FI101012B - Polttolaite - Google Patents

Description

! 101012

Polttolaite Tämä keksintö liittyy patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen polttolaitteeseen ja esimerkiksi 5 jauhetun hiilen kattilan polttolaitteeseen.

Jauhetun hiilen polttokattilassa polttolaite ruiskuttaa jauhetun hiilen ja ilman seoksen tulipesään seoksen syöttöputken kautta. Seos ruiskutetaan ja sytytetään niin, että se muodostaa tulipesään liekin. Kuten US-patenttijul-10 kaisussa 4 545 307 on paljastettu seoksen syöttöputken päähän on järjestetty säteittäin ulospäin loimuavaa liekkiä ylläpitävä rengas. Liekkiä ylläpitävää rengasta pitkin muodostuu seoksen pyörteitä niin, että jauhettu hiili kon-sentroituu liekin ylläpitävän renkaan lähellä. Tämän tu-15 loksena sytytys tapahtuu tulipesässä sijaitsevan seoksen syöttöputken päätyosasta korkean lämpötilan voimakkaan pelkistysliekin muodostamiseksi, minkä avulla tehdään mahdolliseksi typpioksidien NOx syntymisen estäminen.

Liekkiä ylläpitävä rengas peittyy tuhkalla ja 20 pidetään pelkistysilmakehässä ja siihen kohdistuu vielä korkeita lämpötiloja tulipesästä säteilevästä lämmöstä johtuen. Nämä olosuhteet voivat aiheuttaa liekkiä ylläpitävän renkaan sulaman tai, kun toiminta ei ole kunnollista, kuonan kasvun liekkiä ylläpitävässä renkaassa 25 eli kuonaantumisen edistämistä tietyissä olosuhteissa. Liekkiä ylläpitävän renkaan sulama tai kuonan kasvaminen johtaa liekkiä ylläpitävän renkaan vaikutuksen huonontumiseen, typpioksidien NOx määrän lisääntymiseen tai laitteen ongelmiin.

30 Niinpä esillä olevan keksinnön tavoitteena on ; antaa käyttöön polttolaite, joka kykenee suorittamaan vähätyppioksidisen NOx polttamisen stabiloidulla tavalla riippumatta polttolaitteen yksikkökapasiteetista tai käyttökuormasta.

35 Keksinnön mukaiselle polttolaitteelle on tunnus omaista se, mitä on sanottu itsenäisen patenttivaati- 2 101012 muksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaisen poltto-laitteen edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten 2-9 kohteena.

Tähän asti esillä olevassa keksinnössä liekistä 5 tuleva säteily katkaistaan ja kuonaantumisen esiintymisen kolmesta tekijästä (nimittäin korkea lämpötila, pelkistys ja tuhkan olemassaolo) yksi poistetaan.

Esillä olevan keksinnön mukaan käyttöön annetaan ulkonema, joka jatkuu tulipesään liekkiä ylläpitävien vä-10 lineiden toiselle puolelle uunin sisäpuolelta liekkiä ylläpitäviin välineisiin tulevan säteilyn katkaisemiseksi siten riittävästi ja liiallisen lämpötilan nousun estämiseksi, jotta sillä tavalla estetään liekkiä ylläpitävien välineiden sulaminen ja liekkiä ylläpitävissä välineissä 15 esiintyvä kuonaantuminen.

