RU2054141C1

RU2054141C1 - Gaseous fuel combustion method

Info

Publication number: RU2054141C1
Authority: RU
Inventors: Карл Ефимович Зегер; Владимир Владимирович Жабо; Владлен Романович Котлер
Original assignee: Карл Ефимович Зегер; Владимир Владимирович Жабо; Владлен Романович Котлер
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1996-02-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: 0.15 to 0.50% of gas to be burned is extracted prior to combustion, converted in presence of water vapor and/or carbon dioxide, products of conversion are cooled down to temperature not exceeding 600 C, and introduced in flame or in zone behind flame. EFFECT: facilitated fuel combustion process. 2 cl

Description

Изобретение относится к сжиганию газа в теплоиспользующих установках, к которым относятся паровые котлы, технологические и нагревательные печи, а также газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания. Изобретение может быть применено в энергетике, металлургии, химической и нефтехимической промышленности, а также при эксплуатации стационарных газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания. Одна из наиболее важных и технически трудных проблем, возникающих при сжигании газа, состоит в необходимости снижения содержания в продуктах его сгорания окислов азота. The invention relates to the combustion of gas in heat-using plants, which include steam boilers, process and heating furnaces, as well as gas turbine plants and internal combustion engines. The invention can be applied in the energy, metallurgy, chemical and petrochemical industries, as well as in the operation of stationary gas turbines and internal combustion engines. One of the most important and technically difficult problems arising from the combustion of gas is the need to reduce the content of nitrogen oxides in the products of its combustion.

Известны способы подавления образования окислов азота при сжигании газа, основанные на рециркуляции продуктов сгорания в горелку и ступенчатой подаче в нее воздуха. Known methods of suppressing the formation of nitrogen oxides during gas combustion, based on the recirculation of combustion products into the burner and the stepwise supply of air to it.

Недостаток этих способов в ограниченности получаемого эффекта, а также в значительном усложнении горелок и системы управления ими. The disadvantage of these methods is the limited effect obtained, as well as the significant complication of the burners and their control systems.

Известен способ и устройство для снижения образования окислов азота в процессе горения газа путем снижения температуры факела за счет размещения в нем теплоизлучающих конструктивных элементов. A known method and device for reducing the formation of nitrogen oxides in the process of burning gas by reducing the temperature of the flame by placing heat-emitting structural elements in it.

Недостаток этих способов в ненадежности теплоизлучающих элементов, особенно при увеличении мощности горелок, невозможности управлять их теплоизлучением при переменном режиме работы горелки, а также в необходимости их изготовления из особо жаропрочных материалов. Цель изобретения состоит в снижении токсичности продуктов сгорания путем подавления образования окислов азота при сжигании газа. The disadvantage of these methods is the unreliability of heat-emitting elements, especially when increasing the power of the burners, the inability to control their heat radiation with a variable mode of operation of the burner, as well as the need for their manufacture from particularly heat-resistant materials. The purpose of the invention is to reduce the toxicity of combustion products by suppressing the formation of nitrogen oxides during gas combustion.

Указанная цель достигается тем, что от газа перед сжиганием отбирают его часть, составляющую от 0,15 до 0,5% от общего количества, конвертируют эту часть газа в присутствии водяного пара и/или углекислоты, направляют образующиеся при этом продукты конверсии в газовый факел и/или зафакельную зону. This goal is achieved by the fact that before part of the gas a part of it is taken from 0.15 to 0.5% of the total amount, this part of the gas is converted in the presence of water vapor and / or carbon dioxide, and the resulting products of conversion are sent to the gas torch and / or flare zone.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью изобретения заключается в том, что:
перед сжиганием газа отбирают его часть, составляющую от 0,15 до 0,5% общего количества, конвертируют эту часть газа в присутствии водяного пара и/или углекислоты. При этом происходит нижеописанный комплекс химических реакций, приводящих к образованию высокодисперсной газовой сажи, окиси углерода и водорода;
охлаждают продукты конверсии до температуры, не превышающей 600^оС.The causal relationship between the hallmarks and the purpose of the invention is that:
before burning the gas, a part of it, constituting from 0.15 to 0.5% of the total amount, is taken, this part of the gas is converted in the presence of water vapor and / or carbon dioxide. When this occurs, the following complex of chemical reactions leading to the formation of highly dispersed carbon black, carbon monoxide and hydrogen;
conversion products is cooled to a temperature not exceeding 600 ° ^C.

