Высокоэффективная горелка, обеспечивающая низкий выброс nox и способ высокоэффективного термического окисления

Изобретение относится к области энергетики. Высокоэффективная горелка содержит предсопловую камеру, имеющую входное отверстие для подачи воздуха горения, камеру горения, сообщающуюся с указанной предсопловой камерой, по меньшей мере, одну трубу, подводящую первичный отработавший газ, которая проходит через предсопловую камеру и заканчивается в камере горения, обеспечивая подачу первичного отработавшего газа в указанную камеру горения, и трубопровод, подводящий первичное газообразное топливо, который проходит через указанную предсопловую камеру и обеспечивает подачу первичного газообразного топлива в указанную камеру горения, в результате чего обеспечивается улучшенное смешивание потоков текучей среды. Изобретение обеспечивает низкий выброс NO_x. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к высокоэффективной горелке, обеспечивающей низкий выброс NO_x, и к способу термического окисления. Настоящее изобретение относится, в частности, к горелке с термическим окислителем, и к способу термического окисления с использованием отработавшего газа или хвостового газа из независимого источника для повышения эффективности горелки и снижения выбросов оксидов азота.

Известный уровень техники

В процессе сгорания топлива в горелках образуются оксиды азота, которые входят в состав выбросов. Для повышения эффективности горелок с термическими окислителями, а также для уменьшения содержания оксидов азота в выбросах топочного газа уже предлагались различные конструкции и технические решения известного уровня техники. В выбросах топочного газа присутствуют разнообразные оксиды азота, например оксид азота (NO), диоксид азота (NO₂) и другие оксиды, которые, как правило, обобщенно обозначаются NO_x.

Известно, что при высоком содержании кислорода в процессе горения может усиливаться формирование оксидов азота. Также известно, что повышение температуры горения может привести к увеличению выделения NO_x.

По меньшей мере, в одном из технических решений известного уровня техники часть топочного газа, отработавшего или хвостового газа, образовавшегося при сгорании топлива в горелке, смешивается с воздухом горения и направляется в камеру на рециркуляцию.

В Европейском патенте №1,203,188 описывается пример подачи в топочную камеру топлива, смешанного с отработавшим газом, который отбирается из топочной камеры и направляется на рециркуляцию.

В патенте США №5,135,387 раскрывается горелка, содержащая элемент для отбора топочного газа, который смешивается с воздухом горения и по каналу подается в камеру горения на рециркуляцию.

В системах рециркуляции топочного газа, применяемых в прошлом, количество и процентное содержание отработавшего газа, поступающего на рециркуляцию, зависит от условий горения в печи, наряду с другими факторами. Были предприняты попытки рециркулировать отработавший газ или хвостовой газ при подаче с воздухом горения, но они были сопряжены с рядом проблем.

Состав отработавшего газа или хвостового газа может быть разным, в частности, в одном из неограничительных примеров указанный газ содержит 98% азота, а остальное представляют собой горючие вещества, такие как метан, оксид углерода, водород и различные соединения серы. Поскольку отработавший газ или хвостовой газ совсем не содержит кислорода или содержит кислород в малом количестве, введение отработавшего газа или хвостового газа в воздух горения будет влиять на содержание кислорода. Посредством рециркуляция части отработавшего газа или хвостового газа, как известно, можно уменьшать и/или регулировать содержание кислорода в образующейся смеси газов. При уменьшении содержания кислорода в образующейся смеси в процессе горения снижается парциальное давление кислорода и, как следствие, уменьшается скорость реакций образования оксидов в процессе горения.

Таким образом, основной задачей или целью настоящего изобретения является разработка горелки с термическим окислителем, в которой будет использоваться топочный газ из внешнего источника, не имеющего отношения к процессу горения в указанной камере горения.

Следующей задачей настоящего изобретения является разработка горелки с термическим окислителем, которая будет обеспечивать низкий выброс NO_x благодаря установленной в смесительной камере форсунке с лопастным наконечником для тщательного смешивания воздуха горения с отработавшим газом или хвостовым газом из независимого источника.

Дополнительная задача или цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить регулировку состава и содержания отработавшего газа или хвостового газа, используемого в горелке.

