RU2029193C1

RU2029193C1 - Combustion method

Info

Publication number: RU2029193C1
Authority: RU
Inventors: А.Н. Ядыкин; А.Н. Кайданик; Э.П. Волчков
Original assignee: Институт теплофизики СО РАН
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: power units. SUBSTANCE: pulverized fuel is admitted to upper region of centrifugal fluid bed and tangentially fed to oxidizer bed; oxidizer tangential speed is maintained above theoretically equilibrium speed and oxidizer-to-fuel consumption ratio is maintained above 0.4; before admitting fuel to bed it is swirled unidirectionally with bed rotation; time of fuel maintenance in bed is adjusted by varying fluid flow. EFFECT: facilitated procedure. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано, например, в энерготехнологических агрегатах. The invention relates to energy and can be used, for example, in energy technology units.

Известен способ сжигания топлива с использованием центробежных и аэродинамических сил путем организации рядом и соосно расположенных тороидальных вихрей топливовоздушной смеси, для чего по оси тороидальных вихрей подают встречно сталкивающиеся потоки воздуха, которые предварительно закручивают [1]. A known method of burning fuel using centrifugal and aerodynamic forces by organizing nearby and coaxially located toroidal vortices of the air-fuel mixture, for which counter-flowing air flows are supplied along the axis of the toroidal vortices, which are pre-twisted [1].

Известен способ сжигания топлива с использованием центробежных, аэродинамических сил и сил гравитации [2], в котором топливо подают в камеру и равномерно распределяют в кипящем слое. Вторичный воздух вводят в газовое пространство топки вблизи ее стенки в тангенциальном направлении. Благодаря этому из постоянно подпитывающегося кольцевого завихренного потока воздуха мелкие частицы сжигаемого материала центробежной силой отбрасываются к стенке топочной камеры, а затем они вновь поступают в кипящий слой. Этим увеличивается время пребывания частиц в зоне реакции и повышается полнота их сжигания. A known method of burning fuel using centrifugal, aerodynamic and gravity forces [2], in which the fuel is fed into the chamber and evenly distributed in a fluidized bed. Secondary air is introduced into the gas space of the furnace near its wall in a tangential direction. Due to this, from the constantly fed annular swirling air stream, small particles of combusted material are centrifugally forced to the wall of the combustion chamber, and then they again enter the fluidized bed. This increases the residence time of particles in the reaction zone and increases the completeness of their combustion.

Недостатком известных способов сжигания является то, что относительная скорость обтекания частиц топлива окислителем не превышает скорости их витания в среде окислителя и не регулируется время пребывания частиц в зоне реакции, что и не обеспечивает интенсификацию процесса сжигания частиц топлива. A disadvantage of the known combustion methods is that the relative velocity of the flow of oxidizing particles around the fuel particles does not exceed the speed of their flow in the oxidizing medium and the residence time of the particles in the reaction zone is not regulated, which does not provide an intensification of the combustion process of the fuel particles.

Наиболее близким техническим решением является способ сжигания в кипящем центробежном слое, где в зону реакции тангенциально подают газ-окислитель, создают вращающийся газовый поток, в который через тангенциальные сопла вводят частицы топлива, которые вовлекаются во вращательное движение и образуют под действием центробежных и аэродинамических сил слой топлива, продуваемый окислителем [3]. The closest technical solution is the method of combustion in a fluidized centrifugal layer, where an oxidizing gas is tangentially fed into the reaction zone, a rotating gas stream is created into which fuel particles are introduced through tangential nozzles, which are involved in rotational motion and form a layer under the action of centrifugal and aerodynamic forces fuel blown by the oxidizing agent [3].

Однако известный способ не обеспечивает интенсификацию и необходимую полноту процесса сжигания топлива. However, the known method does not provide the intensification and the necessary completeness of the process of burning fuel.

Это объясняется тем, что в известном способе не создаются условия для образования концентрированного центробежного псевдоожиженного слоя частиц топлива, следовательно, и нет однородности их обтекания с большими скоростями, кроме того, частицы топлива неравномерно проходят объем реакционной зоны и не регулируется время их пребывания в слое. This is because in the known method there are no conditions for the formation of a concentrated centrifugal fluidized bed of fuel particles, therefore, there is no uniformity of their flow around at high speeds, in addition, the fuel particles unevenly pass through the volume of the reaction zone and the time of their stay in the bed is not regulated.

Целью изобретения является интенсификация процесса сжигания топлива путем увеличения скорости обтекания частиц топлива окислителем и регулирования времени пребывания частиц топлива в зоне реакции. The aim of the invention is to intensify the process of burning fuel by increasing the speed of flow around the fuel particles with an oxidizing agent and controlling the residence time of the fuel particles in the reaction zone.

