СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В КОТЛЕ, РАБОТАЮЩЕМ НА РАСПЫЛЕННОМ УГЛЕ, В КОТОРОМ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ГОРЕЛКИ ТИПА ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF REDUCTION OF NITROGEN OXIDES IN THE BOILER WORKING WITH DISPENCED CARBON WHERE INTERNAL COMBUSTION TYPE BURNERS ARE USED

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу снижения оксидов азота путем сжигания и, более конкретно, к способу снижения оксидов азота путем сжигания в работающем на распыленном угле котле, в котором используются горелки типа внутреннего сгорания.
Уровень техники
2
2
2
3
2
4
2
5
Оксиды азота (в основном включают NO, NO, NO, NO, NO, NO и.т.д. при общем обозначении NOx) серьезным образом угрожают жизненному пространству человеческих существ и животных существ как таковому, с одной стороны, NOx являются главным фактором возникновения кислотных дождей; с другой стороны, в определенных условиях NOx могут образовывать фотохимический смог с углеводородами, в результате чего происходит ухудшение окружающей атмосферы, наносится серьезный вред человеческим существам и ухудшается среда, от которой зависят человеческие существа. При быстром развитии промышленности в нашей стране люди все больше и больше обращают внимание на проблему загрязнения окислами азота.
Одним из основных источников выбросов NOx являются работающие на угле котлы-утилизаторы. По данным статистики в 2002 году количество выбросов оксидов азота в нашей стране составило приблизительно 11,77 миллионов тонн, из которых 63% выбросов имели источником сжигание угля. Таким образом, чтобы защитить окружающую среду, необходимо снижать количество выбросов NOx из котлов-утилизаторов.
Способ снижения загрязнений от выбросов NOx из котлов-утилизаторов делится на два класса: способ, сжигания в печи с низким NOx (ингибирование генерирования NOx в печи) и способ денитрификации дымового газа (снижение генерируемого NOx в трубопроводе на выходе из котла). Способ денитрификации дымового газа требует больших начальных инвестиций, высоких эксплуатационных расходов и большой занимаемой площади, в результате чего некоторые работающие установки не способны обеспечить потребностей в пространстве. По этой причине в настоящее время в нашей стране для уменьшения выбросов оксидов азота в основном используют способ сжигания в печи с низким NOx.
2
NOx, генерируемые работающим на угле котлом, в основном являются топливными NOx, генерируемыми из элемента N в распыленном угле (примерно 75-90%), и термическими NOx, генерируемыми реакцией N воздуха, обусловленной высокотемпературным горением (примерно 10-25%). Основными факторами, влияющими на количество генерируемых при сгорании угля NOx, являются температура горения, коэффициент избытка воздуха, содержание азота в топливе и время пребывания топлива. Отсюда следует, что главными направлениями ограничения генерирования NOx являются: (1) снижение уровня температуры горения для защиты от возникновения локальной высокотемпературной зоны; (2) снижение концентрации кислорода в первичной зоне сгорания, благодаря чему горение будет протекать в условиях, отклоняющихся от теоретического количества воздуха для горения; и (3) правильная организация воздушного потока для горения, в результате чего NOx в пламени окажутся снижены.
Конструируемые существующими котлостроительными заводами горелки для распыленного угля, как правило, относятся к типу наружного сжигания. В процессе нормальной работы в печи достигается температура воспламенения распыленного угля и распыленный уголь, непосредственно впрыскиваемый в печь через горелку, воспламеняется и постепенно сгорает под воздействием конвекционного тепла обтекающего его высокотемпературного дымового газа и радиационного тепла пламени в печи и сгорает в верхней секции печи. Когда котел работает в обычном режиме сгорания, чтобы достичь воспламенения и устойчивого горения, в первичной зоне сгорания котла должны быть обеспечены очень высокая температура и очень высокая концентрация кислорода, в результате чего количество генерируемых в первичной зоне сгорания NOx очень велико.
В настоящее время способы сжигания с низким NOx, используемые для котла-утилизатора, являются следующими: способ ступенчатого сгорания в отношении воздуха, способ ступенчатого сгорания в отношении топлива, способ сгорания, интенсифицируемый предварительным воспламенением и повторным сгоранием, и т.д. Однако при применении указанных способов для котла с установленными на нем горелками традиционного типа наружного сгорания следует предусматривать распределение воздуха после впрыскивания распыленного угля в печь, чтобы обеспечить требования для воспламенения, стабилизированного сгорания и дожигания распыленного угля, и чтобы реакция горения не могла отклоняться в процессе работы от стехиометрического соотношения, в результате чего степени ступенчатости по топливу и ступенчатости по воздуху будут ограничены и будет также ограничен эффект снижения выброса NOx. Кроме того, применение указанных способов обычно влияет на организацию сгорания в печи и, следовательно, до известной степени влияет на эффективность сгорания котла.
