Способ ступенчатого сжигания с оптимизированным впрыскиванием первичного окислителя

Изобретение относится к области энергетики. Способ сжигания топлива, в котором впрыскивают струю топлива и, по меньшей мере, две струи окислителя, причем первую струю окислителя, называемую первичной струей, впрыскивают так, чтобы она была в контакте со струей топлива и создавала первое неполное сгорание, причем газы, возникающие из этого первого сгорания, все еще содержат, по меньшей мере, часть топлива, а вторую струю окислителя впрыскивают на расстоянии от струи топлива, таким образом, чтобы сжигать вместе с частью топлива, присутствующей в газах, возникших от первого сгорания. Первичную струю окислителя разделяют на две первичные струи: первую первичную струю окислителя, называемую центральной первичной струей, впрыскиваемую в центр струи топлива, и вторую первичную струю окислителя, называемую охватывающей первичной струей, впрыскиваемую соосно вокруг струи топлива. Скорость впрыскивания центральной первичной струи окислителя больше скорости впрыскивания струи топлива. Скорость впрыскивания струи топлива больше скорости впрыскивания охватывающей первичной струи окислителя. Скорость впрыскивания второй струи окислителя больше скорости впрыскивания охватывающей первичной струи окислителя. Отношение расстояния между точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя и точкой впрыскивания второй струи окислителя к скорости впрыскивания второй струи окислителя находится между порядками 10^-3 и 10^-2. Третью струю окислителя впрыскивают в точке, расположенной между точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя и точкой впрыскивания второй окислительной струи. Скорость впрыскивания второй струи окислителя больше скорости впрыскивания третьей струи окислителя. Отношение расстояния между точкой впрыскивания второй струи окислителя и точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя к расстоянию между точкой впрыскивания третьей струи окислителя и точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя находится между 2 и 10. Две первичные струи окислителя имеют одинаковую концентрацию кислорода. Концентрация кислорода центральной первичной струи окислителя больше концентрации кислорода охватывающей первичной струи окислителя. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность печи. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение касается способа ступенчатого сжигания с использованием первичной струи окислителя и вторичной струи окислителя, в котором впрыскивание первичного окислителя оптимизировано.

Характеристики способа сжигания в промышленной печи должны удовлетворять двум критериям:

- ограничивать выброс загрязнителей атмосферы (NO_x, пыли и т.д.), который должен быть количественно меньше предела, установленного законодательством,

- управлять температурой стенок печи и подлежащей нагреву шихты, чтобы удовлетворять ограничениям, касающимся как количества продукта, подвергаемого сжиганию, так и потребления энергии. Предпочтительным решением для удовлетворения этим двум критериям является снижение температуры сжигающего пламени, и одно из применяемых средств - ступенчатое сжигание. Способ ступенчатого сжигания топлива содержит разделение количества окислителя, необходимого для полного сгорания топлива, по меньшей мере, на два потока окислителя, вводимых на различных расстояниях от потока топлива. Таким образом, первый поток окислителя впрыскивают очень близко к потоку топлива. Этот поток, ближайший к потоку топлива, называют первичным потоком; он дает возможность частичного сжигания топлива при управляемой температуре, которая ограничивает образование NO_x. Другие потоки окислителя впрыскивают на большем расстоянии от топлива, чем первичный поток окислителя; они дают возможность завершения сжигания топлива, которое не прореагировало с первичным окислителем. Эти потоки называют вторичными потоками. В документе WO 02/081967 описан способ, описывающий возможность применения этого типа способа ступенчатого сжигания. Окислитель разделен на три отдельных потока, которые впрыскивают на различных расстояниях от точки впрыскивания топлива и с различными скоростями. Таким образом, первую струю окислителя впрыскивают с высокой скоростью в центре струи топлива. Затем вторую струю окислителя впрыскивают с более низкой скоростью на первом расстоянии от струи топлива. Наконец, третью струю окислителя впрыскивают на втором расстоянии от струи топлива, причем это второе расстояние больше первого расстояния.

