EA030991B1

EA030991B1 - Блок горелки и способ сжигания газового или жидкого топлива

Info

Publication number: EA030991B1
Application number: EA201690258A
Authority: EA
Inventors: Андреас Мунко; Хартмут Кёлер
Original assignee: Оутотек (Финлэнд) Ой
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2018-10-31
Also published as: UA119241C2; BR112016002457A2; EP3030840B1; EP3030840A1; CA2919065C; WO2015018438A1; CA2919065A1; EA201690258A1; BR112016002457B1; MX2016001497A; UY35691A; CN105531541B; CN105531541A; US20160201904A1; US10684010B2

Abstract

Блок горелки и способ сжигания газового или жидкого топлива. Изобретение относится к блоку горелки (1) и способу сжигания газового и жидкого топлива для нагрева промышленной печи (9), содержащему камеру (2) сгорания, по меньшей мере один основной воздухозаборник (3) для подачи подогретого воздуха для горения (4) в камеру (2) сгорания, горелку (5) по меньшей мере c одним питателем (7) топлива и по меньшей мере одним питателем (8) сжатого воздуха для подачи топлива и первичного воздуха в камеру (2) сгорания, при этом горелка (5) расположена вблизи зоны горения камеры (2) сгорания таким образом, что воздух (4) для горения, протекающий в камеру (2) сгорания через главный приемник (3) воздуха, проходит рядом с горелкой (5) в зоне горения, а затем отклоняется таким образом, что поток подогретого воздуха для горения и меньшие потоки топлива и первичного воздуха протекают в основном параллельно от горелки (5) в печь (9), и блок управления для управления подачей топлива и, возможно, первичного воздуха в камеру (2) сгорания. Блок управления выполнен с возможностью подачи топлива и/или первичного воздуха из питателя (7, 8) в камеру (2) сгорания со скоростью на выходе выше 150 м/с.

Description

Изобретение относится к блоку горелки (1) и способу сжигания газового и жидкого топлива для нагрева промышленной печи (9), содержащему камеру (2) сгорания, по меньшей мере один основной воздухозаборник (3) для подачи подогретого воздуха для горения (4) в камеру (2) сгорания, горелку (5) по меньшей мере с одним питателем (7) топлива и по меньшей мере одним питателем (8) сжатого воздуха для подачи топлива и первичного воздуха в камеру (2) сгорания, при этом горелка (5) расположена вблизи зоны горения камеры (2) сгорания таким образом, что воздух (4) для горения, протекающий в камеру (2) сгорания через главный приемник (3) воздуха, проходит рядом с горелкой (5) в зоне горения, а затем отклоняется таким образом, что поток подогретого воздуха для горения и меньшие потоки топлива и первичного воздуха протекают в основном параллельно от горелки (5) в печь (9), и блок управления для управления подачей топлива и, возможно, первичного воздуха в камеру (2) сгорания. Блок управления выполнен с возможностью подачи топлива и/или первичного воздуха из питателя (7, 8) в камеру (2) сгорания со скоростью на выходе выше 150 м/с.

030991 Bl

030991 В1

Изобретение относится к блоку горелки и способу сжигания газового или жидкого топлива, такого как газ или нефть, для нагрева промышленной печи, в частности обжиговой печи установки для производства окатышей с обычной перемещающейся колосниковой решеткой. Блок горелки содержит камеру сгорания, по меньшей мере один главный приемник воздуха для подачи нагретого воздуха для горения в камеру сгорания и горелку (также называемую блоком горелки) по меньшей мере c одним питателем топлива и по меньшей мере одним питателем воздуха для подачи топлива и первичного воздуха в камеру сгорания, причем горелка расположена рядом с зоной горения камеры сгорания таким образом, что воздух для горения, протекающий в камеру сгорания через основной питатель воздуха для горения, проходит рядом с горелкой в зоне горения, а затем отклоняется (например, от стенки камеры сгорания) таким образом, что поток (в частности, большой) предварительно нагретого воздуха для горения и потоки (в частности, меньшие по сравнению с большим потоком предварительно подогретого воздуха для горения) топлива и первичного воздуха протекают более или менее параллельно от горелки в печь. Горелка предпочтительно может быть установлена в стенке камеры сгорания, при этом камеру сгорания обычно устанавливают в печи. В соответствии с изобретением, потоки топлива и первичного воздуха подают из горелки предпочтительно почти перпендикулярно основному потоку подогретого воздуха для горения до того, как отклоняется основной поток предварительно подогретого воздуха для горения.

В соответствии с настоящим изобретением предложен блок управления (называемый также контрольно-измерительная аппаратура) для управления, по меньшей мере, подачей топлива и первичного воздуха в камеру сгорания. Конечно, блок управления может быть выполнен с возможностью управления другими параметрами процесса, такими как, например, расход и/или температура подогретого воздуха для горения или температура внутри печи и производительность горелки.

Подобные стандартные горелки часто используют в блоках горелки, например, с обжиговыми печами для производства окатышей с движущимися колосниковыми решетками. Обычно используемые горелки стабилизируют пламя непосредственно в горелке в выходных отверстиях. Из-за высокой температуры воздуха при горении, которая, как правило, достигает 1000°C, пламя внутри камеры сгорания также очень горячее. Это горячее пламя, обычно имеющее теоретическую максимальную температуру около 2000°C, вызывает выделение очень большого количества NO_x и может также привести к термическим повреждениям стенки камеры сгорания. Как правило, скорость потока подогретого воздуха для горения находится в интервале от 15 до 25 м/с.

