RU2093750C1

RU2093750C1 - Method and device for gas combustion

Info

Publication number: RU2093750C1
Application number: RU95103398A
Authority: RU
Inventors: В.В. Шарихин; А.С. Печников; В.В. Степанчук; Ю.В. Гусев; М.С. Габутдинов
Original assignee: Самарский государственный технический университет
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1997-10-20
Also published as: RU95103398A

Abstract

FIELD: petrochemical and petroleum processing industries. SUBSTANCE: during primary mixing, gas (fuel) is admitted in vortex flow to combustion chamber to build up vacuum pressure along burner axis affording entrance of primary air in the amount of 15-20% of quantity required for burning simultaneously with circulating gases in the amount of 10-15% of total quantity emitted during fuel combustion; air and circulating gases are admitted in opposing flows. Fuel-air mixture is ejected from burner nozzle under the action of centrifugal forces together with circulating gases at speed of 40-50 mps perpendicular to secondary air ejected over air duct at speed of 50-10 mps; it is saturated with gas of combustion space in near-wall region with burning temperature being equalized. Gas-burning device has case accommodating swirl mixing chamber terminating in toroidal outlet embrasure with disk-type deflector installed against it, orifice plate, and air duct; orifice-to-sectional-area of primary chamber ratio is 0.25:0.45. EFFECT: reduced emission of pollutants into atmosphere. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания топливного газа в печах с излучающими стенами топки в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. The invention relates to energy and can be used to burn fuel gas in furnaces with radiating walls of the furnace in the petrochemical and oil refining industries.

Известен способ сжигания топлива при смешивании его с частью необходимого для горения воздуха, а остальной воздух на горение подается струями в факел (отдельными порциями), выравнивая теплонапряженность излучающей поверхности [1]
Известен способ сжигания топливного газа в радиационных газовых горелках с двойным подсосом воздуха [2]
К недостаткам данных способов следует отнести сложность технической реализации ступенчатого сжигания топлива, отсутствие рециркуляции дымовых газов в корневую часть факела, малая эффективность снижения окислов азота в дымовых газах.There is a method of burning fuel by mixing it with part of the air necessary for combustion, and the rest of the combustion air is supplied by jets to the torch (in separate portions), aligning the heat intensity of the radiating surface [1]
A known method of burning fuel gas in radiation gas burners with double air intake [2]
The disadvantages of these methods include the complexity of the technical implementation of staged fuel combustion, the lack of flue gas recirculation to the root of the flame, and the low efficiency of reducing nitrogen oxides in flue gases.

Наиболее близким к изобретению является принятый за прототип способ сжигания топлива [3] По этому способу в горелку, содержащую корпус, газовые насадки с патрубками и отверстиями, воздухоподводящую трубу, через патрубок подают газ. Одновременно подают воздух в воздухоподводящую трубу и кольцевой зазор. Зажигают топливную смесь и часть образующихся продуктов сгорания (газы рециркуляции) подают в насадок подачи газов рециркуляции. Газы рециркуляции вводят в газовый поток предварительно перед его смешиванием с воздушным потоком. Closest to the invention is the method of burning fuel adopted as a prototype [3] According to this method, gas is supplied through a nozzle to a burner containing a housing, gas nozzles with nozzles and openings, an air supply pipe. At the same time, air is introduced into the air supply pipe and the annular gap. The fuel mixture is ignited and part of the resulting combustion products (recirculation gases) is fed to the recirculation gas nozzles. The recirculation gases are introduced into the gas stream before it is mixed with the air stream.

Недостатки этого способа следующие:
сложность контроля дозировки газов рециркуляции при отборе и подаче их на перемешивание с газом при работе горелок в широком диапазоне производительности;
наличие большого числа отверстий и патрубков снижает надежность конструкции горелки из-за забивки механическими примесями, окалиной и смолистыми составляющими топлива;
подача дымовых газов с высокой температурой в самостоятельный канал горелки требует использования дорогостоящих легированных сталей;
трудности с регулированием соотношений топливо-воздух-газы рециркуляции приводит к низкой эффективности подавления процессов образования окислов азота.The disadvantages of this method are as follows:
the difficulty of controlling the dosage of recirculation gases during the selection and feeding them for mixing with the gas during operation of the burners in a wide range of performance;
the presence of a large number of holes and nozzles reduces the reliability of the burner design due to clogging with mechanical impurities, scale and tarry components of the fuel;
the supply of high temperature flue gases to an independent burner channel requires the use of expensive alloy steels;
difficulties in regulating the ratio of fuel-air-gas recirculation leads to low efficiency of the suppression of the formation of nitrogen oxides.