Kuvio 1 leikkauskuva esillä olevan keksinnön suoritusmuodon mukaisesta polttolaitteesta, kuvio 2 on etukuva, joka on otettu kuvion 1 linjoja II - II pitkin, 20 kuvio 3 on osittain katkonainen leikkauskuva, joka kuvaa kuviossa 1 esitettyä ulkonemaa, kuvio 4 on osittain katkonainen etukuva kuvion 3 ulkonemasta, kuvio 5 on suurennettu katkonainen etukuva kuvion * 25 1 ulkonemasta, kuvio 6 on leikkauskuva, joka on otettu kuviossa 5 olevia linjoja pitkin, kuvio 7 on osittain katkonainen etukuva, joka kuvaa ulkoneman muunnelmaa, 30 kuvio 8 on katkonainen leikkauskuva, joka on *: otettu kuviossa 7 olevia linjoja VIII - VIII pitkin, kuvio 9 on katkonainen leikkauskuva, joka kuvaa ulkoneman toista muunnelmaa, kuvio 10 on leikkauskuva polttolaitteen toisesta 35 suoritusmuodosta, 3 101012 kuvio 11 on sivukuva, joka kuvaa kuviossa 10 esitetyn jauhetun hiilen/ilman erottavan osan kartiomaista osaa, kuvio 12 on etukuva, joka on otettu kuviossa 11 5 olevia linjoja XII - XII pitkin, kuvio 13 on sivukuva, joka kuvaa toisen jauhetun hiilen/ilman erottavan osan kartiomaista osaa, kuvio 14 on etukuva, joka on otettu kuviossa 13 olevia linjoja XIV - XIV pitkin, 10 kuvio 15 on sivukuva, joka kuvaa vielä yhden jauhetun hiilen/ilman erottavan osan kartiomaista osaa, kuvio 16 on etukuva, joka on otettu kuviossa 15 olevia linjoja XVI - XVI pitkin, kuviot 17 - 19 ovat leikkauskuvia, jotka kuvaavat 15 vastaavasti jauhetun hiilen/ilman erottavan osan kartio-maisen osan muita muunnelmia, ja kuvio 20 on leikkauskuva eri polttolaitteesta. Viitaten kuvioon 1 polttolaitteella on taivutettu seoksen syöttöputki 1. Polttolaite toimii polttaakseen 20 jauhettua hiiltä jauhemaisena polttoaineena happea sisältävänä kaasuna olevassa ilmassa. Seoksen syöttöputken 1 toinen pää on tulipesän 2 sisäänpäin tulipesän 2 tulipesän seinään 21 muodostetun aukon 22 kautta ja on toisesta päästään yhteydessä hiilen rouhimeen (ei esitetty). Jauhe-25 tun hiilen ja primaari-ilman seos virtaa seoksen syöttö-putken 1 läpi. Seos sytytetään liekin muodostamiseksi tu-lipesään 2.

Liekkiä ylläpitävä rengas 3, joka on poikkileikkaukseltaan L-kirjaimen muotoinen, on järjestetty seoksen 30 syöttöputken 1 kehäpäätyosaan. Kuten kuviossa 2 on esitet-. ·· ty yksityiskohtaisesti rengasmainen virtauskanava 4 on järjestetty seoksen syöttöputkesta 1 säteittäin ulospäin niin, että se on sen kanssa samankeskisesti. Tertiaa-ri-ilmaa syötetään tulipesään 2 virtauskanavan 4 kautta.

35 Seoksen syöttöputken 1 ja virtauskanavan 4 väliin on sijoitettu rengasmainen ulkonema 6. Ulkonema 6 jatkuu 4 101012 tulipesään 2 liekkiä ylläpitävän renkaan 3 toiselle puolelle. Ulkoneman 6 ulkokehäseinä 61 jatkuu yhdensuuntaisesti seoksen syöttöputken 1 kanssa ja sen sisäkehäseinä 62 laajenee päätyosastaan säteittäin ulospäin. Molemmat 5 kehäseinät 61 ja 62 päättyvät päätylevyyn 63.

Viitaten kuvioihin 1 ja 3 ulkoneman 6 sisäpuoli on jaettu kahdeksi kerrokseksi väliseinäputkella 64. Sekundaari-ilma virtaa sik-sak-tavalla ulkoneman 6 ulkokehäsei-nän 61 ja väliseinäputken 64 määrittelemän kanavaosan, 10 ulkoneman 6 sisäkehäseinän 62 ja väliseinäputken 64 määrittelemän kanavanosan sekä ulkoneman 6 sisäkehäseinän 62 ja seoksen syöttöputken 1 määrittelemän kanavaosan läpi kuten nuolilla on osoitettu ja virtaa sitten tulipesään 2. Koska ulkoneman 6 sisäkehäseinä 62 laajenee päätyosastaan 15 säteittäin ulospäin, sekundaari-ilma hidastetaan sen nopeuteen niin, että osa sekundaari-ilmasta voidaan kuluttaa liekin ylläpitämiseksi häiritsemättä seoksen suihkua. Tämä tekee mahdolliseksi muodostaa korkean lämpötilan pelkis-tysliekin vakaalla tavalla. Niin muodoin on mahdollista 20 estää typpioksidien NOx tuottaminen.