Таким образом, в целях безотлагательного удовлетворения потребности в снижении выбросов NOx необходим способ высокоэффективного сгорания при низком NOx без влияния на устойчивое горение и эффективность сгорания для работающего на угле котла-утилизатора.
Краткое раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является предложение способа снижения оксидов азота в котле, работающем на распыленном угле, путем использования горелок типа внутреннего сгорания для решения технической проблемы сгорания, состоящей в снижении NOx без ухудшения способности к устойчивому горению и эффективности сгорания котла.
Цель настоящего изобретения достигается следующим образом. Способ согласно настоящему изобретению включает в себя: все или часть горелок для распыленного угля, установленные на боковой стенке (стенках) котла работают в режиме внутреннего сгорания, т.е. в процессе всей работы котла источники воспламенения в горелках типа внутреннего сгорания находятся в рабочем состоянии; в условиях, при которых распыленное угольное топливо уже воспламенилось при впрыскивании из горелок, количество подаваемого в первичную зону сгорания котла вторичного воздуха уменьшается и вследствие этого в первичной зоне сгорания образуется сильно восстанавливающая атмосфера, по причине чего распыленное угольное топливо сгорает в состоянии с высокой температурой и дефицитом кислорода; а оставшийся воздух подается в печь в верхней секции печи котла в виде острого дутья, образуя область сильно окисляющей атмосферы, в результате чего не полностью сгоревший в первичной зоне сгорания котла распыленный уголь интенсивно смешивается в этой области с воздухом и полностью реагирует, обеспечивая необходимость в полном выгорании распыленного угля.
В способе снижения оксидов азота работающего на распыленном угле котла, в котором использованы горелки типа внутреннего сгорания, внутренняя часть каждой из горелок типа внутреннего сгорания разделена на несколько ступеней камер сгорания; для потока первичного воздуха и распыленного угля в горелке осуществляется разделение по типу «плотный/рыхлый», где более плотный распыленный уголь поступает в центральную камеру, а более рыхлый распыленный уголь поступает в остальные камеры сгорания, в результате чего поток воздуха и распыленного угля в центральной камере концентрируется до уровня плотности, подходящей для воспламенения; более плотный распыленный уголь в центральной камере горелки воспламеняется первым с помощью источников воспламенения, после чего оставшийся более рыхлый распыленный уголь воспламеняется за счет тепла, излучаемого при воспламенении и горении воспламененного распыленного угля; при этом распыленный уголь сгорает в горелке ступенчатым образом.
В способе снижения оксидов азота горелок типа внутреннего сгорания работающего на распыленном угле котла для каждой из горелок типа внутреннего сгорания распыленное угольное топливо воспламеняется вначале в центральной камере горелки с помощью источника воспламенения, причем интенсивность воспламенения распыленного угля в горелке может быть отрегулирована путем изменения энергии источника воспламенения, в результате чего достигаются эффекты уменьшения генерирования оксидов азота.
В способе снижения оксидов азота работающего на распыленном угле котла, в котором использованы горелки типа внутреннего сгорания, для каждой из горелок типа внутреннего сгорания в качестве источника воспламенения предусмотрены плазмогенераторы или небольшой маслонагнетатель, а горелки выполнены как прямоточные или вихревые горелки, нагревающие котел тангенциально или с помощью вертикальных экранов.
В способе снижения оксидов азота работающего на распыленном угле котла, в котором использованы горелки типа внутреннего сгорания, для каждой из горелок типа внутреннего сгорания необходимое для сгорания распыленного угля количество кислорода обеспечивается только первичным воздухом в горелке при коэффициенте избытка воздуха ниже 0,4.
В способе снижения оксидов азота работающего на распыленном угле котла, в котором использованы горелки типа внутреннего сгорания, количество вторичного воздуха в первичной зоне сгорания уменьшено. С целью длительного поддержания топлива в состоянии горения при дефиците кислорода коэффициент избыточного воздуха в первичной зоне сгорания поддерживается равным примерно 0,85, когда в котле используются горелки плазменного зажигания, и коэффициент избыточного воздуха в первичной зоне сгорания поддерживается равным примерно 0,85-0,95, когда в котле используются горелки традиционного типа.
