Способ снижения выбросов оксидов азота и преобразования горелки в низкотоксичную, устройство для его реализации
METHOD FOR REDUCTION IN NITROGEN OXIDE EMISSION AND CONVERSION OF BURNER INTO LOW-TOXIC ONE, DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к топливосжигающим установкам и может быть использовано для дополнения горелок устройством, обеспечивающим снижение выбросов оксидов азота (NOx).
Известны однопоточные по топливному газу горелки, такие как ГМУ, ГМПВ, и др., которые при обеспечении качество сжигания топлива не обеспечивают низкие выбросы NOx. Самая распространённая в России унифицированная газомазутная горелка типа ГМУ (ОСТ 108.836.05-82 «Горелки газомазутные и амбразуры стационарных паровых котлов»), состоит из форсуночного узла, газовой части и воздухонаправляющего устройства. В форсуночный узел входит паромеханическая форсунка с захлопкой. Газовая часть горелки состоит из кольцевого газового коллектора, газораздающей насадки в виде конуса с отверстиями и газоподводящей трубы. Внутренняя труба газового коллектора является направляющей трубой паромеханической форсунки. Воздухонаправляющее устройство горелки типа ГМУ состоит из воздушного короба и двух лопаточных завихрителей: осевого и тангенциального. Внутри короба имеется перегородка, которая делит поток воздуха на два потока.
Недостатком горелки типа ГМУ является низкая экологическая эффективность сжигания топлива, из-за конструктивных недостатков горелки в способе организации процесса сжигания, при котором весь топливный газ подается в воздушную среду.
Известна прямоточно-вихревая горелка типа ГМПВ (RU 2 137 043 C1, МПК F23D 17/00, опубликован 10.09.1999) которая состоит из воздушного канала, аксиального завихрителя, установленного в воздушном канале, газораздающих трубок, расположенных вокруг завихрителя, и имеющих на выходе насадки с выпускными отверстиями. Горелка обеспечивает выбросы NOx меньше, чем горелка ГМУ, за счет снижения скорости смешения топлива и воздуха на границе прямоточного и закрученного потока воздуха, но в связи подачей всего газа в воздушный поток, выбросы NOx остаются высокими.
Одним из эффективных способов снижения выбросов NOx являются использование принудительной рециркуляции дымовых газов, что обеспечивает снижение температуры факела и снижение концентрации реагирующих веществ, определяющих образование NOx. При этом наиболее эффективным является способ подачи дымовых газов в каналы горелки (SU 1 101 622 A1, МПК F23D 17/00, опубликовано 07.07.1984). Этот способ реализован в горелке котла ТГМП-204, состоящей из двух каналов подачи воздуха (центрального и периферийного), снабжённых тангенциальными регистрам, по периферии расположен канал ввода дымовых газов рециркуляции, в центре грелки установлена мазутная форсунка. Газовая часть горелки состоит из кольцевого газового коллектора, газораздающей насадки в виде конуса с отверстиями и газоподводящей трубы. Внутренняя труба газового коллектора является направляющей трубой паромеханической форсунки (Сторожук Я.П. Испытания котла ТГМП-204 блока 800 МВТ после реконструкции ввода дымовых газов рециркуляции в топку / Я.П. Сторожук, Д.Р. Носулько // Теплоэнергетика. – 1984. – № .5 – С. 13-15.). Эта горелка не смогла достичь хорошего результата по снижению выбросов NOx из-за конструктивных недостатков в способе организации процесса сжигания.
Для успешного подавления NOx необходимо чтоб дымовые газы рециркуляции не балластировали в прикорневой области горелки, а достигали активной зоны горения, в которой происходит основное образование NOx. Основным недостатком такого способа организации горения остается необходимость наличия системы принудительной подачи дымовых газов рециркуляции с дымососом рециркуляции.
