RO117982B1

RO117982B1 - Method and arrangement for burning gas in a furnace

Info

Publication number: RO117982B1
Application number: RO98-01746A
Authority: RO
Inventors: Markku Raiko; Tommy Jacobson; Kari Jaaskelainen
Original assignee: Imatran Voima Oy
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2002-11-29
Also published as: EE9800442A; HUP0101129A2; AU3264397A; FI100355B; CN1228830A; LV12242B; WO1998000675A1; HUP0101129A3; PL330818A1; FI962669A0; CZ430998A3; EP0907870A1; LV12242A; SK177498A3

Abstract

The invention relates to a method and an arrangement for burning fuel gas in a furnace (2), especially for burning gases of low heating value in a steam boiler (1) mainly supplied with a main fuel. The invention is based on supplying the gas produced in a gasifier (5) or other combustible gases to a lower part (10) of the furnace (2), under air-deficient conditions, the gas being burnt in the upper part of the furnace, at a desired combustion air-supply level or at multiple levels.

Description

Invenția se referă la o metodă pentru arderea gazului combustibil într-un focar, în mod special pentru arderea gazelor cu valoare calorifică scăzută, într-un boiler încălzit în principal cu un alt combustibil de bază.The invention relates to a method for burning combustible gas in a furnace, in particular for burning low calorific gases, in a boiler heated mainly with another basic fuel.

Invenția se mai referă și la un aranjament adecvat pentru implementarea numitei metode.The invention also relates to a suitable arrangement for implementing said method.

Invenția este în mod deosebit adecvată pentru arderea cu gaze produse prin gazeificare cu aer, a gazului de furnal și a altor gaze cu valoare calorifică scăzută. Această invenție este utilizată, de exemplu, în efectuarea unor modificări de combustibil la încălzirea unui cazan de abur (boiler) și poate fi utilizată, de asemenea, pentru arderea gazelor cu valoare calorifică ridicată, cum ar fi, gazul natural.The invention is particularly suitable for combustion with gases produced by air gasification, furnace gas and other gases of low calorific value. This invention is used, for example, in making fuel changes when heating a steam boiler (boiler) and can also be used for the burning of high calorific value gases, such as natural gas.

în mod convențional, produsul gazos obținut de la un gazeificator separat a fost alimentat în focar prin intermediul arzătoarelor. Dacă produsul gazos are o valoare calorifică scăzută, arzătoarele trebuie să fie concepute pentru o viteză axială scăzută, în scopul de a asigura o aprindere sigură, în care caz dimensiunile arzătorului devin foarte mari. în cazul arderii gazelor cu valoare calorifică scăzută, cum sunt gazele produse la gazeificarea cu aer, debitul volumetric al gazului de alimentare devine extrem de mare, ceea ce complică alimentarea cu combustibil la o viteză scăzută și conduce la dimensiuni și mai mari ale arzătoarelor. Mai mult decât atât, adaptarea de arzătoare mai mari într-un focar existent reprezintă o dificultate tehnică și suplimentar, reamenajarea unui cazan de abur având mai multe arzătoare reduce suprafața de schimb de căldură disponibilă într-o măsură substanțială. Dificultățile în ceea ce privește realizarea unui timp de staționare suficient la arderea produsului gazos și constrângerile datorate construcției pot produce, de asemenea, complicații în dispunerea unor arzătoare suplimentare. întrucât, produsul gazos cu valoare calorifică ridicată poate fi alimentat la viteze axiale mai mari, adaptarea de noi arzătoare într-un cazan de abur existent este totuși dificilă. întrucât, cazanele de abur sunt, în general, concepute pentru un combustibil și un debit de aer specific, arzătoarele adiționale pot provoca probleme de funcționare defectuoasă și disturbări ale debitului, deoarece, introducerea de noi debite în cazan modifică modelul de curgere în focar, modificând în acest fel procesul de combustie, modelul flăcării, compoziția gazelor de ardere și transferul de căldură de pe suprafețele interne ale cazanului.Conventionally, the gaseous product obtained from a separate gasifier was fed into the furnace through the burners. If the gaseous product has a low calorific value, the burners must be designed for a low axial velocity, in order to ensure a safe ignition, in which case the dimensions of the burner become very large. In the case of combustion of gases with low calorific value, such as gases produced by gasification of air, the volumetric flow of the gas supply becomes extremely high, which complicates the fuel supply at a low speed and leads to even larger dimensions of the burners. Moreover, the adaptation of larger burners to an existing furnace is a technical and additional difficulty, the refurbishment of a steam boiler having several burners reduces the available heat exchange surface to a substantial extent. Difficulties in achieving sufficient stand-by time for combustion of the gaseous product and constraints due to construction may also cause complications in the arrangement of additional burners. Since the high calorific value gas product can be fed at higher axial speeds, adapting new burners to an existing steam boiler is however difficult. whereas, steam boilers are generally designed for a specific fuel and air flow, additional burners can cause malfunctions and flow disturbances, because the introduction of new flow rates in the boiler changes the flow pattern in the furnace, changing In this way the combustion process, the flame pattern, the composition of the combustion gases and the heat transfer from the internal surfaces of the boiler.

