Способ регулирования процесса горения

(19) 01) 151)ю Р 23 И 1/02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОГ 1 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЬ-ДЬСТВУ ЛХЗГЕМй жим устанавливают рях тепла с уходящим недожогом и контнтрации водорода в лизируя ее величину Оптимальный ре при минимальных пот ми газами и химическ ролируют их по конц дымовых газах, стаби(71) Московский энергетический институт, Тюменский индустриальный институт им. Ленинского комсомола и Научно-производственное объединение "Энергоавтоматика" (72) В.И.Кормилицын, Ж.-Г.Л,Гохберг и А.Ф.Некрасов(56) Авторское свидетельство СССР Ь 231701, кл. Р 23 С 11/00, 1967.Авторское свидетельство СССР М 1076700, кл. Р 23 С 11/00, 1982.(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ(57) Целью изобретения является повышение экономичности сжигания жидкого и газообразного топлива и снижение Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для регулирования процессов горения мазута и природного газа в топках паровых котлов тепловых электростанций.Известен способ регулирования процесса горения при сжигании газа и мазута, . когда сжигание топлива осуществляют с предельно низкими избытками воздуха, позволяющими повысить экономичность и надежность котельных установок и снизить выброс в атмосферу вредных оксидов азота,концентрацйи оксидов азота в продуктах сгорания, Это достигается путем управления концентрациями оксидоэ азота и водорода в дымовых газах за счет изменения подачи воздуха по сигналам датчика расхода топлива и подачи воды или водяного пара в зону горения, Снижение оксидов азота производится изменением подачи воздуха до достижения локального минимума зависимости концентрации оксидов азота от концентрации водорода, подачей воды или водяного пара в зону горения до достижения начала возрастания концентраций водорода или оксида азота в дымовых газах, стабилизацией расхода воды и снижением коэффициента избытка воздуха до получения концентрации водорода, соответствующей ее значению перед подачей воды. 1 .з.и. ф-л ы, 4 ил. порядка 0,005 аб.;4. При этом потери тепла с химическим недожогом будут пренебрежительно малы (меньше 0,010), в то же время отклонение в сторону больших величин водорода в дымовых газах соответствует переходу режима сжигания топлива в зону с большими потерями тепла с химической неполнотой сгорания топлива, а отклонение в сторону с меньшими значениями водорода - переходу в зону больших потерь тепла с уходящими дымовыми газами. Потери тепла при этом способе сжигания газа и мазута в 3 - 5 раз меньше по сравнению с режимом "блуждающего" избытка воздуха при коррекции по кислороду, вследствие более высокой чувствительности хроматографического газо- анализатора по водороду(в 100 раз) к химическому недожогу топлива в сравнении с5 10 15 20 25 30 35 40 50 анализом по кислороду и анализаторами химического недожога, Задача экстремального регулирования процесса сжигания топлива здесь решается с помощью стабилизирующего регулятора, воздействующего на соотношение топливо - воздух по импульсу водорода в дымовых газах, Недостатком известного способа является неполное использование возможностей не только экономической, но и экологической оптимизации процесса горения, например, вследствие неучета выброса токсичных оксидов азота,Известен также способ сжигания топлива для снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания, основанный на снижении концентрации оксидов азота в дымовых газах путем изменения подачи воздуха по сигналам датчика расхода топлива и подачи воды или водяного парэ между потоками горючего и окислителя, Здесь вода или водяной пар более равномерно поступает в зону горения с интенсивным образованием оксидов азота, что снижает требуемое количество воды и более радикально подавляет процесс образования оксидов азота, Недостатком способа является низкая экономичность и недостаточная эффективность подавления оксидов эзота, т,е. необеспечен ие эколого-экономического оптимума при регулировании, процесса горения топлива вследствие того, что