Способ повышения эффективности сжигания энергетического топлива с пониженными выбросами NOх и CO (варианты)

(51) 23 11/00 (2006.01) 23 1/06 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Предлагаемое техническое решение относится к области теплоэнергетики и может быть применено для повышения технико-экономической и экологической чистоты эффективности топочного процесса в топках энергетических предприятий. Задача предлагаемого технического решения повышение эффективности способов ступенчатого сжигания топлива посредством использования для третичного дутья обогащенного кислородом воздуха, который перед подачей его в сопла третичного дутья предварительно ионизируют. Предлагаемый способ может быть применен для повышения эффективности сжигания различных видов топлив и, в частности, для повышения эффективности сжигания низкосортных высокозольных углей типа Экибастузского угля.(72) Шишкин Андрей Аркадьевич Шишкин Аркадий Александрович(73) Акционерное общество Казахский научноисследовательский институт энергетики им. академика Ш.Ч. Чокина(56) А.Н. Алехнович, В.В. Богомолов. Конструкции топочно-горелочных устройств для снижения оксидов азота и шлакования,сжигания низкореакционных углей (обзор), г. Челябинск(54) СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЖИГАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВА С ПОНИЖЕННЫМИ ВЫБРОСАМИИ Предлагаемое техническое решение относится к области теплоэнергетики и может быть применено для повышения эффективности топочного процесса в топках энергетических котлоагрегатов,сжигающих,в том числе,высокозольные низкореакционные угли типа Экибастузского угля. Основным требованием к работе топочного оборудования энергетических предприятий является повышение эффективности сжигания топлива при регламентируемом уровне выбросов вредных газообразных продуктов таких, как оксиды азотаи углерода СО. Для решения данной задачи широко применяются технологические способы изменения процесса горения в направлении повышенного выгорания топлива при минимальных объемах выбросов вредных продуктов топочного процесса. Среди известных способов наиболее эффективными и менее затратными являются способы, связанные с организацией ступенчатого сжигания топлива(см. А.Н. Алехнович,В.В. Богомолов. Конструкции топочно-горелочных устройств для снижения оксидов азота и шлакования, сжигания низкореакционных углей(обзор),г. Челябинск 2002 г.). Однако существующие наиболее перспективные схемы сжигания в совместном или раздельном их применении требуют дальнейшей модернизации,поскольку их возможности уже приближаются к предельным нормативным показателям по эффективности и экологической чистоте сжигания энергетического топлива. В этом плане для повышения эффективности данных способов представляет интерес активация окислительновосстановительных процессов сжигания такого топлива путем обогащения кислородом воздуха участвующего в процессе горения и его ионизацией. Известны способы и устройства для генерирования ионов в атмосферном воздухе. (см,например, /Люстра Чижевского /М. Госпланиздат,1958, с.36-43, а также /Ионизатор воздуха. Полезная модель.72409, кл. МПК 7 61/44). В корпуса такого устройства (аэроионизатора) обычно размещены два электрода положительный и отрицательный,подключенные к источнику высоковольтного напряжения(для потока воздуха) сетчатых поперечных перегородок, пространственно разнесенных в корпусе аэроионизатора и изолированных друг от друга и от корпуса. На поверхности одного из электродов равномерно распределены заостренные тонкие игольчатые наконечники, обращенные своими остриями в сторону второго электрода. При подаче на электроды высоковольтного напряжения более десяти киловольт между ними возникнет коронный разряд, генерирующий ионы в потоке воздуха (см. Полезная модель 72409, кл. МПК 7 61/44). Известны также технические предложения по способам повышения эффективности сжигания топлива в топочных устройствах энергетических котлоагрегатов с использованием ионизированного 2 воздуха, подаваемого непосредственно в горелки котлоагрегатов (Патент Украины 24193 , 23 11/00, опубл. 07.07.19986938125 В, 23 11/00, опубл. 