Полезные эффекты настоящего изобретения реализуются в том, что во время работы котла источники воспламенения горелок находятся в рабочем состоянии в течение всего времени, т.е. осуществляется внутреннее сгорание, в результате чего поступающее в печь топливо уже находится в воспламененном состоянии и выходная мощность плазмогенератора или выходная мощность источников воспламенения являются такими, что небольшой маслонагнетатель может быть изменен с целью регулирования уровня воспламенения распыленного угля в горелке. Кислород в горелке поставляется только первичным воздухом, коэффициент избыточного воздуха очень низок и образовавшаяся сильно восстанавливающая среда сгорания может эффективно снижать генерирование NOx. Поскольку после впрыскивания топлива в печь проблема воспламенения оказывается решенной, для обеспечения устойчивого сгорания достаточно лишь определенного количества кислорода, распределение всего количества воздуха в печи может регулироваться в широких пределах, а коэффициент избыточного воздуха в первичной зоне сгорания может быть доведен до очень низкого уровня. Таким образом, внутри горелки в первичной зоне сгорания образуется очень сильно восстанавливающая атмосфера. Это способствует ингибированию генерирования NOx в процессе сгорания распыленного угля. Чтобы обеспечить конечную скорость догорания распыленного угля, оставшийся воздух подается в виде острого дутья с верха печи, в результате чего образуется область сильно окисляющей атмосферы, в которой воздух интенсивно смешивается с распыленным углем, не полностью сгоревшим в первичной зоне сгорания котла, и подвергается достаточно полной реакции, благодаря чему эффективность сгорания в котле не снижается. Таким образом, по всей печи осуществляется глубокая многоступенчатость по воздуху.
2
2
2
2
Распыленный уголь до его поступления в печь может быть воспламенен и сгорать в горелке типа внутреннего сгорания и при этом горелка, обладающая признаками глубокой многоступенчатости по воздуху и многоступенчатости по топливу, заставляет элемент С в топливе начать в значительной степени реагировать в условиях высокой температуры и низкого кислорода до того, как топливо сможет быть смешано с достаточным количеством воздуха, в результате чего главным продуктом является СО. В этой атмосфере элемент N в летучем состоянии обладает тенденцией превращаться в восстанавливающие вещества, такие как HCN, NHi и т.д., что не только снижает генерирование NOx, но также значительно снижает генерируемые NOx в пламени (HCN+NOx→N+HO+CO, NHi+NOx→Н+HO) и, в конце концов, снижает генерирование топливных NOx. Поскольку же коэффициент избыточного воздуха в первичной зоне сгорания очень низок, распыленный уголь сгорает не полностью и температура при этом ограничена, ограничивается и генерирование термических NOx. В зоне выгорания, несмотря на то, что не полностью сгоревшее топливо получает кислород в достаточном для завершения реакции количестве, генерирование NOx невелико благодаря низкой температуре примешиваемого воздуха и, в конечном итоге, общее генерируемое количество NOx эффективно снижается.
Поскольку используется горелка типа внутреннего сгорания и распыленный уголь начинает воспламеняться и реагировать до того, как он поступит в печь, предварительное воспламенение равносильно увеличению объема сгорания печи и создаются благоприятные условия для улучшения выгорания топлива, что устраняет недостатки большей части традиционных способов сгорания при низких NOx, что компенсирует снижение эффективности сгорания в котлах.
Таким образом, настоящее изобретение может эффективно ингибировать генерирование NOx во время сгорания распыленного угля и добиваться пониженных загрязняющих среду выбросов NOx при недопущении снижения эффективности котла. Затраты на выбросы загрязняющих веществ, обусловленных выбросами NOx, можно не только сэкономить для электростанций, получающих в результате этого большие экономические выгоды, но принести при этом большую общественную пользу, обеспечивая высокоэффективную защиту окружающей среды.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематический вид конструкции горелки типа внутреннего сгорания для распыленного угля, в которой в качестве источника воспламенения использован плазмогенератор, согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - вид слева конструкции на фиг.1.
Фиг.3 - схематический вид работающего на распыленном угле котла с расположением горелок на вертикальных экранах, в котором использованы вихревые горелки типа внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению.
Фиг.4 - схематический вид в разрезе горелки для распыленного угля на фиг.3.
Фиг.5 - схематический вид тангенциально нагреваемого работающего на распыленном угле котла, в котором использованы прямоточные горелки типа внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению.
Фиг.6 - схематический вид в разрезе горелки для распыленного угля на фиг.5.
Детальное описание предпочтительного варианта осуществления
Далее описываются конкретные варианты осуществления в соответствии со следующими фигурами.
