kanał 5. Mówiąc bardziej dokładnie, ilość powietrza drugiego i trzeciego oraz czwartego, jeśli jest ono stosowane, poza tym ilość powietrza podawanego przez palnik 3, powinna być zredukowana przy ilości obejmującej 10% ilości tlenu podawanego do paliwa przez kanał 5.

Emisja NOx zależy silnie od lokalnych warunków stechiometrycznych. Gdy wdmuchiwanie tlenu wytwarza lokalnie warunki stechiometryczne na niższym poziomie, najpierw należy rozważyć zmianę lokalnych warunków stechiometrycznych po wdmuchiwaniu tlenu. Na przykład, wdmuchiwanie tlenu, odpowiadające 10% ilości stechiometrycznej powietrza, do lokalnie bogatej strefy przy zależności stechiometrycznej wynoszącej 0,4, bez zmiany ilości powietrza doprowadzanego do spalania, zmieniłoby lokalne warunki stechiometryczne do wysokości 0,5, i można byłoby się spodziewać znacznego obniżenia emisji NOx. Taki efekt jest znacznie większy, niż ten uzyskiwany przez „zastąpienie 10% powietrza tlenem”, dopóki lokalne warunki stechiometryczne utrzymywane są na stałym poziomie w granicach 0,4, jeśli ilość tlenu wdmuchiwanego do strefy płomienia jest taka sama, bez zmiany iloś ci wdmuchiwanego powietrza, lokalne warunki stechiometryczne utrzymywane są na poziomie 0,95, a emisja NOx rośnie ostro jeśli lokalne warunki stechiometryczne wzrosną do poziomu 1,05.

Zgodnie z wynalazkiem, celem postępowania jest utrzymanie strefy płomienia o wysokiej temperaturze, poprzez pierwsze koncentrowanie strumienia węgla, który obniża zależność stechiometryczną i następnie zasilanie tlenem skoncentrowanego strumienia węgla w zlokalizowanym obszarze przy wylocie palnika. Pozwala to na uzyskanie wystarczająco wysokiej koncentracji tlenu, który kontaktuje się z paliwem węglowym i może podtrzymać proporcje stechiometryczne na poziomie lub poniżej wartości pierwotnej dla powietrza zależnej od stopnia osiąganej koncentracji węgla.

Połączenie lokalnie wysokich koncentracji tlenu z niskimi proporcjami stechiometrycznymi tworzy idealne warunki do powstrzymania tworzenia się NOx. Zastosowanie tlenu w skoncentrowanych strumieniach węgla może prowadzić do osiągnięcia tych warunków poprzez wyłączenie składników obojętnych z procesu spalania węgla, który pozwala na osiągnięcie wyższych temperatur i wpływa całościowo na obniżenie emisji NOx w procesie spalania i obniżenie zawartości niespalonego węgla w popiołach. A zatem, przy podawaniu tlenu zgodnie z wyż ej opisanym procesem, wymagana jest mniejsza ilość tlenu, konieczna do osiągnięcia korzystnych warunków spalania, tak, że ekonomika stosowania tlenu znacznie poprawia się. Na przykład, gdy strumień wprowadzanego węgla zawierający 20% stechiometrycznej ilości powietrza, jako powietrza nośnego jest strumieniem skoncentrowanym, i skoncentrowany strumień węgla zawiera teraz 10% stechiometrycznej ilości powietrza, wyliczono podane poniżej koncentracje tlenu w strumieniu powietrza nośnego i w potraktowanej całościowo ilości powietrza, koniecznego do spalania, zakładając, że tlen jest wymieszany wstępnie lub natychmiast po skontaktowaniu ze strumieniem skoncentrowanego węgla i że proporcja stechiometryczna, traktowana całościowo wynosi 1,15.

% powietrza zastąpionego O2*	Koncentracja O2 w powietrzu nośnym (objętościowo)	Przec. koncentr. O2 w pow. do spal. (objętościowo)
0	21,0	21,0
5	28,5	21,7
10	34,7	22,5
15	39,9	23,4
20	44,4	24,3
25	48,2	25,4

Powyższy przykład pokazuje, że ilość tlenu wymagana do osiągnięcia tej samej koncentracji tlenu w powietrzu nośnym, jest o połowę mniejsza przy użyciu koncentratora.

