RU2128807C1

RU2128807C1 - Method of burning fuel

Info

Publication number: RU2128807C1
Application number: RU98101018A
Authority: RU
Inventors: Е.Д. Виноградов; Ю.И. Захаров; А.В. Сударев
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "ЭСТ"
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1999-04-10

Abstract

FIELD: fuel-combustion installations. SUBSTANCE: invention is designed for use on gas-turbine plants and can be applied in power, transport, and chemical machine-building. In a known method, fuel is burned with preliminary dividing air stream into separate jets and feeding fuel into these jets followed by feeding fuel-air jets into axisymmetric half-closed space at an angle to its axis to form, in closed end of half-closed space, toroidal vortex-type flow where stream in axis zone is directed toward closed end of half- closed space. According to invention, fuel is preliminarily mixed with air to form homogeneous mixture with coefficient of air excess α > 1.6 and mixture is then fed in the form of jets into submerged half-closed space. When above-indicated coefficient is superior to 2.4, at least part of fuel is fed into submerged half-closed space with no preliminary mixing with air, and jets are fed from the side of closed end of space into paraxial zone of toroidal vortex-type flow. EFFECT: reduced toxicity of combustion products and extended burning stability range. 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к энергетическому, транспортному и химическому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных установках. The present invention relates to power, transport and chemical engineering and can be used in gas turbine plants.

Известен способ сжигания топлива, заключающийся в том, что в потоке воздуха с помощью плохообтекаемого тела формируют рециркуляционную зону, подают в нее топливо, которое затем сжигают в стабилизированном этой зоной факеле (см., например, А.Лефевр. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. стр.13. рис.1.1,в). A known method of burning fuel is that a recirculation zone is formed in a stream of air using a poorly streamlined body, fuel is fed into it, which is then burned in a torch stabilized by this zone (see, for example, A. Lefebvre. Processes in gas turbine combustion chambers. M .: Mir, 1986, p. 13, fig. 1.1, c).

Недостатком этого способа является низкая интенсивность процесса топлива с воздухом. В результате этого факел имеет большую протяженность и продукты сгорания продолжительное время находятся в зоне высоких температур. Это приводит к повышенной токсичности продуктов сгорания за счет значительной эмиссии оксидов азота. The disadvantage of this method is the low intensity of the fuel process with air. As a result of this, the torch has a large length and the combustion products are in the high temperature zone for a long time. This leads to increased toxicity of combustion products due to the significant emission of nitrogen oxides.

Известен способ сжигания топлива, путем предварительного разделения потока воздуха на отдельные струи и подачи в эти струи топлива, с последующей подачей топливовоздушных струй в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство под углом к его оси с образованием в закрытом конце полуограниченного пространства торообразного вихревого течения, в котором поток в осевой зоне направлен в сторону закрытого конца полуограниченного пространства (см. А. Гунта, Д.Лилли, Н.Сайред. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987, стр.467, рис.6.25.а). A known method of burning fuel by preliminary separation of the air stream into separate jets and supplying fuel to these jets, followed by feeding the air-fuel jets into an axisymmetric semi-limited flooded space at an angle to its axis with the formation in the closed end of the semi-limited space of a toroidal vortex flow, in which the axial zone is directed towards the closed end of the semi-limited space (see A. Gunta, D. Lilly, N. Sayred. Swirling flows. M: Mir, 1987, p. 467, Fig. 6.25.a).

В этом способе стабилизация факела осуществляется с помощью торообразного вихря. Высокотурбулентное торообразное вихревое течение способствует быстрому смешению топлива с воздухом, в результате чего факел укорачивается, уменьшается время пребывания продуктов сгорания в высокотемпературной зоне и снижается эмиссия оксидов азота. Этому способствует и частичное смешение топлива с воздухом при подаче его в струи воздуха перед подачей топливовоздушных струй в полуограниченное затопленное пространство. In this method, torch stabilization is carried out using a toroidal vortex. A highly turbulent toroidal vortex flow promotes rapid mixing of fuel with air, as a result of which the torch is shortened, the residence time of combustion products in the high temperature zone is reduced, and the emission of nitrogen oxides is reduced. This is facilitated by the partial mixing of fuel with air when it is fed into a jet of air before the fuel-air jets are fed into a semi-limited flooded space.

Вместе с тем, поскольку топливо и воздух перед подачей в полуограниченное затопленное пространство, другими словами - в зону горения, перемешаны не полностью, в факеле неизбежно возникают микрозоны со стехиометрическим соотношением топлива и воздуха. Эти микрозоны, как известно, являются основными источниками оксидов азота. Поэтому недостатком этого способа сжигания является повышенная токсичность продуктов сгорания. However, since fuel and air are not completely mixed before being fed into a semi-limited flooded space, in other words, into a combustion zone, microzones with a stoichiometric ratio of fuel and air inevitably arise in a torch. These microzones are known to be the main sources of nitrogen oxides. Therefore, the disadvantage of this combustion method is the increased toxicity of the combustion products.