06.09.2005). При этом отмечается интенсификация горения факела в виде более высокой температуры и полноты выгорания топлива. Вместе с тем практикой доказано, что интенсификация процесса сжигания топлива в основной зоне горения факела и повышение уровня температур в прилегающей к горелке области приводят к повышению образования в данной зоне топливных оксидов азота, образующихся по механизму окисления азота,входящего в состав топлива. При этом, активация кислорода воздуха его ионизацией в активной зоне горения приведет к еще более интенсивному окислению азота, что будет сопровождаться повышенным выходом топливных оксидов азота. Как показано в известном источнике (см. Ионизатор воздуха /Полезная модель.72409, кл. МПК 7 61/44), в процессе ионизации воздуха производятся положительные ионы и радикалы, в том числе и оксиды азотаи 2. Эти оксиды азота генерируются по механизму образования термических оксидов азота в результате окисления азота воздуха ионизированным кислородом в поле коронного разряда в аэроионизаторе и в основной зоне горения факела. Поэтому повышение полноты выгорания топлива за счет повышения выбросов оксидов азота является недостатком данного способа сжигания топлива. Известны также способы повышения эффективности и экологической чистоты процесса сжигания топлива, основанные на организации ступенчатого процесса сжигания топлива по горизонтали (в основной зоне горения топлива в поясе горелок), так и по вертикали (в объеме топочного пространства котлоагрегата). Среди них особенно популярны способы двухступенчатого (в зарубежной терминологии способ),бустерного двухступенчатого (в зарубежной терминологии способ ) и трехступенчатого способа с восстановлением (в зарубежной терминологии способ ) сжигания (см. упомянутый выше источник А Н. Алехнович,В.В. Богомолов /Конструкции топочно-горелочных устройств). В первых двух из названных выше способов(А и ) сжигание топлива в основной зоне (в поясе горелок котлоагрегата) проводится в условиях недостатка кислорода и пониженного уровня температур. При этом в первом из них(способ А) для полного сжигания топлива выше основной зоны горения осуществляют подачу недостающего воздуха с помощью сопел третичного дутья. Во втором из способов (бустерный способ) такая же цель достигается вводом третичного дутья в топку значительно выше - у самого выхода из топочного объема. Данные схемы сжигания позволяют снизить образование оксидов азотаи СО и в течение длительного времени являлись наиболее эффективным средством снижения вредных выбросови СО. Однако с ростом нормативных требований к эффективности и экологической чистоте топочного процесса достигнутые результаты все чаще переставали им соответствовать. Более эффективным оказался так называемый трхступенчатый способ с восстановлением (в зарубежной терминологии(ребрнинг. Схема сжигания топлива с восстановлением принципиально отличается от рассмотренных выше схем ступенчатого сжигания тем, что основное количество топлива сжигается в активной зоне горения в оптимальных или близких к ним условиях. Хотя при этом образуется повышенное количество оксидов азота, последние затем восстанавливаются до 2 выше активной зоны горения путем подачи в топку через специальные сопла дополнительного топлива и создания этим восстановительной среды. При этом существенно,что восстановление оксидов азота происходит в основном за счет газообразного восстановителя,образующегося из дополнительно вводимого топлива выше активной зоны горения. Окончательное дожигание топлива-восстановителя происходит в верхней части топки в зоне догорания,куда подается третичный воздух. Недостатком трехступенчатого способа является незначительное количество образующегося газообразного восстановителя из-за перехода лишь части топлива восстановителя в газовую фазу. Для повышения эффективности снижения выбросовв качестве топлива восстановителя необходимо подавать 20 и более от общего объема топлива. Однако при этом снижается полнота выгорания топлива из-за недостаточной эффективности его дожигания в поясе третичного дутья вследствие недостаточной химической активности реагентов,что является ограничением и, следовательно,недостатком данного способа. Целью предлагаемого технического решения является повышение технико-экономической эффективности и экологической безопасности топочного процесса в энергетических котлоагрегатах для здоровья человека и окружающей среды путем повышения эффективности рассмотренных выше известных способов сжигания энергетического топлива, в частности, низкореакционных высокозольных углей типа Экибастузского угля. Технический результат предлагаемого решения выражается в таких показателях, как повышение к.