RU2777164C1 - Method for reduction in nitrogen oxide emission and conversion of burner into low-toxic one, device for its implementation - Google Patents

Abstract

FIELD: heat power engineering.

SUBSTANCE: method for the reduction in nitrogen oxide emission, using in-stream recirculation of flue gases, consists in that, in a burner containing an air box, outer and inner shells, a central pipe for supplying fuel gas with a conical nozzle at an output with holes, in which a trunk with a fuel oil nozzle is located, in an air channel between outer and inner shells, peripheral gas-distributing pipes are additionally installed, coming out of a gas collector and equipped with nozzles at an output, nozzles of gas-distributing pipes are moved in a furnace outside of an airflow, and portholes are placed along a perimeter, flue gases are ejected with jets of fuel gas flowing out of nozzles, fuel gas is diluted with flue gases before its mixing with an airflow coming out of the burner and ignition.

EFFECT: invention allows for the reduction in nitrogen oxide emission.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к топливосжигающим установкам и может быть использовано для дополнения горелок устройством, обеспечивающим снижение выбросов оксидов азота (NOx). The invention relates to fuel combustion plants and can be used to supplement burners with a device that reduces emissions of nitrogen oxides (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. Single-flow fuel gas burners are known, such as GMU, GMPV, etc., which, while ensuring the quality of fuel combustion, do not provide low NOx emissions. The most common in Russia unified oil-gas burner of the GMU type (OST 108.836.05-82 “Oil-gas burners and loopholes for stationary steam boilers”) consists of a nozzle assembly, a gas part and an air guide. The nozzle assembly includes a steam-mechanical nozzle with a flap. The gas part of the burner consists of an annular gas collector, a gas-distributing nozzle in the form of a cone with holes and a gas supply pipe. The inner pipe of the gas collector is the guide pipe of the steam injector. The air guide device of the GMU type burner consists of an air box and two bladed swirlers: axial and tangential. Inside the box there is a partition that divides the air flow into two streams.

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.The disadvantage of the GMU-type burner is the low environmental efficiency of fuel combustion, due to the design flaws of the burner in the method of organizing the combustion process, in which all the fuel gas is supplied to the air.

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. Known direct-flow-vortex burner type GMPV (RU 2 137 043 C1, IPC F23D 17/00, published 09/10/1999) which consists of an air channel, an axial swirler installed in the air channel, gas-distributing tubes located around the swirler, and having at the outlet nozzles with outlets. The burner provides lower NOx emissions than the GMU burner by reducing the mixing rate of fuel and air at the border of the direct-flow and swirling air flow, but due to the supply of all gas into the air flow, NOx emissions remain high.

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.One of the effective ways to reduce NOx emissions is the use of forced flue gas recirculation, which reduces the flame temperature and reduces the concentration of reactants that determine the formation of NOx. In this case, the most effective method is the supply of flue gases to the burner channels (SU 1 101 622 A1, IPC F23D 17/00, published on 07/07/1984). This method is implemented in the burner of the TGMP-204 boiler, which consists of two air supply channels (central and peripheral), equipped with tangential registers, a recirculation flue gas inlet channel is located along the periphery, and an oil burner is installed in the center of the heater. The gas part of the burner consists of an annular gas collector, a gas-distributing nozzle in the form of a cone with holes and a gas supply pipe. The inner pipe of the gas collector is the guide pipe of the steam-mechanical nozzle (Y.P. Storozhuk. Testing the TGMP-204 boiler of the 800 MW unit after the reconstruction of the recirculation flue gas inlet into the furnace / Ya.P. Storozhuk, D.R. Nosulko // Thermal power engineering. - 1984. - No. 5 - S. 13-15.). This burner failed to achieve a good result in reducing NOx emissions due to design flaws in the way the combustion process is organized.

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. Successful NOx suppression requires that recirculation flue gases do not ballast in the root area of the burner, but reach the combustion core, where the main formation of NOx occurs. The main disadvantage of this method of organizing combustion remains the need for a system of forced recirculation of flue gases with a recirculation smoke exhauster.