здесь улучшение одного показателя достигается за счет ухудшения другого и нет комплексного воздействия различных методов подавления оксидов азота нэ режим сжигания топлива,Целью изобретения является повышение экономичности процесса сжигания топлива и экологичности путем сниженияоксидов азота в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу,Поставленная цель достигается тем, что в известном способе регулирования процесса горения жидкого и газообразного топлива, основанном нэ снижении концентрации оксидов азота в дымовых газах путем изменения подачи воздуха по сигналам датчика расхода топлива и подачи влаги (воды, водяного пара или совместно воды с паром) в зону горения, согласно изобретению перед подачей в зону горения влаги измеряют соотношение воздух - топливо и приращение оксидов азота до получения отношения приращения оксидов азота к приращению водорода в продуктах горения, равным нулю, регистрируют достигаемое при этом значение концентрации водорода и начинают подавать в зону горения влагу, увеличиваяее расход до достижения минимальной концентрации оксидов азота и водорода и в дымовых газах и затем стабилизируют расход влаги,Кроме того, уменьшают соотношение воздух - топливо до достижения концентраций водорода в дымовых газах значения, зарегистрированного перед началом подачи в зону горения влаги при отношении приращений оксидов азота к приращению водорода, равным нулю.Предлагаемый способ имеет новые по сравнению с известным операции.На фиг.1 приведена зависимость величины химического недожога топлива от коэффициента избытка воздуха при различных режимах сжигания топлива; на фиг.2 - зависимость концентраций оксидов азота МО в дымовых газах от концентрации водорода (Н) в дымовых газах при сжигании мазута и природного газа; на фиг.З - схема устройства, реализующая предлагаемый способ регулирования процесса горения топлива; на фиг,4 - зависимость снижения оксидов азота в дымовых газах при регулировании процесса горения топлива по предлагаемому способу.На фиг.1 приведены опытные зависимости величины химического недожога от коэффициента избытка воздуха при сжигании мазута в паровом котле ТГМП, Здесь кривая 1 соответствует исходному режиму сжигания топлива с паровым распылом мазута в паромеханических форсунках, а кривая 2 - при сжигании топлива с локальным дозированным вводом воды в зону горения, Из фиг,1 видно, что второй режим сжигания топлива имеет меньшую величину коэффициента критического избытка воздуха по сравнению с первым режимом. Но реализовать данное преимущество, т.е, при тех же значениях коэффициента избытка воздуха достигнуть меньшей величины потерь тепла с химической неполнотой сгорания топлива, известными способами регулирования процесса горения невозможно.В результате исследований процессов сжигания жидкого и газообразного топлива установлено, что в зоне микронедожога имеет явно выраженный экстремум зависимости азота от водорода (фиг,2), Область эффективного снижения оксидов азота в дымовых газах находится в области концентраций водорода от 0,015 до 0,04 об.;, при которых величина химического недожога топлива пренебрежительно мала и практически полностью компенсируется уменьшением потерь тепла с уходящими газами по сравнению срежимом нулевого химического недожога топлива, Таким образом, уменьшая избыток воздуха до значения ЬЙОх/ ЬН 2 = О. существенно уменьшается концентрация окси 1918532дальнейшее снижение коэффициента избытка воздуха неэффективно, так как происходит возрастание концентрации водорода 5 50 55 дов азота в дымовых тазах (здесь ЛКОх и Л Н 2 - приращения концентрации). Однако и, соответственно, недопустимое увеличение химического недожсга топлива, а также сначала возрастание и затем малоэффективное снижение оксидов азота, Поэтому оптимизация процесса горения топлива осуществляется сначала уменьшением коэ,",- фициента избытка воз,;уха путем установле- НИЯ ЕГО МИНИМаЛЬНОГО ЗНЗчЕНИЯ ПРИ возрастании концентрации водорода в дымовых газах до соотношения Л МОх/ Л Н 2 = О, соответствующего концентрации водорода вплоть до 0,04 об,%, Здесь кончается область эффективного сниженля избытков воздуха путем ум.