PL 196 858 B1

Wdmuchiwanie lub mieszanie tlenu z powietrzem trzecim i czwartym, jeśli jest stosowane, nie powinno mieć miejsca w aerodynamicznie stopniowanym palniku bez powietrza doprowadzanego ponad płomień. Teoretycznie, optymalizacja lokalnych warunków stechiometrii spalania może być przeprowadzona przy wykorzystaniu powietrza z każdą zawartością utleniaczy. Jednak tlen jest bardziej efektywny, ponieważ tylko mała objętość tego gazu jest wymagana dla zmiany lokalnych warunków stechiometrii spalania bez znacznego wpływu na ogólne warunki aerodynamiczne płonącej mieszaniny.

Palnik 3 zawiera konstrukcję 18, poprzez którą przepuszczany ;jest podawany strumień węgla i powietrza. Przy wylocie tej konstrukcji uzyskuje się jeden lub kilka strumieni, w których stosunek ilości paliwa stałego do powietrza jest wyższy niż taki stosunek w strumieniu podawanym. Stosuje się tu znane konstrukcje koncentratorów używanych do uzyskiwania takiego celu, działające głównie na zasadzie bezwładności, w których wykorzystuje się różnicę ciężaru między cząstkami węgla i gazem nośnym. Przy separacji obydwu mediów, cząstki węgla będą dążyły do przepływu wzdłuż linii prostej i bę dą podlegały głównie oddziaływaniu gazu o dużej prędkości, przepływającego w kanale. Gaz ten może być bardzo łatwo wprowadzany w celu zmiany kierunku i prędkości niż węgiel, co pozwala na łatwą i wystarczającą dla procesu separację.

Iniektory służące do wprowadzania węgla do palników generalnie mają trzy podstawowe kształty: centralny kanał osiowy (to znaczy rurę), kanał pierścieniowy (przykładowo przestrzeń między dwiema współśrodkowymi rurami) i powierzchnię lub prostokątny przekrój poprzeczny (przykładowo stycznie usytuowane iniektory kotłowe). Mogą one być sklasyfikowane w jednej z dwóch kategorii przedstawionych powyżej, ale mogą mieć również inną konfigurację geometryczną, różną od cylindrycznych iniektorów węgla. Węgiel wypływający z każdej konstrukcji palników może być koncentrowany w kierunku promieniowym (to znaczy w kierunku do krawędzi zewnętrznej) lub w kierunku obwodowym (to znaczy kolejne obszary o wysokiej i niskiej gęstości rozproszone wokół powierzchni przekroju poprzecznego otworu), lub połączenie obydwu możliwości. Główne urządzenia do koncentracji węgla to zwężki Venturiego, które przyspieszają mieszaninę a następnie opóźniają przepływ gazu, posiadają usytuowane stycznie otwory wlotowe, wytwarzające przepływ wirowy, łopatki zawirowywujące i płyty rozdzielające przepływ kolejno łączące i rozdzielające kanały, które zbierają cząstki i razem je wypychają. Fig. 3 do 6 pokazują kilka typowych przykładów takich urządzeń w przekroju wzdłużnym, poprowadzonym wzdłuż skoncentrowanych strumieni węgla, które one wytwarzają.

Figura 3 przedstawia koncentrator węgla 30, który wykorzystuje zwężkę Venturiego 31 służącą do uzyskiwania strumieni węglowo-powietrznych o większym i mniejszym stosunku ilości węgla do powietrza niż wynosi ten stosunek w strumieniu 32 wprowadzanym do palnika. Przejście strumienia zasilającego przez zwężoną gardziel pierścieniową zwężki Venturiego 31 tworzy bardziej skoncentrowany strumień węgla w obszarze 33, w pobliżu wewnętrznej powierzchni elementu 30 i mniej skoncentrowany strumień węgla płynący przez obszar środkowy 34.

Figura 4 przedstawia koncentrator węgla 40 posiadający łopatki 41, które wprowadzają energię wiru do wpływającego strumienia zasilającego 42. Energia wiru powoduje, że większa ilość cząstek węgla przemieszcza się w kierunku obszaru położonego promieniowo na zewnątrz strumienia, dzięki czemu w tym obszarze strumień węgla jest bardziej skoncentrowany. Łopatki 44 ograniczają przepływ, gdy wypływa on z tego elementu.