Цель достигается тем, что в способе сжигания, заключающемся в подаче измельченного топлива в верхнюю зону кипящего центробежного слоя и тангенциальной подаче в слой окислителя, тангенциальную скорость окислителя поддерживают выше теоретически равновесной скорости, а соотношение расходов окислителя и топлива поддерживают выше 0,4, перед подачей в слой топливо закручивают в направлении, совпадающем с направлением вращения слоя, при этом время пребывания топлива в слое регулируют изменением расхода топлива. The goal is achieved by the fact that in the combustion method, which consists in feeding the crushed fuel to the upper zone of the fluidized centrifugal layer and tangentially feeding the oxidizing layer, the tangential speed of the oxidizing agent is maintained above the theoretically equilibrium speed, and the ratio of the oxidizer to fuel consumption is maintained above 0.4, before feeding the fuel is twisted into the layer in the direction coinciding with the direction of rotation of the layer, while the residence time of the fuel in the layer is controlled by a change in fuel consumption.

Проведенные эксперименты показали, что в ограниченных вихревых потоках можно получить два устойчивых типа течений, в которых частицы формируют в зависимости от параметров потоков слой разной концентрации: кипящий с порозностью ≈ 0,85 и псевдоожиженный с порозностью ≈ 0,5. The experiments showed that in limited vortex flows two stable types of flows can be obtained in which particles form a layer of different concentration depending on the flow parameters: boiling with a porosity of ≈ 0.85 and fluidized with a porosity of ≈ 0.5.

Концентрированный псевдоожиженный центробежный слой с порозностью ≈ 0,5 обеспечивает равномерное обтекание каждой частицы в слое со скоростями, превышающими скорости витания частиц в несущей газовой среде. Для получения и удержания концентрированного псевдоожиженного центробежного слоя входная тангенциальная скорость несущей газовой среды должна быть выше теоретической равновесной скорости, вычисленной из условия равенства аэродинамической и центробежной сил, действующих на частицу наименьшего диаметра, которую необходимо удержать в слое. A concentrated fluidized centrifugal layer with a porosity of ≈ 0.5 ensures uniform flow around each particle in the layer at speeds exceeding the speed of particles in a carrier gas medium. To obtain and hold a concentrated fluidized centrifugal layer, the input tangential velocity of the carrier gas medium must be higher than the theoretical equilibrium velocity calculated from the condition of equal aerodynamic and centrifugal forces acting on the particle of the smallest diameter that must be kept in the layer.

Концентрированный псевдоожиженный центробежный слой устойчив в широком диапазоне параметров потоков. Одновременное воздействие в нем на частицу центробежной и аэродинамической сил приводит к тому, что частицы обтекаются газообразным окислителем со скоростями, превышающими их скорость витания в несущей среде. A concentrated fluidized centrifugal bed is stable over a wide range of flow parameters. The simultaneous action of centrifugal and aerodynamic forces on the particle in it leads to the fact that the particles are flowed around by a gaseous oxidizing agent with speeds exceeding their speed in the carrier medium.

Так как горение угольных частиц в топочных устройствах проходит, в основном, в переходном и диффузионном режимах, увеличение скорости обтекания частиц топлива газообразным окислителем приведет к повышению скорости их горения и к интенсификации процесса. В слое можно сжигать крупные частицы, что позволяет уменьшить затраты на подготовку топлива к сжиганию. Since the combustion of coal particles in furnace devices takes place mainly in the transition and diffusion modes, an increase in the rate of flow of fuel particles around a gaseous oxidizer will lead to an increase in their burning rate and to intensification of the process. Large particles can be burned in the layer, which reduces the cost of preparing the fuel for combustion.

Равномерное обтекание окислителем каждой частицы позволяет уменьшить общий коэффициент избытка воздуха и, как следствие, понизить количество образующихся вредных окислов азота. The uniform flow of oxidizing agent around each particle reduces the overall coefficient of excess air and, as a result, reduces the amount of harmful nitrogen oxides formed.

Для удержания частиц в состоянии устойчивого концентрированного псевдоожиженного слоя необходимо, чтобы массовый расход несущей газовой фазы составил не менее 0,4 массового расхода топлива. To keep the particles in a state of stable concentrated fluidized bed, it is necessary that the mass flow rate of the carrier gas phase is at least 0.4 mass flow rate of fuel.

