RU2052714C1

RU2052714C1 - Combined furnace and its operation

Info

Publication number: RU2052714C1
Application number: RU93027595A
Authority: RU
Original assignee: Московский энергетический институт; Акционерное общество "Таганрогский котлостроительный завод "Красный котельщик"
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: fuel combustion. SUBSTANCE: combined furnace has air nozzles arranged in tiers inside combustion chamber and pointing down, pulverized-fuel burners, and burners for reactive fuels. Pulverized-fuel burners and air nozzles arranged in pairs lie in same vertical plane and axes of reactive-fuel burner pairs are pointing tangentially to conventional horizontal cylinder with adjacent pairs twisted in opposite direction. Cold hopper may also accommodate exhaust air nozzles. In operation of combined furnace, fuel is supplied to respective burners and secondary air, to air nozzles; some portion of secondary air is fed through burners where fuel supply is shut off. Modifications of furnace operation for various kinds of fuel are given in description of invention. EFFECT: enlarged functional capabilities. 5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к технике сжигания топлива, и связано с проблемой эффективного сжигания одновременно или поочередно различных видов топлива в одной топке. Оно может быть использовано в паровых и водогрейных котлах различного назначения, прежде всего на ТЭС. The invention relates to a power system, and in particular to a technique for burning fuel, and is associated with the problem of efficient burning simultaneously or alternately of various types of fuel in one furnace. It can be used in steam and hot water boilers for various purposes, especially at thermal power plants.

Уровень техники в этой области характеризуют следующие известные решения. The prior art in this area is characterized by the following known solutions.

Известна топка и способ ее работы при совместном сжигании угольной пыли и газа [1] Топка представляет собой вертикальную камеру сгорания с холодной воронкой и установленными поярусно на стенах камеры пылеугольными и газовыми горелками, а также воздушными соплами. A furnace is known and a method of its operation in co-combustion of coal dust and gas [1] The furnace is a vertical combustion chamber with a cold funnel and dust-mounted coal and gas burners, as well as air nozzles, mounted on the chamber walls.

При этом газовые и пылеугольные горелки расположены в разных вертикальных плоскостях. В результате, поскольку соотношение топливо-воздух по горелкам двух видов не определено, перемешивание горючего и окислителя затрудняется, что приводит к недожогу топлива. Кроме того, в [1] не предусмотрена возможность сжигания мазута, что снижает универсальность такой топки. In this case, gas and pulverized coal burners are located in different vertical planes. As a result, since the fuel-air ratio of the two types of burners is not determined, mixing of the fuel and the oxidizing agent is difficult, which leads to underburning of the fuel. In addition, the possibility of burning fuel oil is not provided in [1], which reduces the versatility of such a furnace.

С точки зрения возможности совместного и попеременного сжигания трех видов топлива более близкой к предлагаемому решению является комбинированная топка [2] содержащая вертикальную призматическую камеру сгорания, и расположенную под ней холодную воронку. В нижней части камеры сгорания, на противоположных ее стенах, расположены пары горелок для высокореакционного топлива. В одних вертикальных плоскостях с ними расположены пылеугольные горелки и воздушные сопла. From the point of view of the possibility of joint and alternate burning of three types of fuel, a combined firebox [2] containing a vertical prismatic combustion chamber and a cold funnel located below it is closer to the proposed solution. In the lower part of the combustion chamber, on its opposite walls, there are pairs of burners for highly reactive fuel. In the same vertical planes with them are coal-dust burners and air nozzles.

Способ работы такой топки включает подачу топливовоздушной смеси в горелки для высокореакционного топлива или в пылеугольные горелки, а вторичного воздуха в воздушные сопла. The method of operation of such a furnace includes feeding the air-fuel mixture into burners for highly reactive fuel or into coal-dust burners, and secondary air into air nozzles.