Еще одна задача или цель настоящего изобретения состоит в разработке горелки с термическим окислителем, в которой отработавший или хвостовой газ постепенно вводится в камеру горения через промежуточную камеру.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к высокоэффективной горелке, обеспечивающей низкий выброс NO_x. Указанная горелка содержит промежуточную камеру, через которую проходит подаваемый во входное отверстие промежуточной камеры воздух горения.

Благодаря соединению камеры горения с промежуточной камерой они сообщаются между собой. Входной канал промежуточной камеры сообщается с одним или несколькими трубопроводами, подводящими первичный отработавший или хвостовой газ, который проходит через промежуточную камеру и вводится в камеру горения. Отработавший газ или хвостовой газ доставляется из независимого внешнего источника, не имеющего отношения к процессу горения в указанной камере.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения труба или трубы, подводящие первичный отработавший газ, подсоединены к форсунке с лопастным наконечником, лопасти которого равномерно расположены вокруг центральной оси в радиальном направлении.

Трубопровод, подводящий первичное газообразное топливо, снабжает горелку топливом для поддержания процесса горения.

Входной канал для отработавшего газа также сообщается с трубой или с трубами, подводящими вторичный отработавший газ, для подачи части отработавшего газа или хвостового газа в камеру горения, причем подача указанного газа производится постепенно.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения трубопровод или трубопроводы, поводящие вторичное газообразное топливо, также сообщаются с камерой горения и обеспечивают постепенную подачу вторичного газообразного топлива в камеру горения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - упрощенное схематичное изображение предпочтительного варианта высокоэффективной горелки, обеспечивающей низкий выброс NO_x, сконструированной согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2А - упрощенный вид горелки, показанной на фиг. 1, при рассмотрении по направлению от камеры горения к смесительной камере.

Фиг. 2В и 2С - внешний вид горелки.

Фиг. 3, 4 и 5 - варианты форсунки с лопастным наконечником, применяемой в горелке, показанной на фиг. 1.

Фиг. 6 - альтернативный предпочтительный вариант горелки.

Фиг. 7 - еще один предпочтительный вариант горелки.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Рассматриваемые в описании варианты используются только для иллюстрации определенных способов осуществления и применения изобретения и не могут интерпретироваться как ограничивающие объем настоящего изобретения.

Следует отметить, что на основании подробного описания осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены всевозможные модификации конструктивных деталей и изменения расположения компонентов конструкции, не отступая от существа и объема настоящего изобретения. Подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается иллюстративными вариантами его осуществления.

На фиг. 1 представлен вид в разрезе одного из предпочтительных вариантов высокоэффективной горелки 10 с термическим окислителем, обеспечивающей низкий выброс NO_x, согласно настоящему изобретению. В предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрена, по существу, трубчатая или цилиндрическая промежуточная камера 12, хотя возможны другие конфигурации указанной камеры. Промежуточная камера 12 содержит входное отверстие 14 для введения воздуха горения по направлению стрелки 16. Воздух горения может втягиваться или принудительно подаваться в камеру горения через промежуточную камеру 12 различными способами. Подаваемый в промежуточную камеру 12 воздух горения проходит через указанную камеру по направлению стрелки 18. Для подачи воздуха горения в промежуточную камеру 12 и направления его при прохождении через указанную камеру могут применяться различные вентиляторы или другие механизмы, наряду со средствами управления.

Благодаря соединению камеры 20 горения с промежуточной камерой 12 они сообщаются друг с другом. В камере горения происходит процесс термического окисления. Камера 20 горения может быть цилиндрической или трубчатой, либо может иметь другую конфигурацию. В предпочтительном варианте камера 20 горения и промежуточная камера 12 коаксиальны, хотя могут быть расположены иначе.

Входной канал 28 сообщается с одной или несколькими трубами, то есть, с трубами 30, подводящими вторичный отработавший газ, для введения отработавшего газа или хвостового газа в камеру 20 горения через промежуточную камеру 12, как показано стрелкой 32. Отработавший газ или хвостовой газ может доставляться из независимого внешнего источника, не имеющего отношения к процессу горения в указанной камере горения. Неограничительным примером хвостового газа или отработавшего газа из независимого источника является отработавший газ или хвостовой газ из установки регенерации серы, являющейся участком нефтехимического завода или завода по переработке природного газа.