Liekkiä ylläpitävä rengas 3 on pelkistysilmakehän alaisena ja jauhettu hiili konsentroituu pyörteistä johtuen liekkiä ylläpitävän renkaan läheisyyteen. Lisäksi liekkiä ylläpitävä rengas 3 on tavallisesti alttiina kor-25 keille lämpötiloille, jotka johtuvat tulipesästä säteilevästä lämmöstä kuten kuvioissa 1 ja 3 on katkoviivoin osoitettu. Koska ulkonema 6 jatkuu kuitenkin liekkiä ylläpitävän renkaan 3 toiselle puolelle tuliseinän 2 sisään liekkiä ylläpitävää rengasta kohti tulevan säteilyn kat-30 kaisemiseksi kohtuullisesti, liekkiä ylläpitävää rengasta • 3 estetään olemasta liian korkeassa lämpötilassa. Niin muodoin jopa silloin, kun polttolaitteen yksikkökapasi-teettia kohotetaan (esim. termisen 50 MW yläpuolelle), liekkiä ylläpitävää rengasta 3 voidaan estää sulamasta tai 35 kärsimästä kuonan tuottamisesta.

s 101012

Toisaalta ulkonema 6 on tuotu nyt tilaan, jossa se peittyy tuhkilla ja on sijoitettu pelkistysilmakehään ja on vielä alttiina suurille lämpötiloille tulipesästä 2 säteilevästä lämmöstä johtuen. Tämän takia on mahdolli-5 suus, että ulkonema 6 kärsii kuonaantumisesta. Tullakseen toimeen tämän kanssa esillä olevassa keksinnössä ulkonemaa 6 ei ole sijoitettu pelkistysilmakehään vaan hapetusilma-kehään. Näin tekemällä yksi kuonaantumisen esiintymisteki-jöistä voidaan poistaa, mikä mahdollistaa sillä tavalla 10 kuonaantumisen esiintymisen estämisen.

Hapetusilmakehän muodostamiseksi päätylevy 63 on varustettu useilla säteittäisraoilla 631, jotka on sijoitettu tasakulmavälein kuten kuvioissa 4 - 6 on esitetty. Osa sekundaari-ilmaa suihkutetaan näistä raoista 631 ulos 15 ja ohjataan ohjauslevyillä 632 niin, että se virtaa ympä-ryskehämäisesti ulkoneman 6 pinnalle. Niin muodoin ulkonema 6 voidaan pitää hapetusilmakehän alaisena, mikä johtaa kuonan tuotannon estämiseen.

Tässä suoritusmuodossa on huomattavaa, että sekun-20 daari-ilma jäähdyttää ulkonemaa 6 samalla, kun se virtaa ulkoneman 6 ulkokehäseinän 61 ja väliseinäputken 64 määrittelemän kanavaosan, ulkoneman 6 sisäkehäseinän 62 ja väliseinäputken 64 määrittelemän kanavaosan sekä ulkoneman 6 sisäkehäseinän 62 ja seoksen syöttöputken 1 määrittele- • 25 män kanavaosan läpi. Noin 300 °Crisen sekundaari-ilman virtaus saa ulkoneman olemaan 950 °C tai sen alle, jossa lämpötilassa tuotetaan tuskin lainkaan kuonaa. Niin muodoin tulee mahdolliseksi kuonan esiintymisen vaikeuttaminen ulkonemassa 6 samoin kuin ulkoneman 30 kestoiän pidentäminen. Toisaalta, koska sekundaari-ilman • lämpötila kasvaa noin 40 °C:lla tulipesästä 2 säteilevästä lämmöstä johtuen, polttotehokkuutta voidaan parantaa.

Kuvioissa 7 ja 8 esitetyssä muunnelmassa useita kehärakoja 633 on järjestetty tasakulmavälein päätylevyyn 35 63 niin, että osa sekundaari-ilmasta ohjataan ohjausle- vyllä 634 virtaamaan säteittäin ulospäin ulkoneman 6 pin- e 101012 nalle. Tämän tuloksena kuonan tuotanto voidaan estää kuten yllä olevassa suoritusmuodossa. Kuviossa 9 esitetyssä toisessa muunnelmassa päätylevy 63 on osittain leikattu ja kallistettu.

5 Kuviossa 10 esitetyssä toisessa suoritusmuodossa seoksen konsentroitumisen tekemiseksi seoksen syöttöputken 1 ympärillä suuremmaksi jauhetun hiilen/ilman erottava tanko-osa 7 on sijoitettu seoksen syöttöputken 1 sisälle sama-akselisesti. Erottava osa 7 on kiinnitetty seoksen 10 syöttöputkeen 1 sen varsiosasta 71. Erottavassa osassa 7 on myös kartio-osa 72, joka määrittelee putken kavennus-osan yhteistoiminnassa seoksen syöttöputkeen 1 järjestetyn ulkonevan osan 11 kanssa. Putken kavennusosassa seoksen nopeutta vähennetään. Lisäksi erottava osa 7 käsittää suo-15 ran pyöreän lieriöosan 73 ja kartio-osan 74, joka jatkuu suorasta pyöreästä lieriöosasta kavetakseen siten seoksen virtauksen alavirtapuolta kohti. Suora pyöreä lieriöosa 73 toimii yhdessä seoksen syöttöputken 1 kanssa määritelläk-seen niiden väliin seoksen kanavaosan I, jonka poikkileik-20 kausala säilyy vakiona. Kartio-osa 74 toimii yhdessä seoksen syöttöputken 1 kanssa määritelläkseen niiden väliin seoksen kanavaosan II, jonka poikkileikkausala kasvaa vähitellen seoksen virtauksen suunnassa.