Может оказаться полезным применение способа этого типа с различными мощностями горелки, например, когда меняется шихта в печи. Таким образом, может быть желательным использование горелок низкой мощности, то есть использование горелок с низкими скоростями топлива относительно номинального режима горелок. Тогда использование горелок с низкими скоростями топлива относительно номинального режима может привести к подъему пламени: при впрыскивании топлива и окислителей по горизонтальной плоскости пламя поднимается к крыше промышленной печи и может повредить ее.

Задачей настоящего изобретения является создание способа ступенчатого сжигания, в котором имеется возможность модифицирования мощности горелки, и, в частности, снижения ее относительно ее номинальной мощности, без этого изменения мощности, ведущего к изменению направления пламени и к порче стенки печи.

Для этого в способе сжигания топлива впрыскивают струю топлива и, по меньшей мере, две струи окислителя, причем первую струю окислителя, называемую первичной струей, впрыскивают так, чтобы она была в контакте со струей топлива и создавала первое неполное сгорание, причем газы, возникающие из этого первого сгорания, все еще содержат, по меньшей мере, часть топлива, а вторую струю окислителя впрыскивают на расстоянии от струи топлива, таким образом, чтобы сжечь с частью топлива, присутствующей в газах, возникших из первого сгорания, в котором первичная струя окислителя разделена на две основные струи:

- первую первичную струю окислителя, называемую центральной первичной струей, впрыскиваемую в центр струи топлива, и

- вторую первичную струю окислителя, называемую охватывающей струей, соосно впрыскиваемую вокруг струи топлива.

Изобретение, следовательно, касается способа ступенчатого сжигания, в котором окислитель, необходимый для сжигания топлива, разделен на две струи. Первую струю, называемую первичной струей, впрыскивают в контакте со струей топлива, что означает, что расстояние между струей топлива и первичной струей окислителя равно нулю (за исключением возможного присутствия стенки канала, проводящего эти различные струи). По существенному признаку изобретения первичная струя окислителя разделена на две струи, впрыскиваемые отдельно от струи топлива. Первую первичную струю топлива, называемую центральной струей, впрыскивают в центр струи топлива, а вторую первичную струю окислителя, называемую охватывающей первичной струей, впрыскивают соосно вокруг струи топлива. На практике этот способ можно применять путем использования инжекционной трубы, состоящей из двух концентричных труб - одна для впрыскивания топлива, другая для центрального первичного окислителя. Инжекционный трубопровод помещают в керамическую огнеупорную амбразуру, а охватывающий первичный окислитель впрыскивают в промежуток, образованный между огнеупорной амбразурой и инжекционным трубопроводом. Конец инжекционного трубопровода может быть отодвинут назад или находиться в той же плоскости, что и инжекционная стенка в печи.

По изобретению количество окислителя, присутствующего в первичной струе окислителя, меньше, чем полное количество окислителя, необходимое для полного сгорания топлива. Вторая струя окислителя дает возможность подачи количества окислителя, необходимого для завершения сжигания топлива. Вторую струю окислителя впрыскивают на расстоянии от второй первичной струи окислителя, что означает, что расстояние между этими двумя струями не равно нулю. Это расстояние предпочтительно составляет, по меньшей мере, 80 мм, еще более предпочтительно - по меньшей мере, 90 мм. В общем, сумма количеств всех впрыскиваемых окислителей является, по существу, стехиометрической, то есть находящейся в диапазоне±15% относительно стехиометрического количества, необходимого для полного сгорания топлива. Количество второго окислителя обычно составляет 10-98% полного количества впрыскиваемого окислителя, предпочтительно 50-98%, еще более предпочтительно - 75-98%, причем первичный окислитель (что соответствует как центральному первичному окислителю, так и охватывающему первичному окислителю) составляет количество, находящееся в пределах от 2 до 90%, предпочтительно от 2 до 50%, еще более предпочтительно - от 2 до 25% полного количества окислителя.