Близким к изобретению является способ снижения выбросов NOx, описанный в изобретениях: RU 2689654C2 опубликовано 2019-05-28,  SU 1588987A1 опубликовано 1990-08-03, SU 1695040A1 опубликовано 1991-11-30 , KR 101254928B1 опубликовано 2013-04-19, EP 0893651A1 опубликовано 1999-01-27, US 2012/0186265A1 опубликовано 2012-07-26, WO 01|07833A1 опубликовано 2001-02-01, US 2005/0239005A1 опубликовано 2005-10-27, US 4380429 опубликовано 1998-12-07, EP 2479491A1 опубликовано 2012-07-25, KR 20120070201A опубликовано 2012-06-29, KR 20120074868A опубликовано 2012-07-06, KR 20120082647A опубликовано 2012-07-24, KR 20130061167A опубликовано 2013-06-10, US 5350293 опубликовано 1994-09-27. В некоторых случаях эти изобретения разрабатывались с целью стабилизации режима горения за счет подсоса раскаленных продуктов горения из топки. В этих изобретениях рециркуляция дымовых газов организовывается самими горелками без дополнительных систем подачи дымовых газов, включающих систему дымоходов и дымосос рециркуляции. Дымовые газы эжектируются в зону горения, что обеспечивает сжигание разбавленного топлива и снижение образование NOx. Недостатком способа, используемого в этих изобретениях, является: сложность и дороговизна конструкции горелок, незначительное количество подсасываемых дымовых газов из топки. Дымовые газы эжектируются топливом или воздушным потоком в устье горелки внутри основного воздушного потока, горение происходит в среде воздуха, что в общей сложности снижает эффективность подавления NOx. Рассмотренные изобретения невозможно применить для действующих, установленных в топлвиосжигающей установке горелок.
Более близким к изобретению является группа изобретений в которых используют принцип внутритопочной рециркуляции за счет впрыска топливного газа не в воздушный поток, а снаружи устья горелки: US 5542840A опубликовано 1996-08-06, US 6773256B2 опубликовано 2004-08-10, RU 2426030C2 опубликовано 2011-08-10, US 5275552A опубликовано 1994-01-04, US 20080096146A1 опубликовано 2008-04-24, US 6007325A опубликовано 1999-12-28, US 7670135В1 опубликовано 2010-03-02, US 9593847В1 опубликовано 2017-03-14, US 9593848А1 опубликовано 2015-12-10, US 20150285491A1 опубликовано 2015-10-08, US 6875008 В1 опубликовано 2005-04-05, KR 101213883B1 опубликовано 2012-12-18. В этих изобретениях запатентованы технические решения, при которых топливной газ и/или воздух разбавляются дымовыми газами перед тем, как они смешиваются и вступают в реакцию. Основным условием надежного сжигания топливного газа при применении этой технологии является поддержание температуры в топке топливосжигающей установки выше температуры воспламенения топлива и использование устойчивого стабилизатора пламени, при этом воспламенение и стабилизация горения обеспечивается специальными амбразурами или общей температурой топки. Недостатками этих изобретений является сложность конструкции, необходимость применения специальной амбразуры из жаропрочного бетона и невозможность их применения для действующих, установленных в топлвиосжигающей установке горелок.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является группа изобретений, в которых вся головка горелки (газораздающее устройство с воздушным каналом) выступает в топку: KR 101569455B1 опубликовано 2015-11-16, EP 1980788A1 опубликовано 2008-10-15, US 6071115А опубликовано 2000-06-06, KR 1020170138042 опубликовано 2017-12-14, KR 101822997B1 опубликовано 2018-02-01, JP 6595089B2 опубликовано 2019-10-23, KR 102115576B1 опубликовано 2020-05-27, KR 102143032B1 опубликовано 2020-08-11. В этой группе изобретений эжекция дымовых газов организована газовыми соплами с цилиндрическими насадками, расположенными в топке по наружному периметру воздушного канала горелки. Недостатками этих изобретений является сложность конструкции, необходимость применения специальных жаропрочных сплавов части горелки, выступающей в топку и невозможность их применения для снижения выбросов NOx на действующих, установленных в топлвиосжигающей установке горелок.