Figura 5 ukazuje koncentrator węgla 50, w którym strumień zasilający 51 węgla i powietrze jest podawane stycznie do osi elementu 50. Następnie strumień jest kierowany do kanału wykonanego w elemencie, z obwodowym nadaniem energii strumieniowi zasilają cemu, powoduj ą cej, ż e wię ksza ilość cząstek paliwa przepływa w obszarze położonym bliżej powierzchni wewnętrznej, elementu. Daje to bardziej skoncentrowany strumień cząstek paliwa stałego, niż strumień 52 otaczający mniej skoncentrowany strumień 53.

Figura 6 przedstawia koncentrator węgla 60 wyposażony w łopatki, które określają kolejno zbieżny i rozbieżny kształt kanałów przepływu strumienia zasilającego. Przykładowo łopatki 61 i 62 zbiegają się w kierunku do siebie, podczas gdy łopatki 62 i 63 rozbiegają się wzajemnie. Bardziej skoncentrowany strumień węgla w powietrzu jest uzyskiwany w kanałach istniejących między zbiegającymi się parami łopatek, a mniej skoncentrowany strumień jest wytwarzany w kanałach utworzonych między rozbiegającymi się parami łopatek. Taki typ koncentratora wytwarza strumienie, w których koncentracja cząstek paliwa stałego w powietrzu, wokół obwodu elementu jest zróżnicowana, natomiast elementy przestawione na fig. 3-5 wytwarzają strumienie, w których koncentracja jest zróżnicowana wzdłuż promienia elementu.

PL 196 858 B1

W przypadku gładkich rur, przez które przepływają cząstki węgla i powietrze, koncentracja w ęgla następuje zwykle przy wewnętrznej krawędzi ściany rury, lub rzadziej w okolicach środka rury. Jest to spowodowane tym, że bardziej skoncentrowany strumień węgla jest zwykle tak sytuowany, że może oddziaływać z ostro zakończonym elementem stabilizatorów płomienia. W warunkach, gdy bardziej skoncentrowany strumień węgla jest uzyskiwany przy wewnętrznej powierzchni rury, przy czym najlepszym rozwiązaniem byłby pierścieniowy przepływ tlenu, otaczający rurę przez którą przepływają cząstki węgla. Strumień ten powinien być wdmuchiwany w kierunku, wzdłuż osi przepływu strumienia cząstek węgla lub pod kątem do tego strumienia. Taka konfiguracja jest przedstawiona na fig. 7, zgodnie z którą, strumień 71 jest podawany stycznie do elementu 70 i wypływa jako strumień 72, przedstawiony za pomocą ciemnych strzałek, przy czym strumień ten posiada koncentrację węgla większą niż strumień zasilający 71, i strumień 73, przedstawiony za pomocą jasnych strzałek, przy czym strumień ten posiada koncentrację węgla mniejszą niż strumień zasilający 71. Strumień tlenu 74 jest podany do kanału pierścieniowego 75, z którego wypływający tlen kontaktuje się ze skoncentrowanym strumieniem 72 mieszaniny węgiel-powietrze. W palniku, przy jego wierzchołku, mogą być zastosowane deflektory lub łopatki służące do zwalniania przepływu wirowego, ale strumień węglowy zwykle wypływa na zewnątrz z zawirowaniem. Energia wiru charakterystyczna dla stycznego wdmuchiwania strumienia węglowego powoduje również to, że strumień powietrza porusza się promieniowo na zewnątrz, chociaż wolniej niż strumień węglowy, dzięki czemu stosunek udziału węgla do powietrza może nie być tak wysoki, jak w innych sposobach spalania.

Figura 8 przedstawia sposób według przedmiotowego wynalazku, stosowany w praktyce, z wykorzystaniem elementu opartego na koncentratorze węgla, wykorzystującym zwężkę Venturiego 81 zainstalowaną w rurze 80. Przepływ strumienia zasilającego przez zwężkę Venturiego 81 powoduje, że cząstki węgla koncentrują się w pobliżu środka rury 80 i opuszczają przepływający strumień bliżej wewnętrznej powierzchni, stosunkowo wąskim strumieniem. W tej sytuacji, lanca tlenowa 84 zainstalowana poniżej środka rury, wyposażona w iniekcyjne otwory 86, osiowe lub lekko odchylone od osi, będzie powodowała mieszanie tlenu z najbardziej skoncentrowanym strumieniem węgla. Zależnie od pozycji zwężkę Venturiego 81, może być konieczne wprowadzenie koncentrycznie usytuowanych deflektorów, zabezpieczających skoncentrowany strumień przed ponownym wymieszaniem z ubogim w węgiel strumieniem paliwa, przed tym, zanim wypłynie on z części wierzchołkowej palnika.

