Спосіб спалювання газового палива

Изобретение относится к работе горелок для сжигания газообразного топлива. Предлагаемый способ может быть использован при эксплуатации топок энергетических котлов ТЭС, ТЭЦ, промышленных и коммунальных котельных, промышленных и пламенных печей. В связи с увеличением объемов выбросов промышленных предприятий и, как следствие, ухудшением экологической обстановки, известные способы сжигания газового топлива не способствуют ее улучшению. Известен способ смешения топливного газа с газообразным окислителем (воздухом) [1] Топливо подают под углом и спутно осевому потоку первичного воздуха по его периферии перед вводом вторичного воздуха, а последний вводят навстречу потоку первичного воздуха под углом 80-100° к струям газового топлива, при этом струи топлива и вторичного воздуха подают попарно в осевой плоскости потока первичного воздуха. Перемешивание топливо-воздушной смеси осуществляется недостаточно интенсивно и, как следствие высокий выход окислов азота и окиси углерода. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа сжигания газового топлива, в котором путем регулирования соотношения массовых скоростей вторичного окислителя и топливного газа обеспечивается понижение выхода оксидов азота ΝΟχ в отходящих газах и за счет этого уменьшается загрязнение окружающей среды. Поставленная задача решается тем, что в способе сжигания газового топлива путем его струйной подачи под углом и спутно осевому потоку первичного воздуха по его периферии перед вводом вторичного воздуха, ввода вторичного воздуха дискретными периферийными струями навстречу потоку первичного воздуха под углом 80-100° к струям газового топлива с подачей струй топлива и вторичного воздуха попарно в осевую плоскость первичного воздуха и последующего сжигания полученной топливо-воздушной смеси, согласно изобретению, соотношения массовых скоростей вторичного окислителя и газового топлива устанавливают в пределах где m 0 и m r - соответственно массовые расходы вторичного окислителя и газового топлива, W0 и Wr - скорости вторичного окислителя и газового топлива. При соотношении массовых скоростей вторичного окислителя и газового топлива m 0W0/m rWr = 1,0-1.2 плоская результирующая струя образующаяся вследствие соударения струй вторичного окислителя и газа, сталкиваясь с потоком первичного окислителя, максимально улучшает смесеобразование и, следовательно, позволяет максимально уменьшить выход оксидов азота. На фиг. 1 представлена схема взаимодействия сплошного потока первичного окислителя I со струями топливного газа и вторичного окислителя II по предлагаемому способу; на фиг. 2 - смеситель для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 3 -схема экспериментального стенда, используемого для проверки осуществления предлагаемого способа; на фиг. 4 -экспериментально полученный график зависимости выхода оксидов азота от соотношения массовых скоростей соударяющихся струй вторичного окислителя и топливного газа. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Весь окислитель, идущий на горение, делят на первичный I и вторичный И. Первичный окислитель сплошным осевым потоком подают по оси смесителя. В сносящий поток первичного окислителя осуществляют стр уйн ую подачу топливного газа и вторичного окислителя. При этом струи вторичного окислителя ориентированы под тупым углом (навстречу) к сплошному потоку первичного окислителя и под углом 80-100° к струям топливного газа, причем с помощью насадок с различными поперечными сечениями (фиг. 2, поз. 7, 8) устанавливают соотношение массовых скоростей первичного и вторичного окислителя Устанавливаемое соотношение m 0 W0/m rWr< 1,2 происходит проскок пламени в смеситель. В этом случае при сохранении неизменным расходов окислителя (общего расхода) и топлива возникает возможность регулирования смесеобразования в широких пределах. Так, при малых соотношениях массовых скоростей вторичного окислителя и топливного газа почти весь окислитель на горение будет поступать в виде первичного окислителя. В этом случае топливный газ струями поступает в направлении от периферии к центру и практически спутно потоку первичного окислителя, что обуславливает плохое смешение топлива и окислителя (Кондратьев В.