способ сжигания газового топлива

Формула изобретения

СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА путем подачи в зону горения топлива и воздуха, предварительного отвода части топлива, ее обработки и последующего ввода в зону сжигания, отличающийся тем, что, с целью снижения содержания вредных примесей в продуктах сгорания, обработку предварительно отведенной части топлива ведут конверсией в присутствии водяного пара и/или углекислоты с последующим охлаждением продуктов конверсии, при этом количество отведенного топлива составляет 0,15 - 0,5% от общего его количества, а температуру продуктов конверсии после охлаждения поддерживают на уровне 350 - 600^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сжиганию газа в теплоиспользующих установках, к которым относятся паровые котлы, технологические и нагревательные печи, а также газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания. Изобретение может быть применено в энергетике, металлургии, химической и нефтехимической промышленности, а также при эксплуатации стационарных газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания. Одна из наиболее важных и технически трудных проблем, возникающих при сжигании газа, состоит в необходимости снижения содержания в продуктах его сгорания окислов азота.

Известны способы подавления образования окислов азота при сжигании газа, основанные на рециркуляции продуктов сгорания в горелку и ступенчатой подаче в нее воздуха.

Недостаток этих способов в ограниченности получаемого эффекта, а также в значительном усложнении горелок и системы управления ими.

Известен способ и устройство для снижения образования окислов азота в процессе горения газа путем снижения температуры факела за счет размещения в нем теплоизлучающих конструктивных элементов.

Недостаток этих способов в ненадежности теплоизлучающих элементов, особенно при увеличении мощности горелок, невозможности управлять их теплоизлучением при переменном режиме работы горелки, а также в необходимости их изготовления из особо жаропрочных материалов. Цель изобретения состоит в снижении токсичности продуктов сгорания путем подавления образования окислов азота при сжигании газа.

Указанная цель достигается тем, что от газа перед сжиганием отбирают его часть, составляющую от 0,15 до 0,5% от общего количества, конвертируют эту часть газа в присутствии водяного пара и/или углекислоты, направляют образующиеся при этом продукты конверсии в газовый факел и/или зафакельную зону.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью изобретения заключается в том, что:

перед сжиганием газа отбирают его часть, составляющую от 0,15 до 0,5% общего количества, конвертируют эту часть газа в присутствии водяного пара и/или углекислоты. При этом происходит нижеописанный комплекс химических реакций, приводящих к образованию высокодисперсной газовой сажи, окиси углерода и водорода;

охлаждают продукты конверсии до температуры, не превышающей 600^оС.

Тем самым обеспечивается существование сажи в течение некоторого времени после ее ввода в газовый факел в составе продуктов конверсии, что позволяет ей выполнять в факеле и за ним функции теплоизлучающего тела до того, как она сгорит.

Охлаждение продуктов сгорания облегчает, кроме того, задачу их транспортирования к месту ввода в факел и/или зафакельную зону;

вводят образующиеся при этом продукты конверсии в газовый факел и/или зафакельную зону. При этом сажа, содержащаяся в продуктах конверсии, разогревается и начинает излучать, благодаря чему снижается температура факела и замедляется образование окислов азота;

ранее образовавшиеся окислы азота частично восстанавливаются окисью углерода и водородом, содержащимся в продуктах конверсии, что также способствует снижению токсичности продуктов сгорания.

Отличительные признаки изобретения состоят в следующем:

от газа перед сжиганием отбирают его часть, составляющую от 0,15 до 0,5% общего количества, конвертируют эту часть газа в присутствии водяного пара и/или углекислоты;

охлаждают продукты конверсии до температуры, не превышающей 600^оС;

вводят образующиеся при этом продукты конверсии в газовой факел и/или зафакельную зону.

Достижение цели изобретения при использовании способа обеспечивается сочетанием указанных отличительных признаков с упомянутыми выше известными признаками по прототипу.

Отбор части газа от его основного потока перед сжиганием применяется при многоступенчатом сжигании газа, например, в нагревательных печах. Охлаждение продуктов конверсии газа применяется при получении синтез-газа в химической промышленности, например, в пpоизводстве аммиака и метанола. Ввод продуктов конверсии газа в газовый факел и/или зафакельную зону при сжигании газа по нашим сведениям в промышленности не применяется.

На фиг. 1 представлена принципиальная технологическая схема реализации способа сжигания газа, согласно изобретению; на фиг. 2 вариант реализации способа при вводе продуктов конверсии в факел и зафакельную зону.

Подписи к фиг. 1.

Принципиальная технологическая схема реализации способа содержит теплоиспользующую установку 1; делитель газа 2, эксгаустер 3 конвертируемого газа, смеситель 4 конвертируемого газа с водяным паром и/или углекислотой, конвертор 5 газа, охладитель 6 продуктов конверсии, форму 7 для ввода продуктов конверсии, газовую 8 горелку, дымосос 9, дымовую трубу 10.

На схеме показаны технологические потоки, где I. Исходный газ, II. Газ на конверсию, III. Водяной пар и/или углекислота на конверсию, IV. Воздух (кислород) на конверсию, V. Продукты конверсии, VI. Воздух на горение, VII. Дымовые газы.

Способ реализуется следующим образом.

От газа с помощью делителя 2 отбирают от 0,15 до 0,5% его общего количества, которое с помощью эксгаустера 3 направляют в конвертор газа 5 через смеситель 4, где к газу добавляется воздух (кислород) и водяной пар или углекислый газ.