По меньшей мере, один участок трубы или труб 30, подводящих первичный отработавший газ, может быть коаксиален с цилиндрической промежуточной камерой 12. Труба или трубы 30, подводящие первичный отработавший газ, подсоединяются к форсунке 34 с лопастным наконечником, которая будет подробно описываться далее, либо подсоединяются к сквозному устройству или другому смесительному устройству. Таким образом, доставляемый первичный отработавший газ смешивается с воздухом горения при прохождении через промежуточную камеру 12.

Трубопровод или трубопроводы 40, подводящие первичное газообразное топливо, обеспечивают подачу топлива для процесса горения. Может использоваться природный газ или различные другие типы топлива, не выходя за рамки существа и объема изобретения.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения входной канал для отработавшего газа также сообщается с трубой или с трубами 50, подводящими вторичный отработавший газ, для подачи части отработавшего газа или хвостового газа в камеру 20 горения. Соответственно, введение отработавшего газа или хвостового газа проводится постепенно.

Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения трубопровод или трубопроводы 60, подводящие вторичное газообразное топливо, сообщаются с камерой 20 горения, обеспечивая подачу вторичного газообразного топлива в камеру 20 горения. Соответственно, обеспечивается постепенная подача топливного газа в камеру горения. Может использоваться природный газ или другие различные типы топлива, не выходя за рамки существа и объема изобретения.

Между трубопроводами, подводящими газообразное топливо, может применяться огнеупорный материал или огнеупорные плиты 52.

На фиг. 2А показан вид горелки 10 с торца при рассмотрении по направлению от камеры 20 горения к промежуточной камере 12, представленной на фиг. 1, в то время как на фиг. 2В и 2С показаны внешние виды горелки 10.

На фиг. 3, 4 и 5 показаны разные виды форсунки 34 с лопастным наконечником, причем форсунка показана отдельно от горелки 10. Входной конец 42 форсунки 34 с лопастным наконечником соединен с трубой 30, подводящей первичный отработавший газ. Форсунка 34 с лопастным наконечником имеет входной конец 42, соединенный с трубой, подводящей первичный отработавший газ, и противоположный выходной конец 44 с множеством радиальных лопастей 36, симметрично расположенных вокруг центральной оси. Лопасти 36 выполнены в виде скругленных ребер и выступают в радиальном направлении от оси.

Первичный отработавший газ проходит через форсунку 34, как показано стрелками 46.

Входной конец 42 форсунки 34 с лопастным наконечником и выходной конец 44 форсунки, имеют одинаковую площадь поперечного сечения, тогда как периметр выходного конца 44 больше периметра входного конца 42, благодаря чему, увеличивается площадь контакта поверхностей форсунки с потоками текучей среды, проходящими через и вокруг форсунки, в этом случае, потоками отработавшего газа или хвостового газа и воздуха горения, и, следовательно, возрастает интенсивность смешивания двух потоков.

В варианте, представленном на фиг. 1, вторичное газообразное топливо, поступающее из трубопровода или трубопроводов 60, подводящих вторичное газообразное топливо, смешивается с воздухом горения и первичным газообразным топливом, а также отработавшим газом до введения вторичного отработавшего газа.

Таким образом, горелка согласно настоящему изобретению обеспечивает полное смешивание воздуха горения, топливного газа и отработавшего газа, благодаря чему, облегчается регулирование, контроль, а также прогнозирование выбросов NO_x, оксида углерода и несгоревших углеводородов из камеры горения. Горелка, имеющая конструкцию, представленную на фиг. 1-5, может обеспечить минимизацию выбросов оксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов.

На фиг. 6 представлен альтернативный вариант горелки 10, которая на чертеже обозначена ссылочной позицией 70. Конструкция указанной горелки аналогична представленной на фиг. 1-5, за исключением порядка введения вторичного газообразного топлива и вторичного хвостового газа или отработавшего газа, а также альтернативного расположения огнеупорной плиты 62. В альтернативном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 6, газообразное топливо, доставляемое по трубопроводу 60, смешивается с вторичным хвостовым газом или отработавшим газом, подводимым по трубе или трубам 50, и затем смешивается с воздухом горения, первичным газообразным топливом и первичным отработанным газом одновременно.

