RU2039911C1

RU2039911C1 - Method of burning fuel

Info

Publication number: RU2039911C1
Authority: RU
Inventors: О.В. Морозов; Ю.М. Усман; Ю.П. Енякин; М.М. Левин; Л.А. Зубенко
Original assignee: Морозов Олег Владимирович; Усман Юрий Моисеевич; Енякин Юрий Павлович; Левин Моисей Маркович; Зубенко Лидия Андреевна
Priority date: 1991-06-26
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: boiler units. SUBSTANCE: fuel is preliminarily divided into flows which are fed to inert substance flow at amount not exceeding 50 percent and partially to zone of mixing fuel with air. Ratio of velocities and flow rates of fuel and inert substance is maintained within 1,5:10 and 0.2: 1, respectively. EFFECT: enhanced efficiency. 4 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при сжигании топлива в котельных агрегатах, камерах сгорания и других топливоиспользующих установках. The invention relates to a power system and can be used when burning fuel in boiler units, combustion chambers and other fuel-using installations.

Известен способ сжигания топлива, по которому в топку подают воздух коаксиальными потоками, а топливо вводят непосредственно в указанные потоки воздуха [1] В этом случае обеспечивают эффективное сжигание топлива в широком диапазоне нагрузок с низким коэффициентом избытка воздуха. A known method of burning fuel, in which air is supplied to the furnace by coaxial flows, and fuel is injected directly into said air flows [1], in this case, provide efficient combustion of fuel in a wide range of loads with a low coefficient of excess air.

Существенным недостатком данного способа является повышенное образование оксидов азота за счет формирования зоны высоких температур в ядре факела горения. A significant disadvantage of this method is the increased formation of nitrogen oxides due to the formation of a zone of high temperatures in the core of the flame.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ сжигания топлива, по которому в топку подают коаксиальными потоками воздух и инертное вещество, а топливо вводят в поток воздуха [2] Такой способ сжигания обеспечивает некоторое уменьшение образования оксидов азота за счет ввода в ядро факела инертных газов рециркуляции. Closest to the invention, the technical solution adopted as a prototype is a method of burning fuel, in which air and an inert substance are supplied to the furnace by coaxial flows, and fuel is introduced into the air stream [2] This method of combustion provides a certain reduction in the formation of nitrogen oxides by introducing into the core of the torch inert gas recirculation.

Недостатком этого способа является недостаточно эффективное перемешивание инертного вещества с топливом, в особенности на начальном участке факела. Существенного снижения выбросов оксидов азота (на 35-40%) в этом случае можно добиться только при подаче значительного количества (20-25%) инертного вещества в топку. Однако это ограничивает возможности применения такого способа сжигания топлива на котельных агрегатах, поскольку требует существенной реконструкции поверхностей нагрева котла, замены тягодутьевых механизмов и ведет к снижению экономичности работы оборудования. Таким образом указанный способ сжигания не обеспечивает необходимого снижения выбросов оксидов азота вследствие того, что смешение топливовоздушного потока с инертным веществом осуществляют на значительном расстоянии от устья горелки, и является малоэффективным. The disadvantage of this method is the insufficiently effective mixing of an inert substance with fuel, especially in the initial section of the torch. A significant reduction in nitrogen oxide emissions (by 35–40%) in this case can be achieved only by supplying a significant amount (20–25%) of inert substance to the furnace. However, this limits the possibility of using this method of burning fuel in boiler units, since it requires a significant reconstruction of the heating surfaces of the boiler, replacement of blowing mechanisms and reduces the efficiency of the equipment. Thus, this method of combustion does not provide the necessary reduction in emissions of nitrogen oxides due to the fact that the mixing of the air-fuel stream with an inert substance is carried out at a considerable distance from the mouth of the burner, and is ineffective.

Целью изобретения является снижение образования оксидов азота и повышение эксплуатационной надежности путем сохранения устойчивости горения. The aim of the invention is to reduce the formation of nitrogen oxides and increase operational reliability by maintaining combustion stability.

