RU2143084C1

RU2143084C1 - Method for combined-cycle combustion of natural gas, pulverized coal, and gas products of thermochemical treatment of coal

Info

Publication number: RU2143084C1
Application number: RU99103155A
Authority: RU
Inventors: В.В. Осинцев; Г.Ф. Кузнецов; В.П. Воронин; В.В. Петров; М.П. Сухарев
Original assignee: Южно-Уральский государственный университет; Челябинская теплоэлектроцентраль N 2
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 1999-12-20

Abstract

FIELD: power engineering; thermal power stations. SUBSTANCE: fuel is admitted to vertical tetrahedral prismatic furnace together with primary air portions in amount insufficient for complete fuel combustion through burners installed on one of furnace walls and secondary air portions, through nozzles arranged along its walls. Method involves supply of gas and pulverized fuel mixed up with primary air portions in separate cocurrent flows; gases produced in thermochemical treatment of coal and respective primary air portion are introduced in furnace in separate flows concurrently with streams of gas-air and fuel-air mixtures; separate primary air portion is introduced under and above fuel flows. Gas products are generated, prior to introducing them in furnace, in coal reactors operating as gasifiers of steam-gas-air mixture in swirling flow formed by jets of suspended fuel-air, steam, and stack gases. EFFECT: improved fuel burnout with minimal emission of nitrogen oxides; increased gas output of reactor. 10 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах тепловых электростанций, сжигающих природный газ, угольную пыль и газообразные продукты термохимической переработки угля. The invention relates to energy and can be used in boilers of thermal power plants that burn natural gas, coal dust and gaseous products of thermochemical processing of coal.

Известен способ комбинированного сжигания природного газа и угольной пыли путем подачи в вертикальную четырехгранную топку через установленные на одной из стен горелки потоков топлива с воздухом (см. а.с. СССР N 1163088, МПК(6) F 23 C 1/12 от 04.04.1983 г.; Б.И. N 23, 1985 г.). Способ обеспечивает экономичное сжигание топлива и повышает надежность горелок. Однако при подаче в топку газообразных продуктов термохимической переработки угля, вырабатываемых в угольных реакторах вблизи топочных камер, нарушаются условия, обеспечивающие экономичность и надежность горелок, что проявляется в высокой степени недожога топлива. A known method of the combined combustion of natural gas and coal dust by feeding into a vertical tetrahedral furnace through fuel streams with air installed on one of the burner walls (see A.S. USSR N 1163088, IPC (6) F 23 C 1/12 dated 04.04. 1983; B.I. N 23, 1985). The method provides economical combustion of fuel and increases the reliability of the burners. However, when gaseous products of thermochemical processing of coal produced in coal reactors near the combustion chambers are fed into the furnace, the conditions ensuring the efficiency and reliability of the burners are violated, which manifests itself in a high degree of fuel underburning.

Известен способ комбинированного сжигания в топке природного, коксового, доменного газов и пылевидного топлива (см. а. с. N 1755006, МПК(6) F 23 C 1/12 от 03.07.1990 г.; МПК(6) F 23 1/12; Б.И. N 30, 1992 г.). Способ обеспечивает работу топочной камеры энергетического котла в экономичных и экологически чистых многотопливных режимах. Однако при вводе топливных потоков в комбинациях с газообразными продуктами термохимической переработки угля в топку нарушаются условия ее надежной и экономичной работы также по причине значительного недожога топлива. A known method of combined burning in a furnace of natural, coke oven, blast furnace gas and pulverized fuel (see A. p. N 1755006, IPC (6) F 23 C 1/12 dated 03/07/1990; IPC (6) F 23 1 / 12; B.I. N 30, 1992). The method ensures the operation of the combustion chamber of an energy boiler in economical and environmentally friendly multi-fuel modes. However, when fuel flows are introduced in combination with gaseous products of thermochemical processing of coal into the furnace, the conditions for its reliable and economical operation are violated also due to a significant underburning of fuel.