На фиг.1 приведен схематический вид конструкции горелки типа внутреннего сгорания для распыленного угля, в которой в качестве источника воспламенения использован плазмогенератор, согласно настоящему изобретению. Как следует из фиг.1, внутренняя часть горелки разделена на несколько ступеней, в колене горелки имеется загнутая пластина 8, на загнутой пластине 8 осуществляется разделение потока первичного воздуха и распыленного угля на плотную и рыхлую части за счет различия в инерции между распыленным углем и воздухом. Более плотный распыленный уголь поступает в центральную камеру 5 горелки, а оставшийся более рыхлый распыленный уголь поступает в соответствующие камеры сгорания последовательно ступень за ступенью. После этого распыленный уголь впрыскивается в печь через предназначенное для первичного воздуха и распыленного угля сопло 7 горелки. Распыленный уголь на соответствующих ступенях камер горелки может быть дополнительно сконцентрирован через концентратор 4 распыленного угля, в результате чего воздушный поток распыленного угля уплотняется в центре и разрыхляется в радиальном направлении от центра горелки 2. Таким образом, в горелке 2 создается глубокая многоступенчатость по топливу. Вначале происходит быстрое воспламенение от источника воспламенения плотного распыленного угля в центральной камере, а выделяемое после его воспламенения тепло инициирует ступенчатое воспламенение остального более рыхлого распыленного угля в горелке, в результате чего достигается глубокая многоступенчатость и одновременно осуществляется впрыскивание топлива в печь для сгорания.
Плазмогенератор 1 после запуска генерирует плазменную дугу с высокой температурой и высоким уровнем энтальпии, которая действует на высококонцентрированный распыленный уголь в центральной камере 5 горелки, заставляя частицы распыленного угля быстро разрываться с выделением летучих составляющих и последующим началом воспламенения. Из воспламенившегося распыленного угля в центральной камере 5 выделяется большой объем тепла, а это тепло воспламеняет затем остальной более рыхлый распыленный уголь в горелке 2. Во время этой операции плазмогенератор 1 продолжает оставаться в рабочем состоянии, т.е. обеспечивает воспламенение распыленного угля при его поступлении в центральную камеру 5, причем весь или бóльшая часть распыленного угля уже начали воспламеняться при впрыскивании в печь через сопло 7 горелки. Выходную мощность плазмогенератора 1 можно регулировать: повышая мощность, можно увеличить количество предварительно воспламененного распыленного угля с целью контролирования степени воспламенения распыленного угля в горелке.
Только первичный воздух в горелке обеспечивает количество кислорода, необходимое для сгорания распыленного угля при коэффициенте избытка воздуха ниже 0,4, что значительно ниже концентрации оксидов во время нормального воспламенения распыленного угля и образующаяся сильно восстанавливающая среда может эффективно снижать генерирование NOx. После впрыскивания топлива в печь время смешения распыленного угля с вторичным воздухом благодаря решению проблем с воспламенением и устойчивым горением может необходимым образом растягиваться, позволяя уменьшить количество вторичного воздуха в первичной зоне сгорания и коэффициент избыточного воздуха может поддерживаться равным 0,85 или ниже (коэффициент избыточного воздуха в первичной зоне сгорания при использовании традиционных горелок составляет приблизительно 0,85-0,95), что позволяет сохранять состояние горения при дефиците кислорода в течение продолжительного времени. Таким образом, внутри горелки в первичной зоне сгорания создается сильно восстанавливающая атмосфера, что благоприятным образом влияет на ингибирование генерирования NOx в процессе сгорания распыленного угля.
2
2
2
2
Вариант осуществления 1: фиг.3 и 4 представляют схематический вид конкретного варианта осуществления работающего на распыленном угле котла с расположением горелок на вертикальных экранах, в котором использованы вихревые горелки типа внутреннего сгорания, в которых в качестве источников воспламенения использованы плазмогенераторы. Как следует из фиг.3 и 4, все горелки котла выполнены или модифицированы как горелки типа внутреннего сгорания (21), в которых в качестве источников воспламенения использованы плазмогенераторы. В процессе работы котла, показанные на фиг.1, плазмогенераторы 1 находятся в рабочем состоянии и заставляют распыленный уголь в горелках 21 ступенчато воспламеняться, в то время как сопло 7 горелки для первичного воздуха и распыленного угля соединено с первичной зоной сгорания 22 печи, в результате чего весь или большая часть впрыскиваемого в первичную зону сгорания 22 печи распыленного угля находится в состоянии воспламенения. Количество воздуха, поступающего в первичную зону сгорания 22 из вторичного воздушного сопла 6 горелок, регулируется таким образом, что концентрация кислорода в первичной зоне сгорания 22 снижается и создается сильно восстанавливающая атмосфера, которая способствует ингибированию генерирования NOx. В условиях высокой температуры и дефицита кислорода начинает в значительной степени реагировать элемент С топлива перед тем, как топливо может смешаться с достаточным количеством кислорода, и основным продуктом является СО. В высококонцентрированной атмосфере СО элемент N в летучих составляющих обладает тенденцией превращаться в восстанавливающие вещества, такие как HCN, NHi и т.д., в результате чего не только снижается генерирование NOx, но также значительно снижаются генерируемые в пламени NOx (HCN+NOx→N+HO+CO, NHi+NOx→H+HO) и, в конце концов, снижается генерирование топливных NOx. Поскольку же коэффициент избыточного воздуха в первичной зоне сгорания 22 очень низок, распыленный уголь сгорает не полностью и температура при этом ограничена, ограничивается и генерирование термических NOx.