При совместном или попеременном сжигании топлив в комбинированной топке [2] обеспечивается более экономичное сжигание по крайней мере высокореакционного топлива, чем в топке [1] поскольку топливо и воздух вводятся в камеру сгорания в одних вертикальных плоскостях. Однако совмещенный характер их ввода исключает возможность работы топки в режиме ступенчатого сжигания, что, во-первых, ухудшает надежность зажигания угольной пыли, а во-вторых, препятствует глубокому подавлению NO_x.Combined or alternately burning fuels in a combined furnace [2] provides a more economical combustion of at least highly reactive fuel than in a furnace [1] since fuel and air are introduced into the combustion chamber in the same vertical planes. However, the combined nature of their input excludes the possibility of the furnace operating in the staged combustion mode, which, firstly, impairs the reliability of ignition of coal dust, and secondly, prevents the deep suppression of NO _x .

Цель изобретения заключается в создании комбинированной топки, обеспечивающей возможность экономичного сжигания трех видов топлива (жидкого, газового, пылеугольного) при малых величинах образования NO_x.The purpose of the invention is to create a combined furnace, providing the possibility of economical combustion of three types of fuel (liquid, gas, pulverized coal) with small amounts of NO _x formation.

Цель достигается благодаря предложенной конфигурации топки и возможности реализации в ней предложенного способа работы. The goal is achieved thanks to the proposed furnace configuration and the possibility of implementing the proposed method of operation in it.

В комбинированной топке, содержащей вертикальную призматическую камеру сгорания, холодную воронку, пары горелок для высокореакционного топлива в нижней части камеры сгорания, а также пылеугольные горелки и воздушные сопла, расположенные в одних вертикальных плоскостях на противоположных стенках камеры сгорания, указанная техническая задача решается тем, что горелки высокореакционного топлива, пылеугольные и воздушные сопла расположены поярусно с установкой в каждом ярусе горелок для одного вида топлива, при чем пылеугольные горелки расположены между горелками для сжигания высокореакционного топлива и воздушными соплами и наклонены вниз, а оси горелок для высокореакционного топлива, составляющих пары, направлены тангенциально к условной поверхности горизонтального цилиндра при противоположном направлении закрутки соседними парами. In a combined furnace containing a vertical prismatic combustion chamber, a cold funnel, pairs of highly reactive fuel burners in the lower part of the combustion chamber, as well as pulverized coal burners and air nozzles located in the same vertical planes on opposite walls of the combustion chamber, this technical problem is solved by the fact that highly reactive fuel burners, pulverized coal and air nozzles are located in tiers with the installation of burners for each type of fuel in each tier, moreover, pulverized coal burners are located between the burners for burning highly reactive fuel and air nozzles and are inclined downward, and the axis of the burners for highly reactive fuel constituting the pairs are directed tangentially to the conventional surface of the horizontal cylinder with the opposite direction of swirling by adjacent pairs.

При этом целесообразно исполнение, при котором в холодной воронке установлены сопла сбросного воздуха и направлены с наклоном вверх под острым углом к горизонтальной плоскости. In this case, it is advisable that the discharge nozzles of the exhaust air are installed in the cold funnel and are directed obliquely upward at an acute angle to the horizontal plane.

В способе работы такой топки, включающем подачу топливовоздушной смеси соответственно в горелки для высокореакционного топлива или пылеугольные горелки, а вторичного воздуха в воздушные сопла, указанная техническая задача решается также тем, что часть вторичного воздуха подают через отключенные по топливу горелки. In the method of operation of such a furnace, which includes supplying the air-fuel mixture respectively to highly reactive fuel burners or pulverized coal burners, and secondary air to air nozzles, this technical problem is also solved by the fact that part of the secondary air is supplied through burners disconnected from the fuel.

При этом при сжигании угольной пыли 35-55% всего воздуха подают через горелки для высокореакционного топлива. При сжигании высокореакционного топлива через пылеугольные горелки дополнительно подают газы рециркуляции. At the same time, when burning coal dust, 35-55% of all air is supplied through burners for highly reactive fuel. When highly reactive fuels are burned, recirculation gases are additionally supplied through pulverized coal burners.

