RU2122684C1 - Method for fossil fuel combustion in combustion chamber of gas-turbine plant or in other fuel- combustion facility - Google Patents

Abstract

FIELD: gas turbine and steam generator manufacture. SUBSTANCE: fuel is pre-mixed with primary air to obtain fuel-air mixture having excess air ratio of 0.75-0.85 at point of efflux to combustion zone in annular mixing chamber accommodating vane swirler. Secondary air is passed to combustion zone in at least one set of jets over periphery of combustion zone; some portion of fuel in the amount of maximum 30% enters combustion zone together with secondary air whose jets are inclined through maximum 60 deg. to combustion zone axis and can be swirled unidirectionally to or opposing angle of swirling relative to both primary and secondary air; in addition, water (steam) is fed to combustion zone together with primary air. EFFECT: reduced pressure drop across burner assembly. 7 cl, 2 dwg

Description

Заявленное изобретение относится к области газотурбостроения, котлостроения, в частности к камерам сгорания газотурбинных установок и топок парогенераторов. The claimed invention relates to the field of gas turbine construction, boiler building, in particular to the combustion chambers of gas turbine plants and furnaces of steam generators.

Известны способы сжигания органического топлива в камерах сгорания газотурбинных установок [1]. Known methods of burning organic fuel in the combustion chambers of gas turbine plants [1].

Недостатком аналога является низкая экологичность процесса сжигания топлива, т. к. в продуктах сгорания имеется большое количество (выше нормы) вредных газообразных примесей, например оксидов азота. The disadvantage of the analogue is the low environmental friendliness of the fuel combustion process, since the combustion products contain a large amount (above the norm) of harmful gaseous impurities, for example, nitrogen oxides.

Известен способ сжигания органического топлива в камере сгорания ГТУ, выбранный в качестве прототипа [2]. A known method of burning organic fuel in the combustion chamber of a gas turbine, selected as a prototype [2].

Недостатком прототипа является большое гидравлическое сопротивление горелочного устройства, плохая регулируемость процесса горения и относительная сложность устройства. The disadvantage of the prototype is the large hydraulic resistance of the burner device, poor controllability of the combustion process and the relative complexity of the device.

Предлагаемый способ сжигания органического топлива в камере сгорания ГТУ или топках парогенераторов решает задачу повышения экологической чистоты получаемых при сгорании органического топлива продуктов сгорания при низких гидравлических сопротивлениях и высокой степени регулируемости тепловой нагрузки. В предлагаемом способе указанные преимущества достигаются путем предварительного перемешивания топлива с первичным воздухом с коэффициентом избытка воздуха 0,75-0,85 перед истечением в зону горения в кольцевой камере смешения с лопаточным завихрителем, а вторичный воздух поступает в зону горения по крайней мере одним рядом струй по периферии зоны горения, при этом часть топлива, в количестве не более 30%, поступает в зону горения с вторичным воздухом, струи которого направлены к оси зоны горения под углом не более 60^o, причем дополнительно осуществляют закрутку струй вторичного воздуха с одинаковым или противоположным направлением закрутки как относительно первичного воздуха, так и вторичного, помимо этого дополнительно осуществляют подачу воды (водяного пара) в зону горения совместно с топливом или отработавшие продукты сгорания совместно с первичным воздухом.The proposed method of burning fossil fuels in a gas turbine combustion chamber or steam generator furnaces solves the problem of increasing the environmental cleanliness of the combustion products obtained by burning fossil fuels at low hydraulic resistance and a high degree of controllability of the heat load. In the proposed method, these advantages are achieved by pre-mixing the fuel with primary air with an excess air coefficient of 0.75-0.85 before flowing into the combustion zone in the annular mixing chamber with a blade swirl, and the secondary air enters the combustion zone with at least one row of jets along the periphery of the combustion zone, while part of the fuel, in an amount of not more than 30%, enters the combustion zone with secondary air, the jets of which are directed to the axis of the combustion zone at an angle of not more than 60 ^o , and additionally They spin the jets of secondary air with the same or opposite direction of swirl relative to the primary and secondary air, in addition, they additionally supply water (water vapor) to the combustion zone together with the fuel or exhaust combustion products together with primary air.