По изобретению предпочтительно, чтобы скорость впрыскивания центральной первичной струи окислителя была больше, чем скорость впрыскивания струи топлива. Посредством этого свойства центральная струя окислителя обеспечивает как хорошую передачу струи топлива, так и достаточно высокую скорость этой струи топлива. Таким образом, топливо идеально пропускается через зону сгорания со вторым окислителем. Скорость впрыскивания центральной первичной струи окислителя обычно составляет, по меньшей мере, 50 м/с, предпочтительно находится между 50 и 150 м/с. Скорость впрыскивания струи топлива предпочтительно больше, чем скорость впрыскивания охватывающей первичной струи окислителя, еще более предпочтительно - от 5 до 15 м/с. По предпочтительному варианту осуществления скорость впрыскивания вторичной струи окислителя может быть больше, чем скорость впрыскивания охватывающей первичной струи окислителя.

По изобретению расстояние, на котором впрыскивают вторую струю окислителя, и скорость этой второй струи окислителя предпочтительно таковы, что отношение расстояния, определенного между точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя и точкой впрыскивания второй струи окислителя, к скорости впрыскивания второй струи окислителя лежит между порядками 10^-3 и 10^-2, предпочтительно между 3×10^-3 и 8,5×10^-3. Это отношение решает задачу изобретения, обеспечивая при этом низкое выделение NO_х и улучшенную яркость пламени, давая оператору возможность визуального наблюдения за сжиганием.

По конкретному варианту осуществления способа по изобретению, третья струя окислителя может быть впрыснута в точке, расположенной между точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя и точкой впрыскивания второй окислительной струи. Преимущество впрыскивания этой третьей окислительной струи в том, что она дает возможность варьирования скоростей потоков между второй и третьей струями окислителя и модификации момента горелки и длины пламени для управления профилем передачи шихты. Предпочтительно, чтобы скорость впрыскивания второй струи окислителя была больше скорости впрыскивания третьей струи окислителя или равна ей. Наблюдения показали, что является предпочтительным, чтобы отношение расстояния, определенного между точкой впрыскивания второй струи окислителя и точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя, к расстоянию, определенному между точкой впрыскивания третьей струи окислителя и точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя находилось между 2 и 10. В случае данного конкретного варианта осуществления количество окислителя, присутствующего в третьей струе, предпочтительно составляет 50-75% от полного количества окислителя, впрыскиваемого второй и третьей струями, причем это полное количество окислителя, впрыскиваемого второй и третьей струями, составляет 10-98% от полного количества впрыскиваемого окислителя, предпочтительно 50-98%, еще более предпочтительно - 75-98%. По изобретению расстояние, на котором впрыскивают третью струю окислителя, и скорость этой третьей струи окислителя предпочтительно таковы, что отношение расстояния, определенного между точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя и точкой впрыскивания третьей струи окислителя, к скорости впрыскивания третьей струи окислителя, находится между 6×10^-4 и 6×10^-3, предпочтительно - между 1,5×10^-3 и 4×10^-3.

По первому варианту способа по изобретению две первичные струи окислителя имеют одинаковую концентрацию кислорода. Поэтому также предпочтительно использовать окислитель во второй струе и при необходимости в третьей струе, имеющий тот же состав, что и первая струя, так как при этом является возможным разделить только один источник окислителя между различными точками впрыскивания окислителей.

Однако по второму варианту способа по изобретению концентрация кислорода в центральной первичной струе окислителя может быть больше, чем концентрация кислорода в охватывающей первичной струе окислителя и во второй и третьей струях. Это может быть в случае, когда подача чистого кислорода ограничена. Следовательно, окислитель с высокой концентрацией кислорода впрыскивают в виде центральной первичной струи окислителя, тогда как воздух впрыскивают во все остальные струи окислителя.