Благодаря установке пылеугольных горелок между горелками для высокореакционного топлива и воздушными соплами, причем в одних вертикальных плоскостях, т.е. проходящих через те и другие, а также благодаря наклону осей пылеугольных горелок вниз обеспечивается надежное зажигание угольной пыли в первой ступени горения и своевременное перемешивание реагентов сначала во второй ступени горения, а затем в третьей. Вторая ступень горения угольной пыли реализуется в движущейся подушке вторичного воздуха, поступающего из горелок, предназначенных для сжигания высокореакционного топлива и выполняющих в этом случае функцию сопл вторичного воздуха. Комбинированная топка позволяет при сжигании любого вида топлива осуществить наиболее экономичный и экологически чистый процесс сжигания, в частности, благодаря предложенным способам ее работы. By installing pulverized coal burners between highly reactive fuel burners and air nozzles, moreover, in the same vertical planes, i.e. passing through both, and also due to the inclination of the axes of the coal-dust burners down, reliable ignition of coal dust in the first combustion stage and timely mixing of the reactants first in the second combustion stage, and then in the third. The second stage of combustion of coal dust is implemented in a moving cushion of secondary air coming from burners designed to burn highly reactive fuel and in this case perform the function of secondary air nozzles. Combined firebox allows for the burning of any type of fuel to carry out the most economical and environmentally friendly combustion process, in particular, thanks to the proposed methods of its operation.

На фиг. 1 и 2 схематично представлены два варианта предложенной комбинированной топки, продольные разрезы; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 1. In FIG. 1 and 2 schematically show two variants of the proposed combined firebox, longitudinal sections; in FIG. 3, section AA in FIG. 1; in FIG. 4 section BB in FIG. 1.

Комбинированная топка содержит вертикальную призматическую камеру 1 и холодную воронку 2. На двух противоположных стенках 3 и 3' камеры 1 в ее нижней части размещены в данном случае 6 пар горелок для высокореакционного топлива 4-4', 5-5', 6-6', 7-7', 8-8' и 9-9'. Они могут быть установлены в двух ярусах (фиг. 1) и в одном ярусе (фиг. 2) и направлены тангенциально к условной поверхности горизонтального цилиндра при противоположном направлении тангенциальной закрутки соседними парами. Выше горелок (4-9) (4'-9') в вертикальных плоскостях, проходящих через пары горелок (4-4') (9-9') на стенах 3, 3' размещены в данном случае в двух ярусах с наклоном осей вниз на 60^о пылеугольные горелки (10-15) (10'-15'). Еще выше, в тех же вертикальных плоскостях, размещены центры выходных сечений воздушных сопл (16-21) (16'-21'). В данном случае они установлены на стенах 3, 3' в одном ярусе с наклоном вниз на 35^о, причем горизонтальные проекции осей сопл 16-16', 17-17' и т.д. установленные на противоположных стенах 3, 3', направлены с поочередным пересечением плоскости симметрии камеры 1, параллельной стенам 3, 3'. На скатах 22, 22' холодной воронки 2 установлены сопла (23-25) (23'-25') сбросного воздуха пылесистем, направленные наклонно вверх под острым углом к горизонтальной плоскости.The combined furnace contains a vertical prismatic chamber 1 and a cold funnel 2. On two opposite walls 3 and 3 'of the chamber 1, in this case, 6 pairs of burners for highly reactive fuel 4-4', 5-5 ', 6-6' are placed in its lower part , 7-7 ', 8-8' and 9-9 '. They can be installed in two tiers (Fig. 1) and in one tier (Fig. 2) and are directed tangentially to the conditional surface of the horizontal cylinder with the opposite direction of tangential twisting by adjacent pairs. Above the burners (4-9) (4'-9 ') in vertical planes passing through the pairs of burners (4-4') (9-9 ') on the walls 3, 3' are placed in this case in two tiers with an axial tilt down to ^about 60 pulverized coal burners (10-15), (10'-15 '). Even higher, in the same vertical planes, are the centers of the exit sections of the air nozzles (16-21) (16'-21 '). In this case, they are mounted on the walls 3, 3 'in the single tier inclined downwards by 35 ^o, wherein the horizontal projections of the axes of nozzles 16-16', 17-17 ', etc. mounted on opposite walls 3, 3 ', are directed with the alternate intersection of the plane of symmetry of the chamber 1 parallel to the walls 3, 3'. On the ramps 22, 22 'of the cold funnel 2, nozzles (23-25) (23'-25') of the exhaust air of the dust systems are installed, directed obliquely upward at an acute angle to the horizontal plane.