Цель достигается тем, что по способу сжигания топлива, включающему подачу в топку топлива, коаксиальными потоками воздуха и инертного вещества, топливо предварительно разделяют на потоки и подают в поток инертного вещества и частично в зону смещения последнего с потоком воздуха, причем топливо в поток инертного вещества подают в количестве более 50% а отношение скоростей потоков топлива и инертного вещества поддерживают равным 1,5-10, отношение расходов потоков упомянутых сред поддерживают равным 0,2-1. The goal is achieved by the fact that according to the method of burning fuel, which includes supplying fuel to the furnace with coaxial streams of air and an inert substance, the fuel is preliminarily divided into streams and fed into the stream of inert substance and partially into the zone of displacement of the latter with the air stream, and the fuel into the stream of inert substance serve in an amount of more than 50% and the ratio of the flow rates of the fuel and inert substance is maintained equal to 1.5-10, the ratio of the flow rates of the above-mentioned media is maintained equal to 0.2-1.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью заключается в следующем. The causal relationship between the hallmarks and the goal is as follows.

Разделение топлива на потоки, подача топлива более 50% в поток инертного вещества и частично в зону смешения последнего с воздухом (в количестве не менее 1-1,5% ) обеспечивают при отношении скоростей потоков топлива и инертного вещества 1,5-10, а отношении расходов потоков упомянутых сред 0,2-1 быстрое смешение топлива с необходимым количеством газов рециркуляции уже на начальном участке факела, что приводит к замедлению процесса горения, снижению температур и концентраций реагирующих веществ непосредственно в зонах протекания реакций образования оксидов азота на самых ранних стадиях. При этом достигается резкое снижение выбросов оксидов азота при умеренном расходе инертного вещества. Одновременно подача минимального количества топлива в зону смешения инертного вещества с воздухом обеспечивает раннее поджигание части топлива, т. е. сохранение устойчивости горения и, как следствие, повышение эксплуатационной надежности. Таким образом, совокупное использование указанных признаков позволяет обеспечить достижение цели снижение образования оксидов азота и повышение эксплуатационной надежности путем сохранения устойчивости горения. Separation of fuel into streams, fuel supply of more than 50% to the inert substance stream and partially to the mixing zone of the latter with air (in an amount of at least 1-1.5%) is provided with a ratio of fuel and inert substance flow rates of 1.5-10, and with respect to the flow rates of the mentioned media, 0.2-1 rapid mixing of fuel with the required amount of recirculation gases already in the initial section of the flame, which leads to a slowdown of the combustion process, lower temperatures and concentrations of reacting substances directly in the zones of the reaction tions of nitrogen oxides at the earliest stages. At the same time, a sharp decrease in nitrogen oxide emissions is achieved with a moderate inert substance consumption. At the same time, the supply of a minimum amount of fuel to the mixing zone of an inert substance with air provides early ignition of a part of the fuel, i.e., preserves the stability of combustion and, as a result, increases operational reliability. Thus, the combined use of these characteristics allows to achieve the goal of reducing the formation of nitrogen oxides and increasing operational reliability by maintaining combustion stability.

Наличие отмеченных выше отличительных признаков по сравнению с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". The presence of the above distinguishing features in comparison with the prototype allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

Поиск дополнительных технических решений, определяемый указанными отличительными признаками, не выявил известности их совокупного использования в других областях техники для достижения цели, на основании чего можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия". The search for additional technical solutions, determined by the indicated distinguishing features, did not reveal the popularity of their combined use in other areas of technology to achieve the goal, on the basis of which we can conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 изображена выходная часть газомазутной горелки для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 и 3 представлены зависимости изменения относительного содержания оксидов азота

(I) и относительного коэффициента избытка воздуха, характеризующего предел устойчивой работы горелки,

(II) от соотношения соответственно скоростей

и расходов

потоков топлива и инертного вещества; на фиг. 4 представлена зависимость изменения относительного содержания оксидов азота

от количества топлива Q, подаваемого в инертное вещество.In FIG. 1 shows the output of a gas-oil burner for implementing the proposed method; in FIG. Figures 2 and 3 show the dependences of changes in the relative content of nitrogen oxides.

(I) and the relative coefficient of excess air, characterizing the limit of stable operation of the burner,

(II) from the ratio of the corresponding speeds

and expenses

fuel and inert substance flows; in FIG. 4 shows the dependence of changes in the relative content of nitrogen oxides

on the amount of fuel Q supplied to an inert substance.