Ступенчатое сжигание топлива является одним из самых перспективных методов снижения образования оксидов азота. Имеются по меньшей мере две зоны горения. В первичную зону горения подается воздух меньше, чем необходимо теоретически α = 0,75-0,85, в результате чего происходит снижение максимальной температуры в зоне факела, снижение содержания кислорода в ядре факела, уменьшение скорости реакции образования оксидов азота. Step-by-step fuel combustion is one of the most promising methods for reducing the formation of nitrogen oxides. There are at least two combustion zones. Air is supplied to the primary combustion zone less than theoretically necessary α = 0.75-0.85, resulting in a decrease in the maximum temperature in the flare zone, a decrease in the oxygen content in the flare core, and a decrease in the rate of formation of nitrogen oxides.

Во вторичной зоне горения оксиды азота практически не образуются из-за разбавления продуктов дожигания топлива продуктами сгорания, поступающими из первичной зоны горения, и процесс дожигания топлива протекает при более низкой температуре. In the secondary combustion zone, nitrogen oxides are practically not formed due to the dilution of the products of the afterburning of the fuel by the combustion products coming from the primary combustion zone, and the process of afterburning of the fuel proceeds at a lower temperature.

Исследования, проведенные в Институте газа АН УССР показали, что для того, чтобы оксиды азота не образовались во вторичной зоне горения, коэффициент избытка воздуха в первичной зоне горения следует выбирать в пределах 0,75-0,85. (см. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. -Л.:Недра, 1988, с. 203-204). Studies conducted at the Gas Institute of the Academy of Sciences of the Ukrainian SSR showed that in order to prevent nitrogen oxides from forming in the secondary combustion zone, the coefficient of excess air in the primary combustion zone should be chosen in the range of 0.75-0.85. (see Sigal I.Ya. Protection of the air basin during fuel combustion. -L.: Nedra, 1988, p. 203-204).

Подача части топлива (до 30%) с вторичным воздухом создает дополнительные условия, приводящие к снижению образования оксидов азота, за счет растягивания процесса сжигания топлива, помимо этого расширяются пределы регулирования процесса сжигания топлива при различных нагрузках работы горелочного устройства
Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что процесс сжигания органического топлива по заявленному способу отличается от известного тем, что смешения топлива с первичным воздухом осуществляется до начала процесса горения (готовится гомогенная горючая смесь), помимо этого часть топлива подается со вторичным воздухом, а также дополнительно осуществляется подача воды (водяного пара) или продуктов сгорания в зону горения, т. е. используются все известные способы для снижения газообразных вредных примесей в продуктах сгорания, осуществляемые при помощи предлагаемого способа в горелочном устройстве.The supply of part of the fuel (up to 30%) with secondary air creates additional conditions that lead to a decrease in the formation of nitrogen oxides due to the stretching of the fuel combustion process, in addition, the limits of regulation of the fuel combustion process under various loads of the burner device expand
A comparative analysis of the claimed solution with the prototype shows that the process of burning fossil fuels according to the claimed method differs from the known one in that the fuel is mixed with primary air before the combustion process begins (a homogeneous combustible mixture is prepared), in addition, part of the fuel is supplied with secondary air, and additionally, water (water vapor) or combustion products are supplied to the combustion zone, i.e., all known methods are used to reduce gaseous harmful impurities in uktah combustion carried out using the method proposed in the burner.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". Comparison of the claimed technical solution with the prototype allows us to establish compliance with its criterion of "novelty." In the study of other well-known technical solutions in this technical field, the features that distinguish the claimed invention from the prototype were not identified and therefore they provide the claimed technical solution with the criterion of "significant differences".

Пример осуществления способа. An example implementation of the method.

На фиг. 1 изображен продольный разрез, а на фиг. 2 - поперечное сечение горелочного устройства, в котором реализуется предлагаемый способ. In FIG. 1 is a longitudinal section, and FIG. 2 is a cross section of a burner device in which the proposed method is implemented.