Основной целью патентуемого изобретения является снижение выбросов NOx при сжигании топливного газа за счет малозатратной модернизации горелок без изменения элементов топки топливосжигающей установки. Изобретение можно применить для модернизации установленных, действующих горелок в топлвиосжигающей установке. Решение задачи достигается тем, что в горелку встраивается дополнительный периферийный канал топливного газа, который выводит топливный газ в область за пределами воздушного потока по периферии амбразуры, при этом газораздающие трубки устанавливают без изменения элементов топки топливосжигающей установки: устья горелки, амбразуры и экранных труб топки. На газовых соплах могут быть установлены смесители для организации контролируемого качества эжекции. За счет организации внутритопочной рециркуляции дымовых газов, путём эжекции дымовых газов непосредственно из топки струями топливного газа, вытекающими из сопел расположенных в топке за пределами воздушного потока, происходит эффективное подавление NOx в результате снижения температуры факела и концентрации реагирующих веществ.
На фиг. 1 изображен продольный разрез горелки типа ГМУ со встроенным дополнительным периферийным каналом топливного газа (выделен красным цветом). На фиг.2 показан вид из топки на горелки типа ГМУ с патентуемым устройством (вариант) для уменьшения выбросов NOx за счет организации внутритопочной рециркуляции дымовых газов.
В горелку, установленную на топливосжигающей установке или в новую горелку, состоящую из воздушного короба 1, внешней воздушной обечайки 2 и внутренней воздушной обечайки 3, центральной трубы подачи топливного газа 4 с конусным насадком 5 с отверстиями, внутри центральной трубы топливного газа размещен ствол для мазутной форсунки с мазутной форсункой 6, в кольцевой зазор воздушного канала между внешней воздушной обечайкой и внутренней воздушной обечайкой встраивается дополнительный периферийный канал топливного газа. Дополнительный периферийный канал топливного газа состоит из газового коллектора 7, газораздающих трубок 8, выводящих сопла 9 в топку по периметру амбразуры горелки за пределы воздушного потока 10. Вокруг амбразуры могут находится экранные трубы топливосжигающей установки 11.
Аналогичную модернизацию, с установкой дополнительного периферийного канала топливного газа, можно произвести с горелками ГМПВ и с горелками другого типа.
В результате внедрения такого устройства, топливный газ 12, вытекающий из сопел 9, эжектирует дымовые газы 13, разбавляется ими, новое подготовленное топливо 14 достигает воздушный поток 10 и процесс горения происходит с меньшими температурами и концентрациями реагирующих веществ, что обеспечивает снижение образования NOx. На сопла дополнительного периферийного канала топливного газа может быть установлен смеситель 15, который обеспечивает смешение эжектируемых дымовых газов и топливного газа и формирование струи разбавленного топлива.
Центральный канал газа 4 обеспечивает стабильность горения топлива. Диаметр 16, на котором устанавливаются сопла дополнительного периферийного канала топливного газа, определяется аэродинамическими характеристиками воздушного потока и давлением топливного газа.
Предлагаемый способ снижения выбросов NOx осуществляется следующим образом:
розжиг горелки происходит на центральном канале газа, в периферийный канал газ не подается, после набора мощности топливосжигающей установки выше 20% и разогреве топки до достаточных температур для стабильного воспламенения, подают топливный газ в периферийный канал, далее набор мощности горелки происходит за счет увеличения расхода топливного газа через периферийный канал с постоянным или постепенно уменьшаемым расхода топливного газа через центральный канал. При максимальной мощности горелки расход топливного газа через центральный канал может составлять 10% или менее, для обеспечения стабилизации воспламенения. На промежуточных нагрузках соотношение расхода топливного газа между периферийным и центральным каналом зависит от конструкционных особенностей конкретной топки и определяется в период проведения режимно-наладочных испытаний.
Использование предлагаемого способа снижения выбросов NOx обеспечивает, снижение содержания NOx в дымовых газах на 40-70% без снижения технико-экономических характеристик работы топливосжигающей установки и строительства внешней системы подачи дымовых газов рециркуляции.