В настоящее время из-за ужесточения природоохранных требований предельно допустимые выбросы NO_x будут сокращены или уже снижены, что вызывает проблему, связанную с тем, что обычно используемые стандартные горелки в таких промышленных печах, и, в частности, в обжиговых печах для получения окатышей, будут запрещены к использованию в некоторых странах. Что касается выделения NO_x, то обжиговые печи производят большое количество NO_x из-за высокой температуры в печи и сжигания топлива и окисляющего воздуха горения, в котором окисляющий воздух горения, как правило, включает в себя ненагретый (первичный) воздух, сопровождающий топливо, и гораздо большее количество сильно нагретого воздуха, подаваемого в камеру сгорания с помощью так называемой опускной трубки (основной воздухозаборник для горения). Топливо впрыскивают в воздух для горения и воспламеняют на кончике горелки или в форсунке, что дает стабильное и видимое горячее пламя в зоне горения камеры сгорания с теоретической максимальной температурой около 2000°C.

С целью уменьшения выделения NO_x патент США 8202470 В2 описывает аналогичный нагревательный узел (блок горелки) обжиговой печи с воздушным каналом, ведущим к нагревательному узлу. Дозу предварительно разогретого циркулирующего воздуха подают через проход в направлении к нагревательному узлу и смешивают с топливным газом с образованием горючей смеси, которая воспламеняется в проходе. Это достигается благодаря впрыскиванию топливного газа в проход в потоке, который не образует горючую смесь с предварительно нагретым циркулирующим воздухом до входа в проход. Предлагаемая горелка имеет смесители для приема потоков топлива и первичного воздуха в камеру сгорания, которые протекают через смеситель с образованием горючей смеси, известной как премикс. Данный премикс имеет обедненное соотношение топлива и окислителя, которое помогает избежать образования NO_x. С этой целью воспламенение первоначально осуществляют с использованием воспламенителя в реакционной зоне внутри внешнего наконечника смесителя. Затем происходит горение, когда премикс впрыскивают из отверстия или форсунки смесителя в камеру сгорания для смешивания с воздухом для горения. Затем топливо в премиксе сжигают в горючей смеси как с предварительно смешанным воздухом, так и с нисходящим потоком воздуха.

Этот способ помогает снизить температуру пламени, поскольку при воспламенении топливо смешивают в обедненную смесь топлива с окислителем. В ходе последующего горения топливо смешивают с воздухом в опускной трубке, что приводит к более распределенному пламени в камере сгорания, имеющему более низкую температуру.

Тем не менее, по сравнению с обычными стандартными горелками, используемыми в настоящее время, предлагаемая горелка требует определенной температуры премикса воздуха для горения во избежание самовоспламенения и требует специальных усилий для подачи воздуха для сжигания и топливного газа в горелку и связанных с этим приборов.

- 1 030991

Соответственно целью настоящего изобретения является создание блока горелки и способа его применения, в частности, для обжиговых печей для производства окатышей с перемещающейся колосниковой решеткой или для обжига на стальной ленте - Steel Belt Sintering (SBS™) или для спекания на движущейся колосниковой решетке с пониженным выделением NO_x, при этом горелка должна быть простой и надежной по конструкции и применимой в существующих установках без капитальной реконструкции.

Эта цель достигается посредством признаков, представленных в независимых пп.1 и 9 формулы изобретения. Для снижения выброса NO_x, в соответствии с настоящим изобретением, предусмотрено подавать топливо и/или первичный воздух из питателя топлива и/или воздушного питателя соответственно в камеру сгорания со скоростью на выходе выше 150 м/с (метров в секунду). Предпочтительно, чтобы скорость топлива и/или первичного воздуха на выходе была выше 200 м/с или даже выше скорости звука в текучей среде. Наиболее предпочтительный вариант предусматривает скорости топлива и/или первичного воздуха на выходе между 250 м/с и скоростью звука.

Изобретатели обнаружили, что очень высокая скорость на выходе, в частности, топлива из топливного питателя в камеру сгорания дает устойчивую и эффективную смесь топлива с воздухом для горения, текущим через главный приемник воздуха. Это воздух для горения далее называют также вторичным воздухом. Благодаря эффективной смеси топлива с вторичным воздухом горения, а также с первичным воздухом, топливо хорошо распределено в камере сгорания, когда топливо вступает в реакцию с кислородом воздуха. Соответственно на выходном отверстии или форсунке питателя топлива в блоке горелки нет устойчивого горячего пламени, имеющего максимальную температуру до 2000°C, а имеется так называемое приподнятое или так называемое умеренное пламя.

Приподнятое пламя, по сравнению с нормальным стандартным пламенем на выходном отверстии или форсунке в блоке горелки, расположено за наконечником горелки и представляет собой пламя большой площади или обширное пламя, поскольку топливо распределено в камере сгорания шире, и к нему подмешано больше вторичного воздуха. Таким образом, (все еще видимое) приподнятое пламя расположено в камере сгорания или даже на входе между камерой сгорания и самой печью, которая соединена с камерой сгорания. Поскольку пламя имеет большую площадь, то средняя температура пламени значительно ниже, чем температура стандартного пламени, а температурные максимумы снижены. Это значительно снижает выбросы NO_x и повышает надежность камеры сгорания, поскольку огнеупоры камеры сгорания термически менее напряжены.

Для умеренного (мягкого) пламени сжигание происходит на еще большем удалении от горелки в камере сгорания или даже в самой печи, и там нет никакого или почти никакого видимого пламени. Соответственно это беспламенное горение представляет собой реакцию топлива с горячим кислородом подогретого воздуха для горения в камере сгорания и/или технологического воздуха в самой печи, без прямого воспламенения.

Технологический воздух в печи должен содержать кислород в количестве примерно от 16 до 18 об.%, в то время как подогретый воздух для горения должен содержать кислород в количестве, примерно равном его количеству в окружающем воздухе, то есть около 20,9 об.%. Это стандартные количества кислорода, например, для обжигового процесса в производстве окатышей.

И приподнятое и умеренное пламя имеют, таким образом, более низкую среднюю температуру и сниженные максимальные температуры, поскольку отсутствует концентрированное сгорание топлива в четко ограниченном светящемся пламени. Изобретателями настоящего изобретения было обнаружено, что в отличие, например, от патента США 8202470 B2, нет необходимости подавать топливо в камеру сгорания в других положениях для того, чтобы получить ступенчатое сжигание, но достаточно подать топливо и/или первичный воздух с очень высокой скоростью на выходе из питателя топлива и/или воздуха в камеру сгорания, при этом основной воздух для горения (вторичный воздух) проходит рядом с блоком горелки.