Un obiectiv al prezentei invenții este de a asigura o metodă pentru arderea gazului cu valoare calorifică scăzută, în mod deosebit în cazane de abur existente, concepute pentru alt tip de combustibil principal, fără a fi necesare modificări majore ale construcției cazanului de abur.It is an object of the present invention to provide a method for combustion of low calorific value gas, especially in existing steam boilers, designed for another type of main fuel, without major changes to the construction of the steam boiler.

Scopul invenției este atins prin alimentarea produsului gazos de la un gazeificator, sau a unui alt gaz ce urmează a fi utilizat, în partea inferioară a cazanului de abur, în condiții de oxigen epuizat și apoi arderea gazului în partea superioară a cazanului (boilerului) la nivele dorite ale aerului de combustie alimentat sau la un număr sporit de nivele de alimentare cu aer de combustie.The object of the invention is achieved by supplying the gaseous product from a gasifier, or another gas to be used, in the lower part of the steam boiler, under exhausted oxygen conditions and then burning the gas in the upper part of the boiler (boiler) to desired levels of the combustion air supplied or an increased number of levels of combustion air supply.

în virtutea prezentei invenții, construcțiile existente de cazane de abur (boilere) pot utiliza, într-un mod foarte avantajos, gaze cu valoare calorifică destul de scăzută, cu modificări minore ale cazanului (boilerului). Suprafața de schimb de căldură a generatorului de abur nu trebuie redusă și cazanele de abur echipate cu recircularea gazului de combustie pot utiliza sistemul existent de recirculare pentru alimentarea gazului combustibil suplimentar, în partea inferioară a cazanului de abur. Invenția realizează o combustie stabilă și conduce, doar la modificări minore ale modelului interior de curgere a focarului. în urma aplicării acestei metode, radiația flăcării stabilizează aprinderea și arderea gazului combustibil suplimentar. Mai mult decât atât, noul aranjament de alimentare oferă o reamenajare simplă într-un cazan de abur existent, întrucât deschiderile de intrare ale gazului sunt mai ușor de adaptat în focar decât adaptarea unor arzătoare mai mari.According to the present invention, the existing constructions of steam boilers (boilers) can use, in a very advantageous way, gases with a very low calorific value, with minor modifications of the boiler (boiler). The heat exchange surface of the steam generator should not be reduced and the steam boilers equipped with the combustion gas recirculation can use the existing recirculation system to supply additional fuel gas, at the bottom of the steam boiler. The invention achieves a stable combustion and leads, only to minor modifications of the interior pattern of outbreak of the outbreak. Following the application of this method, the flame radiation stabilizes the ignition and combustion of the additional fuel gas. Moreover, the new supply arrangement offers a simple refurbishment of an existing steam boiler, as the gas inlet openings are easier to adapt to the furnace than the adaptation of larger burners.

RO 117982 Β1RO 117982 Β1

Noua metodă este mai flexibilă în raport cu tipul combustibilului și facilitează posibilități mai largi față de practica anterioară, pentru a reduce cantitatea de oxizi de azot în gazele de evacuare (gazele de coș), prin mijloace de reglare a arderii. întrucât, metoda realizează o operare drastică a arzătorului prin intermediul unei scheme de reglare corecte a aerului de alimentare, cazanul de abur poate funcționa în același mod cum este stabilit pentru arză- 55 toarele cu emisie scăzută de oxizi de azot (No_x).The new method is more flexible in relation to the type of fuel and facilitates wider possibilities than the previous practice, in order to reduce the amount of nitrogen oxides in the exhaust gases (flue gases), by means of combustion control. As the method performs a drastic operation of the burner through a correct supply air adjustment scheme, the steam boiler can operate in the same manner as established for low nitrogen oxide (No _x ) _burners .