п.д. котлоагрегата вследствие более полного выгорания топлива,снижения потерь тепла с уходящими топочными газами и снижения нагрузки на тяго-дутьевые машины, а также в снижении выбросов токсичных продуктов топочного процесса в видеи СО и выброса парникового газа СО 2 при выработке равного количества энергии. Технический результат предлагаемого решения применительно к трем рассмотренным выше известным способам сжигания топлива достигается тем, что- в обоих способах двухступенчатого сжигания топлива (А и ) осуществляемых подачей в пылеугольную горелку потоков аэросмеси,вторичного и третичного воздуха в количестве,обеспечивающем нестехиометрический режим сжигания топлива (при недостатке кислорода и пониженной температуре), с подачей недостающего воздуха над основной зоной горения топлива соплами третичного дутья но на разных уровнях в первом способе - над поясок горелок, а во втором непосредственно у выхода из топки. При этом, в отличие от способов-прототипов третичное дутье осуществляют воздухом, обогащенным кислородом,причем обогащенный воздух перед вводом в дутьевые сопла дополнительно ионизируют.- в способе сжигания с восстановлением или трхступенчатом способе сжигания ,осуществляемом путем сжигания основного количества топлива в оптимальных или близких к ним условиях, с последующим восстановлением образовавшихся в основной зоне горения оксидов азота. Восстановление осуществляется подачей недостающей части топлива выше основной зоны горения и созданием этим восстановительной среды в этой области топочного пространства, а последующее дожигание топлива-восстановителя и продуктов неполного сгорания обеспечивается в верхней части топки. Для этого в соответствии с предлагаемым техническим решением используют обогащенный кислородом воздух, который перед вводом в дутьевые сопла дополнительно ионизируют. Так, для нормальных условий при повышении концентрации кислорода в обогащенном воздухе от начального значения объемной концентрации 21 до 35 содержание кислорода (по отношению к азоту) повышено с 0,27 до 0,55, т.е., в два раза. При этом значительно снижается отрицательная роль балласта, как в технико-экономическом отношении(потери с уходящими газами), так и в роли дополнительного продуцента термических оксидов азота. С дальнейшим повышением концентрации кислорода, например до 70,изменение концентрации кислорода от первоначального значения (21) приведет к снижению роли балласта в 9,3 раза, но для этого потребуется больший расход кислорода. Как видно из результатов расчета (см. Приложение), например,для получения обогащенного дутьевого воздуха с концентрацией кислорода 35 необходим относительный расход технического кислорода равный 0,197 кг на килограмм первичного воздуха,тогда как для получения при концентрации кислорода 70 относительный расход такого же технического кислорода возрастает до 1,87 кг/кг. Поэтому выбор степени обогащения дутьевого воздуха в каждом отдельном случае будет определяться компромиссом между необходимыми затратами на обогащение кислородом третичного дутья и достигаемым результатом в техникоэкономическом и экологическом плане. При этом с ужесточением требований к технико-экономической стороне топочного процесса, с одной стороны, и совершенствованием технологии производства технического кислорода в промышленных 3 масштабах - с другой, достижение такого компромисса, очевидно, будет иметь тенденцию к смещению в область более высокой концентрации кислорода в дутьевом воздухе с целью повышения эффективности топочного процесса. На настоящий период, как показывают приводимые оценки,концентрация кислорода в обогащенном воздухе порядка 35, вдвое снижающее влияние балласта негорючих компонентов дутьевого воздуха на эффективность топочного процесса,может рассматриваться как приемлемый вариант для достижения поставленной цели. Поэтому в качестве начального этапа для применения предлагаемых способов повышения эффективности топочного процесса может быть выбрана степень обогащения дутьевого воздуха до 35, как требующая меньшего расхода технического кислорода для обогащения воздуха и при этом существенно повышающего эффективность воздушного дутья. Основные режимные параметры топочногорелочного устройства при этом могут сохраняться прежними кроме третичного дутья, общий уменьшенный расход которого пересчитывают, в зависимости от концентрации в нем кислорода. Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на Фиг.1 схематично представлен первый вариант предлагаемого способа применительно к первому из названных выше известных способов сжигания топливас введенными в него изменениями и дополнениями. На Фиг.2 иллюстрируется второй вариант предлагаемого решения применительно к другому известному способу сжигания топливас введенными в данный способ изменениями и дополнениями в соответствии с предлагаемым техническим решением. На Фиг.3 схематично иллюстрируется третий вариант предлагаемого решения применительно к третьему известному способу сжигания пылеугольного топлива (ребрнинг) с введенными в него изменениями и дополнениями в соответствии с предлагаемым решением. Представленные на фиг.1-3 схемы усовершенствования известных способов сжигания топлива включают в себя помимо известных элементов известных способов также введенные в них изменения для реализации предлагаемого решения. На фиг.1-3 представлены топка 1 котлоагрегата с установленными в поясе горелок 2 многоканальными (вихревыми или прямоточными) горелками 3. Выше горелок 3 размещены сопла третичного дутья 4 (для способа А), либо сопла третичного дутья 5 (для способа ), либо сопла 6 для ввода дополнительного восстановительного топлива, над которыми ближе к выходу из топки размещены сопла третичного дутья 7 (для способа ребрнинг). Дополнительно для всех трех вариантов реализации предлагаемого решения в канале 9 подачи третичного дутья введен блок 8 контролируемого ввода кислорода в канал 9, а также блок аэроионизатора 10, посредством которого осуществляется ионизация подаваемого по каналам 9 к соплам третичного воздуха, обогащенного кислородом. Рассмотренные выше известные способы с введенными в них изменениями и дополнениями являются тремя вариантами реализации предлагаемого технического решения и работают следующим образом. В случае первых двух способов (А и) с введенными в них изменениями при работе топки котлоагрегата 1 в горелки 2 подают топливо с таким расчетным количеством воздуха,которое обеспечивает нестехиометрический режим горения данного топлива для подавления процесса образования оксидов азота в поясе горелок 2. Как отмечалось выше, в данных известных способах до введения в них изменений, недостаток кислорода и пониженный уровень температуры в активной зоне горения приводят к недожогу топлива. Поскольку в атмосферном воздухе кислорода содержится около 21,а остальное является балластом,эффективность дожигания углеродного остатка и продуктов неполного сгорания топлива в виде СО оказывается недостаточной. Кроме того, наличие существенного объема балласта приводит к повышенному расходу дутьевого воздуха а,следовательно, к дополнительным потерям тепла с уходящими газами и снижению конвективного теплообмена, а также дополнительной нагрузке на тяго-дутьевые машины. Поэтому для повышения эффективности известных способов в предлагаемом техническом решении влияние балластной составляющей в дутьевом воздухе существенно снижают обогащением последнего путем введения в него расчетного количества кислорода до требуемого уровня концентрации, например 35,который для активации затем дополнительно ионизируют. Это осуществляют посредством блока контролируемого ввода кислорода по кислородной линии 11 в канал 9, а обогащенный воздух ионизируют в аэроионизационном блоке(аэроионизаторе) 10 перед вводом его в сопла третичного дутья 4 (для способа А), или сопла третичного дутья 5 (для способа ), либо сопла третичного дутья 7 (для способа ). Обогащение кислородом третичного дутья и его ионизация обеспечивают достижение поставленной цели. Это достигается повышением доли окислителя по отношению к балласту в воздухе третичного дутья и дополнительной активацией последнего посредством ионизации,что позволяет в значительной степени повысить реакционную способность дутья с обеспечением более интенсивного и полного выгорания углеродного остатка и продуктов неполного сгорания в топочных газах. Кроме того, снижение удельного содержания балласта в виде азота в воздухе третичного дутья,позволяет снизить потери тепла с уходящими газами, повысить температуру топочных газов и эффективность обменных процессов с поверхностями теплообмена, снизить нагрузку на тяго-дутьевые машины. Все указанные выше изменения повышают эффективность топочного процесса и положительно отражаются на к.п.