Конечно, выгодно, если первичный воздух, подаваемый в камеру сгорания вместе с топливом, имеет скорость на выходе, сравнимую с таковой у топлива. Первичный воздух, который обычно не нагрет и может иметь температуру от 20 до 100°C, охлаждает возможную зону реакции непосредственно напротив выходного отверстия (форсунки) питателя топлива и воздуха, таким образом, исключая спонтанное воспламенение топлива, дающее более или менее стабильное стандартное пламя. Было бы предпочтительным, чтобы первичный воздух имел скорость на выходе, по меньшей мере близкую скорости топлива, подаваемого в камеру сгорания.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, блок управления или оборудование могут быть адаптированы для создания давления топлива и/или первичного воздуха с помощью, например, компрессора или другого генератора давления, для достижения желаемой скорости на выходе. В случае топливного газа, такого как природный газ, типичное предпочтительное превышение давления относительно атмосферного давления подаваемого топливного газа составляет около 2 бар (0,2 МПа), в частности, в интервале от 0,8 до 4 бар (0,08-0,4 МПа). Типичное предпочтительное увеличение давления подаваемого первичного воздуха находится в интервале от 2 до 3 бар (0,2-0,3 МПа) или в интервале от по меньшей мере 0,8 до 4 бар (0,08-0,4 МПа). В случае жидкого топлива, такого как нефть (нефтепродукт),

- 2 030991 типичное предпочтительное увеличение давления находится в интервале от 3 до 9 бар (0,3-0,9 МПа) при использовании распыляющей среды (воздуха или пара) под давлением от 5 до 11 бар (0,5-1,1 МПа), или от 14 до 20 бар (1,4-2,0 МПа) при использовании распыления под давлением. Предпочтительно жидкое топливо распыляют перед подачей в камеру сгорания с помощью распыляющего воздуха высокого давления, применяемого в топливном питателе незадолго до или сразу на выходном отверстии или форсунке топливного питателя, что ведет к впрыску жидкого топлива в виде облака капель. Однако следует отметить, что скорость на выходе в значительной степени зависит от объема на выходе из питателей топлива и воздуха, т.е., в частности, от формы выпускного отверстия или форсунки. Специалисту в данной области техники несложно будет отрегулировать давление в зависимости от желаемых скоростей на выходе.

Могут быть использованы различные конструкции и типы форсунок для топливного газа и воздуха. Самая простая конструкция, согласно настоящему изобретению, представляет собой трубку с прямым срезом. Кроме того, могут быть использованы форсунки с подающим отверстием под 40° или даже форсунки Лаваля с выходным отверстием особой конструкции. Предпочтительнее использовать форсунки, которые обеспечивают низкую потерю давления и высокую скорость на выходе.

Скорости топлива и первичного воздуха на выходе предпочтительно должны быть равными или близкими. Тем не менее, согласно изобретению и в соответствии с геометрией горелки и печи, скорость топлива и первичного воздуха на выходе (и/или давление топлива и первичного воздуха соответственно) также могут быть разными. Может оказаться полезным, чтобы скорость и/или давление первичного воздуха были выше, чем скорость и/или давление топлива. В частности, скорость на выходе первичного воздуха может быть выше с коэффициентом от 1,5 до 2,5, в частности с коэффициентом около 2.

Согласно изобретению было установлено, что другим аспектом, способным влиять на снижение выделения NO_x во время сгорания топлива в горелке, является соотношение количества первичного воздуха и топлива в топливном и воздушном питателе блока горелки. Для того, чтобы значительно сократить выделение NO_x, систему управления можно настроить на подачу топлива и первичного воздуха в камеру сгорания при коэффициенте избытка воздуха λ - первичного воздуха к топливу - равном или выше 0,1. Коэффициент избытка воздуха λ определяют как λ — ПЗпервичный воздух/ГП_Первичный воздух, стехиометрически необходимый, где m.йвоздух - массовый расход первичного воздуха, m й воздух, стехиометрически необходимый - минимальный расход первичного воздуха, необходимый для полного (стехиометрического) сгорания топлива.

Первичный воздух охлаждает зону реакции перед выпускным отверстием или форсункой питателя топлива и, таким образом, позволяет избежать немедленного воспламенения топлива перед топливным питателем или блоком горелки. Предпочтительно, чтобы коэффициент избытка воздуха (первичного воздуха к топливу) составлял от 0,1 до 0,6, наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,5. Это соотношение называют коэффициентом избытка воздуха λ - потока первичного воздуха относительно потока топлива.

Предпочтительно, чтобы коэффициент избытка воздуха был адаптирован к скорости на выходе топлива и/или первичного воздуха. В частности, предпочтительно, чтобы коэффициент избытка воздуха был тем выше, чем ниже скорость на выходе. В предпочтительном варианте осуществления изобретения используют диапазон скорости на выходе топлива и/или первичного воздуха между 250 м/с и скоростью звука, а коэффициент λ около 0,2 до 0,3.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения воздух для горения (вторичный воздух), подаваемый в камеру сгорания через воздухозаборник воздуха для горения, имеет температуру выше 750°C и/или концентрацию кислорода от 17 до 21%, в частности от 19 до 21%. Технологическая температура выше 750°C воздуха для горения и/или печи необходима для самовоспламенения и/или реакции топлива с кислородом воздуха горения. Такое самовоспламенение вызовет стандартное, приподнятое или умеренное пламя. Предпочтительный вариант позволяет избежать стабилизации стандартного пламени, которая происходит в стандартной горелке.

