FI93900B - Poltin - Google Patents

Description

93900

Poltin - Brännare Tämä keksintö koskee polttimia ja erityisesti polttimia, joista syntyy suhteellisen alhaisia typpioksiditasoja (NOJ 5 palamistuotteisiin.

Kuumavesi- ja uunilaitoksista poistuviin typpioksideihin (NOJ on esimerkiksi kiinnitetty huomiota johtuen niiden ympäristöön kohdistuvasta vahingollisesta vaikutuksesta. Polt-10 timet, jotka käyttävät jauhemaista polttoainetta, esimerkik si hiiltä tai muuta hiilipitoista polttoainetta, ja joita käytetään sähköä tuottavissa laitoksissa, ovat merkittävä NOx:n lähde. Sellaisissa polttimissa NOx-purkaumat syntyvät sekä ilmakehän typestä (riippuen liekin lämpötilasta) että 15 polttoaineeseen kiinnittyneestä typestä (riippuen palamisen aikana saatavan hapen määrästä).

Esimerkki jauhemaista polttoainetta käyttävästä polttimesta, jonka tarkoitus on vähentää N0X-purkaumia, voidaan löytää GB-20 julkaisussa 2094969, jossa on ehdotettu ilman ja polttoaineen pyörteilevän virran ruiskuttamista lisäilmavirtaan polttoaineen polttamiseksi vaiheittain sub-stökiometrisissä olosuhteissa. Samoin luodaan EP-julkaisussa 160146 turbulenssia primäärisen ilman ja polttoaineen seoksessa varusta-25 maila tätä seosta varten olevan syöttöputken poistopää poik-kileikkaukseltaan L:n muotoisella laipalla, käytännössä te-räväreunaisella suuttimella ennen polttoaineen polttamista sekundäärisen ja tertiäärisen ilmavirran avulla. Yleisemmin, tunnetut tekniikat NOx:n muodostumisen vähentämiseksi jauhe-30 maista polttoainetta käyttävissä polttimissa voidaan esittää esimerkinomaisesti seuraavasti: * säädetään ilman tulemista, polttoaineen/ilman virtauksen suunnassa ylävirran puoleisessa päässä, liekkiin korkei-35 den liekkilämpötilojen välttämiseksi samalla minimoiden NOx:n muodostumista ilmakehän typestä; 2 93900 muodostamalla polttoainerikas alue liekin ylävirran puoleiseen päähän polttoaineen typen ja muiden haihtuvien aineiden vapauttamiseksi kun läsnä on sub-stökiometrisiä määriä happea, jolloin haihtuvien aineiden polttamisen takia 5 tapahtuva NO,:n ja korkean lämpötilan alueiden muodostuminen minimoituu; ylläpitämällä polttoainerikas alue niin, että kaikki polttoprosessin aikaisessa vaiheessa muodostunut NOx voi rea-10 goida polttoaineen kanssa pelkistävissä olosuhteissa typeksi ja hiilimonoksidiksi palauttamiseksi.

Eräs tapa näiden olosuhteiden aikaansaamiseksi on muodostaa liekkiverho välittömästi polttimesta purkautuvan polttoai-15 ne/ilmasuihkun ympärille. Tämän primäärisen polttovaiheen tarkoitus on luoda liekki sub-stökiometrisisssä olosuhteissa, mikä siirtää lämpöä polttoaineeseen polttoaineen typen ja muiden haihtuvien osasten vapauttamiseksi. Jos sekundäärinen ja tertiäärinen ilma voidaan sitten lisätä tasaisesti 20 polttoaineen/primäärisen ilman ja haihtuvien aineiden virtaan ilman tarpeetonta turbulenssia (mikä aiheuttaisi korkeita lämpötiloja), tulisi olla mahdollista aikaansaada täydellinen sekoittuminen ja palaminen tilavuudessa, joka on samanlainen kuin minkä ottaa tavanomainen suuren turbulens-25 sin liekki.