Seoksen nopeus kasvaa kanavaosassa I. Kun seos • 25 virtaa kauttakulkukanavaosan II läpi, jauhettu hiili erotetaan seoksesta sen inertiasta johtuen ja sitten se virtaa säteittäin ulospäin. Tämän tuloksena jauhettu hiili konsentroituu liekkiä ylläpitävän renkaan lähelle. Tämän takia jopa, jos polttolaitteen kuormaa vähennetään 30 (esimerkiksi alas noin 30 %:iin rouhimen kuormituksesta), on mahdollista suorittaa erittäin tehokas poltto vähemmällä määrällä tuotettuja typpioksideja NOx. Jos kartio-osa 74 kuitenkin suippenee epätasaisesti, on mahdollista, että seos voi erottua kartiosasta. Kun 35 erottuminen kerran tapahtuu, liekkiä ylläpitävän renkaan lähelle jo kerran konsentroitunut jauhettu hiili tuodaan 7 101012 takaisin säteittäin sisäänpäin erotetusta virtauksesta johtuen,' mikä johtaa siihen mahdollisuuteen, että jauhetun hiilen konsentraatio liekkiä ylläpitävän renkaan lähellä pienenee. Lisäksi on mahdotonta määritellä paikkaa, missä 5 tällainen erottuminen aiheutetaan. Tästä syystä tässä suoritusmuodossa on suunniteltu, että virtauksen erottuminen tapahtuu tarkalleen eli pakolla kartiosalla olevissa etukäteen määrätyissä osissa. Lisäksi nämä osat, joissa erottuminen tapahtuu, sijaitsevat ympäryskehä-10 mäisesti. Toisin sanoen osat, joissa erottumista estetään tapahtumasta, sijaitsevat samoin ympäryskehämäisesti tasakulmavälein. Niin muodoin jauhetun hiilen konsentraatio liekkiä ylläpitävän renkaan lähellä tulee ympäryskehämäisesti tasaiseksi ja sen takia on mahdollista 15 suorittaa vakautettu poltto.

Tähän asti esillä olevassa keksinnössä kartio-osa 74 koostuu osista 741, joista kukin tekee suippenevan kulman qi aksiaalisuuntaan nähden, ja osista 742, joista kukin tekee suippenevan kulman q2 (> qi) aksiaalisuuntaan 20 nähden, jotka osat 741 vuorottelevat osien 742 kanssa kuten kuvioissa 11 - 14 on esitetty. Suippeneva kulma qi on 5° -15°:n alueella ja suippeneva kulma q2 on 25° - 65°:n alueella. Erottuminen tapahtuu osissa 742 mutta sitä ei tapahdu osissa 741. Lisäksi osien 741 viemä ala on tehty 25 suuremmaksi kuin osien 742 viemä. Niin muodoin erottumisen vaikutus voidaan minimoida lisäten sillä tavalla vakautettua polttoa. Osat 741 ja 742 voidaan yhdistää tasaisesti (kuten kuviossa 12 on esitetty) tai jyrkästi (kuten kuviossa 14 on esitetty). Sen osan suippeneva kulma 30 q2, jossa erottuminen tapahtuu ei ole rajoitettu olemaan . -[ 25° - 65°:n alueella. Jopa kun suippeneva kulma q2 on 90° eli jopa kun osa 742 on kuvioissa 15 ja 16 esitetty rako, sama vaikutus voidaan saada.

Lisäksi kuten kuvioissa 17 - 19 on esitetty osat 35 741 ja 742 voidaan järjestää epäsymmetrisesti.

β 101012

Ohimennen sanoen vaikka ulkonema ja jauhetun hiilen /ilman erottava osa on tässä suoritusmuodossa yhdessä, nämä voidaan antaa käyttöön erillään.