В конверторе 5 газ конвертируют, причем происходят следующие реакции (на примере метана):

CH₄-Q C +2H₂

CH₄+H₂OCO+3H₂-Q₁

CH₄+CO 2CO+3H₂-Q₂

CH₄+1/2OCO+2H₂+Q₃

CO+H₂OCO₂+H₂+Q₄

Для конвертирования газа может быть использован высокотемпературный или каталитический конвертор

охлаждают продукты конверсии в охладителе 6 до температуры, не превышающей 600^оС. Тем самым прекращают взаимодействия между компонентами реакционной системы, что позволяет сохранить содержащуюся в них сажу, и обеспечивают возможность транспортирования продуктов конверсии к теплоиспользующей установке. В частном случае охладитель 6 может быть использован для подогрева поступающего на конверсию газа;

вводят образующиеся продукты конверсии в факел и/или зафакельную зону, причем происходят следующие реакции;

2CO+2NO __ 2CO₂+N₂

2H₂+2NO __ 2H₂O+N₂ и побочные реакции

CO+(1/2)O₂__ CO₂

H₂+1/2O₂__ H₂O

Cажа, содержащаяся в продуктах конверсии, водимых в факел и/или зафакельную зону, сгорает при этом по реакции

C+O₂__ CO₂

Сгорание высокодисперсной сажи, содержащейся в продуктах конверсии, после их ввода в факел и/или зафакельную зону протекает достаточно медленно из-за дефицита кислорода в зоне ее ввода, причем ее воспламенение происходит при температуре, превышающей 800^оС. Тем самым обеспечивается возможность ее использования в качестве излучательного материала.

Количество сажи в вводимых продуктах конверсии, а вместе с тем и количество излучаемого ею тепла может регулироваться количеством отбираемого газа и воздействием на процесс его конверсии. Подобное регулирование может выполняться автоматически в зависимости от токсичности выбрасываемого газа.

В соответствии с реакциями 6, 7 происходит восстановление ранее образовавшихся окислов азота, содержащихся в продуктах сгорания, до азота и тем самым достигается цель изобретения, состоящая в снижении токсичности продуктов сгорания.

Что же касается побочных реакций 8 и 9, то они могут быть сведены к минимуму при сжигании газа с пониженными избытками воздуха, например, в газоплотных топочных устройствах.

Предпочтителен ввод продуктов конверсии газа в факел, однако в тех случаях, когда надлежащее перемешивание продуктов конверсии газа с продуктами его сгорания в факеле затруднительно, причем имеют место "обратные вихри", часть или все продукты конверсии газа могут вводиться в зафакельную зону так, чтобы они доставлялись к корню факела с "обратными" вихрями.

Ниже приводятся примеры реализации способа, согласно изобретению.

П р и м е р 1 (по прототипу). На котле БКЗ-420-140ГМ производительностью 420 т пара/час сжигается газ, содержащий 95% метана, 0,7% этана, 0,4% пропара, 0,2% бутана и 2% азота. Газ имеет теплоту сгорания 8400 ккал/м³ и сжигается в количестве 3010³ м³/час при избытке воздуха за топкой 1,05. Горелки снабжены теплоизлучательными экранами. В продуктах сгорания содержится 0,7 г/м³ окислов азота.

П р и м е р 2. На котле БКЗ-420-140ГМ сжигается газ по примеру 1, причем от газа отделяют 0,5% из которых 0,3% конвертируют в выносном конверторе, а 0,2% расходуют на обогрев конвертора. Полученные продукты конверсии охлаждают до 600^оС, распределяют по горелкам котла и вводят через специальные сопла в факел и зафакельную зону. При этом содержание окислов азота в продуктах сгорания снижается до 0,2 г/м³, т.е. на 71% содержание окиси углерода не превышает 0,05 г/м³, а мехнедожог отсутствует.

П р и м е р 3. На котле БКЗ-420-140 ГМ по примеру 1, работающем при избытке воздуха за топкой 1,02, отделяют и направляют на конверсию 0,32% газа, причем конвертируется в присутствии водяного пара и углекислоты 0,19% газа, а на обогрев конвертора расходуется 0,13% отобранного газа. Полученные продукты конверсии охлаждают до 500^оС и вводят в зафакельную зону за каждой из горелок. При этом содержание окислов азота в продуктах сгорания снижается до 0,18 г/м³, т. е. на 74,2% содержание окиси углерода в дымовых газах не превышает 0,03 г/м³, мехнедожог отсутствует.

П р и м е р 4. На котле БКЗ-420-140ГМ, оснащенном встроенным в высокотемпературный газоход конвертором газа, отбирается и конвертируется 0,15% газа. Полученные продукты конверсии охлаждают до 350^оС и вводят с помощью специальных сопел в факел за каждой из горелок. При этом содержание окислов азота в продуктах сгорания снижается до 0,16 г/м³, т.е. на 77% содержание окиси углерода в продуктах сгорания не превышает 0,02 г/м³, мехнедожог отсутствует.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет:

углубить степень очистки продуктов сгорания от окислов азота, довести ее до 71-77%

упростить конструкцию горелок, отказавшись от необходимости их оснащения теплоизлучающими элементами;

оптимизировать режим очистки продуктов сгорания от окислов азота, управляя отбором газа на конверсию с учетом остаточного содержания окислов азота и окиси углерода в выбрасываемых в атмосферу продуктах сгорания.

Таким образом достигается цель изобретения, состоящая в снижении токсичности продуктов сгорания.

Положительный эффект от внедрения предлагаемого способа состоит в том, что он

обеспечивает очистку продуктов сгорания от окислов азота независимо от конструкции применяемых горелок;

позволяет использовать в качестве исходного реагента, восстанавливающего окислы азота, сжигаемый газ;

дает возможность стабилизировать уровень очистки продуктов сгорания от окислов азота во всем диапазоне нагрузок теплоиспользующей установки.