Тем самым обеспечивается существование сажи в течение некоторого времени после ее ввода в газовый факел в составе продуктов конверсии, что позволяет ей выполнять в факеле и за ним функции теплоизлучающего тела до того, как она сгорит. This ensures the existence of soot for some time after it is introduced into the gas torch as part of the conversion products, which allows it to perform the functions of a heat-emitting body in the torch and behind it before it burns.

Охлаждение продуктов сгорания облегчает, кроме того, задачу их транспортирования к месту ввода в факел и/или зафакельную зону;
вводят образующиеся при этом продукты конверсии в газовый факел и/или зафакельную зону. При этом сажа, содержащаяся в продуктах конверсии, разогревается и начинает излучать, благодаря чему снижается температура факела и замедляется образование окислов азота;
ранее образовавшиеся окислы азота частично восстанавливаются окисью углерода и водородом, содержащимся в продуктах конверсии, что также способствует снижению токсичности продуктов сгорания.The cooling of the combustion products facilitates, in addition, the task of transporting them to the place of entry into the torch and / or flare zone;
the resulting conversion products are introduced into the gas flare and / or flare zone. At the same time, the soot contained in the conversion products is heated and begins to radiate, due to which the plume temperature decreases and the formation of nitrogen oxides slows down;
previously formed nitrogen oxides are partially reduced by carbon monoxide and hydrogen contained in the conversion products, which also helps to reduce the toxicity of combustion products.

Отличительные признаки изобретения состоят в следующем:
от газа перед сжиганием отбирают его часть, составляющую от 0,15 до 0,5% общего количества, конвертируют эту часть газа в присутствии водяного пара и/или углекислоты;
охлаждают продукты конверсии до температуры, не превышающей 600^оС;
вводят образующиеся при этом продукты конверсии в газовой факел и/или зафакельную зону.Distinctive features of the invention are as follows:
part of the gas is taken from the gas before combustion, constituting from 0.15 to 0.5% of the total amount, this part of the gas is converted in the presence of water vapor and / or carbon dioxide;
conversion products is cooled to a temperature not exceeding 600 ^C;
the resulting conversion products are introduced into the gas flare and / or flare zone.

Достижение цели изобретения при использовании способа обеспечивается сочетанием указанных отличительных признаков с упомянутыми выше известными признаками по прототипу. Achieving the objective of the invention when using the method is achieved by combining these distinctive features with the aforementioned known features of the prototype.

Отбор части газа от его основного потока перед сжиганием применяется при многоступенчатом сжигании газа, например, в нагревательных печах. Охлаждение продуктов конверсии газа применяется при получении синтез-газа в химической промышленности, например, в пpоизводстве аммиака и метанола. Ввод продуктов конверсии газа в газовый факел и/или зафакельную зону при сжигании газа по нашим сведениям в промышленности не применяется. The selection of part of the gas from its main stream before combustion is used for multi-stage gas combustion, for example, in heating furnaces. The cooling of gas conversion products is used in the production of synthesis gas in the chemical industry, for example, in the production of ammonia and methanol. According to our information, the introduction of gas conversion products into the gas flare and / or flare zone during gas combustion is not used in industry.

На фиг. 1 представлена принципиальная технологическая схема реализации способа сжигания газа, согласно изобретению; на фиг. 2 вариант реализации способа при вводе продуктов конверсии в факел и зафакельную зону. In FIG. 1 is a schematic flow diagram of a method for burning gas, according to the invention; in FIG. 2 embodiment of the method when introducing conversion products into the flare and flare zone.

Подписи к фиг. 1. Captions to FIG. 1.

Принципиальная технологическая схема реализации способа содержит теплоиспользующую установку 1; делитель газа 2, эксгаустер 3 конвертируемого газа, смеситель 4 конвертируемого газа с водяным паром и/или углекислотой, конвертор 5 газа, охладитель 6 продуктов конверсии, форму 7 для ввода продуктов конверсии, газовую 8 горелку, дымосос 9, дымовую трубу 10. Schematic diagram of the implementation of the method contains a heat-using installation 1; gas divider 2, convertible gas exhauster 3, convertible gas mixer 4 with water vapor and / or carbon dioxide, gas converter 5, cooler 6 conversion products, form 7 for introducing conversion products, gas 8 burner, smoke exhauster 9, chimney 10.