В., Ми шкалин В.И., Делягин ГН. и др. Гидродинамика и теория горения потока топлива - М., Металлургия, 1971, с. 421). При увеличении m oWo/m rWr в результате соударения плоской результирующей струи, образующейся вследствие соударения струй вторичного окислителя и газа, с одной стороны, а также потока первичного окислителя с другой, смешение улучшается и при m oW0/m rWr= 1,11,2является наилучшим, причем происходит проскок пламени в смеситель, а следовательно, это соотношение является предельным для смесеобразования. Такая технология смешения топливного газа с окислителем позволяет регулировать смесеобразование и, следовательно, регулировать выход оксидов азота. Экспериментальные исследования, осуществляющие способ сжигания газового топлива, заключались в следующем. Топливный газ через регулирующий вентиль 1 и измерительную диафрагму 2 подавали в раздающий коллектор 3. Окислитель после прохождения через измерительную диафрагму 4 делили на первичный I и вторичный И. Первичный окислитель через регулирующий вентиль 5 и завихритель 6 подавали по оси в смеситель в количестве 50-95% от общего количества окислителя. Вторичный окислитель в количестве оставшихся 50-5% через вентиль 7 и измерительную диафрагму 8 подавали в раздающий коллектор 9. Смешение топливного газа с окислителем описано выше. При этом для каждого соотношения расходов первичного и вторичного окислителя устанавливали соответствующие насадки на патрубки вторичного окислителя от d0 = 1-7 мм, а диаметры выходных отверстий патрубков топливного газа оставались постоянным dr = 1 мм (фиг. 2 поз. 7, 8). Этим достигалось изменение соотношение массовых скоростей m 0Wo/m rWr от 0,08 до 1,52 Массовые расходы определяют для горючего газа - при помощи измерительной диафрагмы 2, для вторичного окислителя -измерительной диафрагмы 8. Скорости горючего газа и вторичного окислителя определяли в соответствии с перепадом давлений на насадках патрубков горючего газа и вторичного окислителя. Соотношение расходов топливного газа и окислителя во всех экспериментах поддерживали постоянным с коэффициентом избытка воздуха сг= 1,051. Образовавшуюся газовоздушную смесь подавали в камеру сгорания 10 и поджигали. На выходе из камеры сгорания отбирали на анализ продукты сгорания и контролировали содержание N0*. СО и Ог. Примеры 1-3 (по прототипу). Установили расход топлива 19 см /си окислителя 197 см /с с коэффициентом избытка воздуха а= 1,05. Поток воздуха делили на первичный 118,2 см 3/с (60% по объему), 108.3 (5%). 98,5 (50%) и вторичный 78,8 см 3/с (40% по объему). 88,7 (45%), 98,5 (50%) при диаметрах выходных отверстий насадок для топливного газа dr = 1 мм и окислителя do = 8 мм (фиг. 2). Первичный окислитель через регулирующий вентиль 5 (фиг. 3) и завихритель 6 подавали сплошным потоком вдоль оси смесителя. Природный газ через регулирующий вентиль 1 и измерительную диафрагму 2 подавали в раздающий коллектор 3, откуда струями впрыскивали в сносящий поток первичного окислителя. Вторичный окислитель через регулирующий вентиль 7 и измерительную диафрагму 8 подавали в раздающий коллектор 9. откуда его впрыскивали под углом 90° к топливным струям. Образовавшуюся топливовоздушную смесь подавали в камеру сгорания 10, поджигали и измеряли концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания и следили за размерами факела. Соответственно для трех примеров выход оксидов азота составил 91,76 и 71 мг/м при соотношении массовых скоростей m 0W0/m rWr - 0,48; 0,6 и 0,73. Примеры 4-6 (по прототипу). Доля вторичного окислителя - 