Avantajele metodei sunt cel mai pronunțate atunci când arderea produsului gazos este conectată drept o alimentare suplimentară de combustibil într-un cazan de abur existent. în virtutea faptului că alimentarea produsului gazos se face prin intermediul unor racorduri adaptate la partea inferioară a focarului sau prin intermediul unor deschideri reali- 60 zate la un sistem posibil de recirculare a gazului de combustie, în locul folosirii de arzătoare, modificările necesare privind suprafețele de schimb de căldură rămân esențial mai mici decât atunci când se echipează cazanul de abur pentru arderea produsului gazos prin intermediul arzătoarelor. Mai mult decât atât, în cazul în care un cazan de abur nou este conceput în mod special, pentru utilizarea de combustibil mixt, pot fi realizate condiții deosebit 65 de avantajoase, în funcție de compoziția produsului gazos, privind efectul de re-combustie, care reduce emisiile de oxizi de azot (No_x). Aici, radicalii de hidrocarburi formați din combustibil reduc monoxidul de azot la azot molecular, reducând în acest fel emisiile totale de oxizi de azot (No_x).The advantages of the method are most pronounced when the combustion of the gaseous product is connected as an additional fuel supply to an existing steam boiler. by virtue of the fact that the gas product is supplied by means of fittings adapted to the lower part of the furnace or through openings made to a possible combustion gas recirculation system, instead of the use of burners, the necessary modifications regarding the surfaces of the furnace heat exchange remains essentially smaller than when equipped with the steam boiler for combustion of the gaseous product through the burners. Moreover, if a new steam boiler is specially designed for the use of mixed fuel, particularly advantageous conditions can be achieved, depending on the composition of the gaseous product, regarding the re-combustion effect, which reduces nitrogen oxide emissions (No _x ). Here, the hydrocarbon radicals formed from the fuel reduce nitrogen monoxide to molecular nitrogen, thereby reducing the total emissions of nitrogen oxides (No _x ).

Metoda, în conformitate cu prezenta invenție, poate fi aplicată arderii tuturor tipurilor 70 de combustibili gazoși. Totuși, avantajele metodei referitoare la construcția cazanului de abur sunt cel mai bine utilizate în arderea gazelor cu valoare calorifică scăzută, cum este gazul de gazeificare, produs prin gazeificarea cu aer, gazul de furnal și gaze reziduale. Cu toate acestea, produsul gazos poate fi ars drept combustibil principal.The method, according to the present invention, can be applied to the burning of all types of gaseous fuels 70. However, the advantages of the method regarding the construction of the steam boiler are best used in the burning of low calorific value gases, such as gasification gas, produced by gasification with air, gas of furnace and waste gases. However, the gaseous product can be burned as the main fuel.

în cele ce urmează, invenția este prezentată mai detaliat, făcându-se referire la 75 figură, în care este ilustrat, în mod schematic, modul de realizare a invenției.In the following, the invention is presented in more detail, with reference to 75 figures, which illustrates schematically the embodiment of the invention.

Referindu-ne la desen, produsul gazos este alimentat într-o zonă cu deficit de aer (zonă reducătoare) în partea inferioară 10 a unui focar 2, asigurând în acest fel un timp de staționare suficient și evitând explozii în focar. întrucât în această zonă nu este alimentat nici un aer de combustie, gazul este aprins și ars doar în fluxul de aer de combustie, care este 80 alimentat în zonele superioare ale focarului. Aerul poate fi alimentat în cazanul de abur 1 prin intermediul unor arzătoare 8, care alimentează alți combustibili și/sau prin intermediul unor racorduri separate de alimentare cu aer 9. Locul geometric al combustiei și, prin aceasta, distribuția transferului de căldură în interiorul unui circuit de generare a aburului a cazanului poate fi în mod efectiv reglat prin intermediul distribuției pe verticală a aerului alimentat, 85 ceea ce determină locul diferitelor zone ale procesului de ardere din focarul 2. Distribuția aerului de alimentare oferă, de asemenea, mijloace eficiente privind reglarea formării lanțului de oxizi de azot în focarul 2, întrucât o schemă stabilită în mod corect de alimentare a aerului poate conduce la o reducere esențială a emisiilor nocive.Referring to the drawing, the gaseous product is fed into an air deficit zone (reducing zone) at the bottom 10 of an outbreak 2, thus ensuring sufficient dwell time and avoiding outbursts in the outbreak. As no combustion air is supplied in this area, the gas is ignited and burned only in the combustion air stream, which is 80 supplied to the upper areas of the outbreak. The air can be supplied to the steam boiler 1 by means of burners 8, which supply other fuels and / or through separate air supply connections 9. The geometrical location of the combustion and, thus, the distribution of heat transfer within a circuit the steam generation of the boiler can be effectively regulated by the vertical distribution of the supplied air, 85 which determines the location of the different areas of the combustion process in the furnace 2. The distribution of the supply air also offers efficient means for regulating the formation. of the nitrogen oxide chain in furnace 2, as a properly established air supply scheme can lead to a substantial reduction in harmful emissions.