На схеме показаны технологические потоки, где I. Исходный газ, II. Газ на конверсию, III. Водяной пар и/или углекислота на конверсию, IV. Воздух (кислород) на конверсию, V. Продукты конверсии, VI. Воздух на горение, VII. Дымовые газы. The diagram shows the process flows, where I. Source gas, II. Gas for conversion, III. Water vapor and / or carbon dioxide conversion, IV. Air (oxygen) per conversion, V. Conversion products, VI. Combustion Air, VII. Flue gas.

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

От газа с помощью делителя 2 отбирают от 0,15 до 0,5% его общего количества, которое с помощью эксгаустера 3 направляют в конвертор газа 5 через смеситель 4, где к газу добавляется воздух (кислород) и водяной пар или углекислый газ. From the gas using a divider 2, 0.15 to 0.5% of its total amount is taken, which is sent using the exhauster 3 to the gas converter 5 through the mixer 4, where air (oxygen) and water vapor or carbon dioxide are added to the gas.

В конверторе 5 газ конвертируют, причем происходят следующие реакции (на примере метана):
CH₄-Q

C +2H₂
CH₄+H₂O

CO+3H₂-Q₁
CH₄+CO

2CO+3H₂-Q₂
CH₄+1/2O

CO+2H₂+Q₃
CO+H₂O

CO₂+H₂+Q₄
Для конвертирования газа может быть использован высокотемпературный или каталитический конвертор
охлаждают продукты конверсии в охладителе 6 до температуры, не превышающей 600^оС. Тем самым прекращают взаимодействия между компонентами реакционной системы, что позволяет сохранить содержащуюся в них сажу, и обеспечивают возможность транспортирования продуктов конверсии к теплоиспользующей установке. В частном случае охладитель 6 может быть использован для подогрева поступающего на конверсию газа;
вводят образующиеся продукты конверсии в факел и/или зафакельную зону, причем происходят следующие реакции;
2CO+2NO __→ 2CO₂+N₂
2H₂+2NO __→ 2H₂O+N₂ и побочные реакции
CO+(1/2)O₂__→ CO₂
H₂+1/2O₂__→ H₂O
Cажа, содержащаяся в продуктах конверсии, водимых в факел и/или зафакельную зону, сгорает при этом по реакции
C+O₂__→ CO₂
Сгорание высокодисперсной сажи, содержащейся в продуктах конверсии, после их ввода в факел и/или зафакельную зону протекает достаточно медленно из-за дефицита кислорода в зоне ее ввода, причем ее воспламенение происходит при температуре, превышающей 800^оС. Тем самым обеспечивается возможность ее использования в качестве излучательного материала.In the converter 5, the gas is converted, and the following reactions occur (for example, methane):
CH ₄ -Q

C + 2H ₂
CH ₄ + H ₂ O

CO + 3H ₂ -Q ₁
CH ₄ + CO

2CO + 3H ₂ -Q ₂
CH ₄ + 1 / 2O

CO + 2H ₂ + Q ₃
CO + H ₂ O

CO ₂ + H ₂ + Q ₄
For gas conversion, a high temperature or catalytic converter can be used.
Conversion products are cooled in the cooler 6 to a temperature not exceeding 600 ^° C thereby stop the interaction between the components of the reaction system, which allows to keep the soot contained therein, and allow the transport of the conversion products to a heat setting. In the particular case, cooler 6 can be used to heat the gas entering the conversion;
the resulting conversion products are introduced into the flare and / or flare zone, and the following reactions occur;
2CO + 2NO __ → 2CO ₂ + N ₂
2H ₂ + 2NO __ → 2H ₂ O + N ₂ and adverse reactions
CO + (1/2) O ₂ __ → CO ₂
H ₂ + 1 / 2O ₂ __ → H ₂ O
Soot contained in the conversion products introduced into the flare and / or flare zone, burns out by the reaction
C + O ₂ __ → CO ₂
The combustion of finely divided carbon black contained in the conversion products, after their entry in the torch and / or zafakelnuyu zone sufficiently slowly proceeds due to oxygen deficiency in the region of its input, and its ignition occurs at a temperature exceeding 800 ° ^C. This provides the possibility of its use as a radiative material.