Газомазутная горелка включает в себя коаксиально расположенные каналы 1, 2 для подачи воздуха и канал 3 для подачи газов рециркуляции. В кольцевом канале 3 газов рециркуляции размещены газораздающие трубки 4 и 5. На оси горелки установлена форсунка 6 для распыливания мазута. The gas-oil burner includes coaxially arranged channels 1, 2 for supplying air and a channel 3 for supplying recirculation gases. Gas distribution tubes 4 and 5 are placed in the annular channel 3 of the recirculation gases. A nozzle 6 is installed on the axis of the burner for atomizing fuel oil.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Газообразное топливо подается по трубкам 4 и 5, а газы рециркуляции по кольцевому каналу 3. На выходе из горелки (на входе в топочную камеру) струи газа, вытекающие из газораздающих трубок 4 с большой скоростью, попадают в среду инертных газов рециркуляции. Происходит интенсивное перемешивание газовых струй с газами рециркуляции. Таким образом, в зону горения, содержащую необходимое количество окислителя (воздуха), поступает подготовленная топливоинертная смесь. Часть топлива по трубкам 5 поступает в зону смешения воздуха и газов рециркуляции. При этом в зону горения поступает топливовоздушная смесь, забалластированная некоторым количеством инертного вещества, что способствует быстрому выгоранию этой части топлива и сохранению устойчивости горения. Подача в зону горения топливоинертной смеси и топливовоздушной смеси, забалластированной газами рециркуляции, приводит к замедлению процесса горения, снижению температур, уменьшению зон с избыточным количеством окислителя и, как следствие, к резкому снижению образования оксидов азота. Gaseous fuel is supplied through tubes 4 and 5, and recirculation gases through an annular channel 3. At the outlet of the burner (at the entrance to the combustion chamber), gas jets flowing from the gas distribution tubes 4 with high speed enter the inert recirculation gas medium. Intensive mixing of gas jets with recirculation gases occurs. Thus, the prepared fuel-inert mixture enters the combustion zone containing the required amount of oxidizing agent (air). Part of the fuel through the tubes 5 enters the mixing zone of air and recirculation gases. At the same time, the air-fuel mixture enriched by a certain amount of inert substance enters the combustion zone, which contributes to the rapid burnout of this part of the fuel and the preservation of combustion stability. The supply of a fuel-inert mixture and a fuel-air mixture ballasted with recirculation gases to the combustion zone leads to a slowdown of the combustion process, lower temperatures, a decrease in zones with an excess amount of oxidizing agent, and, as a result, a sharp decrease in the formation of nitrogen oxides.

Как видно из фиг. 2, при отношении потоков топлива и инертного вещества

менее 1,5 отмечается резкое снижение устойчивости горения (кривая II), связанное с тем, что при значениях скоростей истечения топлива и инертного вещества, очень близких друг к другу, значительно ухудшается перемешивание топливоинертной смеси с воздухом и происходит запаздывание зажигания. Поскольку на этом интервале изменения

происходит практически полное перемешивание топлива и инертного вещества, выбросы NO_x (кривая I) минимально возможные. При дальнейшем увеличении отношения

(от 1,5 до 10) происходит постепенное увеличение

, связанное с улучшением перемешивания топлива с воздухом из-за ослабления экранирующего слоя инертных газов, при этом достигается максимальная устойчивость горения. При

более 10 выход оксидов азота практически не изменяется и является максимальным, поскольку не меняется степень перемешивания топлива с инертным веществом.As can be seen from FIG. 2, with respect to the flow of fuel and inert substance

less than 1.5, there is a sharp decrease in the stability of combustion (curve II), due to the fact that when the values of the flow rates of fuel and inert substances are very close to each other, the mixing of the fuel-inert mixture with air is significantly worsened and the ignition delay occurs. Since on this interval changes

almost complete mixing of the fuel and the inert substance occurs; NO _x emissions (curve I) are the minimum possible. With a further increase in attitude

(from 1.5 to 10) there is a gradual increase

associated with improved mixing of fuel with air due to the weakening of the inert gas shielding layer, while achieving maximum combustion stability. At

more than 10, the yield of nitrogen oxides practically does not change and is maximum, since the degree of mixing of fuel with an inert substance does not change.