Näiden tarkoitusten aikaansaamisen päävaikeuksia ovat sen takaaminen, että vakaa liekki voidaan ylläpitää polttoaineen/primäärisen ilman ulostulopäässä poltinta ja sitten 30 polttoaineen ja ilman tasaisen sekoittumisen takaaminen välttäen toisaalta ylimääräistä turbulenssia ja siitä joh-. tuen korkeita lämpötiloja ja NOx:a ja toisaalta sekoittumista, joka viivästyy niin pitkään, että se aikaansaa epätäydellistä polttoaineen palamista.

Tämän keksinnön mukaisesti aikaansaadaan poltin jauhemaisen polttoaineen polttamiseksi ilmavirrassa käsittäen välineen ilma-polttoaineseoksen virran tuottamiseksi kanavaa pitkin 35 3 93900 virran esipolttoa varten mainitun kanavan ulostulossa ja välineet lisäilman tuomiseksi mainitun esipolton tuotteiden kanssa polttamista varten, useita ohjainelimiä, jotka sijaitsevat kanavassa asennoissa, jotka ovat kulmittain väli-5 matkan päässä toisistaan kanavan keskiakselin ympärillä, mainittujen elinten ulottuessa kanavaa pitkin vinossa kulmassa niihin kohdistuvaan virtaan nähden.

Keksinnön mukaiselle polttimelle on tunnusomaista se, että 10 ohjainelimet on sovitettu aikaansaamaan polttoainepitoisia alueita virtaan ja alavirtaan matkan päässä mainituista elimistä kanavan poistopäässä tai sen vieressä sijaitsee useita virtauksen häiriöelimiä kanavassa asennoissa, jotka ovat kulmittain välimatkan päässä toisistaan mainitun keskiakse-15 Iin ympärillä, mainittujen elinten ollessa sovitettuja muuttamaan ilma-polttoaineseoksen virtauskuviota kanavan ulostulossa polttoaineen ja ilman erilaisten seossuhteiden aikaansaamiseksi elinten alavirran puolella.

20 On huomattu, että on edullista sijoittaa ainakin yksi virtausta häiritsevistä elimistä olennaisen yhteneväksi oh-jainelementistä tulevan virtaustien kanssa, ja on mahdollista asettaa vastaava elin siten kunkin ohjainelementin suhteen. Lisää virtausta häiritseviä elementtejä voidaan si-25 joittaa väliasemiin viereisiltä ohjainelementtipareilta tu- ·...· levien virtausteiden väliin.

Yhdessä erityisessä järjestelyssä on neljä ohjainelementtiä kiinnitettynä 90 asteen välein käytävän akselin suhteen ja 30 kymmenen virtausta häiritsevää elintä on asetettu edellisistä alavirtaan päin kiinnitettynä 36 asteen välein mainitun ^ akselin suhteen, jolloin yksi halkaisijan suhteen vastakkai-

» I I

nen pari elimiä olennaisesti yhtyy halkaisijan suhteen vastakkaiselta ohjainelementtien parilta tulevaan virtaustie-35 hen. Aikaisemmassa hakemuksessamme käytävässä, joka on etenkin rengasmainen, on välineet sisääntulopäässään sen läpi tulevan virtauksen pyörteistämiseksi, jossa tapauksessa oh-‘ ‘ jainelementit voivat ulottua käytävän keskiakselin kanssa 4 93900 yhdensuuntaisesti. Elementeistä ylävirtaan voidaan käytävän ulkoseinällä olevat välineet varustaa vaikuttamaan poltto-ainepartikkeleiden taipumusta vastaan keskittyä sitä ulkoseinää vasten ja muodostaa konsentroituja polttoainevirtoja 5 tai -köysiä, jolloin mainitut välineet parantavat samalla ohjainelementtejä lähestyvän polttoaineen ja ilman sekoittumista.