Рассмотрим способ работы комбинированной топки при сжигании угольной пыли В этом случае в камеру 1 через пылеугольные горелки (10-15) (10'-15') подают смесь первичного воздуха и угольной пыли с избытком воздуха, в данном случае α_перв= 0,2. Благодаря наклонному вниз движению свежих пылевоздушных струй в поднимающихся вверх потоках факела и благодаря малому значению α_перв угольная пыль быстро прогревается и загорается (прежде всего летучие ее компоненты). На этих участках реализуется первая ступень горения. Через отключенные по топливу горелки для высокореакционного топлива (4-9) (4'-9') в камеру 1 подают вторичный воздух, струи которого в нижней части камеры 1 создают движущуюся воздушную подушку, в которую внедряется загоревшаяся (тлеющая) пыль. Инерционное скольжение горящей пыли в потоках вторичного воздуха создает условия для интенсивного подвода кислорода к поверхности угольных частиц и интенсивного их горения во II ступени. При этом расход вторичного воздуха составляет 35-55% от всего подаваемого в топку воздуха, т. е. α_вт=0,4-0,5. В I и II ступени горения подают сбросной воздух пылесистем, содержащей до 15% уносимой из циклонов мелкой пыли и имеющий α_сбр 0,13 0,17. Этот сбросной воздух может подаваться по своим каналам через часть пылеугольных горелок (10-15) (10'-15'), либо через часть горелок для высокореакционного топлива (4-9) (4'-9'). В данном примере сбросной воздух подают через 6 сопл (23-25) (23'-25'), установленных на скатах 22 и 22' холодной воронки 2 под углом порядка 50^о к горизонтальной плоскости. Причем сопла (23-25) (23'-25') сбросного воздуха размещены в вертикальных плоскостях, проходящих через оси горелок 4, 6, 8, 5', 7', 9' для высокореакционного топлива. Струи сбросного воздуха, двигаясь наклонно вверх, будут способствовать увеличению времени витания крупных частиц золы, выпадающих в холодную воронку 2 из зоны расположения II ступени горения, тем самым способствуя полному выгоранию коксового остатка в шлаке. В зоне расположения I и II ступеней горения, по исследованиям (от уровня верхней границы холодной воронки 2), до среднего уровня размещения пылеугольных горелок (10-15) (10'-15') произойдет выгорание 70-90% угольной пыли. Догорание остальной пыли произойдет в III ступени горения, расположенной между уровнями размещения воздушных сопл (16-21) (16'-21') и пылеугольных горелок (10-15)-(10'-15'), за счет интенсивного перемешивания догорающего факела с третичным воздухом, поступающим в камеру 1 из сопл (16-21) (16'-21'). Интенсивность перемешивания возрастает при обеспечении высоких скоростей истечения струй третичного воздуха (W_тр=40-60 м/с) из сопл (16-21) (16'-21').Consider the method of operation of a combined furnace when burning coal dust. In this case, a mixture of primary air and coal dust with excess air is fed into chamber 1 through pulverized coal burners (10-15) (10'-15 '), in this case α _first = 0.2 . Due to the downward movement of fresh dusty air jets in the torch flows rising upwards and due to the small value of α, the _first coal dust quickly warms up and ignites (primarily its volatile components). In these areas, the first stage of combustion is implemented. Secondary air is supplied to the chamber 1 through the fuel-switched burners for highly reactive fuel (4-9) (4'-9 '), the jets of which in the lower part of the chamber 1 create a moving air cushion into which ignited (smoldering) dust is introduced. The inertial glide of burning dust in the secondary air flows creates the conditions for the intensive supply of oxygen to the surface of coal particles and their intense combustion in stage II. At the same time, the consumption of secondary air is 35-55% of the total air supplied to the furnace, i.e., α _W = 0.4-0.5. In the first and second combustion stages, the exhaust air of the dust systems is supplied, containing up to 15% fine dust carried away from the cyclones and having an α _{discharge of} 0.13 0.17. This exhaust air can be supplied through its channels through part of the coal-dust burners (10-15) (10'-15 '), or through part of the highly reactive fuel burners (4-9) (4'-9'). In this example, the exhaust air is fed through 6 nozzles (23-25) (23'-25 ') installed on the slopes 22 and 22' of the cold funnel 2 at an angle of about 50 ^about to the horizontal plane. Moreover, the nozzles (23-25) (23'-25 ') of the exhaust air are placed in vertical planes passing through the axis of the burners 4, 6, 8, 5', 7 ', 9' for highly reactive fuel. The jets of exhaust air, moving obliquely upward, will increase the time of the soaring of large particles of ash falling into the cold funnel 2 from the zone of the II stage of combustion, thereby contributing to the complete burnout of the coke residue in the slag. In the area of the I and II combustion stages, according to studies (from the level of the upper boundary of the cold funnel 2) to the average level of placement of coal-dust burners (10-15) (10'-15 '), 70-90% of coal dust will burn out. The remaining dust will burn out in the III stage of combustion, located between the levels of air nozzles (16-21) (16'-21 ') and pulverized coal burners (10-15) - (10'-15'), due to intensive mixing of the dying torch with tertiary air entering chamber 1 from nozzles (16-21) (16'-21 '). The mixing intensity increases while ensuring high velocities of the tertiary air jets (W _Tr = 40-60 m / s) from nozzles (16-21) (16'-21 ').