ньшения расхода дутьевого воздуха, так как резко уменьшается экономичност прсцесса с орания топлива из-за химической неполноты сгорания топ. лива, а эффект снижения концентраций оксидов азота становится даже меньше по сравнению с предыдущим режимом. Только при более высоком значении водорода в дымовых газах (соответственно и меньших коэффициентах избытков воздуха) концентрации оксидов азота становится снова низкими, но снижение их величины неравнозначно ухудшению процесса сжигания топлива и технико-экономически нецелесообразно, Всплеск концентраций оксидов азота в продуктах сгорания топлива обьясняется взаимным влиянием на уровень концентраций оксидов азота в зоне активной их генерации, как максимальчой температуры смеси, так и концентрации кислорода.Снижение коэффициента а избытка воздуха, вследствие уменьшения расхода воздуха, подаваемого в горелочные устройства при организации процесса сжигания топлива с предельно низкими избытками воздуха, приводит с одной стороны к уменьшению концентраций кислорода в зонах активной генерации оксидов азота, а с другой - к повышению максимальной температуры в локальных зонах факела при уменьшении а до 0,95, Разнонаправленность воздействия этих двух факторов. и приводит к столь необычному на первый взгляд результату повышения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания топлива при монотонном возрастаний водорода. Поэтому при достижении ЛМОх/ Л Н 2 = 0 в длапазоне концентраций водорода в дымовых газах от 0,015 до 0,04 об.% для более глубокого снижения концентрации оксидое азота в зону 30 35 40 горения с интенсивной генерацией оксидов азота осуществляют подачу влаги (воды, водяного пара или совместно) и одновременно контролируют концентрации водорода и оксидов азота, Общее количество подаваемой в зону горения влаги находится в диапазоне известного способа. Но, в отличие от него, здесь включение подачи влаги и увеличение ее расхода осуществляется ступенчато путем постегенного увеличения ее расхода при текущ.1 контроле водооодз и оксидов азота в продуктах сгорания до достижения минимальной концентрации водорода в дымовых газах и более глубокого подавления оксидов азота фиг.4). Сигналом к прекращению увеличения подачи влаги в зону горения является всплеск увеличения :онцентрао й как оксидов азота вследствие захолаживанич факела и заморозке оксидов азота, так и водорода вследствие ухуцшения процесса подготовки топлива к сжиганию и собственно процесса сжигания. Конкретное количество подаваемоЙ в зону горения влаги зависит от типа топочно-горелочных устройств ограничений по температурному режиму и условий эксплуатации паровых котлов и в настоящее время осуществляется оперативным персоналом по режимным кар-м путем управления регулирукицим клаг,аном, Без автоматического регулирования процессом горения топлива по предлагаемому способу на практике не удается достичь экологичегких и технико-экономических преимуществ, так как только предлагаемым способом достигается избирательная приостановка подачи влаги в зону горения в соответствии с вышеперечисленными условиями осуществления одновременного контроля водорода и оксидое азота при осуществлении дискретного включения епрыска воды или водяного пара в зону горения, Причем, поскольку разрешающй уровень контроля различных изменений по водороду составляет 0,001 об,%, то для достоверного определения оптимальной точки процесса, т.е, минимума ИОх и Н при дискоетном фиксированном количестве епрысклваемой влаги, отклонение по водороду от контролируемого допускается 0,002 об.%. Обычно при использовании для этой цели системы "Оптима-Хром" время выдержки после впрыска воды перед измерением кснцентрации водорода составляет более двух, ка не менее десяти минут, что соответствует гиповому времени стабилизации процесса горения топлива при нанесении возмущения на топочный процесс паровых котлов.