Edullisesti mainittu käytävä on ulostulopäänsä alueella sa-10 mankeskeisten apukäytävien parin ympäröimä lisäilman tuomiseksi polttoprosessiin. Kumpikin mainituista apukäytävistä voi sisältää virtausta ohjaavia elimiä niin järjestettyinä, että vierekkäisten ulostuloaukkojensa luona kustakin käytävästä purkautuu virta pyörteisenä kuviona viereisestä käytä-15 västä tai viereisistä käytävistä tulevan virtauksen suhteen. Esimerkiksi jos virta ilma-polttoainekäytävästä purkautuu keskiakselin suuntaisena, on virta viereisessä apukäytävässä järjestetty purkautumaan pyörteisenä kuviona, edullisesti ainakin 45 asteen spiraalikulmassa akselin suhteen, kun taas 20 ilma ulommasta apukäytävästä voi purkautua myös virtaamalla akselin suuntaisesti.

Parhaana pidetyssä muodossaan virtausta häiritsevien elimien profiili on sellainen, että ne paksunevat suhteellisen ohu-25 estä etureunasta lukien ja ne voivat päättyä tylppään taka-reunaan.

Keksintöä kuvataan nyt vain esimerkinomaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa: 30 kuvio 1 on kaaviomainen pitkittäisleikkauskuva keksinnön ! mukaisesti rakennetusta polttimesta; kuvio 2 on leikkaus kuvion 1 viivaa II-II pitkin; kuvio 3 on päätykuva polttimen ulostulopäästä kuvaten oh-35 jainelementtien ja virtausta häiritsevien elimien suhteellista sijoitusta; ja

II

5 93900 kuviot 4-7 ovat kuvion 3 mukaisia päätykuvia kuvaten ohjain-elementtien ja virtausta häiritsevien elimien vaihtoehtoisia rakenteita.

5 Seuraavassa viitataan kuvioihin 1-3, joissa jauhemaisen polttoaineen poltin 10 on asetettu aukkoon 12 uunin, jota ei ole muuten esitetty, seinässä 14. Tulee ymmärtää, että poltin sytyttää polttoainetta polttokammioon, joka sovellutuksesta riippuen voidaan vuorata lämmönvaihtoputkilla tunne-10 tulla tavalla. Tulee myös ymmärtää, että poltin 10 voi olla yksi monista, jotka on asennettu uunin seinään halutun polt-tokuvion aikaansaamiseksi.

Poltin 10 ulottuu keskiakselia A pitkin ja koostuu samankes-15 keisistä putkista 22, 24, 26, 28, jotka määrittävät rengasmaisen pääkäytävän 30 jauhemaisen polttoaineen ja ilman seosta varten ja sisemmän ja ulomman apukäytävän 32, 34 lisä-polttoilmaa varten. Putken 22 sisus sinällään muodostaa käytävän öljypoltinta 36 varten jauhemaisen polttoaineen syty-20 tysjärjestelmänä tai uunin lämmön sisääntuontitehtäviä varten. Uloin putki 28 esitetään muiden putkien kanssa yhdensuuntaisena polttimen loppupäässä 38, mutta se voidaan tehdä ulospäin kaarevaksi, kuten on esitetty katkoviivalla 38A.

25 Putkessa 24 on halkaisijaltaan suhteellisen suuri sisääntu-lo-osa 24A ja kartiomainen väliosa 24B yhdistää edellisen pienemmän läpimitan ulostulo-osaan 24C, joka päättyy poisto-päässä 38. Kanava 40 (ks. kuvio 2) liittyy tulo-osaan 24A tangentin suuntaisesti putkessa olevan tuloaukon 42 kohdal-30 la. Kanavan kautta tulee primäärisen polttoilman pyörteinen virta, johon jauhemainen polttoaine on suspendoitu ja joka kulkee kanavaa 30 pitkin spiraalimaisena virtana, kuten on merkitty nuolilla kuviossa 1. Vettä vastustava vuoraus 44 on sovitettu tulo- ja väliosiin 24A, 24B tuloaukosta 42 alavir-35 taan päin, jolloin vuorauksessa on samaa kappaletta olevia ripoja 46, jotka ulottuvat aksiaalisesti käytävässä 30 auttamaan niiden jauhemaisten polttoainepartikkeleiden uudel- 6 93900 leen sekoittumista, joita pyörteinen virtaus pyrkii pakottamaan ulospäin.