Задачей изобретения является снижение образования окислов азота в дымовых газах. The objective of the invention is to reduce the formation of nitrogen oxides in flue gases.

Данная задача достигается тем, что дымовые газы в первичную смесительную камеру вводят одновременно и противоточно первичному воздуху и топливу за счет разрежения в камере, причем соотношение воздух-дымовые газы в первичной камере регулируется, дальнейшее внедрение воздуха в эту смесь происходит в топке печи за счет пересечения воздушного потока из вторичной камеры с газовоздушной смесью, поступающей из первичной камеры. This task is achieved by the fact that flue gases are introduced into the primary mixing chamber at the same time as countercurrent to the primary air and fuel due to rarefaction in the chamber, the air-flue gas ratio in the primary chamber being regulated, and further introduction of air into this mixture occurs in the furnace of the furnace due to the intersection air flow from the secondary chamber with the gas-air mixture coming from the primary chamber.

Сжигание газа осуществляется в газовой горелке [4]
К недостаткам этой горелки относится отсутствие необходимых соотношений размеров между конструктивными элементами, обеспечивающих снижение образования окислов азота в эксплуатационный период.Gas is burned in a gas burner [4]
The disadvantages of this burner include the lack of the necessary size ratios between the structural elements, which ensure the reduction of the formation of nitrogen oxides in the operational period.

Для достижения эффективного снижения окислов азота, отношение площади отверстий в диафрагме к площади сечения первичной смесительной камеры необходимо выполнить в пределах 0,24-0,45. To achieve effective reduction of nitrogen oxides, the ratio of the area of the holes in the diaphragm to the cross-sectional area of the primary mixing chamber must be performed within 0.24-0.45.

На чертеже приведен общий вид горелки для реализации предлагаемого способа сжигания топливного газа. The drawing shows a General view of the burner for implementing the proposed method of burning fuel gas.

Газовая горелка содержит корпус 1, внутри которого расположена смесительная камера 2, заканчивающаяся тороидальной выходной амбразурой 3, против которой соосно установлен дисковый отражатель 4, завихритель с газовыми каналами 5, диафрагму 6 с отверстием для подачи первичного воздуха 7, воздушную трубу 8, образующую вторичную смесительную камеру 9. The gas burner comprises a housing 1, inside of which a mixing chamber 2 is located, ending with a toroidal outlet embrasure 3, against which a disk reflector 4 is coaxially mounted, a swirl with gas channels 5, a diaphragm 6 with an opening for supplying primary air 7, an air pipe 8 forming a secondary mixing camera 9.

Газовая горелка работает следующим образом. Gas burner operates as follows.

Топливный газ поступает в газовые каналы 5 и смесительную камеру 2, закрученный поток топливного газа создает разрежение по оси смесительной камеры, куда подсасываются из окружающей среды воздух и с противоположной стороны дымовые газы из топки печи; топливовоздушная смесь вместе с дымовыми газами поступает на тороидальную амбразуру 3 и разворачивается в плоский диск. При выходе из сопла смесь газов захватывает воздух, поступающий во вторичную смесительную камеру 9 и вместе с ним настилается на кладку печи. С помощью дискового отражателя можно изменять соотношение воздух-дымовые газы в первичной смесительной камере 2. Fuel gas enters the gas channels 5 and the mixing chamber 2, a swirling flow of fuel gas creates a vacuum along the axis of the mixing chamber, where air and flue gases from the furnace are drawn from the environment; the air-fuel mixture together with flue gases enters the toroidal embrasure 3 and turns into a flat disk. When leaving the nozzle, the gas mixture captures the air entering the secondary mixing chamber 9 and with it is laid on the masonry of the furnace. Using a disk reflector, you can change the ratio of air-flue gases in the primary mixing chamber 2.

Известно, что для уменьшения образования окислов азота необходимо снижать температуру в топке, уменьшать концентрацию кислорода в зоне реагирования и сокращать время пребывания газов в зоне высоких температур. It is known that in order to reduce the formation of nitrogen oxides, it is necessary to lower the temperature in the furnace, reduce the oxygen concentration in the reaction zone, and reduce the residence time of gases in the high temperature zone.