Горелочное устройство включает корпус 1, кольцевую смесительную камеру 2 с лопаточным завихрителем 3, форсунку 4 жидкого топлива (выполненную аналогично газовой горелке), зону 5 горения, воздуховод 6 первичного воздуха, воздуховод 7 вторичного воздуха, газопроводы 8, газовые коллекторы 9, выходящие газовые сопла 10, трубопровод 11 подачи жидкого топлива или воды, трубопровод 12 подачи первичного (распыливающего) воздуха или водяного пара, газопровод 13 отработавших продуктов сгорания, регулирующую арматуру 14, 15, 16 соответственно первичного, вторичного воздуха и газа, выходные сопла 17 вторичного воздуха. The burner device includes a housing 1, an annular mixing chamber 2 with a blade swirler 3, a liquid fuel nozzle 4 (made similarly to a gas burner), a combustion zone 5, a primary air duct 6, a secondary air duct 7, gas pipelines 8, gas manifolds 9, outgoing gas nozzles 10, a pipeline 11 for supplying liquid fuel or water, a pipeline 12 for supplying primary (atomizing) air or water vapor, a gas line 13 for the exhaust products of combustion, control valves 14, 15, 16, respectively, primary, secondary Foot air and gas, outlet nozzles 17 for secondary air.

Способ осуществляется следующим образом
а) При работе на газообразном топливе.The method is as follows
a) When working on gaseous fuels.

Первичный воздух поступает в корпус 1 горелочного устройства по воздуховоду 6 и далее попадает в кольцевую смесительную камеру 2 с лопаточным завихрителем 3. Primary air enters the housing 1 of the burner device through the duct 6 and then enters the annular mixing chamber 2 with a blade swirler 3.

В кольцевую смесительную камеру 2 подается газообразное топливо, поступающее по газопроводу 8, через газовый коллектор 9 и выходные газовые сопла 10. В лопаточном завихрителе 3 газообразное топливо смешивается с первичным воздухом с коэффициентом избытка воздуха 0,75-0,85 и далее гомогенная газовоздушная смесь выходит в зону 5 горения, где поджигается специальным устройством (не показано). In the annular mixing chamber 2, the gaseous fuel supplied through the gas pipe 8 is supplied through the gas manifold 9 and the outlet gas nozzles 10. In the blade swirler 3, the gaseous fuel is mixed with the primary air with an excess air coefficient of 0.75-0.85 and then a homogeneous air-gas mixture enters the combustion zone 5, where it is ignited by a special device (not shown).

Вторичный воздух по воздуховоду 7 и далее через выходные сопла 17 совместно с топливом в количестве не более 30% также поступает в зону горения 5. Причем вторичный воздух в выходных соплах 17 может закручиваться с направлением угла закрутки одинаковым друг к другу и относительно закрутки первичного воздуха или с противоположным направлением угла закрутки, при этом струи вторичного воздуха подаются в зону горения через выходные сопла 17, имеющие углы наклона к оси горелки, не превышающие 60^o. Таким образом, осуществляется ступенчатое сжигание газообразного топлива, позволяющее снизить концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания более чем в 5 раз, при этом достигается полное сгорание газообразного топлива при коэффициентах избытка окислителя 1,02-1,03.Secondary air through the duct 7 and then through the output nozzles 17 together with the fuel in an amount of not more than 30% also enters the combustion zone 5. Moreover, the secondary air in the output nozzles 17 can swirl with a twist angle identical to each other relative to the swirl of the primary air or with the opposite direction of the swirl angle, while the jet of secondary air is fed into the combustion zone through the outlet nozzle 17 having angles of inclination to the axis of the burner, not exceeding 60 ^o . Thus, step-by-step combustion of gaseous fuels is carried out, which allows reducing the concentration of nitrogen oxides in the combustion products by more than 5 times, while complete combustion of gaseous fuels is achieved at an oxidizer excess ratio of 1.02-1.03.

Для еще большего подавления оксидов азота в зону горения 5 может подаваться вода (водяной пар) через форсунку 4 жидкого топлива вместо него. To further suppress nitrogen oxides, water (water vapor) may be supplied to combustion zone 5 through liquid fuel nozzle 4 instead.

Для снижения концентрации оксидов азота, возможна подача отработавших продуктов сгорания совместно с первичным воздухом в зону горения 5, поступающего по газопроводу 13 в воздуховод 6. To reduce the concentration of nitrogen oxides, it is possible to supply the exhaust products of combustion together with primary air to the combustion zone 5, which enters through the gas pipeline 13 into the air duct 6.

б) При работе на жидком топливе. b) When working on liquid fuel.