Струя второго окислителя может сама состоять из множества струй второго окислителя. Для обеспечения хорошей симметричности устройства сжигания струи второго окислителя предпочтительно равномерно размещают вокруг струй топлива и первичного окислителя. Данная компоновка также может быть применена к струе третьего окислителя.

Способ предпочтительно применяют с газообразным топливом. Если топливо жидкое, то желательно, чтобы был использован распылительный газ для распыления жидкости; по изобретению распылительным газом может быть окислитель, в частности воздух или кислород. Распылительный газ можно впрыскивать вместо охватывающего окислителя и/или вместо центрального окислителя.

Наконец, изобретение касается использования вышеупомянутого способа для нагрева стеклянной шихты или для подогревательной печи.

Применение способа по изобретению дает возможность получения плотного пламени, то есть поставленной задачи получения пламени, которое не отклоняется к стенке печи.

На чертеже изображено устройство для осуществления способа по изобретению. На Фиг.1 представлен участок устройства, который выполнен симметрично относительно оси А-А'. На чертеже изображен вид спереди устройства и соответствующий разрез по оси В-В'.

Устройство состоит из огнеупорных амбразур 5, 6, 7, пробитых в стене печи 8, и инжекционного трубопровода 9, состоящего из двух соосных труб. Инжекционный трубопровод помещен в огнеупорную амбразуру 5. Эта огнеупорная амбразура достаточно широка для существования свободного промежутка 10 между наружной трубой трубопровода и стенкой огнеупорной амбразуры. Первичный окислитель 2, 3 впрыскивают как в центральную трубу трубопровода 9, так и в свободный промежуток 10. Топливо 1 впрыскивают в промежуток, образованный между внутренней трубой и наружной трубой инжекционного трубопровода 9. Второй окислитель 4 впрыскивают в огнеупорную амбразуру 7, самую дальнюю от центральной огнеупорной амбразуры 5. Третий окислитель 11 впрыскивают в промежуточную огнеупорную амбразуру 6.

1. Способ сжигания топлива, в котором впрыскивают струю топлива и, по меньшей мере, две струи окислителя, причем первую струю окислителя, называемую первичной струей, впрыскивают так, чтобы она была в контакте со струей топлива и создавала первое неполное сгорание, причем газы, возникающие из этого первого сгорания, все еще содержат, по меньшей мере, часть топлива, а вторую струю окислителя впрыскивают на расстоянии от струи топлива, таким образом, чтобы сжигать вместе с частью топлива, присутствующей в газах, возникших от первого сгорания, отличающийся тем, что первичную струю окислителя разделяют на две первичные струи:
первую первичную струю окислителя, называемую центральной первичной струей, впрыскиваемую в центр струи топлива, и
вторую первичную струю окислителя, называемую охватывающей первичной струей, впрыскиваемую соосно вокруг струи топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость впрыскивания центральной первичной струи окислителя больше скорости впрыскивания струи топлива.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорость впрыскивания струи топлива больше скорости впрыскивания охватывающей первичной струи окислителя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость впрыскивания второй струи окислителя больше скорости впрыскивания охватывающей первичной струи окислителя.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение расстояния между точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя и точкой впрыскивания второй струи окислителя к скорости впрыскивания второй струи окислителя находится между порядками 10^-3 и 10^-2.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что третью струю окислителя впрыскивают в точке, расположенной между точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя и точкой впрыскивания второй окислительной струи.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что скорость впрыскивания второй струи окислителя больше скорости впрыскивания третьей струи окислителя.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что отношение расстояния между точкой впрыскивания второй струи окислителя и точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя к расстоянию между точкой впрыскивания третьей струи окислителя и точкой впрыскивания центральной первичной струи окислителя находится между 2 и 10.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что две первичные струи окислителя имеют одинаковую концентрацию кислорода.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрация кислорода центральной первичной струи окислителя больше концентрации кислорода охватывающей первичной струи окислителя.

11. Способ нагрева стеклянной шихты или подогревательной печи, отличающийся тем, что используют способ по одному из пп.1-10.