Соответственно в отличие от известных горелок с низкими выбросами NO_x, использующих принцип разбавления пламени большим количеством (внутренне) рециркулирующих дымовых газов от самого горения, содержащих только очень небольшое количество кислорода, как правило, от 1 до 7%, такое разбавление невозможно для определенных процессов, таких как обжиг в производстве окатышей, поскольку дымовые газы в самой обжиговой печи содержат намного большее количество кислорода, около 17%, приводя, таким образом, к реакции (стандартному пламени) при контакте с топливом, подаваемом в камеру сгорания. Кроме того, изобретение не требует внешней рециркуляции дымовых газов с низким содержанием О₂ в воздух для горения, которая может быть осуществлена с помощью дополнительных вентиляторов. Внутренняя и внешняя рециркуляция дымовых газов могут вызвать проблемы из-за содержания пыли в технологическом газе.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления блока горелки согласно изобретению можно предусмотреть, чтобы система управления после первого розжига горелки была адаптирована для подачи топлива и первичного воздуха со скоростью на выходе ниже 150 м/с через питатель топлива и питатель воздуха соответственно в камеру сгорания до тех пор, пока воздух для горения на главном

- 3 030991 воздухозаборнике для горения и/или в камере сгорания не достигнет более высокой температуры, чем заданное значение температуры. Другой или дополнительный критерий - пока технологический воздух в печи не достигнет температуры выше, чем заданное значение температуры. До этих пор происходит нормальное сжигание со стандартным пламенем до тех пор, пока технологическая температура не достигнет требуемой минимальной температуры. С этой целью заданная температура предпочтительно равна примерно 750°C, как упоминалось ранее. При превышении значения заданной температуры, например 750°C, система управления адаптирована для подачи топлива и первичного воздуха со скоростью на выхода выше 150 м/с через питатель топлива и питатель воздуха в камеру сгорания. В частности, скорость и отношение первичного воздуха к топливу (в частности, коэффициент избытка воздуха λ) могут быть выбраны, как описано выше. Увеличение скорости может быть осуществлено путем увеличения объемного расхода топливного газа и/или первичного воздуха при использовании тех же трубок для топлива/воздуха, или путем перехода от трубок одного типа, дающих низкую скорость, к трубкам второго типа, дающим высокую скорость, при постоянном расходе газа и/или первичного воздуха. В этом втором рабочем режиме приподнятого или умеренного пламени NO_x значительно снижено по сравнению с режимом работы, в котором постоянно используют стандартную конфигурацию пламени.

В соответствии с предпочтительными конструктивными особенностями, питатель топлива и питатель воздуха в горелке могут образовывать по меньшей мере одну питающую трубку в виде сдвоенной трубки, имеющей центральную трубку и окружающую трубку вокруг центральной трубки с концами открытыми в направлении камеры сгорания. Такой тип трубки также называют сдвоенная трубка. Центральная трубка предпочтительно может быть использована для подачи топлива, а окружающая трубка предпочтительно может быть использована для подачи первичного воздуха. Тем не менее, в соответствии с изобретением можно использовать окружающую и центральную трубки наоборот. В случае использования более чем одной питающей трубки, возможно смешанное использование, как описано выше, то есть одну часть питающих трубок подачи можно использовать с центральными трубками для подачи топлива, а другую часть питающих трубок можно использовать с центральной трубкой для подачи первичного воздуха. В зависимости от положения питающих трубок (сдвоенных трубок) в блоке горелки, предложенное смешанное использование питающих трубок может оптимизировать перемешивание топлива и вторичного воздуха (основного воздуха для горения) в камере сгорания.

Открытые концы центральной трубки и окружающей трубки могут образовывать в качестве выходного отверстия структурированную форсунку, отличающуюся от простого открытого конца трубки, чтобы определенным образом влиять на расход первичного воздуха и/или топлива, например, для улучшения смешивания топлива и первичного и/или вторичного воздуха или для изменения скорости на выходе.

Предпочтительный вариант выполнения структурированной форсунки имеет входное отверстие, соответствующее внутреннему диаметру окружающей трубки, и выходное отверстие меньшего диаметра, чем входное отверстие. Диаметр выходного отверстия может составлять около половины диаметра входного отверстия. Внутренняя стенка структурированной форсунки может иметь поверхность по меньшей мере частично конической формы. Эта форма увеличивает скорость на выходе и продемонстрировала положительные результаты испытаний.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения структурированная форсунка может иметь входное отверстие, соответствующее внутреннему диаметру окружающей трубки, и выходное отверстие большего диаметра, чем входное отверстие. В качестве примера можно привести форсунки Лаваля, которые можно использовать согласно изобретению.

В соответствии с изобретением питающая трубка может иметь структурированную форсунку с одним каналом, в котором заканчиваются и центральная трубка и окружающая трубка. Таким образом, топливо и первичный воздух, подаваемые в форсунку через две различные трубки, в частности в центральную трубку и окружающую трубку, протекают через один и тот же канал форсунки, прежде чем попадут из форсунки и питающей трубки соответственно в камеру сгорания.

В соответствии с изобретением горелка могла бы иметь более одной питающей трубки. Предпочтительные варианты могли бы иметь от двух до шести питающих трубок или сдвоенных трубок.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения главный приемник воздуха для горения может представлять собой опускную трубку, по которой воздух для горения (вторичный воздух) направляют вертикально вниз и отклоняют в вертикальном направлении перед входом в камеру сгорания и печь. В такой компоновке, блок горелки предпочтительно располагают таким образом, чтобы топливо и первичный воздух, подаваемые в камеру сгорания, текли линейно через камеру сгорания в печь в соответствии с основным направлением потока отклоняемого воздуха для горения (вторичный воздух).