Cazanul de abur 1 ilustrat în schemă este un cazan conceput, în mod convențional, 90 de exemplu, pentru arderea cărbunelui sau turbei. Arzătoarele 8 utilizate pentru alimentarea combustibilului solid sunt dispuse în șiruri pe peretele focarului 2, în care caz aerul de combustie necesar arzătoarelor este alimentat în focar prin intermediul unor racorduri de alimentare adaptate la arzătoarele 8 și, atunci când este necesar, și prin intermediul unor racorduri auxiliare de alimentare cu aer, situate în vecinătatea acestora. Suplimentar față de racor- 95 durile de alimentare cu aer de la arzătoare, cazanul de abur 1 este echipat cu cel puțin un racord de alimentare cu aer auxiliar 9 la partea superioară pentru alimentarea cu aer a părții superioare a focarului 2. în mod convențional, partea superioară a cazanului de abur 1The steam boiler 1 illustrated in the diagram is a boiler conventionally designed, for example, for burning coal or peat 90. The burners 8 used to feed solid fuel are arranged in rows on the wall of the furnace 2, in which case the combustion air required for the burners is fed into the furnace by means of supply connections adapted to the burners 8 and, when necessary, and through connections. auxiliary air supply, located in their vicinity. In addition to the air supply connections of the burners, the steam boiler 1 is equipped with at least one auxiliary air supply connection 9 at the top for air supply of the upper part of the furnace 2. conventionally, the upper part of the steam boiler 1

RO 117982 Β1 include supraîncălzitoare pentru încălzirea la temperaturi ridicate a aburului, care părăsește generatorul de abur, aranjate astfel încât să înconjoare focarul 2 și o conexiune de ieșire a tubulaturii de gaz către un coș de fum.EN 117982 Β1 includes superheaters for heating at high temperatures of the steam leaving the steam generator, arranged so as to surround the furnace 2 and an outlet connection of the gas pipe to a chimney.

Produsul gazos este preluat către partea inferioară 10 a focarului 2, dedesubtul arzătoarelor 8, într-o zonă în care nu este alimentat aer, creând în acest fel aici condiții puternic reducătoare. Gazul este produs într-un gazeificator 5, care poate fi un gazeificator cu aer, un furnal sau orice altă unitate în care se produce sau se formează gaz combustibil. Invenția face posibilă utilizarea gazelor cu o valoare calorifică extrem de scăzută, valorificând în acest fel valoarea lor calorifică și realizând în mod simultan o reducere eficientă și fără costuri a emisiilor nocive pe care o realizează procesul avansat de combustie a unor cazane mari de abur, cu un echipament de purificare a gazelor arse dirijate către coșul de fum conectat la acestea și efectuează totodată o combustie (purificare) a gazului produs în gazeificator.The gaseous product is taken to the bottom 10 of the furnace 2, below the burners 8, in an area where there is no air supply, thus creating strongly reducing conditions here. The gas is produced in a gasifier 5, which may be an air gasifier, a furnace or any other unit in which combustible gas is produced or formed. The invention makes it possible to use extremely low calorific value gases, thus enhancing their calorific value and simultaneously achieving a cost-efficient and cost-effective reduction of harmful emissions from the advanced combustion process of large steam boilers, with a flue gas purification equipment directed to the chimney connected to them and also performs a combustion (purification) of the gas produced in the gasifier.