Известен способ работы вертикальной четырехгранной топки для совместного сжигания природного газа и продуктов газификации угля (см. патент РФ N 2026512 от 9.06.1992 г., Б.И. N1, 1995 г.). В соответствии с патентом продукты газификации вводят через сопло в подовой части топочной камеры вдоль ее вертикальной оси, а природный газ и дожигающий воздух - через сопла, установленные на стенах, что минимизирует выход вредных веществ в атмосферу. Недостаток способа связан с отсутствием возможности подачи через горелки, устанавливаемые на стенах, угольной пыли. В отсутствии системы, обеспечивающей шлакоудаление из-под камеры сгорания, происходит накопление золошлаковых частиц до уровня установки воздушных сопел и горелок на стенах с нарушением аэродинамики и температурного режима топки вплоть до погасания факела и останова котла. A known method of operation of a vertical tetrahedral combustion chamber for the joint combustion of natural gas and coal gasification products (see RF patent N 2026512 from 06/09/1992, B.I. N1, 1995). In accordance with the patent, gasification products are introduced through a nozzle in the hearth of the combustion chamber along its vertical axis, and natural gas and afterburning air through nozzles mounted on the walls, which minimizes the release of harmful substances into the atmosphere. The disadvantage of this method is associated with the inability to supply coal dust through the burners installed on the walls. In the absence of a system that ensures slag removal from under the combustion chamber, ash and slag particles accumulate to the level of air nozzles and burners on the walls with a violation of the aerodynamics and temperature conditions of the furnace until the flame goes out and the boiler stops.

Известен способ предварительной термохимической переработки угля в режиме парогазовоздушной газификации в аппаратах кипящего слоя и последующего ввода газообразных продуктов для дожигания в топку (см. патент РФ N 2078283 от 7.03.95 г.; Б.И. N 12, 1997 г.). Недостаток способа - невысокая активность протекания процесса, что вызывает потребность в крупногабаритных аппаратах кипящего слоя, плохо вписываемых в габариты и технологию современных ТЭС. There is a method of preliminary thermochemical processing of coal in the mode of gas-vapor gasification in fluidized bed apparatus and the subsequent introduction of gaseous products for afterburning into the furnace (see RF patent N 2078283 from 03/03/95; B.I. N 12, 1997). The disadvantage of this method is the low activity of the process, which causes the need for large-sized fluidized bed apparatus, poorly fitting into the dimensions and technology of modern thermal power plants.

Наиболее близким к заявляемому является способ сжигания угольной пыли в вертикальной призматической четырехгранной топке путем подачи топлива и первичных порций воздуха через горелки, установленные на одной из стен, и вторичных дожигающих потоков воздуха вдоль стен через сопла (см. а.с. СССР N 964337; МПК(6) F 23 C 7/02 от 11.12.1980 г. Б.И. N 37 от 1982 г.). Протекание горения происходит в бесшлаковочных и экономичных режимах при минимальном выходе вредных оксидов азота. Однако при подаче через горелки газообразных продуктов термохимической переработки угля (продуктов газификации твердого топлива) высока степень недожога топлива. Closest to the claimed is a method of burning coal dust in a vertical prismatic tetrahedral combustion chamber by supplying fuel and primary air portions through burners mounted on one of the walls, and secondary afterburning air flows along the walls through nozzles (see a.s. USSR No. 964337; IPC (6) F 23 C 7/02 of 12/11/1980 B.I. N 37 of 1982). Combustion occurs in non-slag and economical modes with a minimum yield of harmful nitrogen oxides. However, when gaseous products of thermochemical processing of coal (products of gasification of solid fuel) are fed through burners, the degree of underburning of fuel is high.

Задачей настоящего изобретения является повышение степени выгорания газа, угольной пыли и газообразных продуктов термохимической переработки угля с минимальным выходом оксидов азота, а также увеличение выработки химически активных газообразных продуктов в угольном реакторе. The objective of the present invention is to increase the degree of burnout of gas, coal dust and gaseous products of thermochemical processing of coal with a minimum yield of nitrogen oxides, as well as increasing the production of chemically active gaseous products in a coal reactor.