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.Close to the invention is a method for reducing NOx emissions, described in the inventions: RU 2689654C2 published on 2019-05-28, SU 1588987A1 published on 1990-08-03, SU 1695040A1 published on 1991-11-30, KR 101254928B1 published on 2013-04-19, EP 0893651A1 published 1999-01-27; US 2012/0186265A1 published 2012-07-26; WO 01|07833A1 published 2001-02-01; US 2005/0239005A1 published 2005-10-27; EP 2479491A1 Published 2012-07-25, KR 2012-06-29, KR 20120074868A published 2012-07-06, KR 2012-07-24, KR 20130061167A published 2013-06-10, US 5350293 Published 1994- 09-27. In some cases, these inventions were developed in order to stabilize the combustion regime by sucking incandescent combustion products from the furnace. In these inventions, flue gas recirculation is organized by the burners themselves without additional flue gas supply systems, including a chimney system and a recirculation smoke exhauster. The flue gases are ejected into the combustion zone, which burns the diluted fuel and reduces the formation of NOx. The disadvantage of the method used in these inventions is: the complexity and high cost of the design of the burners, a small amount of sucked flue gases from the furnace. The flue gases are ejected by the fuel or air flow at the burner mouth inside the main air flow, combustion takes place in the air environment, which in general reduces the efficiency of NOx suppression. The considered inventions cannot be applied to the existing burners installed in the combustion plant.

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. Closer to the invention is a group of inventions in which the principle of in-furnace recirculation is used due to the injection of fuel gas not into the air stream, but outside the burner mouth: US 5542840A published 1996-08-06, US 6773256B2 published 2004-08-10, RU 2426030C2 published 2011 -08-10, US 5275552A published 1994-01-04, US 20080096146A1 published 2008-04-24, US 6007325A published 1999-12-28, US 7670135B1 published 2010-03-02, US 9593847B1-published 2014. US 9593848A1 published 2015-12-10, US 20150285491A1 published 2015-10-08, US 6875008 B1 published 2005-04-05, KR 101213883B1 published 2012-12-18. In these inventions, technical solutions are patented in which fuel gas and/or air are diluted with flue gases before they are mixed and reacted. The main condition for reliable combustion of fuel gas when using this technology is to maintain the temperature in the furnace of a fuel combustion plant above the ignition temperature of the fuel and use a stable flame stabilizer, while ignition and combustion stabilization is provided by special loopholes or the overall temperature of the furnace. The disadvantages of these inventions are the complexity of the design, the need to use a special loophole made of heat-resistant concrete and the impossibility of their use for existing burners installed in a fuel combustion plant.

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. The closest to the proposed invention is a group of inventions in which the entire burner head (gas-distributing device with an air channel) protrudes into the furnace: KR 101569455B1 published 2015-11-16, EP 1980788A1 published 2008-10-15, US 6071115A published 2000-06- 06, KR 1020170138042 published 2017-12-14, KR 101822997B1 published 2018-02-01, JP 6595089B2 published 2019-10-23, KR 102115576B1 published 2020-05-27, KR 10211430 published In this group of inventions, flue gas ejection is organized by gas nozzles with cylindrical nozzles located in the furnace along the outer perimeter of the burner air channel. The disadvantages of these inventions are the complexity of the design, the need to use special heat-resistant alloys of the burner part protruding into the furnace, and the impossibility of using them to reduce NOx emissions on existing burners installed in the combustion plant.

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.The main goal of the patented invention is to reduce NOx emissions from fuel gas combustion due to low-cost modernization of burners without changing the elements of the combustion plant furnace. The invention can be applied to the modernization of installed, operating burners in a fuel combustion plant. The solution of the problem is achieved by the fact that an additional peripheral channel of fuel gas is built into the burner, which removes the fuel gas to the area outside the air flow along the periphery of the loophole, while the gas-distributing tubes are installed without changing the elements of the furnace of the fuel-burning plant: the mouth of the burner, the loophole and the screen pipes of the furnace. Mixers can be installed on the gas nozzles to organize a controlled ejection quality. Due to the organization of intra-furnace recirculation of flue gases, by ejecting flue gases directly from the furnace with fuel gas jets flowing from nozzles located in the furnace outside the air flow, NOx is effectively suppressed as a result of a decrease in the temperature of the flame and the concentration of reacting substances.

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. In FIG. 1 shows a longitudinal section of a GMU-type burner with an integrated additional peripheral fuel gas channel (highlighted in red). Figure 2 shows a view from the furnace to the burners of the GMU type with a patented device (option) for reducing NOx emissions due to the organization of intra-furnace flue gas recirculation.

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. In a burner installed on a combustion plant or in a new burner, consisting of an air box 1, an outer air shell 2 and an inner air shell 3, a central fuel gas supply pipe 4 with a cone nozzle 5 with holes, inside the central fuel gas pipe there is a barrel for fuel oil fuel oil nozzle 6, an additional peripheral channel of fuel gas is built into the annular gap of the air channel between the outer air shell and the inner air shell. An additional peripheral fuel gas channel consists of a gas manifold 7, gas-distributing tubes 8 leading nozzles 9 into the furnace along the perimeter of the burner embrasure beyond the air flow 10. Around the embrasure there can be screen pipes of the fuel combustion plant 11.