Din gazeificator, gazul ce urmează a fi ars este preluat prin intermediul unui canal de diametru mare 6 către niște racorduri 7 situate în partea inferioară 10 a focarului, de unde gazul poate curge în partea de sus a focarului. Cu toate că gazul nu se aprinde în partea inferioară a focarului cu aer deficitar, el este încălzit și aprins cu ușurință în zonele superioare, sub acțiunea radiației flăcării focarului 2 (respectiv, radiația termică a racordurilor de aer ale arzătoarelor 8). Procesul de combustie din focar are loc, în continuare, datorită alimentării restului de aer necesar combustiei către partea superioară a focarului prin intermediul racordurilor auxiliare de aer 9.From the gasifier, the gas to be burned is taken through a large diameter channel 6 to some connections 7 located at the bottom 10 of the furnace, from where the gas can flow to the top of the furnace. Although the gas does not ignite in the lower part of the furnace with deficient air, it is heated and easily ignited in the upper areas, under the action of the flame radiation of the furnace 2 (respectively, the thermal radiation of the air connections of the burners 8). The combustion process from the furnace continues to occur due to the supply of the remaining air required for combustion to the upper part of the furnace through the auxiliary air connections 9.

Suplimentar față, de exemplul, descris mai sus, pot fi descrise și alte moduri alternative de realizare a prezentei invenții.In addition to the example described above, other alternative embodiments of the present invention may be described.

Metoda este, de asemenea, aplicabilă cazanelor de abur adaptate numai pentru arderea produsului gazos, în care caz nu sunt neapărat necesare arzătoare separate, dar, în schimb, arzătoarele pot fi înlocuite doar cu racorduri de alimentare doar cu aer. Totuși, în acest caz putea fi recomandabil a asigura aprinderea gazului și arderea acestuia cu ajutorul, de exemplu, a unui arzător cu gaz natural sau cu combustibil lichid.The method is also applicable to steam boilers adapted only for the combustion of the gaseous product, in which case separate burners are not necessarily required, but instead, the burners can only be replaced with air supply only connections. However, in this case it may be advisable to ensure the ignition of the gas and its combustion with the help of, for example, a burner with natural gas or liquid fuel.

De asemenea, poate fi utilizat un singur cazan de abur pentru arderea gazelor produse de mai multe gazeificatoare separate, ceea ce ar putea constitui o utilizare avantajoasă privind gazeificarea unor reziduuri și transformarea lor în combustibil.Also, a single steam boiler can be used to burn the gases produced by several separate gasifiers, which could be an advantageous use for gasification of residues and their conversion into fuel.

Claims

1. Method of combustion of gas in a furnace, characterized in that the gas is burned in a steam boiler equipped with at least one burner (8) for combustion of a fuel other than the gas to be burned, located above a supply areas (10), the gas to be burned is fed into a reduction zone at the bottom of the furnace (2) and the combustion air is supplied to the furnace (2) in at least one area above the supply area (10) of the gas to be burned, one part of the combustion air being supplied to the furnace (2), by means of air connections to the burners (8), and the other part being supplied by at least one gas connection. air supply (9), fitted above the burners.

A method according to claim 1, characterized in that a portion of the combustion air is fed into the furnace (2) at a first adapted level above the gas supply point, and the auxiliary air is fed into the furnace at at least an adapted level. above the first gas supply point.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas to be burned is fed into the furnace (2) by means of a combustion gas recirculation system.

RO 117982 Β1

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas to be burned is produced by gasification with air, furnace gas, residual gas or another gas of low calorific value. - 150

5. Arrangement for combustion of gas in a furnace, characterized in that some openings (7) adapted to the reducing zone at the bottom (10) of the furnace (2) are openings through which the gas is fed into the furnace and at least one connection of combustion air supply in the furnace is located in at least one area above the supply area (10) of the gas to be burned, the furnace (2) has at least one burner (8) for 155 combustion of other fuel, than the gas to be burned, located above the openings (7), the burner (8) having air connections through which part of the combustion air can be fed into the furnace and there is at least one air connection (9) above the burner ( 8) to supply auxiliary air to the furnace.

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that it has 160 air connections through which part of the combustion air can be supplied to the furnace at the first level adapted above the fuel gas supply point and at least one auxiliary air connection ( 9) is located above the first auxiliary air supply point at least one level in the outbreak.

Arrangement according to any one of claims 5 and 6, characterized in that the gas to be burned is fed into the furnace by means of the flue gas recirculation system directed to the chimney.

8. Arrangement according to any one of claims 5 to 7, characterized in that it further comprises an apparatus (5) for generating combustible gas and at least one connection (6) for supplying combustible gas to the furnace (2), for combustion. in 170 its interior.