Lisäksi esillä oleva keksintö on sovellettavissa 5 kuviossa 20 esitettyyn jauhetun hiilen polttolaitteeseen, joka on varustettu aloitusöljypolttimella 8 ja apukaasu-polttimella 9. Öljypoltin 8 jatkuu läpi erottavan osan 7 sisällä kartio-osan 74 kärkipäähän. Kaasupoltin 9 ulottuu sisäkehäseinän 62 läpi tulipesään 2 sen verran, että sitä 10 voidaan estää tulemasta alttiiksi tulipesän 2 sisältä tulevalle säteilylle.

Esillä olevaa keksintöä voidaan käyttää esimerkiksi jauhetun hiilen kattilan polttolaitteessa.

Claims (9)

9 101012

1. Polttolaite, joka käsittää: seoksen syöttöputken (1), joka on paljastettu 5 tulipesään (2) jauhemaisen polttoaineen ja happea sisältävän kaasun seoksen syöttämiseksi mainitun tulipesän (2) sisään, liekkiä ylläpitävät välineet (3), jotka on järjestetty mainitun seoksen syöttöputken (1) esillä olevan kelo häreunaosan luo, ja kaasunsyöttökanavan (4, 5), joka on sijoitettu säteittään mainitun seoksen syöttöputken (1) ulkopuolelle syöttämään happea sisältävää kaasua mainittuun tulipesään (2), 15 tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää jauhemaisen polttoaine/ilmaa sisältävän kaasun erottavan osan (7), joka on sijoitettu mainitun seoksen syöttöputken (1) sisäpuolelle sama-akselisesti, mainitun erottavan osan (7) käsittäessä ensimmäisen osan (73), joka 20 toimii yhdessä mainitun seoksen syöttöputken (1) kanssa sellaisen ensimmäisen seoksen syöttökanavaosan (I) määrittelemiseksi niiden väliin, jonka poikkileikkausala on vakio, ja toisen osan (74), joka jatkuu mainitusta ensimmäisestä osasta (73) seoksen virtauksen alavirta-25 puolta kohti, joka toinen osa (74) toimii yhdessä mainitun seoksen syöttöputken (1) kanssa sellaisen toisen seoksen syöttökanavaosan (II) määrittelemiseksi niiden väliin, jonka poikkileikkausala kasvaa vähitellen seoksen virtauksen mukana.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttolaite, ' tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen osa (73) on pyöreä lieriö ja mainittu toinen osa (74) on kartionmuotoinen ja suippenee seoksen virtauksen alavirta-puolta kohti.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen polttolai te, tunnettu siitä, että mainitulla toisella osal- 10 101012 la (74) on osa (742), jossa virtauksen erottuminen aikaansaadaan tapahtumaan ja toinen osa (741), jossa virtauksen erottumista ei aikaansaada tapahtumaan, jotka osat vaihte-levat ympäryskehämäisesti.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, että mainitun osan (742), jossa virtauksen erottuminen aikaansaadaan tapahtumaan ympärys-kehämitta on pienempi kuin sen osan mitta (741), jossa virtauksen erottumista ei aikaansaada tapahtumaan.

5. Patenttivaatimuksen 2 ja 3 tai 2 ja 4 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, että mainitun jauhemaisen polttoaineen/happea sisältävän kaasun erottavan osan (7) kartio-osa (74) on varustettu sen kehäpään luona osilla, joiden suippenevat kulmat eroavat toisistaan mails nitun kartio-osan akseliin nähden.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää: ulkonemavälineet (6), jotka on sijoitettu säteittään mainitun kaasun syöttökanavan (4) ja mainitun seoksen 20 syöttöputken (1) väliin ja ulottuvat mainittuun tulipesään (2) liekkiä ylläpitävien välineiden (3) toiselle puolelle suojaamaan liekkiä ylläpitävät välineet (3) tulipesän sisäpuolelta tulevalta säteilyltä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen polttolaite, 25 tunnettu siitä, että toinen kaasun syöttökanava (5) on sijoitettu säteittäin ensimmäisen mainitun kaasun syöttökanavan (4) ja seoksen syöttöputken (1) väliin syöttämään happea sisältävää kaasua mainittuun tulipesään (2).

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen polttolai-30 te, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää: välineet (631, 632; 633, 634) hapettavan ilmakehän muodostamiseksi mainitun ulkoneman (6) pinnan (63) ympäri, joka on paljastettu mainittuun tulipesään. 11 101012

9. Patenttivaatimuksen 7 ja 8 mukainen poltto-laite, tunnettu siitä, että mainitun hapettavan ilmakehän muodostaa happea sisältävä kaasuvirtaus, joka 5 virtaa mainitun toisen kaasun syöttökanavan (5) läpi. 12 101012