Как видно из фиг. 3, при значении

менее 0,2 резко уменьшается предел устойчивой работы горелок (кривая II) и ухудшается эксплуатационная надежность из-за балластирования инертным веществом зоны горения, в которой подддерживается низкая средняя температура. В этом случае факторы, влияющие на снижение устойчивости горения, одновременно способствуют малому выходу оксидов азота. Увеличение значения

(от 0,2 до 1) приводит к уменьшению балластирования зоны горения, следствием чего являются повышение температуры факела, ранее зажигание, увеличение поступления воздуха на начальной стадии горения и, в конечном итоге, увеличение содержания оксидов азота в дымовых газах (кривая I). При этом предел устойчивой работы горелки достигает своего максимального значения. При значении

более 1 содержание оксидов азота и устойчивость горения практически не изменяются из-за недостаточного балластирования инертным веществом зоны горения.As can be seen from FIG. 3, with the value

less than 0.2 sharply decreases the limit of stable operation of the burners (curve II) and deteriorates the operational reliability due to ballasting with an inert substance of the combustion zone, in which a low average temperature is maintained. In this case, the factors affecting the reduction in combustion stability simultaneously contribute to a low yield of nitrogen oxides. Value increase

(from 0.2 to 1) leads to a decrease in the ballasting of the combustion zone, resulting in an increase in the flame temperature, earlier ignition, an increase in air intake at the initial stage of combustion, and, ultimately, an increase in the content of nitrogen oxides in flue gases (curve I). In this case, the limit of stable operation of the burner reaches its maximum value. At value

more than 1, the content of nitrogen oxides and the stability of combustion practically do not change due to insufficient ballasting by the inert substance of the combustion zone.

Как видно из фиг. 4, подача в поток инертного вещества менее 50% топлива малоэффективна с точки зрения снижения выбросов оксидов азота, поскольку не приводит к высокой степени смесеобразования топлива с инертным веществом к моменту воспламенения и слабо воздействует на снижение температуры в ядре факела, уменьшая последнюю уже за областью основного образования оксидов азота в зоне дожигания топлива. При Q более 50% относительное содержание оксидов азота

резко снижается. Это объясняется значительным увеличением степени смешения топлива с инертным веществом и поступлением в зону воспламенения подготовленной топливоинертной смеси.As can be seen from FIG. 4, the supply of less than 50% of fuel to the inert substance stream is ineffective from the point of view of reducing nitrogen oxide emissions, since it does not lead to a high degree of mixture of fuel and inert substance at the time of ignition and weakly affects the temperature decrease in the flame core, decreasing the latter beyond the main the formation of nitrogen oxides in the afterburning zone of the fuel. When Q is more than 50%, the relative content of nitrogen oxides

sharply reduced. This is due to a significant increase in the degree of mixing of fuel with an inert substance and the entry into the ignition zone of the prepared fuel-inert mixture.

Использование предлагаемого способа сжигания топлива обеспечивает по сравнению с существующими способами снижение общего содержания оксидов азота в дымовых газах в 2-3 раза. Using the proposed method of burning fuel provides, compared with existing methods, a decrease in the total content of nitrogen oxides in flue gases by 2–3 times.

Пример конкретной реализации предлагаемого способа приводится с учетом проведенных стендовых исследований. An example of a specific implementation of the proposed method is given taking into account the bench studies.

Стенд для исследования горелок состоит из камеры размерами 4000 х 1500 х 700 мм. Для исследований использовалась горелка с каналом газом рециркуляции, размещенным между центральным и периферийными каналами воздуха. С целью получения сравнительных данных испытывалась горелка с размещением топливораздающих трубок в периферийном воздушном канале и канале газов рециркуляции, причем в последнем размещались два вида трубок. Одни трубки позволяли подавать топливо непосредственно в поток газов рециркуляции, другие были загнуты в сторону центрального воздушного канала и выдавали топливо в зону смешения двух указанных сред. Все три типа трубок имели независимые подводы газа. Природный газ в трубки, размещенные в периферийном воздушном канале, подавался только на начальном этапе испытаний для получения исходных данных. При этом остальные трубки были отключены по топливу. При исследованиях менялось распределение топлива по трубкам, количество подаваемых газов рециркуляции. Скорость истечения топлива при прочих равных условиях увеличивалась путем отглушения части трубок. The burner test bench consists of a chamber measuring 4000 x 1500 x 700 mm. For research, a burner with a recirculation gas channel located between the central and peripheral air channels was used. In order to obtain comparative data, a burner was tested with the placement of fuel-distributing tubes in the peripheral air channel and the recirculation gas channel, and the latter housed two types of tubes. Some tubes made it possible to supply fuel directly to the recirculation gas stream, others were bent towards the central air channel and delivered fuel to the mixing zone of the two indicated media. All three types of tubes had independent gas supplies. Natural gas was supplied to tubes placed in the peripheral air channel only at the initial stage of testing to obtain initial data. At the same time, the remaining tubes were disconnected for fuel. In studies, the distribution of fuel through the tubes and the amount of recirculation gas supplied changed. The rate of fuel outflow, all other things being equal, was increased by muffling some of the tubes.