При сгорании высокореакционного топлива (газа или мазута) его подают в камеру 1 через соответствующие горелки (4-9) (4'-9') в смеси с первичным воздухом (α_перв= 0,45-0,5). Через пылеугольные горелки (10-15) (10'-15') (свободные от топлива) подают вторичный воздух ( α_втор0,2-0,15), а через сопла (16-21) (16'-21') третичный воздух ( α_трет ≈ 0,35). При необходимости (например, для повышения тепловосприятия пароперегревателя) вместе с вторичным воздухом через пылеугольные горелки (4-9) (4'-9') дополнительно подают газы рециркуляции, а вытесняемый вторичный воздух подают в камеру 1 за счет увеличения α_перв до 0,55-0,65, а α_трет до 0,4. Газы рециркуляции могут быть поданы также наиболее распространенным на практике способом в смеси с первичным воздухом, через горелки для высокореакционного топлива (4-9) (4'-9').When highly reactive fuel (gas or fuel oil) is burned, it is fed into chamber 1 through the corresponding burners (4-9) (4'-9 ') in a mixture with primary air (α _first = 0.45-0.5). Secondary air (α _second 0.2-0.15) is supplied through the coal-dust burners (10-15) (10'-15 ') (free of fuel), and through nozzles (16-21) (16'-21') tertiary air (α _tert ≈ 0.35). If necessary (for example, to increase the heat perception of the superheater) together with the secondary air, recirculation gases are additionally supplied through the pulverized coal burners (4-9) (4'-9 '), and the displaced secondary air is supplied to the chamber 1 by increasing α _first to 0, 55-0.65, and α _tert to 0.4. Recirculation gases can also be supplied in the most common way in practice in a mixture with primary air, through burners for highly reactive fuels (4-9) (4'-9 ').