Интенсификацию и полноту сгорания частиц обеспечивает их последовательный проход через реакционную зону и регулирование времени пребывания частиц в зоне реакции. Для уменьшения потерь на входе в слой и обеспечения равномерного заполнения слоя перед подачей в слой топливо закручивают в направлении, совпадающем с направлением вращения слоя. The intensification and completeness of combustion of particles ensures their sequential passage through the reaction zone and regulation of the residence time of particles in the reaction zone. To reduce losses at the entrance to the layer and to ensure uniform filling of the layer before feeding into the layer, the fuel is twisted in the direction coinciding with the direction of rotation of the layer.

Время пребывания частиц в слое регулируют изменением расхода топлива, вводимого в верхние зоны слоя. Используется экспериментально выявленное свойство слабой зависимости массы вращающегося проточного концентрированного псевдожиженного центробежного слоя от количества вводимого в верхние зоны топлива. Тогда время пребывания частиц в слое τ_преб= М_с/G_т, где М_с - масса вращающегося слоя; G_т - массовый расход топлива через слой.The residence time of the particles in the layer is controlled by changing the fuel consumption introduced into the upper zones of the layer. An experimentally revealed property of a weak dependence of the mass of a rotating flowing concentrated concentrated fluidized bed centrifugal layer on the amount of fuel introduced into the upper zones is used. Then the residence time of particles in the layer τ _pre = M _s / G _t , where M _s is the mass of the rotating layer; G _t - mass fuel consumption through the layer.

Уменьшая количество подаваемого в слой топлива, увеличиваем время пребывания частиц в слое, увеличивая - уменьшаем. При прекращении подачи топлива в концентрированный псевдоожиженный центробежный слой частицы в нем могут находиться неограниченно долго. Reducing the amount of fuel supplied to the layer, we increase the residence time of particles in the layer, increasing - decreasing. When the fuel supply to the concentrated fluidized centrifugal layer is cut off, the particles in it can remain indefinitely.

На фиг. 1 показано устройство для осуществления заявленного способа, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез. In FIG. 1 shows a device for implementing the inventive method, a longitudinal section; in FIG. 2 - the same, transverse section.

Устройство содержит закручивающую решетку с тангенциальными каналами 1, пережим 2, камеру 3 охлаждения (дожигания). The device comprises a swirling lattice with tangential channels 1, pinch 2, a cooling chamber (afterburning) 3.

Несущий газовый поток (окислитель) вводят через закручивающую решетку 1 в рабочий объем, где образуют вращающийся газовый поток, выходящий через верхний пережим 2 в камеру 3 охлаждения (дожигания). Во вращающийся газовый поток вводят частицы топлива, которые вовлекаются газовым потоком окислителя во вращательное движение. При входных тангенциальных скоростях газа окислителя, превышающих теоретическую равномерную скорость, вычисленную из условия равенства аэродинамической и центробежных сил, действующих на частицу, удерживаемую в слое, создают концентрированный псевдоожиженный центробежный слой частиц топлива. Частицы топлива равно- мерно обтекаются окислителем со скоростями, превышающими скорость их витания в несущей газовой среде. Для удержания слоя в устойчивом состоянии массовый расход несущей газовой среды составляет не менее 0,4 массового расхода топлива. The carrier gas stream (oxidizing agent) is introduced through a swirling grate 1 into the working volume, where a rotating gas stream is formed, exiting through the upper pinch 2 into the cooling (afterburning) chamber 3. Particles of fuel are introduced into the rotating gas stream, which are drawn into the rotational motion by the oxidizing gas stream. When the input tangential velocities of the oxidizing gas exceed the theoretical uniform velocity calculated from the condition of equal aerodynamic and centrifugal forces acting on the particle held in the layer, a concentrated fluidized centrifugal layer of fuel particles is created. Fuel particles uniformly flow around the oxidizing agent at speeds exceeding the speed of their soaring in the carrier gas medium. To keep the layer in a stable state, the mass flow rate of the carrier gas medium is at least 0.4 mass flow rate of fuel.

После воспламенения топлива каким-либо известным способом происходит горение частиц в слое. В верхнюю зону слоя вводят новые порции топлива, с нижних зон слоя прореагировавшие частицы топлива выводят из зоны реакции. Новым порциям топлива предварительно сообщают вращательное движение, соответствующее вращению слоя. Газообразные продукты реакции с мелкими частицами выводят из зоны реакции в камеру 3, которая в зависимости от глубины проведенной реакции является камерой охлаждения или дожигания. After ignition of the fuel by any known method, the combustion of particles in the layer occurs. New portions of fuel are introduced into the upper zone of the layer, and from the lower zones of the layer, reacted fuel particles are removed from the reaction zone. New portions of fuel are previously informed of a rotational movement corresponding to the rotation of the layer. Gaseous reaction products with small particles are removed from the reaction zone into the chamber 3, which, depending on the depth of the reaction, is a cooling or afterburning chamber.