Изобретение также относится к способу сжигания газового или жидкого топлива, таких как природный газ или нефть, для нагрева промышленной печи, в частности, обжиговой печи в производстве окатышей, в котором используют блок горелки, как он описан выше, или его части. Блок горелки, используемый в способе согласно изобретению, имеет камеру сгорания, по меньшей мере один главный приемник воздуха для горения для подачи нагретого воздуха для горения в камеру сгорания, горелку с по меньшей мере одним питателем топлива и по меньшей мере одним питателем воздуха для подачи топли

- 4 030991 ва и первичного воздуха в камеру сгорания, при этом горелка расположена рядом с зоной горения камеры сгорания таким образом, что воздух для горения, текущий в камеру сгорания через главный приемник воздуха для горения, проходит рядом с горелкой в зоне горения, а затем отклоняется таким образом, что поток подогретого воздуха для горения и меньшие потоки топлива и первичного воздуха протекают в основном параллельно из горелки в печь. Кроме того, с горелкой связан блок управления для управления подачей топлива и, возможно, первичного воздуха в камеру сгорания. В соответствии с изобретением, топливо и/или первичный воздух подают из топливного и/или воздушного питателя в камеру сгорания со скоростью на выходе выше 150 м/с (метров в секунду). В предлагаемом способе можно использовать все возможности, описанные ранее в отношении к горелке согласно изобретению. Соответственно эти аспекты, описанные ранее, остаются актуальными также и для способа, и не будут подробно описаны повторно.

В предлагаемом способе можно также предусмотреть, чтобы топливо и/или первичный воздух в топливном питателе и/или воздушном питателе находились под давлением для достижения скорости на выходе, в частности, под давлением от 0,8 до 4 бар (0,08-0,4 МПа) для газообразного топлива и от 2 до 8 бар (0,2-0,8 МПа) для жидкого топлива. Достигнутые скорости топлива и первичного воздуха на выходе и/или давления топлива и первичного воздуха могут отличаться. Однако предпочтительно, чтобы скорости были равны (или по меньшей мере близки).

Существенным аспектом для снижения выбросов NO_x при сгорании также является отношение первичного воздуха к топливу во время подачи топлива и первичного воздуха в камеру сгорания. Коэффициент избытка воздуха λ, как определено ранее, должен быть выше 0,1, в частности от 0,1 до 0,6 и наиболее предпочтительно от 0,2 до 0,5.

Кроме того, воздух для горения можно подавать в соответствии с предлагаемым способом в камеру сгорания через главный приемник воздуха для горения при температуре выше 750°C и/или при концентрации кислорода от 17 до 21%.

Жидкое топливо можно впрыскивать в камеру сгорания в виде облака капель, которое можно получить, согласно предпочтительному варианту, с помощью распыляющего воздуха, вводимого в трубку подачи топлива.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа может быть также предложено, чтобы после розжига горелки топливо и первичный воздух подавали с выходной скоростью ниже 150 м/с через питатель топлива и питатель воздуха в камеру сгорания до тех пор, пока воздух для горения в главном приемнике воздуха для горения и/или камере сгорания не будут иметь температуру выше заданного значения, например, 750°C, как описано выше. Только после превышения этой заданной температуры топливо и первичный воздух подают со скоростью на выходе выше 150 м/с через питатель топлива и питатель воздуха в камеру сгорания. Предпочтительно, чтобы скорость на выходе была в интервале от 250 м/с до скорости звука.

Предлагаемая горелка и способ имеют дополнительное преимущество в том, что горелка может работать со стандартным пламенем, а также с приподнятым или умеренным (мягким) пламенем. Это можно легко осуществить, используя разные коэффициенты избытка воздуха. Соответственно коэффициент избытка воздуха - первичного воздуха к топливу - менее 0,1 (λ<0,1) дает стандартное пламя, а коэффициент избытка воздуха - первичного воздуха к топливу - выше 0,1 (λ>0,1) дает приподнятое пламя (12) или умеренное пламя (13). Для получения стандартного пламени, то есть для работы горелки в обычном режиме, скорость топлива и/или первичного воздуха на выходе может также быть, согласно изобретению, ниже 150 м/с.

Другие особенности, преимущества и возможные области применения данного изобретения можно найти в нижеследующем описания варианта осуществления изобретения и на чертежах. Все описанные и/или проиллюстрированные признаки представляют собой сущность настоящего изобретения как сами по себе, так и в любом сочетании, независимо от того, включены ли они в формулу изобретения или на них сделана ссылка.

Перечень чертежей

Фиг. 1 схематически показывает сечение блока горелки согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 схематически показывает различные типы пламени горелки, получаемые в блоке горелки согласно фиг. 1;

фиг. 3 схематически показывает сечение обжиговой печи с двумя блоками горелок по п.1;

фиг. 4 показывает вид в перспективе на заднюю сторону горелки с перемешивающими трубками в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;

фиг. 5 показывает вид в перспективе на переднюю сторону горелки согласно фиг. 4 с отверстиями питающих трубок, направленными в камеру сгорания;

фиг. 6 показывает сечение предпочтительной питающей трубки в соответствии с первым вариантом осуществления; и фиг. 7 показывает сечение предпочтительной питающей трубки в соответствии со вторым вариан

- 5 030991 том осуществления.

На фиг. 1 показан в разрезе блок горелки 1 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок горелок 1 имеет камеру сгорания 2, главный приемник 3 воздуха для горения для подачи подогретого воздуха 4 для горения в камеру 2 сгорания и горелку 5, расположенную в стенке 6 камеры 2 сгорания таким образом, что воздух 4 для горения, поступающий в камеру 2 сгорания через главный приемник 3 воздуха для горения, проходит рядом с горелкой 5. Горелка 5 имеет по меньшей мере один питатель 7 топлива и по меньшей мере один питатель 8 воздуха для подачи топлива и первичного воздуха соответственно в камеру 2 сгорания. Дополнительно в блоке 1 горелки предусмотрена система управления или оборудование (не показано) для регулирования подачи топлива и первичного воздуха в камеру сгорания.

Камера 2 сгорания открыта по направлению к промышленной печи 9, в которой выполняется желательная обработка материала.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, промышленная печь 9 является обжиговой печью с перемещаемой колосниковой решеткой 10 в установке по производству окатышей. В такой установке главный приемник воздуха для горения, как правило, представляет собой опускную трубку 3, через которую вторичный воздух, то есть подогретый воздух 4 для горения, течет вниз в камеру 2 сгорания, проходя, таким образом, рядом с блоком горелок 5, а затем вертикально отклоняется в печь 9 через камеру 2 сгорания. В камере 2 сгорания топливо, поданное в камеру 2 сгорания через питатель 7 топлива, смешивается с подогретым воздухом 4 для горения, образуя пламя для нагрева печи 9 до желаемой температуры.