С этой целью образование горючей смеси осуществляется в два этапа - первичное смешивание газа, воздуха и дымовых газов в горелке и вторичное смешивание с воздухом и дымовыми газами в топке печи. Роль первичного смешивания трех компонентов является определяющей, поскольку оно обеспечивает необходимое минимальное концентрационное соотношение для обеспечения стабильного горения в топке печи. Подача газов рециркуляции в газовый поток снижает уровень температур, так как зона горения увеличивается в объеме и снижается количество тепла, выделяющееся в единице объема. Уменьшается также и концентрация кислорода в зоне реагирования, так как сама зона увеличивается в размерах за счет дымовых газов. Все это приводит к снижению содержания окислов азота в дымовых газах. For this purpose, the formation of a combustible mixture is carried out in two stages - primary mixing of gas, air and flue gases in the burner and secondary mixing with air and flue gases in the furnace. The role of primary mixing of the three components is crucial, since it provides the necessary minimum concentration ratio to ensure stable combustion in the furnace furnace. The supply of recirculation gases to the gas stream reduces the temperature level, since the combustion zone increases in volume and the amount of heat released per unit volume decreases. The oxygen concentration in the reaction zone also decreases, since the zone itself increases in size due to flue gases. All this leads to a decrease in the content of nitrogen oxides in flue gases.

В нашем случае в первичную смесительную камеру эжектируется из окружающей среды 15-20% от теоретического количества воздуха, необходимого для сжигания топлива; из топки печи в зону разрежения эжектируется 10-15% дымовых газов, образующихся при горении топлива. In our case, 15-20% of the theoretical amount of air required for burning fuel is ejected from the environment into the primary mixing chamber; 10-15% of the flue gases generated by fuel combustion are ejected from the furnace into the rarefaction zone.

Известно, что для устойчивого горения газовоздушной смеси необходимо, чтобы смесь имела определенные концентрационные пределы (так, для метана - 5-15% об. этана 3,2-12,9% об.), то есть для начального горения, например, метана необходимо примерно 7 м³ воздуха на 1 м³ метана. В нашем случае на 1 м³ топлива в первичную камеру эжектируется 2,5-3,5 м³ воздуха, что в 1,5-2 раза меньше нижнего предела загорания топливного газа и это гарантирует безопасную работу горелки, исключая проскок пламени и горение топлиповоздушной смеси в корпусе горелки.It is known that for stable combustion of a gas-air mixture it is necessary that the mixture has certain concentration limits (for example, for methane - 5-15% vol. Ethane 3.2-12.9% vol.), That is, for the initial combustion, for example, methane approximately 7 m ^{3 of} air per 1 m ^{3 of} methane is needed. In our case, 2.5-3.5 m ^{3 of} air is ejected per 1 m ^{3 of} fuel into the primary chamber, which is 1.5-2 times less than the lower limit of fuel gas ignition and this ensures safe operation of the burner, excluding flame penetration and combustion of toplip air mixtures in the burner body.

В то же время наличие первичной смесительной камеры, как показывает опыт эксплуатации заявляемой горелки, обеспечивает снижение образования окислов азота в дымовых газах на 20-30% по сравнению с традиционными инжекционными горелками. At the same time, the presence of the primary mixing chamber, as shown by the operating experience of the inventive burner, provides a reduction in the formation of nitrogen oxides in flue gases by 20-30% compared with traditional injection burners.

Способствует снижению окислов азота также особенность перемешивания газов из первичной смесительной камеры с воздухом, выходящим из воздушной трубы, то есть смешение в самой топочной камере. С тора газовой горелки топливовоздушная смесь с дымовыми газами выходит со скоростью 40-50 м/с, захватывает воздушных поток, выходящий из вторичной камеры со скоростью 5-10 м/с, разворачивается в плоский диск и настилается на кладку печи. По мере удаления топливовоздушной смеси от устья горелки за счет увеличения объема и снижения концентрации кислорода в зоне реагирования, внедрения продуктов сгорания из топки печи происходит снижение максимальной температуры горения, выравнивание ее по кладке печи и, как следствие, снижение образования окислов азота. The feature of mixing gases from the primary mixing chamber with the air leaving the air pipe, that is, mixing in the combustion chamber itself, also contributes to the reduction of nitrogen oxides. From the torch of a gas burner, the air-fuel mixture with flue gases leaves at a speed of 40-50 m / s, captures the air stream leaving the secondary chamber at a speed of 5-10 m / s, unfolds in a flat disk and is laid on the masonry of the furnace. As the air-fuel mixture moves away from the mouth of the burner due to an increase in volume and a decrease in the oxygen concentration in the reaction zone, introduction of combustion products from the furnace, the maximum combustion temperature decreases, its alignment with the laying of the furnace, and, as a result, the formation of nitrogen oxides is reduced.