Количество сажи в вводимых продуктах конверсии, а вместе с тем и количество излучаемого ею тепла может регулироваться количеством отбираемого газа и воздействием на процесс его конверсии. Подобное регулирование может выполняться автоматически в зависимости от токсичности выбрасываемого газа. The amount of soot in the introduced conversion products, and at the same time the amount of heat emitted by it, can be controlled by the amount of gas taken and the effect on its conversion. Such regulation can be carried out automatically depending on the toxicity of the emitted gas.

В соответствии с реакциями 6, 7 происходит восстановление ранее образовавшихся окислов азота, содержащихся в продуктах сгорания, до азота и тем самым достигается цель изобретения, состоящая в снижении токсичности продуктов сгорания. In accordance with reactions 6, 7, the previously formed nitrogen oxides contained in the combustion products are reduced to nitrogen, and thereby the object of the invention is achieved, which is to reduce the toxicity of the combustion products.

Что же касается побочных реакций 8 и 9, то они могут быть сведены к минимуму при сжигании газа с пониженными избытками воздуха, например, в газоплотных топочных устройствах. As for the side reactions 8 and 9, they can be minimized by burning gas with reduced excess air, for example, in gas-tight combustion devices.

Предпочтителен ввод продуктов конверсии газа в факел, однако в тех случаях, когда надлежащее перемешивание продуктов конверсии газа с продуктами его сгорания в факеле затруднительно, причем имеют место "обратные вихри", часть или все продукты конверсии газа могут вводиться в зафакельную зону так, чтобы они доставлялись к корню факела с "обратными" вихрями. It is preferable to introduce the gas conversion products into the flare, however, in cases where proper mixing of the gas conversion products with its combustion products in the flare is difficult, and there are "reverse vortices", part or all of the gas conversion products can be introduced into the flare zone so that they delivered to the root of the torch with "reverse" vortices.

Ниже приводятся примеры реализации способа, согласно изобретению. The following are examples of the implementation of the method according to the invention.

П р и м е р 1 (по прототипу). На котле БКЗ-420-140ГМ производительностью 420 т пара/час сжигается газ, содержащий 95% метана, 0,7% этана, 0,4% пропара, 0,2% бутана и 2% азота. Газ имеет теплоту сгорания 8400 ккал/м³ и сжигается в количестве 3010³ м³/час при избытке воздуха за топкой 1,05. Горелки снабжены теплоизлучательными экранами. В продуктах сгорания содержится 0,7 г/м³ окислов азота.PRI me R 1 (prototype). At a BKZ-420-140GM boiler, with a capacity of 420 tons of steam / hour, gas containing 95% methane, 0.7% ethane, 0.4% steamed, 0.2% butane and 2% nitrogen is burned. The gas has a calorific value of 8400 kcal / m ³ and is burned in an amount of 3,010 ³ m ³ / h with an excess of air behind the furnace of 1.05. The burners are equipped with heat-shielding screens. The combustion products contain 0.7 g / m ³ nitrogen oxides.

П р и м е р 2. На котле БКЗ-420-140ГМ сжигается газ по примеру 1, причем от газа отделяют 0,5% из которых 0,3% конвертируют в выносном конверторе, а 0,2% расходуют на обогрев конвертора. Полученные продукты конверсии охлаждают до 600^оС, распределяют по горелкам котла и вводят через специальные сопла в факел и зафакельную зону. При этом содержание окислов азота в продуктах сгорания снижается до 0,2 г/м³, т.е. на 71% содержание окиси углерода не превышает 0,05 г/м³, а мехнедожог отсутствует.PRI me R 2. At the boiler BKZ-420-140GM gas is burned according to example 1, with 0.5% of which is separated from gas from which 0.3% is converted in a remote converter, and 0.2% is spent on heating the converter. The obtained conversion product is cooled to 600 ^{° C,} partitioned by the burners of the boiler and is introduced through a special nozzle in the torch and zafakelnuyu zone. In this case, the content of nitrogen oxides in the combustion products decreases to 0.2 g / m ³ , i.e. by 71%, the carbon monoxide content does not exceed 0.05 g / m ³ , and there is no mechanical burnout.