На фиг. 7 представлен еще один альтернативный предпочтительный вариант горелки согласно настоящему изобретению, которая на чертеже обозначена ссылочной позицией 80. Горелка согласно альтернативному варианту, представленному на фиг. 7, имеет конструкцию, подобную вышеупомянутой за исключением порядка введения вторичного топливного газа и вторичного отработанного газа, а также альтернативного расположения огнеупорной плиты 72. В альтернативном варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 7, вторичный хвостовой газ или отработанный газ, доставляемый по трубе 50, подводящей вторичный отработанный газ, полностью или частично, смешивается с вторичным газообразным топливом, доставляемым по трубопроводу 60, до или прежде смешивания с воздухом горения, первичным газообразным топливом, доставляемым по трубопроводу 40, и первичным отработанным газом, доставляемым по трубе или трубам 30. Горелка, имеющая конструкцию, представленную на фиг. 7, способна обеспечить минимизацию выбросов NO_x.

Несмотря на то что горелка и варианты ее осуществления были проиллюстрированы конкретными чертежами и определены в пунктах формулы изобретения, могут быть выполнены всевозможные изменения и модификации, кроме модификаций, представленных или предложенных в описании, не выходя за рамки существа и объема настоящего изобретения.

1. Высокоэффективная горелка с термическим окислителем, обеспечивающая низкий выброс NO_x, содержащая
предсопловую камеру, имеющую входное отверстие для подачи воздуха горения;
камеру горения, сообщающуюся с указанной предсопловой камерой;
по меньшей мере, одну трубу, подводящую первичный отработавший газ, которая проходит через предсопловую камеру и заканчивается в камере горения, обеспечивая подачу первичного отработавшего газа в указанную камеру горения; и
трубопровод, подводящий первичное газообразное топливо, который проходит через указанную предсопловую камеру и обеспечивает подачу первичного газообразного топлива в указанную камеру горения, в результате чего, обеспечивается улучшенное смешивание потоков текучей среды.

2. Высокоэффективная горелка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит трубу, подводящую вторичный отработавший газ, которая сообщается с указанной камерой горения и обеспечивает подачу вторичного отработавшего газа в указанную камеру горения.

3. Высокоэффективная горелка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит трубопровод, подводящий вторичное газообразное топливо, который заканчивается в указанной камере горения, обеспечивая подачу в указанную камеру вторичного газообразного топлива.

4. Высокоэффективная горелка по п. 1, отличающаяся тем, что указанная труба, подводящая первичный отработавший газ, подсоединена к форсунке с лопастным наконечником.

5. Высокоэффективная горелка по п. 4, отличающаяся тем, что указанная форсунка с лопастным наконечником содержит множество радиальных лопастей, симметрично расположенных вокруг центральной оси.

6. Высокоэффективная горелка по п. 4, отличающаяся тем, что каждая из указанного множества радиальных лопастей сужается по направлению от указанной трубы, подводящей первичный отработавший газ.

7. Высокоэффективная горелка по п. 5, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения форсунки является постоянной по всей длине форсунки, при этом периметр поперечного сечения форсунки увеличивается.

8. Высокоэффективная горелка по п. 4, отличающаяся тем, что указанная форсунка с лопастным наконечником, имеющая множество радиальных лопастей, расположена в центре указанной предсопловой камеры.

9. Способ высокоэффективного термического окисления, обеспечивающий низкий выброс NO_x, включающий этапы
подачу воздуха горения в предсопловую камеру;
подачу первичного отработавшего газа через указанную предсопловую камеру и через форсунку с лопастным наконечником;
смешивание указанного воздуха горения с указанным первичным отработавшим газом;
подачу первичного газообразного топлива через указанную предсопловую камеру для смешивания указанного воздуха горения и указанного отработавшего газа; и
сжигание указанного первичного газообразного топлива вместе с указанным отработавшим газом в камере горения при подаче воздуха горения.