Минимум концентрации водорода в дымовых газах и фиксация этого значения сводорода в дымовых газах, имевших место 25до включения впрысков влаги в зону горения. Здесь достигается реализация допол- . 30 передают сигналы в вычислитель 14 Л МОх/ Л Н 2, выход которого связан с огра-. ничителем 15 по заданию водорода, Схема 50 прекращением увеличения расхода влаги, как значимого, осуществляется в момент повышения водорода (химического недожога топлива) при текущем значении его концентрации 0,005-0,01 об.6 (фиг.4), Здесь, как указано выше, увеличение количества впрыскиваемой влаги и риводит уже к нарушению процесса сжигания топлива. вызывая всплеск роста концентраций как водорода, так и оксида углерода, и является недопустимым по условиям экономичности сжигания топлива и надежности работы оборудования, На промежуточных режимах впрыска влаги в зону горения от начала его осуществления до установления оптимальной величины наблюдается в продуктах сгорания топлива, как снижение концентраций водорода, так и оксидов азота.Еще более глубокое подавление процессов образования оксидов азота можно достигнуть далее при постоянном фиксированном впрыске влаги в зону горения путем последующего снижения коэффициента избытка воздуха до достижения концентраций нительного эффекта от улучшения условий перемешивания горючего с окислителем вследствие ввода влаги в зону горения и дополнительной турбулиэации факела, за счет чего снижается критический коэффициент избытка воздуха. Возможность осуществления способа регулирования процессагорения топлива поясняется схемой, представленной на фиг,З. Здесь датчики расхода топлива 1 и воздуха 2 включены в тракт подачи топлива и воздуха. Изменение расходов топлива, воздуха и впрыска воды или водяного пара осуществляется, соответственно, регуляторами 3, 4 и 5 и исполнительными механизмами 6 и 7, воздействующими на регулирующие органы изменения расходов топлива 8, воды 9 и воздуха 10. Измеритель 11 выбросов оксидов.азота и концентраций водорода в дымовых газах парового котла 12 задатчиком 13 водорода снабжена измерителем 16 концентрации оксидов азота в атмосфере.Устройство работает следующим образом.С помощью измерителя 11 выбросов оксидов азота, водорода в дымовых газах, например, системы "Оптима-Хром", на работающем котле 12 устанавливается режим с предельно низкими избытками воздуха по содержанию водорода в дымовых 5 10 15 20 газах 0,005 об Дальнейшее подавление оксидов азота производят изменением задания по водороду с соответствующим изменением корректирующего воздействия на подачу воздуха, причем увеличение задания по водороду и уменьшение подачи воздуха производит регулятор 4 воздуха до достижения Л ЙОх/ Л Н 2 " О, После этого устройство 14 вычисления ЛМО/Н 2 включает ограничитель 15 и дальнейшее изменение задания по водороду не производится. При необходимости более глубокого подавления оксидов азота в выбросах схема И в регуляторе 5 впрыска разрешает прохождение сигнала от измерителя 16 оксидов азота в атмосфере на открытие впрыска воды 9. после чего происходит снижение содержания водорода в дымовых газах парового котла 12, Задание по водороду, оставшееся до режима с включенным впрыском, введенное ранее в корректор "Оптима-Хром", приводит последний опять в рабочее состояние и порождает корректирующее устройство в сторону дальнейшего уменьшения коэффициента избытка воздуха до установления в дымовых газах граничного значения водорода, При отсутствии необходимости в глубоком подавлении оксидов азота впрыск воды отключается, при этом увеличивается водород в дымовых газах и "Оптима- Хром", изменяя корректирующее воздействие, автоматически устанавливает новое значение коэффициента избытка воздуха, выводя систему на заданное содержание водорода, но не больше того, при котором Л ИОх/ Л Н 2 = О, Система управления, включающая элементы 14, 15, 5 и 13, реализуетсяс помощью микроконтроллера К-20 " Электроника" МС 2702).