П р и м е р 3. На котле БКЗ-420-140 ГМ по примеру 1, работающем при избытке воздуха за топкой 1,02, отделяют и направляют на конверсию 0,32% газа, причем конвертируется в присутствии водяного пара и углекислоты 0,19% газа, а на обогрев конвертора расходуется 0,13% отобранного газа. Полученные продукты конверсии охлаждают до 500^оС и вводят в зафакельную зону за каждой из горелок. При этом содержание окислов азота в продуктах сгорания снижается до 0,18 г/м³, т. е. на 74,2% содержание окиси углерода в дымовых газах не превышает 0,03 г/м³, мехнедожог отсутствует.PRI me R 3. On the boiler BKZ-420-140 GM according to example 1, operating with an excess of air behind the furnace 1.02, is separated and sent to the conversion of 0.32% of the gas, and is converted in the presence of water vapor and carbon dioxide 0 , 19% of the gas, and 0.13% of the sampled gas is consumed for heating the converter. The obtained conversion product is cooled to 500 ^{° C} and injected into zone zafakelnuyu for each burner. At the same time, the content of nitrogen oxides in the combustion products decreases to 0.18 g / m ³ , i.e., by 74.2%, the content of carbon monoxide in flue gases does not exceed 0.03 g / m ³ , there is no mechanical burnout.

П р и м е р 4. На котле БКЗ-420-140ГМ, оснащенном встроенным в высокотемпературный газоход конвертором газа, отбирается и конвертируется 0,15% газа. Полученные продукты конверсии охлаждают до 350^оС и вводят с помощью специальных сопел в факел за каждой из горелок. При этом содержание окислов азота в продуктах сгорания снижается до 0,16 г/м³, т.е. на 77% содержание окиси углерода в продуктах сгорания не превышает 0,02 г/м³, мехнедожог отсутствует.PRI me R 4. On the boiler BKZ-420-140GM, equipped with a gas converter integrated in a high temperature gas duct, 0.15% of the gas is taken and converted. The obtained conversion products are cooled to 350 ^° C and introduced using special nozzles into the torch behind each of the burners. In this case, the content of nitrogen oxides in the combustion products decreases to 0.16 g / m ³ , i.e. by 77% the content of carbon monoxide in the products of combustion does not exceed 0.02 g / m ³ , there is no mechanical burnout.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет:
углубить степень очистки продуктов сгорания от окислов азота, довести ее до 71-77%
упростить конструкцию горелок, отказавшись от необходимости их оснащения теплоизлучающими элементами;
оптимизировать режим очистки продуктов сгорания от окислов азота, управляя отбором газа на конверсию с учетом остаточного содержания окислов азота и окиси углерода в выбрасываемых в атмосферу продуктах сгорания.The proposed method in comparison with the prototype allows you to:
to deepen the degree of purification of combustion products from nitrogen oxides, bring it to 71-77%
simplify the design of the burners, abandoning the need to equip them with heat-radiating elements;
to optimize the regime of purification of combustion products from nitrogen oxides by controlling the selection of gas for conversion, taking into account the residual content of nitrogen oxides and carbon monoxide in the products of combustion emitted into the atmosphere.

Таким образом достигается цель изобретения, состоящая в снижении токсичности продуктов сгорания. Thus, the objective of the invention is achieved, which is to reduce the toxicity of combustion products.

Положительный эффект от внедрения предлагаемого способа состоит в том, что он
обеспечивает очистку продуктов сгорания от окислов азота независимо от конструкции применяемых горелок;
позволяет использовать в качестве исходного реагента, восстанавливающего окислы азота, сжигаемый газ;
дает возможность стабилизировать уровень очистки продуктов сгорания от окислов азота во всем диапазоне нагрузок теплоиспользующей установки.The positive effect of the implementation of the proposed method is that it
provides purification of combustion products from nitrogen oxides, regardless of the design of the burners used;
allows to use combustible gas as an initial reagent, reducing nitrogen oxides;
makes it possible to stabilize the level of purification of combustion products from nitrogen oxides in the entire load range of the heat-using installation.

Claims

METHOD FOR GAS FUEL COMBUSTION by supplying fuel and air to the combustion zone, preliminary removal of part of the fuel, its processing and subsequent introduction into the combustion zone, characterized in that, in order to reduce the content of harmful impurities in the combustion products, the treatment of the previously allocated part of the fuel is carried out by conversion to the presence of water vapor and / or carbon dioxide, followed by cooling of the conversion products, while the amount of spent fuel is 0.15 - 0.5% of its total amount, and the temperature of the conversion products is cooling follows maintained at 350 - 600 ^o C.