Время пребывания частиц топлива в слое, необходимое для завершения реакции, регулируют изменением расхода топлива, подаваемого в верхнюю зону слоя. The residence time of the fuel particles in the layer, necessary to complete the reaction, is controlled by changing the flow rate of fuel supplied to the upper zone of the layer.

П р и м е р. В изотермической модели масса слоя при отсутствии расхода М_с = 7,5 кг, расход воздуха - 2,3 кг/с. При расходе через слой частиц G_т = 2,7 кг/c масса слоя М_с = 7,6 кг. Следовательно, время пребывания частиц в слое τ_пр= 7,6/2,7 = 2,8 с. При уменьшении расхода материала G_т = 2 кг/с τ_пр= 7,6/2 = 3,8 с, при G_т = 1 кг/с τ_пр= 7,6 с.PRI me R. In the isothermal model, the mass of the layer in the absence of flow M _s = 7.5 kg, air flow - 2.3 kg / s. At a flow rate through the particle layer G _t = 2.7 kg / s, the mass of the layer M _s = 7.6 kg. Consequently, the residence time of particles in the layer τ _pr = 7.6 / 2.7 = 2.8 s. With a decrease in the material flow rate G _t = 2 kg / s, τ _ol = 7.6 / 2 = 3.8 s, with G _t = 1 kg / s τ _ol = 7.6 s.

Высокие скорости равномерного обтекания частиц топлива окислителем приводят к повышению скорости и интенсификации процесса горения. Регулирование времени пребывания частиц в слое обеспечивает высокую полноту сгорания частиц топлива или доведение реакции до расчетной стадии. High rates of uniform flow of oxidizing agent over particles of fuel lead to an increase in the rate and intensification of the combustion process. Regulation of the residence time of particles in the layer provides a high completeness of combustion of fuel particles or bringing the reaction to the design stage.

Преимущества концентрированного псевдоожиженного центробежного слоя представлены в таблице. Результаты получены в модельной вихревой камере диаметром 200 мм, для частиц диаметром 3,5 мм, плотностью 1100 кг/м³, несущая среда - воздух.The advantages of a concentrated fluidized centrifugal bed are presented in the table. The results were obtained in a model vortex chamber with a diameter of 200 mm, for particles with a diameter of 3.5 mm, a density of 1100 kg / m ³ , the carrier medium is air.

Из таблицы видно, что при концентрированном псевдоожиженном кипящем слое ≈ в 2 раза увеличивается скорость обтекания частиц и ≈ в 3,9 раза повышается масса удерживаемого вращающегося слоя частиц. The table shows that with a concentrated fluidized fluidized bed ≈ 2 times the speed of flow around the particles increases and ≈ 3,9 times the mass of the retained rotating layer of particles increases.

Таким образом, использование предложенного способа сжигания топлива позволяет интенсифицировать процесс горения, обеспечивает высокую полноту сгорания топлива, способ позволяет снизить коэффициент избытка воздуха как следствие равномерного обтекания окислителем каждой частицы и понизить количество окислов азота в продуктах сгорания, проводить процесс многоступенчато; сжигать в слое крупные частицы топлива; вести процесс сжигания в малых объемах и уменьшить металлоемкость топочных устройств. Thus, the use of the proposed method of fuel combustion allows to intensify the combustion process, provides a high completeness of fuel combustion, the method allows to reduce the coefficient of excess air as a result of uniform flow around the oxidizer of each particle and to reduce the amount of nitrogen oxides in the combustion products, to carry out the process in stages; burn large particles of fuel in a layer; conduct the combustion process in small volumes and reduce the metal consumption of the furnace devices.

Кроме того, предложенный способ позволяет осуществлять не только сжигание, но и энерготехнологическую переработку топлива, в частности газификацию топлива. In addition, the proposed method allows not only combustion, but also energy-technological processing of fuel, in particular gasification of fuel.

Claims

METHOD OF COMBUSTION, which consists in feeding crushed fuel to the upper zone of a fluidized centrifugal layer and tangentially supplying an oxidizer to the latter, characterized in that, in order to intensify combustion, the tangential rate of the oxidizer and the ratio of the rates of oxidizer and fuel are supported above the theoretically equilibrium rate and 0.4 , before feeding into the layer, the fuel is twisted in the direction coinciding with the direction of rotation of the layer, while the residence time of the fuel in the latter is controlled by a change in the flow rate Lebanon.