Экспериментально установлены следующие исходные данные: коэффициент избытка воздуха на "бедном" срыве α_max 45, содержание оксидов азота в дымовых газах (при коэффициенте избытка воздуха в горелке α= 1,2 и доле газов рециркуляции от расхода воздуха r 10%) составляет 370 мг/м³.The following initial data were experimentally established: the coefficient of excess air at the “poor” stall α _max 45, the content of nitrogen oxides in the flue gases (with the coefficient of excess air in the burner α = 1.2 and the proportion of recirculation gases from the air flow r 10%) is 370 mg / m ³ .

При подаче 50% топлива в поток газов рециркуляции содержание оксидов азота в дымовых газах составляет 330 мг/м³, при подаче 90% топлива соответственно 148 мг/м³, а при подаче 98-99% концентрация оксидов азота равна 119 мг/м³, что соответствует значению

0,32 (фиг. 4). Как показали исследования, для сохранения устойчивого горения наиболее оптимальной является подача топлива в поток газов рециркуляции в количестве 50-90%
Наибольшее снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах достигалось при прочих равных условиях при подаче газов рециркуляции в 5 раз большем количестве, чем топлива (148 мг/м³ или

0,4 на фиг. 3), со скоростью, меньшей скорости истечения природного газа в 1,5 раза (154 мг/м³ или

0,42 на фиг. 2). При этих параметрах начинается резкое ухудшение устойчивости горения. Появляются пульсации факела, уменьшается область устойчивой работы горелок. Так, уже при

0,5 коэффициент избытка воздуха на "бедном" срыве α_max составляет 27, что соответствует

= 0,6 на фиг. 2. При

0,1 соответственно α_max= 26 (

5,7 на фиг. 3).When 50% of the fuel is supplied to the recycle gas stream, the content of nitrogen oxides in the flue gases is 330 mg / m ³ , when 90% of the fuel is supplied, respectively, 148 mg / m ³ , and when 98-99% is supplied, the concentration of nitrogen oxides is 119 mg / m ³ that corresponds to the value

0.32 (Fig. 4). As studies have shown, in order to maintain sustainable combustion, the most optimal is the supply of fuel to the recycle gas stream in an amount of 50-90%
The greatest decrease in the concentration of nitrogen oxides in flue gases was achieved, ceteris paribus, when recirculation gases were supplied 5 times more than fuel (148 mg / m ³ or

0.4 in FIG. 3), at a rate less than the rate of outflow of natural gas by 1.5 times (154 mg / m ³ or

0.42 in FIG. 2). With these parameters, a sharp deterioration in the stability of combustion begins. Torch pulsations appear, the area of stable operation of the burners decreases. So, already at

0.5 the coefficient of excess air in the "poor" stall α _max is 27, which corresponds to

= 0.6 in FIG. 2. When

0.1, respectively, α _max = 26 (

5.7 in FIG. 3).

Эксперименты на стенде показали, что реализация предлагаемого способа сжигания топлива при сохранении устойчивости горения позволяет снизить выбросы оксидов азота по сравнению со способом сжигания, когда топливо подается в поток воздуха, в 2,5-3 раза. Experiments at the bench showed that the implementation of the proposed method of burning fuel while maintaining combustion stability can reduce emissions of nitrogen oxides in comparison with the combustion method, when the fuel is fed into the air stream, 2.5-3 times.

Claims

METHOD FOR FUEL COMBUSTION by feeding coaxial streams of air and an inert substance into the fuel furnace, characterized in that, in order to reduce the formation of nitrogen oxides and increase operational reliability by maintaining combustion stability, the fuel is preliminarily separated into streams and fed into the inert substance stream and partially into the zone mixing the latter with an air stream, moreover, the fuel is supplied to the inert substance stream in an amount of more than 50%; the ratio of the fuel and inert substance flow rates is maintained within 1.5 10.0, and the ratio of the flow rates of the mentioned media is maintained within 0.2 1.0.