Neljän ohjainelementin 48 sarja, joka toimii polttoainevir-5 ran uudelleenjakelijana, on asennettu samanlaisin kulmavä-lein rengasmaisen käytävän keskiakselin A suhteen käytävän ulostulo-osaan 24C. Ohjainelementit ovat teränkaltaisia elimiä, jotka ulottuvat käytävän keskiakselin suuntaisina ja jotka täten ovat vinossa kulmassa kierteiseen ilma-poltto-10 ainevirtaan nähden. Tässä ensimmäisessä esimerkissä ohjain-elementit ovat poikkileikkaukseltaan kaarevia koverien sivujen aikaansaadessa niihin pyörteileville partikkeleille törraäyspinnat. Keskeyttämällä kiinteiden polttoainepartikke-leiden pyörteily aikaansaavat elementit partikkeleiden kes-15 kittymiä koverille pinnoilleen. Nämä partikkelit jäävät ilmavirtaan sekoitetuiksi, kuitenkin sillä tuloksella, että elementeistä 48 alavirtaan olevaan virtaan muodostuu sarja alueita, joissa on rikas polttoaine-ilmasuhde.

20 Kulutusta kestävästä materiaalista tehdyt virtausta häiritsevät elimet 50 sijaitsevat käytävän ulostulopäässä erillään elementeistä 48. Ne ovat kiilamaisia niiden säteen suuntaisen syvyyden lisääntyessä etureunasta 50a lähtien virtauksen suunnassa ja niillä on tylpät alavirran puoleiset pinnat 25 50b. Elimien etureunat ovat käytävän 30 ulkoseinää vasten ja niiden alavirran puoleiset pinnat ulottuvat osalle käytävän säteen suuntaista syvyyttä. Elimillä 50 on liekkiä stabiloiva vaikutus polttimen loppupäässä. Kuten kuviosta 3 nähdään, kymmenen yhtäläisen välimatkan päässä toisistaan ole-30 vaa virtausta häiritsevää elintä on järjestetty niin, että kaksi halkaisijan suhteen vastakkaista elintä ovat heti kah-] den ohjainelementin 48 jälkeen ohjainelementtien ohi kulke van virtauksen suunnassa.

35 Ulommat rengasmaiset kanavat 32, 34 syöttävät sekundääristä ja tertiääristä polttoilmaa tuulilaatikosta 52, jota virtausta käytäviin 32, 34 kontrolloirengasmaiset liukuluukut 54, 56. Vastaavat virtausta ohjaavien elinten 58, 60 sarjat si-

II

7 93900 jaitsevat käytävissä 32, 34. Elimet 58 käytävässä 32 saavat aikaan siellä ilmanvirtaukseen spiraalimaisen kuvion; tässä suoritusmuodossa spiraalikulma keskiakselin 12 suhteen on ainakin 45 astetta. Virtausta ohjaavat elimet 60 aikaansaa-5 vat aksiaalisen virtauskuvion käytävässä 34 vaikuttavaan ilmavirtaan.

Polttoilmaa voidaan syöttää 51jypolttimeen 36 kanavan 62 kautta, joka on yhdistetty tuulilaatikkoon 52. Vaihtoehto!-10 sesti voidaan käyttää puhallinta 64. Voidaan käyttää myös muuta sytytysjärjestelmää.

Ohjainelementtien ja virtausta häiritsevien elimien 50 rakennetta voidaan muuttaa monilla tavoin ja joitakin esimerk-15 kejä on kuvattu kuvioissa 4-7, joissa, kuten kuviossa 3, nuoli S merkitsee virtauksen pyörteen suuntaa kanavassa 30. Kaikissa näissä esimerkeissä ohjainelementit ulottuvat keskiakselin 12 suuntaisesti, vaikkakin se riippuu ilman ja polttoaineen pyörteen olemassaolosta ja laajuudesta niihin.