д. энергетического котлоагрегата. Помимо этого следует отметить еще один существенный момент,дающий в перспективе возможность дополнительного повышения данных способов сжигания топлива. Поскольку предлагаемое решение обеспечивает повышенную степень выгорания топлива над активной зоной горения, это позволяет (при необходимости) дополнительно снизить концентрацию кислорода и уровень температур в активной зоне факела. Последнее, как известно, будет способствовать дополнительному подавлению процесса образования топливных оксидов азотав основной зоне горения. В известных способах это привело бы к повышенной степени недожога углеродного остатка и продуктов неполного выгорания топлива в виде СО. В случае же предлагаемого технического решения это будет устранено более эффективным применением третичного дутья по предлагаемому способу. Применение предлагаемого технического решения по отношению к третьему способу приведет к дополнительному снижению выброса оксидов азота по несколько иному механизму воздействия. Повышенное выгорание восстановительного топлива и других продуктов неполного сжигания за счет ввода в топку соплами 7 обогащенного кислородом и ионизированного дутьевого воздуха открывает возможность дополнительного увеличения доли вводимого соплами 6 восстановительного топлива, что, как отмечено выше, приведет к более глубокому снижению объема выбросов оксидов азотаи продуктов неполного сгорания углерода СО. При этом эффективность каждого из этих способов будет возрастать с повышением концентрации кислорода в третичном дутье за счет снижения содержания топливных и термических оксидов азота, а также за счет повышения полноты выгорания топлива и снижения потерь тепла с уходящими топочными газами. Последнее, в свою очередь, будет способствовать повышению к.п.д. котельного агрегата и снижению выброса парникового газа в виде диоксида углерода в результате снижения объема сжигаемого топлива для выработки одного и того же количества энергии. Что касается надежности и безопасности применения предлагаемых способов связанного с применением обогащенного кислородом воздушного дутья, то в этом вопросе может оказать помощь опыт, приобретенный в металлургической отрасли при переходе с воздушного атмосферного дутья на чисто кислородное дутье при конвертерной выплавке стали. Как известно, в настоящее время данный способ повсеместно применяется для продувки расплавленного металла чистым кислородом с целью снижения содержания углерода и других вредных примесей. Для этого потребовалось решение вспомогательных задач, в том числе связанных и с вопросами безопасности процесса (см., например, Паршина Е.В. Роль инноваций (кислородного дутья в конверторе) в истории развития черной металлургии /ГОУ ВПО Липецкий государственный технический университет, а также Выплавка стали в кислородном конвертере). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ двухступенчатого сжигания топлива,осуществляемый подачей в горелку потоков аэросмеси, вторичного и третичного воздуха в количестве, обеспечивающем нестехиометрический режим сжигания топлива в основной зоне горения факела с подачей недостающей его части над основной зоной горения топлива соплами третичного дутья, отличающийся тем, что третичное дутье осуществляют обогащенным кислородом воздуха, который дополнительно ионизируют. 2. Способ бустерного двухступенчатого сжигания топлива, осуществляемый подачей в пылеугольную горелку потоков аэросмеси,вторичного и третичного воздуха в количестве,обеспечивающем нестехиометрический режим сжигания топлива с подачей недостающей его части над основной зоной горения топлива соплами третичного дутья у выхода из топки,отличающийся тем, что третичное дутье осуществляют обогащенным кислородом воздуха,который дополнительно ионизируют. 3. Способ сжигания топлива с восстановлением(трхступенчатый способ),осуществляемый посредством сжигания основного количества топлива в оптимальных, или близких к ним условиях,с последующим восстановлением образовавшихся в основной зоне горения оксидов азота путем подачи недостающей части топлива выше основной зоны горения, с созданием восстановительной среды в данной области топочного пространства с последующим дожиганием дополнительно вводимого топливавосстановителя и продуктов неполного сгорания,производят в верхней части топки, отличающийся тем, что для дожигания топлива-восстановителя и продуктов неполного сгорания используют воздух обогащенный кислородом, который при этом дополнительно ионизируют.