В конструкции горелок с низким выходом NOx реализуется ступенчатое сжигание топлива в пределах факела каждой отдельной горелки.
Азот в топливе в основном находится в термически неустойчивых фрагментах органических соединений и при нагревании и горении переходит в летучие соединения. Считается, что преобразование летучих в условиях нехватки кислорода приводит к формированию промежуточных радикалов, которые восстанавливают образовавшиеся оксиды азота в молекулярный азот N2. За пределами зон выделения и горения летучих образования оксидов NOx из азота топлива не происходит.
На рисунке ниже схематично показан процесс горения в горелках со ступенчатым сжиганием топлива.
Схема процесса горения в горелке с низким образованием (а) и изменение содержания NOx по длине факела (б): А — зона выхода летучих; В— выделение промежуточных радикалов: С— зона восстановления оксидов азота; D — окислительная зона; I — зависимость для горелки с низким образованием NOx, 2 — для традиционной горелки
Для зоны воспламенения ставится цель обеспечить максимальное выделение и выгорание летучих. Оптимизация выполняется по отношению доли первичного и вторичного воздуха (m1+m2) к теоретически необходимому для сгорания летучих. Очевидно, что для углей с низким выходом летучих количество первичного и вторичного воздуха необходимо уменьшать.
Оптимизация малотоксичной горелки: а — по условию зоны воспламенения; б — по зоне восстановления
Для зоны восстановления целью является организация максимальной области восстановления (ОВ). Оптимизация выполняется по соотношению скоростей вторичного воздуха (W2) и первичного воздуха (W1).
К настоящему времени разработано и внедрено большое число конструкций вихревых горелок. Принципиальная схема характерной горелки с низким образованием NOx на примере горелки МBEL (Mitsui Babcock Energy Lid Low-NOx) показана на рисунке:
Схема горелки МВEL с низким образованием NOx:1 — форсунки; 2— воздух; 3— регулируемый вторичный воздух; 4 — завихритель вторичного воздуха; 5— завихритель третичного воздуха; 6 — аэросмесь
Подобные вихревые горелки характеризуются разделением вторичного воздуха на два потока (скажем, вторичный и третичный воздух), различающиеся по количеству, скорости и величине крутки, и регулированием соотношения вторичного и третичного воздуха.
Горелки разных фирм различаются отдельными элементами и уровнем проработанности в стендовых и промышленных условиях. В настоящее время для оптимизации конструкции горелок все в большей мере привлекаются трехмерное моделирование и крупномасштабные стенды. Схемы некоторых зарубежных горелок показаны на рисунках:
Малотоксичная горелка для реконструкции котлов в Южной Корее: 1 — мазутная форсунка: 2— пылеугольное сопло; 3— воздушный короб; 4 — регулятор, 5 — завихритель вторичного воздуха; 6 — завихритель третичного воздуха; 7 — уголь и первичный воздух
Вихревая горелка с низким выходом NOx фирмы Foster Wheeler второго поколения: 1 — подвижная заслонки 2— перфорированные вход вторичного воздуха; 3— внешний регистр; 4— внутренний регистр; 5— подвод аэросмеси
Малотоксичная горелка для реконструкции котлов в Южной Корее имеет профилированный канал аэросмеси и защиту от износа входного пылеугольного сопла.
Вихревые горелки с низким выходом NOx фирмы Foster Wheeler применяются при настенном размещении горелок и с небольшими изменениями при тангенциальной компоновке. Регулирование распределения вторичного воздуха между каналами обеспечивается подвижной цилиндрической заслонкой (шибером). В горелках происходит разделение аэросмеси на несколько потоков, что достигается использованием специального профиля выходного сопла.
В горелках Foster Wheeler серии Vonex применяется цельный завихритель, который генерирует мощный вихрь и профиль рециркуляции, что обеспечивает более эффективное перемешивание топлива с воздухом по сравнению с лопастными аппаратами с радиальными лопатками.
Горелка Foster Wheeler серии Vonex:1 — аксиальный завихритель; 2 — передвижная заслонка для регулирования расхода; 3 — пылеугольная насадка для формирования отдельных струи; 4 — подвижный внутренний сердечник для регулирования распределения и расхода пыли углей широкого диапазона; 5 — направляющая труба средств розжига; 6— привод заслонки; 7— труба растопочного газа/мазута, 8— защита от износа; 9 — приспосабливаемое к существующим конструкциям подсоединение по аэросмеси; 10 — контроль пламени; 11 — устройство регулирования воздушной зоны; 12 — трубки системы контроля потоков
К достоинствам горелки относится минимальное количество подвижных элементов при обеспечении глубокою регулирования, что повышает надежность и снижает эксплуатационные расходы при обеспечении эффективного снижения NOx (в приведенной конструкции всего три подвижных элемента: аксиальный завихритель 1, заслонка перераспределения расхода 2 и внутренний сердечник регулирования аэросмеси 4). Горелки также обеспечивают надежный контроль основных параметров воздушных потоков без использования аэродинамических трубок.
В нашей стране в настоящее время нет крупномасштабных горел очных стендов для отработки элементов конструкции и тестирования трехмерных математических моделей. Чаще отечественные горелки отличаются отсутствием или меньшим количеством регулирующих органов. По заложенным принципам они аналогичны зарубежным и в них используются апробированные в мировой практике решения. В частности, в горелке при модернизации котла П-50Р внедрены следующие широко применяемые в горелках с низкими выбросами NOx решений:
- вторичный воздух делится на два потока с равными углами крутки;
- наружный канал имеет больший угол крутки, и часть воздуха отрывается от основною потока пыли на начальном участке факела и зоне выхода и воспламенения летучих веществ;
- внутренний поток закручивается и служит для стабилизации факела.
Общий вид вихревой горелки котла П-50Р:1 — воздушные короба; 2 — коллекторы природною газа; 3 — газораздаюшие трубы, 4— завихрители; 5— труба ПВКд; 6 — клапаны распределения воздуха; 7 — установочные трубы мазутной форсунки и запально-защитного устройства
На рисунке ниже показана вихревая пылеугольная горелка, предложенная для нового котла энергоблока мощностью 600 МВт, работающего на экибастузском угле.В этой разработке такими горелками оснащается топка с их тангенциальной компоновкой.
Вихревая низкоэмиссионная многоканальная горелка
Горелка выполнена с одним цилиндрическим на выходе каналом аэросмеси и двумя диффузорными на выходе каналами вторичного воздуха. В канале аэросмеси в его выходной части установлена коническая диффузорная вставка с осевым лопаточным завихрителем малой крутки. Диффузорная вставка предназначена для концентрации угольных частиц ближе к наружной стенке канала аэросмеси. Считается, что умеренная крутка поток а аэросмеси обеспечит вместе со вторичным воздухом активную зону приосевого обратного тока, и в то же время ограничит вынос угольных частиц и воздушный поток.
Канал вторичного воздуха разбит на два кольцевых потока. Перераспределение вторичного воздух между каналами обеспечивает цилиндрический регулирующий клапан. В обоих кольцевых каналах устанавливаются двухступенчатые осевые лопаточные завихрители, в которых переменная крутка создается поворотными лопатками-элеронами, установленными на выходе неподвижных лопаток. Завихрители позволяют изменять параметр крутки воздушного потока в пределах 2 < n < 4,5. По нашему мнению такое решение в условиях неработоспособно.
Металл и металлоконструкции для тепловых электрических станций доступны на metallcity.sumetallcity.su. Различные трубы, арматура и фланцы.