Для достижения данной задачи в способе комбинированного сжигания природного газа, угольной пыли и газообразных продуктов термохимической переработки угля, реализуемом путем подачи в вертикальную четырехгранную призматическую топку топлива и первичных порций воздуха при количественном недостатке для полного сгорания через установленные на одной из стен горелки и вторичных дожигающих порций воздуха через сопла вдоль стен топки, газ и пыль подают раздельными спутными потоками в смеси с собственными первичными порциями воздуха, а газообразные продукты вырабатывают перед вводом в топку в угольных реакторах в режиме паровоздушной газификации; согласно изобретению газификацию осуществляют в закрученном вихревом потоке, образуемом струями углевоздушной взвеси пара и дымовых газов, а газы термохимической переработки угля из реакторов и соответствующую им первичную порцию воздуха вводят в топку раздельными потоками спутно потокам газовоздушной и пылевоздушной смесям, причем первичную порцию воздуха подают под и над потоками топлива. To achieve this goal, in a method for the combined combustion of natural gas, coal dust and gaseous products of thermochemical processing of coal, implemented by supplying a vertical tetrahedral prismatic furnace of fuel and primary air portions with a quantitative deficiency for complete combustion through burners and secondary afterburning portions installed on one of the walls air through nozzles along the walls of the furnace, gas and dust are supplied in separate satellite flows in a mixture with their own primary portions of air, and gas braznye produce products before entering the furnace in the coal-steam mode reactors gasification; according to the invention, gasification is carried out in a swirling vortex stream formed by jets of carbohydrate suspension of steam and flue gases, and the gases of thermochemical processing of coal from reactors and the corresponding primary portion of air are introduced into the furnace by separate streams in a stream of gas-air and dust-air mixtures, with the primary portion of air being supplied under and over the fuel flows.

Раздельная подача первичных порций воздуха и газообразных продуктов термохимической переработки угля с последующим дожиганием топлива вторичными порциями вблизи экранированных стен топочной камеры обеспечивает минимальный выход оксидов азота с продуктами полного сгорания из топки, спутный ввод газовоздушной и пылевоздушной смесей минимизирует степень недожога топлива; газификация в закрученном вихревом потоке приводит к увеличению газопроизводительности реактора; ввод первичных порций воздуха под и над потоками газообразных продуктов термохимической переработки угля уменьшает выход оксидов азота. Separate supply of primary portions of air and gaseous products of the thermochemical processing of coal, followed by afterburning of fuel by secondary portions near the shielded walls of the combustion chamber, ensures a minimal exit of nitrogen oxides with products of complete combustion from the furnace, and the inlet of gas-air and dust-air mixtures minimizes the degree of underburning of fuel; gasification in a swirling vortex stream leads to an increase in the gas productivity of the reactor; introducing primary portions of air under and above the streams of gaseous products of thermochemical processing of coal reduces the yield of nitrogen oxides.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема вертикальной четырехгранной призматической топки с горелками, размещенными на одной из стен, и узлами подготовки и подачи топлива; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг.3 - схема горелки с рассредоточенными симметричными узлами ввода топлива; на фиг.4 - вид Б на фиг.3; на фиг.5 - схема горелки с сосредоточенными симметричными узлами ввода топлива; на фиг.6 - вид В на фиг.3; на фиг.7 - схема горелки с асимметричными узлами ввода топлива и первичных порций воздуха; на фиг. 8 - вид Г на фиг.7; на фиг.9, 10 - схемы вихревых реакторов с системами ввода углевоздушной взвеси, дымовых газов, отвода газообразных продуктов, дожигания и вывода золы, варианты с цилиндрической и призматической камерами соответственно. The essence of the proposed method is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a diagram of a vertical tetrahedral prismatic furnace with burners placed on one of the walls, and fuel preparation and supply units; in FIG. 2 is a section along AA in FIG. 1; figure 3 - diagram of a burner with dispersed symmetrical nodes of the fuel input; figure 4 is a view of B in figure 3; figure 5 is a diagram of a burner with concentrated symmetric nodes of the fuel input; figure 6 is a view In figure 3; 7 is a diagram of a burner with asymmetric nodes of the input of fuel and primary portions of air; in FIG. 8 is a view G of FIG. 7; Figures 9 and 10 are diagrams of vortex reactors with systems for introducing carbon-air suspension, flue gases, removal of gaseous products, afterburning and ash removal, variants with a cylindrical and prismatic chambers, respectively.