Остаточный воздух впрыскивается в зону дожигания 24 печи через воздушное сопло 23 острого дутья в верхней секции печи и интенсивно смешивается с не полностью выгоревшим дымовым газом, выходящим из первичной зоны сгорания 22, в результате чего образуется очень сильно окисляющая атмосфера, в которой происходит дожигание частиц распыленного угля в дымовом газе. Поскольку из воздушного сопла 23 для дожигания впрыскивается большое количество низкотемпературного воздуха, температура зоны дожигания 24 печи не очень высока, благодаря чему количество NOx, генерируемого во всем объеме реакции распыленного угля, ограничивается. Таким образом, генерируемое количество NOx снижается без влияния на эффективность котла.
Вариант осуществления 2: фиг.5 и 6 представляют схематические вид конкретного варианта осуществления работающего на распыленном угле котла с тангенциальным расположением горелок, в котором использованы прямоточные горелки типа внутреннего сгорания, в которых в качестве источников воспламенения использованы плазмогенераторы. Как следует из фиг.5 и 6, три верхних яруса четырехъярусных горелок котла выполнены или модифицированы как горелки типа внутреннего сгорания (32), в которых в качестве источников воспламенения использованы плазмогенераторы, в то время как нижний ярус горелок состоит из традиционных прямоточных горелок 31.
Во время работы котла традиционные прямоточные горелки 31 поддерживаются в нормальном рабочем состоянии, и большое количество NOx генерируется внизу первичной зоны сгорания 34 печи. Показанные на фиг.1 плазмогенераторы находятся в рабочем состоянии, инициируя ступенчатое воспламенение распыленного угля в горелке 32. Сопло 7 горелки для первичного воздуха и распыленного угля соединено с первичной зоной сгорания 34 печи, в результате чего весь или большая часть впрыскиваемого в первичную зону сгорания 34 печи распыленного угля находится в состоянии воспламенения. Количество воздуха, поступающего в первичную зону сгорания 34 из вторичного воздушного сопла 6 горелки внутреннего сгорания, регулируется таким образом, что концентрация кислорода в верхнем пространстве первичной зоны сгорания 32 снижается и образуется сильно восстанавливающая атмосфера, которая способствует ингибированию генерирования NOx.
2
2
2
2
В условиях высокой температуры и дефицита кислорода начинает в значительной степени реагировать элемент С топлива перед тем, как топливо может смешаться с достаточным количеством кислорода, и основным продуктом является СО. В высококонцентрированной атмосфере СО элемент N в летучем составляющем обладает тенденцией превращаться в восстанавливающие вещества, такие как HCN, NHi и т.д., в результате чего не только снижается генерирование NOx, но также значительно снижаются NOx, которые образуются в пламени в нижнем пространстве первичной зоны сгорания 34 печи (HCN+NOx→N+HO+CO, NHi+NOx→Н+HO) и, в конце концов, снижает генерирование топливных NOx.
Остаточный воздух впрыскивается в зону дожигания 35 печи через воздушное сопло 33 острого дутья в верхней секции печи и интенсивно смешивается с не полностью выгоревшим дымовым газом, выходящим из первичной зоны сгорания 22, в результате чего образуется очень сильно окисляющая атмосфера, в которой происходит дожигание частиц распыленного угля в дымовом газе. Поскольку из воздушного сопла 23 для дожигания впрыскивается большое количество низкотемпературного воздуха, температура зоны дожигания 35 печи не очень высока, благодаря чему количество NOx, генерируемого во всем объеме реакции распыленного угля, ограничивается и эффективно снижается общее генерируемое количество NOx без влияния на эффективность котла.