В обычном блоке горелки 1 пламя в камере 2 сгорания представляет собой стандартное пламя 11 (как показано на фиг. 2a). Стандартное пламя 11 поджигают только на конце питателя 7 топлива в направлении камеры 2 сгорания. Соответственно стандартное пламя 11 находится почти полностью внутри камеры сгорания и имеет стабильную, традиционную форму пламени, при том, что стандартное пламя 11 стабилизировано очень близко к наконечнику горелки. Максимальная температура в таком стандартном пламени 11, как правило, выше 1500°C, в то время как температура в печи 9 будет около 1300°C (по крайней мере, в обжиговой печи 9 в производстве окатышей).

Из-за высокой температуры пламени, оно производит большое количество термически полученного NO_x. Для того чтобы уменьшить это количество термически полученного выброса NO_x, необходимо понизить среднюю температуру пламени и избегать высоких максимальных температур.

Для достижения этой цели в изобретении предложено дестабилизировать стандартное пламя 11, как показано на фиг. 2a.

В отличие от предшествующего уровня техники, предлагающего горелку со ступенчатым сжиганием и многоточечную подачу топлива в камеру сгорания горелки (см. патент США 8202470 B2), в данном изобретении предложено повысить скорость на выходе, по крайней мере топлива, подаваемого в камеру сгорания через питатель 7 топлива блока горелки 5. Из-за высокой скорости топлива, введенного в камеру сгорания, стабилизация стандартного пламени 11 непосредственно перед выпускными топливными отверстиями не является возможной, а топливо намного лучше смешивается с вторичным воздухом (предварительно нагретым воздухом 4 для горения) до воспламенения.

Это дает по меньшей мере приподнятое пламя 12, как схематически показано на фиг. 2b, которое является одним из предпочтительных видов пламени в соответствии с изобретением. Это приподнятое пламя 12 перекрывает более значительную реакционную площадь, чем стандартное пламя 11, и обеспечивает более равномерно распределенную температуру внутри пламени, поскольку топливо не сосредоточено вокруг форсунки питателя 7 топлива в горелке 5, но хорошо распределено внутри камеры 2 сгорания в связи с хорошим перемешиванием топлива с вторичным воздухом 4 горения. Соответственно средняя температура пламени снижена, и пламя приподнято над горелкой 5 в направлении потока воздуха для горения по направлению к печи 9. Приподнятое пламя 12 генерируют в камере 2 сгорания, и оно может частично проникать в печь 9.

Тем не менее, в соответствии с настоящим изобретением наиболее предпочтительным является сильно приподнятое пламя или умеренное (мягкое) пламя 13, как показано на фиг. 2c и на фиг. 1.

При мягком (или сильно приподнятом) пламени 13 в камере 2 сгорания или печи 9 нет или почти нет никакого видимого пламени. Вместо этого топливо реагирует с предварительно нагретым воздухом 4 для горения (вторичный воздух) в более или менее беспламенной реакции из-за повышенной температуры вторичного воздуха. Это достигается благодаря еще большему распределению топлива во вторичном воздухе 4 сгорания, таким образом, позволяя избегать зон в воздухе сгорания, обогащенных топливом, вызывающих видимое пламя 11. Реакция между топливом и воздухом 4 для горения обычно происходит, главным образом, в конце камеры 2 сгорания и в самой печи 9. Соответственно средняя температура во всей зоне реакции значительно ниже, чем средняя температуре в стандартном пламени 11 или даже в приподнятом пламени 12. В соответствии с настоящим изобретением это достигается высокой степенью разбавления воздухом для горения благодаря очень высокой скорости на выходе топлива из топливного питателя 7 в блоке горелки 5, и/или коэффициенту избытка воздуха.

Для уточнения - на фиг. 2b и 2c показаны не все позиции. Их подразумевают такими же, как на фиг.

- 6 030991

2a.

Кроме того, вместе с топливом, подаваемым в камеру 2 сгорания, в камеру 2 сгорания подают первичный воздух через питатель 8 воздуха в блоке горелки 5. Предпочтительно, чтобы первичный воздух подавали в камеру 2 сгорания со скоростью на выходе также выше 150 м/с. Топливо и первичный воздух можно подавать в камеру сгорания с одинаковой скоростью на выходе, которая предпочтительно выше 250 м/с. Конечно, также возможно, чтобы скорости топлива и первичного воздуха на выходе были различными.

В отличие от вторичного воздуха, являющегося воздухом для горения, предварительно нагретым до температуры, например, примерно от 750 до 1000°C, первичный воздух во время его подачи в камеру сгорания имеет низкую температуру, как у окружающей среды, предпочтительно в интервале от 20°C до 100°C. Первичный воздух охлаждает возможную зону реакции напротив питателей топлива и воздуха в камере 2 сгорания, позволяя, таким образом, избежать быстрого воспламенения топлива в нагретом воздухе для горения. Таким образом, топливо транспортируют вместе с нагретым воздухом 4 для горения глубже в камеру 2 сгорания и печь 9, с получением приподнятого пламени 12 или, оптимально, умеренного пламени 13 без или почти без видимого пламени.

На фиг. 3 показано поперечное сечение обжиговой печи 9 с перемещаемой колосниковой решеткой 10 и двумя блоками горелок 1, как показано на фиг. 1. Предварительно нагретый воздух для горения (вторичный воздух) поступает в камеру 2 сгорания и печь 10 через опускную трубу 3, являющуюся главным приемником воздуха для горения. На фиг. 3 показано умеренное пламя 13.