20

Kuvio 4 esittää laitetta, jossa on sama ohjainelementtien 48 rakenne kuin ensimmäisessä esimerkissä, mutta nyt varustettuna kahdeksalla virtausta häiritsevällä elimellä 50, jotka on asetettu pareittain. Kussakin elimien 50 parissa toinen 25 elin on asetettu suoraan vastaavan ohjainelementin taakse elementistä lähtevään virtaukseen nähden, kun taas toinen on asymmetrisesti välimatkan päässä naapureistaan pyörteen S suunnassa nähtynä. Mainittu parin toinen jäsen on kehän suhteen asetettu jonkin verran lähemmäksi sitä ohjainelement-30 tiä, jonka iskupinta on käännetty sitä kohti kuin sitä elementtiä, jonka iskupinta on käännetty siitä poispäin.

Kuviossa 5 on pidetty kuviossa 4 esitetty virtausta häiritsevien elimien järjestely, mutta ohjainelementit 48A ovat 35 nyt tasaisia levyjä säteen suuntaisessa aksiaalitasossa keskiakselin 12 suhteen. Tasaiset levyohjainelementit 48B, 48C nähdään myös kuvioissa 6 ja vastaavasti kuviossa 7, jossa virtausta häiritsevien elimien järjestely on muuttumaton.

8 93900

Kuviossa 6 ohjainelementit 48B ovat kallellaan pyörteen suunnassa niiden säteen suuntaisista sisäreunoista ulkoreunoihinsa päin. Kuviossa 7 elementit 48C ovat kallellaan poispäin pyörteen suunnasta katsottuna niiden säteen suun-5 täisistä sisäreunoista ulkoreunoihin päin. Tulee ymmärtää, että monet muutkin modifikaatiot ovat keksinnön suojapiiris-sä ei vain ohjainelementtien ja virtausta häiritsevien elimien muodon suhteen, vaan myös lukumäärän ja suhteellisten asemiensa suhteen.

10

Vaikka mekanismi, jolla keksintö voi aikaansaada NOx-pur-kauman pienentymisen, jääkin tarkkaa kartoittamista vaille, uskotaan, että NOx:n muodostumisen alhainen taso riippuu ohjainelementtien mahdollisuudesta luoda polttoainerikkaita 15 alueita, jotka ehkäisevät NOx:n muodostumista ensivaiheessa. Sellaiset polttoainerikkaat alueet voivat kuitenkin johtaa liekin etuosan epästabiilisuuteen. Alavirtaan asetetut virtausta häiritsevät elimet näyttävät täydentävän näiden ohjainelementtien vaikutusta ja näyttävät vaikuttavan virtauk-20 seen ja edistävän polttoaine-ilmaseoksien voimakkuuksien spektriä elimistä alavirtaan olevassa virrassa. On mahdollista, että siinä on siksi polttoaineköyhiä vyöhykkeitä välittömästi polttimen putken ulostulopäästä alavirtaan, jossa polttoaine syttyy helpommin johtuen suhteellisesta happiyli-25 määrästä, näin stabiloiden liekkiä polttimen ulostulon edes-sä.

Virtausta poikkeuttavien elimien lisäetu on siinä, että ne näyttävät edistävän uudelleenkierrätystä ja sekoittumista 30 avustaakseen täydellistä polttoaineen palamista vaikuttamat ta liekin edustan lisääntyneeseen vakauteen. Virtausta poik-] keuttavien elimien välimatkan päässä olevan kiilanmuodon ominaisuus esimerkeissä on, että ne näyttävät vastustavan palokertymien muodostumista käytössä ja niiden tehokkuus on 35 vastaavasti laajempi.