Способ реализуют в топке 1 с экранами 2 из труб с пароводяной смесью, размещенными на всех стенах, соплами 3 для ввода дожигающего воздуха, установленными также на стенах и ориентированными вдоль стен. На стене 4 установлены горелки 5. Горелки имеют каналы 6 с соплами 7 для ввода газовоздушной смеси, каналы 8 для ввода пылевоздушной смеси или продуктов термохимической переработки угля (в частности, продуктов газификации, генераторного газа), а также воздушные каналы 9, 10, размещенные над и под каналами 8, для ввода воздуха. К соплам 7 подключена система газоснабжения 11, к каналу 8 - система пылеприготовления с мельницами 12 и угольные реакторы 13, в которых осуществляется термохимическая переработка твердого топлива с выходом газообразных химически активных продуктов, выделяющих тепло при взаимодействии с кислородом воздуха; сопла 3, каналы 6, 9, системы пылеприготовления 12 и угольные реакторы 13 подключены к системе воздухоснабжения 14 котла. К угольным реакторам 13 подключены сопла ввода углевоздушной взвеси, дымовых газов, пара, системы топливоподачи 15, отвода газообразных продуктов с горелками 5, дожигания и вывода золы 16. Для выработки газа из угля могут быть использованы угольные реакторы 13 вертикального (фиг. 1) или горизонтального типа (фиг.9, 10) с камерами реагирования цилиндрической (фиг. 1, 9) или призматической (фиг. 10) формы, в которых организовано вихревое движение частиц угля, воздуха, дымовых газов и пара, а для сжигания разнородного топлива в топках - горелки по фиг.3, 4; фиг 5, 6; фиг.7, 8. The method is implemented in a furnace 1 with screens 2 of pipes with a steam-water mixture placed on all walls, nozzles 3 for introducing afterburning air, also installed on the walls and oriented along the walls. Burners 5 are installed on the wall 4. The burners have channels 6 with nozzles 7 for introducing a gas-air mixture, channels 8 for introducing a dust-air mixture or products of thermochemical processing of coal (in particular, gasification products, generator gas), as well as air channels 9, 10 placed above and below the channels 8, for air inlet. A gas supply system 11 is connected to the nozzles 7, a dust preparation system with mills 12 and coal reactors 13 are connected to the channel 8, in which thermochemical processing of solid fuel is carried out with the release of gaseous chemically active products that produce heat when interacting with atmospheric oxygen; nozzles 3, channels 6, 9, dust preparation systems 12 and coal reactors 13 are connected to the boiler air supply system 14. Coal reactors 13 are connected with nozzles for introducing carbon-air suspension, flue gases, steam, fuel supply system 15, removal of gaseous products with burners 5, afterburning and ash output 16. For the production of gas from coal, vertical coal reactors 13 can be used (Fig. 1) or horizontal type (Fig. 9, 10) with reaction chambers of a cylindrical (Fig. 1, 9) or prismatic (Fig. 10) form, in which the vortex movement of particles of coal, air, flue gases and steam is organized, and for dissimilar fuel combustion fire chambers - burners according to figures 3, 4; FIGS. 5, 6; 7, 8.