Для того, чтобы получить желаемые скорости на выходе топлива и первичного воздуха, топливо и первичный воздух могут находиться под давлением, управляемым с помощью блока управления блока горелки 1. Как правило, (газообразное) топливо и первичный воздух находятся под давлением предпочтительно около 3 бар (0,3 МПа) или в интервале от 0,8 до 4 бар (0,08-0,4 МПа).

Первичный воздух может иметь еще более высокое давление, например, 6 или 7 бар (0,6 или 0,7 МПа).

В целом, чем выше давление топлива и первичного воздуха, тем больше скорость на выходе топлива и первичного воздуха, и тем лучше смесь топлива с предварительно нагретым воздухом 4 для горения. Для достижения даже сверхзвуковой скорости можно использовать специальные насадки, такие как форсунка Лаваля. Соответственно для получения умеренного пламени 13 скорость на выходе и давление соответственно будут выше, чем для приподнятого пламени 12 в той же линии печи и горелки. Также увеличение коэффициента избытка воздуха может изменить тип пламени от приподнятого пламени до умеренного пламени.

Одним из существенных преимуществ описанного блока горелки 1 является то, что горелка 5 способна производить также стандартное пламя 11, например, при нагревании печи 9 и камеры 2 сгорания до технологической температуры, посредством подачи топлива и первичного воздуха с гораздо меньшей скоростью, ниже 150 м/с, с получением, таким образом, стабильного пламени при необходимости.

На фиг. 4 и 5 показан блок горелки 5 сзади (фиг. 4) и спереди (фиг. 5), при этом передней частью считают сторону блока горелки 5, направленную к камере 2 сгорания.

Внутри блока горелки 5 предусмотрены несколько питающих трубок 14, каждая в виде сдвоенной трубки, имеющей центральную трубку 15 и окружающую трубку 16, как показано на фиг. 5.

Предпочтительно, центральную трубку 15 используют в качестве питающей трубки для топлива, а окружающую трубку 16 используют в качестве питающей трубки для первичного воздуха. Было обнаружено, что эта конфигурация питателя 7 топлива и питателя 8 воздуха в сдвоенной трубке 14 проста в обращении и дает хорошие результаты в отношении перемешивания топлива и первичного воздуха с вторичным или нагретым воздухом 4 горения в камере 2 сгорания.

На фиг. 6 отверстия центральной трубки 15 и вторичной трубки 16 включают в себя форсунку с уменьшенным диаметром отверстия, но они могут просто открываться через разрезы в трубках. Тем не менее, на открытом конце центральной трубки 15 и/или окружающей трубки 16 можно обеспечить отдельные форсунки для топлива и первичного воздуха, или даже одну общую форсунку для топлива и первичного воздуха, как показано на фиг. 6 или 7, для того, чтобы воздействовать на вход, перемешивание и подачу топлива и первичного воздуха в камеру 2 сгорания в соответствии с желаемой формой пламени и/или геометрией горелки 1 и/или печи 9.

Для подачи топлива и вторичного воздуха под давлением в подающей трубе 14 предусмотрены, как это видно на фиг. 5, первый вход 17 в центральную трубку 15 и второй вход 18 в окружающую трубку 16 для каждой питающей трубки или сдвоенной трубки 14.

На фиг. 6 показано поперечное сечение одной из питающих трубок или сдвоенной трубки 14 с центральной трубкой 15 и окружающей трубкой 16 и соответствующим первым входом 17 в центральную трубку 15 и вторым входом 18 в окружающую трубку 16. Как видно из фиг. 6, поперечное сечение отверстия центральной трубки 15 и окружающей трубки 16 приведены к определенной форме и объему с целью обеспечения возможности регулировать скорость на выходе и направление топлива и первичного воздуха. Предпочтительно они также могут регулировать коэффициент избытка первичного воздуха и топлива.

- 7 030991

На фиг. 7 показана питающая трубка 14, как описано ранее, со структурированной форсункой 19 с входным отверстием 20, соответствующим внутреннему диаметру трубки 16, окружающей сдвоенную трубку 14, и выходным отверстием 21 меньшего диаметра, чем входное отверстие 20. Диаметр выходного отверстия 21 может составлять примерно половину диаметра входного отверстия 20. Внутренняя стенка структурированной форсунки 19 имеет часть поверхности 22 сужающейся конической формы. Эта форма увеличивает скорость на выходе и показала положительные результаты при испытаниях. Топливный газ и первичный воздух проходят через центральную трубку 15 и окружающую трубку 16 и через форсунку 21. В этом примере форсунка имеет только один общий канал как для топлива, так и для первичного воздуха.

Испытания показали, что коэффициент избытка первичного воздуха относительно топлива должен предпочтительно составлять от 0,2 до 0,5 для обеспечения низких выбросов NO_x от сгорания в горелке 1.

Предложенные блок горелки 1 и способ имеют преимущества, поскольку горелка 5 сама по себе может быть использована в качестве обычной горелки 5 для получения стабильного пламени 11, а также горелки, с низким образованием NO_x, приподнятого пламени 12 или умеренного пламени 13, путем простой корректировки скорости на выходе и/или коэффициента избытка первичного воздуха к топливу.

Список обозначений

1. Блок горелки

2. Камера сгорания

3. Г лавный приемник воздуха для горения, опускная трубка

4. Предварительно нагретый воздух для горения (вторичный воздух)