Процесс работы осуществляется аналогичным работе на газообразном топливе, только вместо газообразного топлива подается жидкое топливо через форсунку 4, а вода предварительно смешивается с жидким топливом перед поступлением в форсунку 4. The work process is carried out similarly to work on gaseous fuel, only instead of gaseous fuel, liquid fuel is supplied through the nozzle 4, and water is pre-mixed with the liquid fuel before entering the nozzle 4.

Таким образом, осуществляя регулирование подачи первичного, вторичного воздуха, газообразного или жидкого топлива отработавших продуктов сгорания и воды регулирующей арматуры 14, 15, 16, можно добиться эффективного и экологичного сжигания органического топлива. Thus, by regulating the supply of primary, secondary air, gaseous or liquid fuel of the exhaust products of combustion and water control valves 14, 15, 16, it is possible to achieve efficient and environmentally friendly burning of fossil fuels.

Источники информации
1. Газообразные установки. Конструкция и расчет. /Справочное пособие под общ. ред. Л. В. Арсеньева и В.Г.Тырышкина.-Л.: Машиностроение, 1972, с.90, рис. VI.Sources of information
1. Gaseous installations. Design and calculation. / Reference manual under the general. ed. L.V. Arsenyev and V.G. Tyryshkina.-L .: Engineering, 1972, p. 90, Fig. VI.

2. Мурзаков В.В. Основы теории и практики сжигания газа в паровых котлах. -М.: Энергия, 1969, с. 335, рис. 9-14. 2. Murzakov V.V. Fundamentals of the theory and practice of gas combustion in steam boilers. -M.: Energy, 1969, p. 335, fig. 9-14.

Claims (7)

1. Способ сжигания органического топлива в камерах сгорания газотурбинных установок и парогенераторов путем смешения топлива с первичным воздухом в кольцевой камере смешения с лопаточным завихрителем, истечения топливо-воздушной смеси в зону горения и подачи в зону горения вторичного воздуха, получения продуктов сгорания, отличающийся тем, что перед истечением в зону горения в кольцевой камере смешения с лопаточным завихрителем производится перемешивание топлива с первичным воздухом с коэффициентом избытка воздуха 0,75-0,85, а вторичный воздух поступает по крайней мере одним рядом струй по периферии зоны горения. 1. The method of burning fossil fuels in the combustion chambers of gas turbine plants and steam generators by mixing fuel with primary air in an annular mixing chamber with a blade swirler, the expiration of the fuel-air mixture into the combustion zone and supplying secondary air to the combustion zone, obtaining combustion products, characterized in that before flowing into the combustion zone in the annular mixing chamber with a blade swirl, fuel is mixed with primary air with an excess air coefficient of 0.75-0.85, and the secondary air enters at least one row of jets around the periphery of the combustion zone. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть топлива в количестве не более 30% поступает в зону горения со вторичным воздухом. 2. The method according to claim 1, characterized in that part of the fuel in an amount of not more than 30% enters the combustion zone with secondary air. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что струи вторичного воздуха подают в зону горения под углом к ее оси не более 60^o.3. The method according to PP.1 and 2, characterized in that the jet of secondary air is fed into the combustion zone at an angle to its axis of not more than 60 ^o . 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляется закрутка струй вторичного воздуха с одинаковым направлением закрутки друг к другу и по отношению к закрутке первичного воздуха. 4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that it additionally spins the jets of secondary air with the same direction of swirl to each other and relative to the swirl of the primary air. 5. Способ по пп.1 -3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляется закрутка струй вторичного воздуха с противоположным направлением закрутки друг к другу и по отношению к направлению закрутки первичного воздуха. 5. The method according to claims 1 to 3, characterized in that it additionally spins the jets of secondary air with the opposite direction of swirl to each other and with respect to the direction of swirl of the primary air. 6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что в зону горения дополнительно подают воду (водяной пар) совместно с топливом, подаваемым с первичным воздухом. 6. The method according to PP. 1 to 5, characterized in that the combustion zone is additionally supplied with water (water vapor) together with the fuel supplied with the primary air. 7. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что дополнительно подают отработавшие продукты сгорания в зону горения совместно с первичным воздухом. 7. The method according to PP.1 to 5, characterized in that it further serves the exhaust products of combustion in the combustion zone together with the primary air.

Images