Вторым недостатком данного способа является узкий диапазон устойчивости горения. Известно, что чем более интенсивно и быстро протекают процессы смешения топлива с воздухом, т.е. чем ближе процесс горения приближается к кинетическому (в отличие от диффузионного горения), тем уже концентрационный диапазон устойчивости горения. Поскольку в данном способе процессы смешения топлива с воздухом весьма интенсивны, диапазон устойчивости горения невелик. The second disadvantage of this method is the narrow range of stability of combustion. It is known that the more intensively and rapidly the processes of mixing fuel with air proceed, i.e. the closer the combustion process approaches kinetic (in contrast to diffusion combustion), the narrower the concentration range of combustion stability. Since in this method the processes of mixing fuel with air are very intense, the range of stability of combustion is small.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ сжигания топлива, является снижение токсичности продуктов сгорания и расширение диапазона устойчивости горения. The task to be solved by the claimed method of burning fuel is to reduce the toxicity of combustion products and expand the range of stability of combustion.

Поставленная задача решена так, что в известном способе сжигания топлива, который заключается в том, что поток воздуха предварительно разделяют на отдельные струи и подают в эти струи топливо, а затем подают топливовоздушные струи в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство под углом к его оси с образованием в закрытом конце полуограниченного пространства торообразного вихревого течения, в котором поток в осевой зоне направлен в сторону закрытого конца полуограниченного пространства, в сторону закрытого конца полуограниченного пространства, согласно настоящему изобретению, перед подачей топливовоздушных струй в полуограниченное затопленное пространство топливо смешивают с воздухом до образования однородной (гомогенной) смеси с коэффициетом избытка воздуха α > 1.6, а при коэффициентах избытка воздуха в этой смеси α > 2.4, по меньшей мере часть топлива направляют в затопленное полуограниченное пространство, минуя его предварительное смешение с воздухом, и подают струями со стороны его закрытого конца в приосевую зону торообразного вихревого течения. The problem is solved so that in the known method of burning fuel, which consists in the fact that the air stream is preliminarily divided into separate jets and fuel is supplied to these jets, and then air-fuel jets are fed into an axisymmetric semi-limited flooded space at an angle to its axis with the formation of the closed end of the semi-limited space of a toroidal vortex flow, in which the flow in the axial zone is directed towards the closed end of the semi-limited space, towards the closed end of the semi-boundary According to the present invention, before the fuel-air jets are fed into the semi-bounded flooded space, the fuel is mixed with air until a homogeneous (homogeneous) mixture is formed with an air excess coefficient α> 1.6, and at least part of the air excess coefficients α> 2.4 the fuel is directed into the flooded semi-limited space, bypassing its preliminary mixing with air, and is fed by jets from the side of its closed end into the axial zone of the toroidal vortex flow.

Известно, что при горении "бедных" (с коэффциентами избытка воздуха α > 1.6) предварительно перемешанных (гомогенных) топливовоздушных смесей температура факела достаточно низка, для того чтобы реакция образования оксидов азота протекала с низкой скоростью и уровень эмиссии NO_x был приемлем для современных газовых турбин. Известно также, что при значительном "обеднении" (α > 2.4) топливовоздушной смеси процесс горения прекращается и может поддерживаться лишь при наличии внешнего высокотемпературного источника тепла.It is known that when burning “poor” (with excess air coefficients α> 1.6) pre-mixed (homogeneous) air-fuel mixtures, the flame temperature is sufficiently low so that the formation of nitrogen oxides proceeds at a low rate and NO _x emission level is acceptable for modern gas turbines. It is also known that with significant "depletion"(α> 2.4) of the air-fuel mixture, the combustion process stops and can only be supported if there is an external high-temperature heat source.

Для достижения желаемого результата - снижение токсичности продуктов сгорания, перед подачей топливовоздушных струй в полуограниченное затопленное пространство топливо смешивают с воздухом до бразования однородной (гомогенной) смеси с коэффициентом избытка воздуха α > 1.6. Однородность (гомогенность) смеси обеспечивает отсутствие в зоне горения высокотемпературных стехиометрических микрозон, являющихся причинами повышенной эмиссии NO_x. Условие α > 1.6 обеспечивает умеренный уровень температур факела, при которых скорость образования оксидов азота невысока. Для достижения другого необходимого результата - расширение диапазона устойчивого горения, при коэффициентах избытка воздуха α > 2.4 по меньшей мере часть топлива, не смешивая его предварительно с воздухом, подают струями в затопленное полуограниченное пространство со стороны его закрытого конца в приосевую зону торообразного вихревого течения.To achieve the desired result — to reduce the toxicity of combustion products, before the fuel-air jets are fed into a semi-limited flooded space, the fuel is mixed with air until a homogeneous (homogeneous) mixture is formed with an air excess coefficient α> 1.6. The homogeneity (homogeneity) of the mixture ensures the absence of high-temperature stoichiometric microzones in the combustion zone, which are the causes of increased NO _x emission. The condition α> 1.6 provides a moderate level of flare temperatures at which the rate of formation of nitrogen oxides is low. To achieve another necessary result - expanding the range of sustainable combustion, with excess air coefficients α> 2.4, at least part of the fuel, without first mixing it with air, is fed by jets into the flooded semi-limited space from its closed end into the axial zone of the toroidal vortex flow.