Claims (12)

1. Poltin jauhemaisen polttoaineen polttamiseksi ilmavirrassa käsittäen välineen ilma-polttoaineseoksen virran tuottamiseksi kanavaa (30) pitkin virran esipolttoa varten mai- 5 nitun kanavan ulostulossa (38) ja välineet (32, 34) lisäil-man tuomiseksi mainitun esipolton tuotteiden kanssa polttamista varten, useita ohjainelimiä (48), jotka sijaitsevat kanavassa asennoissa, jotka ovat kulmittain välimatkan päässä toisistaan kanavan keskiakselin (12) ympärillä, mainittu-10 jen elinten ulottuessa kanavaa pitkin vinossa kulmassa niihin kohdistuvaan virtaan nähden, tunnettu siitä, että oh-jainelimet (48) on sovitettu aikaansaamaan polttoainepitoi-sia alueita virtaan ja alavirtaan matkan päässä mainituista elimistä kanavan (30) poistopäässä tai sen vieressä sijait-15 see useita virtauksen häiriöelimiä (50) kanavassa asennoissa, jotka ovat kulmittain välimatkan päässä toisistaan mainitun keskiakselin ympärillä, mainittujen elinten ollessa sovitettuja muuttamaan ilma-polttoaineseoksen virtauskuviota kanavan ulostulossa polttoaineen ja ilman erilaisten seos-20 suhteiden aikaansaamiseksi elinten alavirran puolella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen poltin, tunnettu siitä, että ainakin yksi virtausta häiritsevistä elimistä (50) yhtyy olennaisesti ohjainelementiltä (48) tulevan virtauksen 25 tiehen. t <

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen poltin, tunnettu siitä, että siinä on vastaava virtausta häiritsevä elin (50) sijaiten kehällä ja yhtyen olennaisesti kultakin ohjainelementil- 30 tä (48) tulevan virtauksen tiehen.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen poltin, tunnettu siitä, että siinä on virtausta häiritseviä elimiä (50), jotka sijaitsevat kehällä ohjainelementtien (48) vie- 35 rekkäisiltä pareilta tulevien virtausteiden väliasemissa.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen poltin, tunnettu siitä, että siinä on neljä ohjainelementtiä (48), jotka ovat kul- 10 93900 mittain saman välimatkan päässä toisistaan keskiakselin suhteen ja kymmenen virtausta häiritsevää elintä (50) , jotka ovat kulmittain saman välimatkan päässä toisistaan mainitun akselin suhteen alavirtaan ohjainelementeiltä, yhden hal-5 kaisijän suhteen vastakkaisen parin virtausta häiritseviä elimiä ollessa sijoitettuna olennaisen yhtenevästi halkaisijan suhteen vastakkaiselta ohjainelementtiparilta tulevien virtausteiden suhteen.

6. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen poltin, tunnettu siitä, että virtausta häiritsevillä elimillä (50) on sellainen poikittainen poikkileikkauskuvio, joka paksunee suhteellisen ohuesta etureunasta (50a), johon mainittu virtaus iskee, lähtien. 15

7. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen poltin, tunnettu siitä, että virtausta häiritsevät elimet (50) päättyvät tylppään takareunaan (50b).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen poltin, tunnettu siitä, että virtausta häiritsevät elimet (50) työntyvät sisäänpäin mainitun käytävän (30) ulkokehäseinästä.

9. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen 25 poltin, tunnettu siitä, että ohjainelementeistä (48) ylävir-\ taan on varustettu välineet (40) aikaansaamaan mainitussa käytävässä tapahtuvaan virtaukseen pyörivän pyörteen mainitun käytävän keskiakselin suhteen.

10. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen poltin, tunnettu siitä, että ohjainelementeistä ylävirtaan ] ja mainitun käytävän ulkokehäseinälle on varustettu välineet • « · (46) polttoainepartikkeleiden sekoittumisen edistämiseksi mainitun seinän vieressä tapahtuvassa virtauksessa.

11. Minkä tahansa edellisen patenttivaatimuksen mukainen poltin, tunnettu siitä, että mainittua käytävää (30) ympäröi 35 11 93900 ulostuloalueella pari samankeskeisiä apukäytäviä (32, 34) lisäilman tuomiseksi polttoprosessiin.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen poltin, tunnettu siitä, 5 että kustakin mainitusta käytävästä (30, 32, 34) tuleva virtaus viereisten ulostulojen luona purkautuu suunnassa, jolla on suhteellinen pyörivä liike viereisestä käytävästä tai käytävistä tulevan virtauksen suhteen.

9 93900

10 Patentkrav