П р и м е р, Были измерены концентрации оксидов азота (КО). водорода Н 2), окиси углерода СО), кислорода (02) на паровом котле ТГМПэнергоблока мощностью 300 МВт, Опытные данные экспериментальных замеров укаэанных величин при сжигании мазута беэ впрыска влаги с различными концентрациями водорода в дымовых газах при уменьшении коэффициентов избытков воздуха приведены в 1 - 4 опытах таблицы, а при впрысках влаги приведены в опытах 5 и б,Результаты экспериментальной проверки способа, приведенные в таблице. представлены также графически на фиг.4. Из анализа опытных данных следует, что включение впрыска влаги в момент Л ЙОх/ Л Н 2 = 0 приводит к дальнейшему подавлению оксидов азота, а последующая коррекция режима горения топлива по во 1698582 10дороду (возврат его значения к исходной величине, соответствующей режиму перед началом впрыска влаги) обеспечивает еще дополнительное снижение оксидов азота (опыт 6), при сжигании топлива с предельно низкими избытками воздуха по отношению к конечному исходному рабочему режиму (опыт 3). Сжигание топлива без впрыска влаги со снижением коэффициента избытка воздуха приводит к более пологому снижению концентраций оксидов азота и большей ее абсолютной величиной при сопутствующем резком возрастании потерь тепла с химической неполнотой сгорания топлива (опыт 4) по сравнению с рекомендуемым вариантом (опыты 5 и 6),Таким образом, предлагаемый способ регулирования процесса горения жидкого и газообразного топлива по сравнению с известным обеспечивает повышение экономичности за счет более рационального сжигания топлива, приводящего к увеличению предотвращенного ущерба окружающей среде. Существенные отличия способа заключаются как в организации его, так и в обеспечении прецизионными измерениями и в установлении конкретных концентраций водорода в дымовых газах, по сигналам которых управляются впрыски влаги в зону горения и коэффициенты избытков воздуха, обеспечивающие оптимизацию процесса горения топлива как по экологическому, так и по экономическому показателям,По сравнению с известным способом, который принят эа лучшую разработку в регулировании процесса горения по экологическим характеристикам, регулирование процесса горения топлива по предлагаемому способу приводит к снижению выбросов в атмосферу токсичных оксидов азота с дымовыми газами только от одного паровогокотла энергоблока мощностью 800 МВт на0,311 т/ч. При удельной стоимости от предотвращенного ущерба окружающей среде5 от оксидов азота 100 руб/т и числе часовработы энергоблока 6500 ч/год, предотвращенный ущерб окружающей среде от выбросов оксидов азота из одного паровогокотла равен 202176 руб. в год и для электро 1 О станции с шестью знергоблаками превышает 1 млн. руб. в год.Ф о р мул а и зоб ретен и я1. Способ регулирования процесса горения жидкого и газообразного топлива пу 15 тем измерения концентрации оксидов азотав дымовых газах, изменения подачи дутьевого воздуха до установления заданного коэффициента избытка воздуха и подачи влагив зону горения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,20 что, с целью повышения экономичностисжигания и снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах. дополнительноизмеряют концентрацию водорода в дымовых газах, перед подачей влаги изменением25 расходавоздуха уменьшают коэффициентизбытка воздуха до достижения зависимости концентрации оксидов азота от концентрации водорода минимального значения,затем подают влагу и увеличивают расход30 влаги до начала возрастания хотя бы однойиз измеряемых концентрациЯ газов, оксидаазота или водорода и стабилизируют расходвлаги на достигнутом уровне,2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я35 тем, что после стабилизации расхода влагиизменением расхода воздуха снижают коэффициент избытка воздуха до достиженияконцентрацией водорода в дымовых газахзначения, равного ее значению перед пода 40 чей влаги.д Р/У рйй юле 5(3-00 ФФ ир ув 3 ео Ф,4ига 1698582Фа) ная, руЩй люее ТГИд.й,1698582 юра а 6 оссвано 3 люйци д дИисводноьо возррициинжа изйггпка брука ЮР 7 Составитель А. Засимактор Э, Силган Техред М.Моргентал орректор А, О нко акаэ 4382 ВНИИПИ Тираж Подписноедарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 СНУЯ ЮЗАМИ Аь же Ыь юоа