40, 45 и 50% (77,8, 88,7 и 98,5 см 3/с) dr = 1 мм, d0 = 5; 5.5; 5.6 мм. Соотношение массовых скоростей m 0W0/m rWr = 1,2 1,27 1,49. Наблюдается проскок пламени в смеситель. Примеры 7-9 (по заявляемому способу). Установили расход топлива 19 см 2/с с коэффициентом избытка воздуха a = 1,05. Поток воздуха делили на первичный 118,2 см 3/с (60% по объему), 108,3 (55%), 98,5 (50%) и вторичный 78.8 см 3/с (40% по объему), 88,7 (45%) и 98,5 (50%) при диаметрах вы ходных отверстий насадок для топливного га за dr = 1 мм и окислителя do = 6 мм (фиг. 2). Первичный окислитель через регулирующий вентиль 5 (фиг. 3) и завихритель 6 подавали сплошным потоком вдоль оси смесителя. Природный газ через регулирующий вентиль 1 и измерительную диафрагму 2 подавали в раздающий коллектор 3, откуда струями впрыскивали в сносящий поток первичного окислителя. Вторичный окислитель через регулирующий вентиль 7 и измерительную диафрагму 8 подавали в раздающий коллектор 9, откуда его впрыскивали струями под углом 90° к топливным струям. Образовавшуюся топливовоздушн ую смесь подавали в камеру сгорания 10, поджигали и измеряли концентрацию оксидов азота о продуктах сгорания и следили за размерами факела. Соответственно для трех примеров выход окислов азота составил 63,60 и 56 мг/м 3 при соотношениях массовых скоростей m oWo/m rWr - 0,85; 1,07; 1,16. Примеры 10-12 (по заявляемому способу). Методика проведения эксперимента тождественна методике для примеров 1-3. Расход топливного газа остается постоянным для всех случаев-19 м 3/с, расход (общий) окислителя - тоже - 197 см 3/с. Доля вторичного окислителя - 30% (59,1 см 3/с) от общего расхода. Диаметры выходных отверстий насадок для топливного газа остаются тоже постоянными для всех случаев - dr = 1 мм. Диаметры выходных отверстий насадок меняли do = 4,5,6 мм. Соотношение полученных массовых расходов составляло: m oWo/m rWr = 1,07; 0,69; 0,45. Выход оксидов азота для каждого случая составил соответственно 60,75, 102 мг/м 3. Примеры 13, 14 (по заявляемому способу). Доля вторичного окислителя -30% (59,1 см 3/с). dr = 1 мм, do = 3; 3,5 мм. m oWo/m rWr 1,9; 1,4. Наблюдается проскок пламени. Примеры 15-17 (по заявляемому способу). Доля вторичного окислителя -20% (39,4 см 3/с), dr = 1 мм, do = 4; 3; 2,7 мм m oWo/m rWr = 0,48; 0,85: 1,04. Выход оксидов азота соответственно составил 103, 63 и 56 мг/м . Примеры 18, 19 (по заявляемому способу). Доля вторичного окислителя -20% (39,4 см 3/с), dr - 1 мм, do = 2,3; 2 мм, m oWo/m rWr= 1,44; 1,52. Наблюдается проскок пламени. Примеры 20-22 (по заявляемому способу). Доля вторичного окислителя -10% (19,7 см 3/с). dr = 1 мм, do = 5; 2; 1,3 мм, m oWo/m rWr = 0,08; 0,45; 1,13. Выход оксидов азота составил соответственно 168, 102 и 56 мг/м . Примеры 23, 24 (по заявляемому способу). Доля вторичного окислителя - 10 (19,7 см 3/с), dr = 1 мм, do = 1,2; 1,1 мм.. m oWo/m rWr = 1,34; 1,57. Наблюдается проскок пламени в горелку. Данные, полученные на примерах 1-24, сведены в таблицу, по которой построен график на фиг 4. Анализируя экспериментальные данные, можно сделать вывод о том, что не во всех случаях прототип дает положительный эффект. Качество смешения окислителя с топливным газом, а следовательно, и выход оксидов азота зависят не столько от соотношения расходов первичного и вторичного окислителя, сколько (и это определяющий признак) от соотношения массовых скоростей соударяющих стр уй вторичного окислителя и топливного газа, причем наилучшее качество смешения и наименьший выход оксидов азота имеют место при Кроме того, прототип дает положительный эффект лишь при объемном расходе вторичного окислителя в размере 40-50 от общего расхода окислителя, а предлагаемый способ дает положительный эффект при объемном расходе вторичного окислителя в размере 10-50% от общего расхода окислителя, что свидетельствует о расширении диапазона использования изобретения.