W obydwu przypadkach opisanych powyż ej, deflektory lub ł opatki zawirowywują ce mogą być zainstalowane w rurze, aby wywołać przepływ warstwowy strumienia węglowego i podzielić go na odpowiednie segmenty o dużej i małej gęstości wokół obwodu rury. Podobnie, można byłoby zastosować w tych przypadkach dwa iniektory, przy czym zakończenia iniektorów nie mogłyby być czopowane a otwory byłyby wywiercone w różnych punktach usytuowanych wzdłuż obwodu, tak, że punkt iniekcji mógłby odpowiadać lokalizacji strumienia o dużej gęstości.

Jak to pokazano na fig. 9, koncentrator węgla, typu przestawionego na fig. 6 może być przystosowany do rozwiązania według przedmiotowego wynalazku, poprzez wykorzystanie osiowej lancy tlenowej 91 posiadającej zamknięte zakończenie i otworki 92 wykonane w dnie lancy, w ilości odpowiedniej do ilości strumieni, w których stosunek cząstek stałych węgla do powietrza jest większy niż w strumieniu zasilającym. Każdy z otworków może być usytuowany promieniowo względem przepływających strumieni skoncentrowanego węgla, lub może być nachylony, lub odchylony od osi tego strumienia o odpowiedni kąt i tak zlokalizowany, że strumienie skoncentrowanego węgla wypływające z wą skiego otworu przecinają się mię dzy ł opatkami. W przypadkach, gdy gę sty strumień jest podzielony na segmenty rozmieszczone wzdłuż obwodu rury, i skierowane w kierunku promieniowo na zewnątrz, wtedy pierścienie tlenowe z otworami lub szczelinami zlokalizowane są tak, że przylegają do otworów, z których wypływa gęsty strumień węgla.

Ze względu na ich konstrukcję, kotły opalane stycznie nie są wyposażone w palniki o standardowej konstrukcji. W każdym narożu kotła znajduje się instalacja powietrzna i dysze wtryskujące paliwo węglowe lub powietrze do kotła, które to czynniki mieszają się wzajemnie w komorze spalania. Ze względu na to, że komora spalania nie ma kształtu cylindrycznego, większość iniektorów tego typu wyposażona jest w łopatki rozmieszczone w zbieżnych i rozbieżnych kanałach. Dzięki temu, że posiadają one taki sam minimalny przekrój poprzeczny, przy zakończeniu i na początku tych kanałów, przepływ powietrza jest dzielony dość równomiernie. Jednak kanał zbieżny działa jak lej i zbiera większą ilość cząstek węgla, po stronie wlotowej i powoduje ich koncentrację w pobliżu wylotu, co sprzyja procesowi koncentracji strumienia węgla. Przy takiej konstrukcji tlen mógłby być podawany poprzez

PL 196 858 B1 pierścień otaczający dyszę węglową (zwykle źródło powietrza wtórnego) lub poprzez wiele lanc zainstalowanych w kanale przepływu gęstego strumienia węgla w palniku.

Gdy tlen jest wdmuchiwany do gęstego strumienia węglowego, powinno nastąpić jego mieszanie z tym strumieniem, ale można przewidzieć taką sytuację, w której tlen spowoduje efekt odrzutu lub będzie stanowił przeszkodę w przepływie modelowym przy wypływie z dyszy. Mając to na uwadze, tlen powinien być wdmuchiwany z prędkością zbliżoną do prędkości wtryskiwania paliwa węglowego. Typowy zakres dla tej prędkości zamyka się w granicach 50 do 150% prędkości uzyskiwanej przez strumień paliwa węglowego, przy czym należy dążyć do zrównania tych prędkości. Gdy strumienie powietrza są rozszczepione, a iniektory tlenu zajmują część przestrzeni kanału węglowego, mogą wystąpić trudności z precyzyjnym określeniem prędkości cząstek węgla w gęstym strumieniu.