Способ реализуют путем подачи в топку 1 природного газа, угольной пыли или газообразных продуктов термохимической переработки угля, первичных и дожигающих порций воздуха, которые при взаимодействии образуют высокотемпературный факел с выделением определенного количества тепла. Это тепло нагревает циркулирующую в экранах 2 воду, которая, испаряясь, превращается в пар. Последний направляют в турбогенератор для выработки электроэнергии. Используемый в качестве одного из топлив природный газ поступает из системы газоснабжения котельного цеха и котла к соплам 7, размещенным в каналах 6 горелок 5. Из системы воздухоснабжения в канал 6 подают первичную порцию воздуха, которого недостаточно для полного сжигания газа. Вводимая в топку 1 через каналы 6 горелок 5 газовоздушная смесь образует газовый факел, недостаток окислителя в котором компенсируется кислородом воздуха, вводимого через сопла 3 вдоль стен. Угольную пыль получают в системах пылеприготовления с мельницами 12, куда подают также первичную порцию воздуха. Смесь пыли с воздухом (аэросмесь) с недостатком для полного сжигания через каналы 8 горелок 5 направляют в топку 1, где происходит зажигание и формирование пылеугольного факела; для дожигания используют воздух, вводимый через те же сопла 3. При включении в работу угольных реакторов отсекают подающие каналы системы пылеприготовления 12 и по каналам 8 горелки 5 в топку 1 вводят потоки газообразных химически активных продуктов термохимической переработки угля (генераторные газы, продукты газификации). Активность газификации в реакторах определяется интенсивностью (скоростью) вращения среды; температура поддерживается расходами дымовых газов и пара. Зола, выводимая из реакторов, дожигается воздухом в системе 16, затем выводится в каналы гидрозолоудаления или на переработку предприятий стройматериалов. Газы отводят к горелкам 5 при высокой температуре, они очень активны в отношении окислителей, в частности, кислорода воздуха, в связи с чем первичные порции последнего отделяют и вводят спутными потоками над и под потоками горячих газов по каналам 9, 10. В количественном отношении кислорода первичных потоков воздуха недостаточно для полного сжигания газов из реакторов 13, в связи с чем через сопла 3 подают компенсирующие потоки воздуха, обеспечивающие полное сжигание топлива. При работе топки 1 комбинируют подачу природного газа, угольной пыли и газообразных продуктов переработки твердого топлива. Допускается подача одновременно в одну горелку природного газа и пыли, либо природного газа и газообразных продуктов переработки угля. При необходимости в топке можно сжигать сразу три вида топлива, подаваемого через различные горелки, либо одно из трех. При этом обязательным условием сжигания природного газа и пыли является подача их в топку 1 в смеси с первичными порциями воздуха, а газообразных продуктов термохимической переработки угля - раздельная подача с необходимой первичной порцией воздуха над и под топливными потоками. The method is implemented by feeding natural gas, coal dust or gaseous products of thermochemical processing of coal, primary and afterburning air portions into the furnace 1, which, when interacted, form a high-temperature torch with the release of a certain amount of heat. This heat heats the water circulating in the screens 2, which, evaporating, turns into steam. The latter is sent to a turbogenerator to generate electricity. Natural gas used as one of the fuels comes from the gas supply system of the boiler house and boiler to nozzles 7 located in the channels 6 of the burners 5. From the air supply system, a primary portion of air is fed to channel 6, which is not enough to completely burn the gas. The gas-air mixture introduced into the furnace 1 through the channels 6 of the burners 5 forms a gas flame, the lack of an oxidizing agent in which is compensated by the oxygen of the air introduced through the nozzles 3 along the walls. Coal dust is obtained in dust preparation systems with mills 12, which also serves a primary portion of air. A mixture of dust with air (aerosol) with a deficiency for complete combustion through the channels 8 of the burners 5 is sent to the furnace 1, where the ignition and the formation of a pulverized coal flame occur; for afterburning, air is introduced through the same nozzles 3. When coal reactors are turned on, the feed channels of the dust preparation system 12 are cut off and the channels of the burner 5 are fed into the furnace 1 by streams of gaseous chemically active products of thermochemical processing of coal (generator gases, gasification products). The gasification activity in reactors is determined by the intensity (speed) of rotation of the medium; the temperature is maintained by the consumption of flue gases and steam. The ash discharged from the reactors is burned with air in system 16, then discharged into the ash removal channels or to the processing of building materials enterprises. Gases are led off to burners 5 at high temperature, they are very active against oxidizing agents, in particular, oxygen, in connection with which the primary portions of the latter are separated and introduced by satellite flows above and below the hot gas flows through channels 9, 10. In quantitative terms, oxygen primary air flows are not sufficient for complete combustion of gases from reactors 13, and therefore, compensating air flows are provided through nozzles 3 to ensure complete combustion of fuel. During operation of the furnace 1, the supply of natural gas, coal dust, and gaseous products of the processing of solid fuel is combined. It is allowed to feed simultaneously in one burner natural gas and dust, or natural gas and gaseous products of coal processing. If necessary, three types of fuel supplied through various burners, or one of three, can be burned at once in the furnace. In this case, a prerequisite for the combustion of natural gas and dust is their supply to the furnace 1 in a mixture with primary portions of air, and the gaseous products of the thermochemical processing of coal - a separate supply with the necessary primary portion of air above and under the fuel flows.