Описанный выше способ сжигания топливного газа, соблюдение всех необходимых соотношений газ-воздух-дымовой газ и, как следствие, снижение образования окислов азота в дымовых газах, может быть реализован только при условии выполнения геометрических соотношений в конструкции заявляемой горелки, то есть отношение площади отверстия в диафрагме к площади сечения первичной смесительной камеры равно 0,25-0,45. The above-described method of burning fuel gas, observing all the necessary gas-air-flue gas ratios and, as a result, reducing the formation of nitrogen oxides in flue gases, can only be realized provided that the geometric ratios in the design of the inventive burner are fulfilled, i.e., the ratio of the opening area in the diaphragm to the cross-sectional area of the primary mixing chamber is 0.25-0.45.

Заявляемые отношения геометрических размеров элементов газовой горелки объясняются следующим образом. The claimed relationship of the geometric dimensions of the elements of the gas burner are explained as follows.

При отношении более 0,45 резко возрастает эжекция воздуха из окружающей среды в первичную смесительную камеру. Это приводит к росту концентрации кислорода в топливовоздушной смеси; на выходе смеси из сопла горелки из-за ускорения подготовки топливовоздушной смеси происходит уменьшение фронта пламени (горящего диска) на излучающих стенах топки, пламя концентрируется у сопла горелки, резко возрастают температура горения и содержание окислов азота в дымовых газа. Кроме этого, появляется опасность проскока пламени в корпус горелки, так как топливовоздушная смесь приближается к нижнему порогу воспламенения (особенно при малых производительностях по топливному газу), что приводит к обгоранию металла и выходу горелок и строя. With a ratio of more than 0.45, air ejection from the environment into the primary mixing chamber sharply increases. This leads to an increase in the concentration of oxygen in the air-fuel mixture; at the mixture exit from the burner nozzle, due to the acceleration of the preparation of the air-fuel mixture, the flame front (burning disk) on the radiating walls of the furnace decreases, the flame concentrates at the burner nozzle, the combustion temperature and the content of nitrogen oxides in the flue gas increase sharply. In addition, there is a danger of flame penetration into the burner body, since the air-fuel mixture approaches the lower ignition threshold (especially at low fuel gas capacities), which leads to metal burning and burner exit and failure.

При отношении менее 0,25 в первичную смесительную камеру поступает недостаточное количество воздуха, чтобы стабилизировать процесс горения на выходе в топку печи. Загорание топливовоздушной смеси происходит на большом расстоянии от сопла горелки, что сопровождается отрывом пламени или вибрационным горением, нарушается тепловой режим печи. With a ratio of less than 0.25, insufficient air enters the primary mixing chamber to stabilize the combustion process at the outlet of the furnace. The ignition of the air-fuel mixture occurs at a large distance from the nozzle of the burner, which is accompanied by a separation of the flame or vibrational combustion, the thermal regime of the furnace is violated.

Claims

1. A method of burning fuel gas by supplying gas, air and recirculation gases to the combustion zone, the mixing and combustion of the combustible mixture being carried out in two stages: primary in the burner; secondary in the combustion chamber, characterized in that during primary mixing, fuel gas is simultaneously fed into the mixing chamber of the burner with a swirling stream, creating a vacuum along the axis of the burner, ensuring the supply or intake of primary air in the amount of 15 20% of the amount required for combustion and gases recirculation in the amount of 10 to 15% of the total volume of fuel emitted during combustion, and the air and recirculation gases come in counter flows, while under the influence of centrifugal forces the air-fuel mixture with recirculation gases at a speed of 40 to 50 m / s are directed from the burner nozzle perpendicularly to the secondary air ejected through the air pipe at a speed of 5 10 m / s and saturated with the gases of the combustion space in the wall zone with equal combustion temperature.

2. A gas burning device comprising a housing, inside which there is a vortex mixing chamber, ending with a toroidal outlet embrasure, opposite which a disk reflector, a diaphragm and an air pipe are installed, characterized in that the ratio of the area of the hole in the diaphragm to the cross-sectional area of the primary chamber is 0.25 0.45.