В приосевой зоне торообразного вихревого течения поток направлен в сторону закрытого конца полуограниченного пространства. При подаче струй топлива, не смешанного предварительно с воздухом, в затопленное ограниченное пространство со стороны его закрытого конца в зоне торообразного вихревого течения поддерживается диффузионный факел, отличающийся очень широким диапазоном устойчивости горения. Он служит тем внешним высокотемпературным источником тепла, который необходим для поддержания горения "бедной" предварительно перемешанной топливовоздушной смеси с α > 2.4. При α < 2.4 подача струй топлива в приосевую зону торообразного течения не имеет смысла, т.к. предварительно подготовленная топливовоздушная смесь при этих условиях устойчиво горит и без внешнего источника тепла, и введение диффузионного факела в качестве такого источника может привести только к увеличению эмиссии оксидов азота. In the axial zone of the toroidal vortex flow, the flow is directed towards the closed end of the semi-limited space. When jets of fuel, not previously mixed with air, are supplied into the flooded limited space from the side of its closed end, a diffusion flame is supported in the torus-like vortex flow zone, which differs in a very wide range of combustion stability. It serves as the external high-temperature heat source, which is necessary for maintaining the combustion of a “poor” premixed air-fuel mixture with α> 2.4. For α <2.4, the supply of fuel jets to the axial zone of the toroidal flow does not make sense, since a pre-prepared air-fuel mixture under these conditions stably burns without an external heat source, and the introduction of a diffusion flame as such a source can only lead to an increase in the emission of nitrogen oxides.

Реализация заявляемого способа поясняется схемой (см. чертеж). The implementation of the proposed method is illustrated in the diagram (see drawing).

Воздушный поток 1 предварительно разделяют на отдельные струи 2 и подают в них топливо 3, которое смешивают с воздухом до образования однородной (гомогенной) смеси с коэффициентом избытка воздуха α > 1.6. Затем струи топливовоздушной смеси 4 подают в осесимметричное полуограниченное затопленное пространство 5 под углом к его оси 6 так, что в закрытом конце полуограниченного пространства генерируется торообразное вихревое течение 7, в котором поток в осевой зоне направлен в сторону закрытого конца 8 полуограниченного пространства. При коэффициентах избытка воздуха топливовоздушной смеси 4 α > 2.4 по меньшей мере часть топлива, не смешивая его предварительно с воздухом, подают струями 9 в затопленное полуограниченное пространство со стороны его закрытого конца в приосевую зону торообразного вихревого течения. The air stream 1 is previously divided into separate jets 2 and fuel 3 is fed into them, which is mixed with air until a homogeneous (homogeneous) mixture is formed with an air excess coefficient α> 1.6. Then the jets of the air-fuel mixture 4 are fed into an axisymmetric semi-limited flooded space 5 at an angle to its axis 6 so that a toroidal vortex flow 7 is generated at the closed end of the semi-limited space, in which the flow in the axial zone is directed towards the closed end 8 of the semi-limited space. When the excess air coefficients of the air-fuel mixture are 4 α> 2.4, at least part of the fuel, without first mixing it with air, is supplied by jets 9 into the flooded semi-limited space from the side of its closed end to the axial zone of the toroidal vortex flow.

Возможность осуществления заявляемого способа не вызывает сомнений, поскольку для этого могут быть использованы широко известные устройства: цилиндрическая жаровая труба, воздухонаправляющие патрубки, смесительные устройства, стандартные топливораздающие насадки и форсунки и т.п. The possibility of implementing the proposed method is not in doubt, since widely known devices can be used for this: cylindrical flame tube, air guide pipes, mixing devices, standard fuel-dispensing nozzles and nozzles, etc.

Claims

A method of burning fuel by preliminary dividing the air stream into separate jets and supplying fuel to these jets, followed by feeding the air-fuel jets into an axisymmetric semi-limited flooded space at an angle to its axis with the formation of a torus-like vortex flow in the closed end of the semi-limited space, in which the flow is in the axial zone directed towards the closed end of the semi-limited space, characterized in that before feeding the fuel-air jets into the semi-limited flooded space, the fuel is mixed with air until a homogeneous (homogeneous) mixture is formed with an air excess coefficient α> 1.6, and with air excess coefficients α> 2.4, at least a portion of the fuel is sent to the flooded semi-limited space, bypassing it preliminary mixing with air, and served by jets from the side of its closed end into the axial zone of the toroidal vortex flow.