5. Горелка, блок горелки

6. Стенка камеры сгорания

7. Питатель топлива

8. Питатель воздуха для подачи первичного воздуха

9. Промышленная печь, обжиговая печь

10. Перемещающаяся колосниковая решетка

11. Стандартное пламя

12. Приподнятое пламя

13. Умеренное пламя

14. Питающая трубка, сдвоенная трубка

15. Центральная трубка

16. Окружающая трубка

17. Первый вход в центральную трубку

18. Второй вход в окружающую трубку

19. Структурированная форсунка

20. Входное отверстие

21. Выходное отверстие

22. Коническая сужающаяся поверхность

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ сжигания газового или жидкого топлива для нагрева промышленной печи (9) с использованием блока горелки (1), имеющего камеру (2) сгорания, по меньшей мере один главный приемник (3) воздуха для подачи нагретого воздуха (4) для горения в камеру (2) сгорания, горелку (5) по меньшей мере с одним питателем (7) топлива и по меньшей мере одним питателем (8) воздуха для подачи топлива и первичного воздуха в камеру (2) сгорания, при этом горелка (5) расположена рядом с зоной горения камеры (2) сгорания таким образом, что воздух (4) для горения, протекающий в камеру (2) сгорания через главный приемник (3) воздуха, минует горелку (5) в зоне горения, а затем отклоняется таким образом, что поток нагретого воздуха для горения и меньшие потоки топлива и первичного воздуха протекают в основном параллельно от горелки (5) к печи (9), и блок управления для управления подачей топлива и, возможно, первичного воздуха в камеру (2) сгорания, отличающийся тем, что топливо и/или первичный воздух подают из питателя (7, 8) топлива и/или воздуха в камеру сгорания со скоростью на выходе выше 150 м/с, и тем, что технологический воздух в печи (9) содержит кислород в количестве от 16 до 18 об.%, а предварительно нагретый воздух (4) для горения содержит количество кислорода, как в окружающем воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливо и/или первичный воздух в питателе (7) топлива и в питателе (8) воздуха находятся под давлением для достижения скорости на выходе.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорости топлива и первичного воздуха на выходе равны или различны.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что коэффициент избытка воздуха - отношение первичного воздуха к топливу - во время подачи топлива и первичного воздуха в камеру (2) сгорания выше 0,1.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что воздух (4) для горения подают в камеру (2) сгорания через главный приемник (3) воздуха с температурой выше 750°C.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что после розжига горелки топливо и первичный воздух подают со скоростью на выходе ниже 150 м/с через питатель (7) топлива и питатель (8) воздуха в камеру (2) сгорания до тех пор, пока воздух (4) для горения в главном приемнике (3) воздуха и/или в камере (2) сгорания не будет иметь температуру выше заданной, и при превышении заданной температуры топливо и первичный воздух подают через питатель (7) топлива и питатель (8) воздуха в камеру (2) сгорания со скоростью на выходе выше 150 м/с.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что горелка (5) может работать со стандартным пламенем (11), а также с приподнятым пламенем (12) или умеренным пламенем (13), что реализуется при коэффициенте избытка воздуха - отношении первичного воздуха к топливу - ниже 0,1 с получением стандартного пламени (11) или при коэффициенте избытка воздуха - отношении первичного воздуха к топливу - выше 0,1 с получением приподнятого пламени (12) или умеренного пламени (13).

8. Блок горелки для осуществления способа по любому из пп.1-7, включающий камеру (2) сгорания, имеющую нижнюю стенку, по меньшей мере один главный приемник (3) воздуха для подачи подогретого воздуха (4) для горения вертикально вниз в направлении нижней стенки камеры (2) сгорания для отклонения потока подогретого воздуха для горения в сторону печи, горелку (5) по меньшей мере c одним питателем (7) топлива и по меньшей мере одним питателем (8) воздуха для подачи топлива и первичного воздуха в камеру (2) сгорания, при этом горелка (5) расположена вблизи зоны горения камеры (2) сгорания, чтобы обеспечить подачу потоков топлива и первичного воздуха в основном параллельно отклоненному потоку подогретого воздуха для горения от горелки (5) в печь (9), а также блок управления для управления подачей топлива, первичного воздуха и подогретого воздуха для горения в камеру (2) сгорания, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью подачи топлива и/или первичного воздуха из питателя (7, 8) топлива и/или первичного воздуха в камеру (2) сгорания со скоростью на выходе выше 150 м/с и при температуре первичного воздуха, близкой к температуре окружающей среды и находящейся в интервале от 20 до 100°C, и с возможностью подачи воздуха (4) для горения в камеру (2) сгорания, содержащую количество кислорода, как в окружающем воздухе, и предварительно нагретую до температуры примерно от 750 до 1000°C.

- 8 030991

- 9 030991

Фиг. 1

Фиг. 2

Фиг. 3

9. Блок горелки по п.8, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью увеличения давления топлива и/или первичного воздуха для достижения скорости на выходе.

10. Блок горелки по п.8 или 9, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью подачи топлива и первичного воздуха в камеру (2) сгорания с коэффициентом избытка воздуха - отношением первичного воздуха к топливу - выше 0,1.

11. Блок горелки по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью после розжига горелки подавать топливо и первичный воздух со скоростью на выходе ниже 150 м/с через питатель (7) топлива и питатель (8) воздуха в камеру (2) сгорания до тех пор, пока воздух (4) для горения в главном приемнике (3) воздуха для горения и/или в камере (2) сгорания и/или технологический воздух в печи не достигнет температуры выше заданного значения температуры, а при превышении этой заданной температуры - подавать топливо и/или первичный воздух со скоростью на выходе выше 150 м/с через питатель (7) топлива и питатель (8) воздуха в камеру сгорания.

12. Блок горелки по любому из пп.8-11, отличающийся тем, что питатель (7) топлива и питатель (8) воздуха образуют по меньшей мере одну питающую трубку (14) в виде сдвоенной трубки, имеющей центральную трубку (15) и окружающую трубку (16) вокруг центральной трубки (15) с концами, открытыми в направлении камеры сгорания (2).

13. Блок горелки по п.12, отличающийся тем, что питающая трубка (14) имеет структурированную форсунку (19) с входным отверстием (20), соответствующим внутреннему диаметру окружающей трубки (16), и выходным отверстием (21) с диаметром больше или меньше, чем входное отверстие (20).

14. Блок горелки по п.12 или 13, отличающийся тем, что питающая трубка (14) имеет структурированную форсунку (19) с одним-единственным каналом, в котором заканчиваются центральная трубка (15) и окружающая трубка (16).

- 10 030991

Фиг. 4

Фиг. 5

Фиг. 6

Фиг. 7