Dodatkowo do urządzeń bezwładnościowych, opisanych powyżej, można zastosować inne sposoby koncentracji strumienia węglowego zanim zostanie on zmieszany z tlenem. Urządzenia zewnętrzne, takie jak cyklony, mogą być zamontowane obok palnika, a dwa warstwowe strumienie wprowadzane są wtedy do palnika dwoma oddzielnymi kanałami. Tlen mógłby być wdmuchiwany gdzieś wewnątrz, wzdłuż, lub wokół kanału, przez który przepływa gęsty strumień paliwa węglowego. Zewnętrzne urządzenia separacyjne jako takie mogą być stosowane w wyjątkowych przypadkach, jeśli strumień ubogi w węgiel jest wprowadzany do komory spalania w pewnej odległości od strumienia o duż ej gę stoś ci wę gla.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób spalania węgla w skoncentrowanych strumieniach z redukcją NOx, w którym za pomocą nośnika gazowego wprowadza się do komory spalania rozpylone, stałe paliwo węglowodorowe, znamienny tym, że ze strumienia paliwa zasilającego tworzy się przynajmniej jeden strumień obejmujący paliwo i nośnik, przy czym stosunek ilości paliwa do nośnika w tym strumieniu jest większy niż w stosunek iloś ci paliwa do noś nika w strumieniu zasilają cym, a nastę pnie podaje się uzyskany strumień i powietrze z palnika (3) do komory spalania (1), wdmuchując tlen do tego strumienia przy lub w pobliż u palnika (3) i spala się paliwo wprowadzone w tym strumieniu w komorze spalania (1) wraz z powietrzem i tlenem w obszarze pł omienia posiadają cym strefę (8), bogatą w paliwo, w której to strefie, ilość tlenu jest mniejsza niż 25% ilości stechiometrycznej, wymaganej do zrealizowania spalania zupełnego dostarczonego paliwa i utrzymuje się tę strefę, podczas gdy redukuje się ilość powietrza podawanego przez palnik (3) przy ilości zawierającej wystarczającą ilość tlenu, tak że w całej strefie spalania zależność stechiometryczna zmienia się nie więcej, niż w granicach 10% w porównaniu do zależności stechiometrycznej uzyskiwanej bez dodawania tlenu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w strefie bogatej w paliwo zależność stechiometryczna wynosi od 0,6 do 1,0.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ze źródła (7) dodaje się powietrze, inne od tego, które podawane jest z palnika do obszaru (9) wewnątrz komory spalania (1), poza strefą (8), bogatą w paliwo i tworzy się pierwotną strefę spalania, przy czym powietrze podaje się w ilości zawierającej przynajmniej taką ilość tlenu, która jest wystarczająca do tego, żeby ogólna ilość tlenu podawanego do komory spalania (1) była równa przynajmniej ilości stechiometrycznej, koniecznej do zupełnego spalenia paliwa.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że w pierwotnej strefie spalania zależność stechiometryczna jest zawarta między 0,6 i 1,0.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako paliwo stosuje się węgiel.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że w strefie bogatej w paliwo zależność stechiometryczna wynosi od 0,6 do 1,0.
7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że ponadto ze źródła (7) dodaje się powietrze, inne od tego, które podawane jest z palnika do obszaru (9) wewnątrz komory spalania (1), poza strefą (8), bogatą w paliwo i tworzy się pierwotną strefę spalania, przy czym powietrze podaje się w ilości zawierającej przynajmniej taką ilość tlenu, która jest wystarczająca do tego, żeby ogólna ilość tlenu podawanego do komory spalania (1) była równa przynajmniej ilości stechiometrycznej, koniecznej do zupełnego spalenia paliwa.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że w pierwotnej strefie spalania zależność stechiometryczna jest zawarta między 0,6 i 1,0.

PL 196 858 B1
9. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jako nośnik paliwa stosuje się powietrze.
10. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że w strefie bogatej w paliwo zależność stechiometryczna wynosi od 0,6 do 1,0.
11. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że ponadto ze źródła (7) dodaje się powietrze, inne od tego, które podawane jest z palnika do obszaru (9) wewnątrz komory spalania (1), poza strefą (8), bogatą w paliwo i tworzy się pierwotną strefę spalania, przy czym powietrze podaje się w ilości zawierającej przynajmniej taką ilość tlenu, która jest wystarczająca do tego, żeby ogólna ilość tlenu podawanego do komory spalania (1) była równa przynajmniej ilości stechiometrycznej, koniecznej do zupełnego spalenia paliwa.
12. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że w pierwotnej strefie spalania zależność stechiometryczna jest zawarta między 0,6 i 1,0.