Трехступенчатый ввод воздуха в процессе горения как пылеугольного, так и высокореакционного топлива с расположением III ступени горения относительно высоко над зоной максимального тепловыделения (пояс размещения горелок (4-9) (4'-9')) обеспечивает низкий уровень выброса NO_x, соответствующий самым жестким международным нормам. Наклон осей сопл (16-21) (16'-21') и пылеугольных горелок (4-9) (4'-9') вниз, двухъярусное движение струй, вытекающих из газомазутных горелок (4-9) (4'-9') при противоположном направлении тангенциальной закрутки факела в центральной зоне камеры соседними парами струй горелок 4-4', 5-5' и т.д. а также встречно-смещенный характер движения струй третичного воздуха создает условия для надежного и экономичного сжигания трех видов топлива в предложенной топке. Для исключения проскока большого количества несгоревшей пыли в холодную воронку доля вторичного воздуха, вытекающего из отключенных по высокореакционному топливу горелок (4-9) (4'-9'), должна быть не менее 35% от всего подаваемого в камеру 1 воздуха. В то же время для сохранения трехступенчатого характера горения угольной пыли доля вторичного воздуха не должна превышать 55%
Как показали расчеты и модельные исследования предложенной комбинированной топки, концентрация оксидов азота на выходе из топки должна составить не более 300, 100 и 185 мг/м³ соответственно при сжигании угля, газа и мазута, что удовлетворяет самым жестким международным нормам. В то же время топка обеспечивает надежное и экономичное сжигание указанных топлив, по крайней мере не уступающее по своим показателям стехиометрическому сжиганию.The three-stage air inlet during combustion of both pulverized coal and highly reactive fuel with the III stage of combustion located relatively high above the zone of maximum heat generation (burner placement belt (4-9) (4'-9 ')) provides a low level of NO _x emission, corresponding to the most strict international standards. Tilting axis of nozzles (16-21) (16'-21 ') and pulverized coal burners (4-9) (4'-9') down, two-tier movement of jets flowing from gas-oil burners (4-9) (4'-9 ') with the opposite direction of the tangential swirl of the torch in the central zone of the chamber by adjacent pairs of burner jets 4-4', 5-5 ', etc. as well as the counter-shifted nature of the movement of jets of tertiary air creates the conditions for reliable and economical combustion of three types of fuel in the proposed furnace. In order to prevent a large amount of unburned dust from slipping into the cold funnel, the proportion of secondary air flowing from burners (4-9) (4'-9 ') turned off by high-reaction fuel should be at least 35% of the total air supplied to chamber 1. At the same time, to maintain the three-stage nature of coal dust combustion, the proportion of secondary air should not exceed 55%
As calculations and model studies of the proposed combined furnace have shown, the concentration of nitrogen oxides at the outlet of the furnace should be no more than 300, 100 and 185 mg / m ^3, respectively, when burning coal, gas and fuel oil, which meets the most stringent international standards. At the same time, the furnace provides reliable and economical combustion of these fuels, at least not inferior in their indicators to stoichiometric combustion.

Claims

1. Combined firebox containing a vertical prismatic combustion chamber, a cold funnel, a pair of highly reactive fuel burners in the lower part of the combustion chamber, as well as pulverized coal burners and air nozzles located in the same vertical planes on opposite walls of the combustion chamber, characterized in that the burners are highly reactive fuels, pulverized coal and air nozzles are located in tiers with the installation of burners for each type of fuel in each tier, and pulverized coal burners are located between the burners E for burning highly reactive fuel and air nozzles inclined downward and the axis of the burner for highly reactive fuels, constituting a pair, are directed tangentially to a notional horizontal surface of the cylinder in the opposite direction of twist adjacent pairs.

2. The furnace according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with nozzles for the exhaust air of dust systems installed in a cold funnel and directed with an inclination upward at an acute angle to the horizontal plane.

3. The method of operation of the combined furnace by supplying the air-fuel mixture respectively to highly reactive fuel burners or pulverized coal burners and air into air nozzles, characterized in that part of the air is supplied through burners disconnected from the fuel.

4. The method according to claim 3, characterized in that when burning coal dust through the burner for highly reactive fuel serves 35 - 55% of all air.

5. The method according to claim 3, characterized in that when burning highly reactive fuel through the pulverized coal burner additionally recirculation gases are supplied.