Подобное разделение топливных потоков из реакторов и первичных порций воздуха в горелках 5, спутная подача в топку 1 вместе с газовоздушной и пылевоздушной смесями, последующее дожигание потоками воздуха из сопел 3, подаваемых вдоль стен, обеспечивают максимальные выход газообразных продуктов из реактора и степень выгорания топлива в топке при минимальном выходе вредных оксидов азота из котла. Опыты на котле БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2 с системой газоснабжения, мельницами и угольными реакторами показали, что данная совокупность операций определяет эффективность разработанного способа, любое отклонение в технологии ввода топливных и воздушных потоков приводит к нарушению аэротермодинамических характеристик факела с ухудшением горения и увеличением выхода оксидов азота. Стабильность и равномерность рабочих параметров топки и факела поддерживают перераспределением расходов топливных и воздушных потоков в горелках и соплах, которое осуществляют в ручном или автоматическом режимах. Such a separation of fuel flows from reactors and primary portions of air in the burners 5, a satellite feed into the furnace 1 together with gas-air and dust-air mixtures, and subsequent combustion with air streams from nozzles 3 supplied along the walls, maximize the output of gaseous products from the reactor and the degree of fuel burnout in the furnace with a minimum output of harmful nitrogen oxides from the boiler. The experiments on the boiler BKZ-210-140F of the Chelyabinsk CHPP-2 with a gas supply system, mills and coal reactors showed that this set of operations determines the effectiveness of the developed method, any deviation in the technology for introducing fuel and air flows leads to a violation of the aerothermodynamic characteristics of the flame with deterioration of combustion and increased yield of nitrogen oxides. The stability and uniformity of the operating parameters of the furnace and torch are supported by the redistribution of fuel and air flow rates in burners and nozzles, which is carried out in manual or automatic modes.

Claims

Способ комбинированного сжигания природного газа, угольной пыли и газообразных продуктов термохимической переработки угля путем подачи в вертикальную четырехгранную призматическую топку топлива и первичных порций воздуха при количественном недостатке для полного сгорания через установленные на одной из стен горелки и вторичных дожигающих порций воздуха через сопла вдоль стен топки, причем газ и пыль подают раздельными спутными потоками в смеси с собственными первичными порциями воздуха, а газообразные продукты вырабатывают перед вводом в топку в угольных реакторах в режиме парогазовоздушной газификации, отличающийся тем, что газификацию осуществляют в закрученном вихревом потоке, образуемом струями углевоздушной взвеси, пара и дымовых газов, а газы термохимической переработки угля из реакторов и соответствующую им первичную порцию воздуха вводят в топку раздельными потоками спутно потокам газовоздушной и пылевоздушной смесей, причем первичную порцию воздуха подают под и над потоками топлива. A method of combined combustion of natural gas, coal dust and gaseous products of thermochemical processing of coal by feeding fuel and primary air portions into a vertical tetrahedral prismatic furnace with a quantitative disadvantage for complete combustion through burners and secondary air afterburning portions of air through nozzles along the furnace walls, moreover, gas and dust are supplied in separate satellite streams mixed with their own primary portions of air, and gaseous products are produced before water into the furnace in coal reactors in the mode of gas-vapor gasification, characterized in that gasification is carried out in a swirling vortex stream formed by jets of carbon-air suspension, steam and flue gases, and the gases of thermochemical processing of coal from the reactors and the corresponding primary portion of air are introduced into the furnace in separate streams in a stream of gas-air and dust-air mixtures, moreover, a primary portion of air is fed under and above the fuel flows.