Аналогичную модернизацию, с установкой дополнительного периферийного канала топливного газа, можно произвести с горелками ГМПВ и с горелками другого типа. A similar upgrade, with the installation of an additional peripheral channel of fuel gas, can be made with GMPV burners and with burners of another type.

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. As a result of the introduction of such a device, the fuel gas 12 flowing from the nozzles 9 ejects the flue gases 13, diluted with them, the new prepared fuel 14 reaches the air flow 10 and the combustion process occurs with lower temperatures and concentrations of reactants, which reduces the formation of NOx. A mixer 15 can be installed on the nozzles of the additional peripheral channel of the fuel gas, which ensures the mixing of the ejected flue gases and fuel gas and the formation of a diluted fuel jet.

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. The central gas channel 4 ensures the stability of fuel combustion. The diameter 16, on which the nozzles of the additional peripheral fuel gas channel are installed, is determined by the aerodynamic characteristics of the air flow and the pressure of the fuel gas.

Предлагаемый способ снижения выбросов NOx осуществляется следующим образом:The proposed way to reduce NOx emissions is as follows:

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. the burner is ignited in the central gas channel, gas is not supplied to the peripheral channel, after the power of the fuel-burning installation is increased above 20% and the furnace is heated to sufficient temperatures for stable ignition, fuel gas is supplied to the peripheral channel, then the burner power is increased by increasing the fuel consumption. gas through the peripheral channel with a constant or gradually decreasing fuel gas flow through the central channel. At maximum burner power, the fuel gas flow through the center channel may be 10% or less to ensure ignition stabilization. At intermediate loads, the ratio of fuel gas consumption between the peripheral and central channels depends on the design features of a particular furnace and is determined during the performance and commissioning tests.

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. The use of the proposed method for reducing NOx emissions provides a reduction in the NOx content in flue gases by 40-70% without reducing the technical and economic characteristics of the combustion plant and building an external flue gas recirculation system.

Claims (3)

1. Способ снижения выбросов оксидов азота, использующий внутритопочную рециркуляцию дымовых газов, заключающийся в том, что в горелке, содержащей воздушный короб, внешнюю и внутреннюю обечайки, центральную трубу для подачи топливного газа с конусным насадком на выходе с отверстиями, в которой размещен ствол с мазутной форсункой, в воздушном канале между внешней и внутренней обечайками дополнительно устанавливают периферийные газораздающие трубки, выходящие из газового коллектора, а на выходе снабженные соплами, сопла газораздающих трубок выводят в топку за пределы воздушного потока и размещают по периметру амбразуры, струями топливного газа, вытекающего из сопел, эжектируют дымовые газы, топливный газ разбавляется дымовыми газами перед смешиванием его с воздушным потоком, выходящим из горелки, и воспламенением.1. A method for reducing emissions of nitrogen oxides using intra-furnace flue gas recirculation, which consists in the fact that in a burner containing an air box, outer and inner shells, a central pipe for supplying fuel gas with a cone nozzle at the outlet with holes, in which a barrel with oil nozzle, in the air channel between the outer and inner shells, peripheral gas-distributing tubes are additionally installed, coming out of the gas collector, and equipped with nozzles at the outlet, the nozzles of the gas-distributing tubes are brought into the furnace outside the air flow and placed along the perimeter of the embrasure, with jets of fuel gas flowing from nozzles, eject flue gases, the fuel gas is diluted with flue gases before mixing it with the air flow leaving the burner and igniting it. 2. Горелка для снижения выбросов оксидов азота, содержащая воздушный короб, внешнюю и внутреннюю обечайки, центральную трубу для подачи топливного газа с конусным насадком на выходе с отверстиями, в которой размещен ствол с мазутной форсункой, в воздушном канале между внешней и внутренней обечайками дополнительно установлены периферийные газораздающие трубки, выходящие из газового коллектора, а на выходе снабженные соплами, сопла газораздающих трубок выведены в топку за пределы воздушного потока и размещены по периметру амбразуры.2. A burner for reducing emissions of nitrogen oxides, containing an air box, outer and inner shells, a central pipe for supplying fuel gas with a cone nozzle at the outlet with holes, in which a barrel with an oil burner is placed, additionally installed in the air channel between the outer and inner shells peripheral gas-distributing tubes coming out of the gas manifold, and equipped with nozzles at the outlet; 3. Горелка по п.2, в которой на газовых соплах установлены смесители.3. The burner according to claim 2, in which mixers are installed on the gas nozzles.

Images