PL174969B1

PL174969B1 - Palnik do spalania paliwa w utleniaczu

Info

Publication number: PL174969B1
Application number: PL94302394A
Authority: PL
Inventors: Loo T. Yap
Original assignee: Boc Group Inc
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1994-02-25
Publication date: 1998-10-30
Also published as: CN1094146A; AU5503594A; NZ250362A; US5299929A; PL302394A1; US5360171A; CA2110829A1; CA2110829C; ATE170967T1; JPH074623A; EP0612958A2; EP0612958A3; DE69413091T2; DE69413091D1; AU673871B2; JP3426320B2; EP0612958B1

Abstract

1. Palnik do spalania paliwa w utlenia- czu, znamienny tym, ze ma srodkowa dysze paliwowa (12), o wachlarzowym ksztalcie, formujaca strumien paliwa do spalania w ut- leniaczu na zewnatrz w rozprzestrzeniajacym sie i rozbieznym plomieniu oraz górny ze- staw dysz utleniacza (14) i dolny zestaw dysz utleniacza (16), oddzielone i odseparowane od siebie i od srodkowej dyszy paliwo- wej (12), przy czym górny i dolny zestaw dysz utleniacza (14, 16) maja wachlarzowy ksztalt i sa usytuowane po obu stronach srod- kowej dyszy paliwowej (12). FIG. 3 FIG. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest palnik do spalania paliwa w utleniaczu. W szczególności, niniejszy wynalazek należy do takich palników, w których utleniaczem jest wzbogacane tlenem powietrze. Niniejszy wynalazek obejmuje również dyszę, mogącą generować płaski, rozbieżny jednorodny wpływ strumienia, szczególnie dostosowaną do zastosowań jako dysza utleniacza, w przetwarzaniu szkła, miedzi, aluminium, żelaza i stali.

Palniki znajdują wiele przemysłowych zastosowań zwłaszcza w przypadkach, gdy przetwarzany materiał ma być stopiony. W celu uzyskania możliwie największej ilości ciepła z paliwa, stosuje się palniki tlenowo paliwowe, w których paliwo jest spalane w tlenie lub

174 969 powietrzu wzbogacanym tlenem. Palniki często wytwarzają płomienie mające wysoce skoncentrowaną energię, co może powodować powstawanie miejscowych ognisk wysokiej temperatury w masie topionej. Typowo, takie palniki wykorzystują dużą prędkość utleniacza i przepływ dużych porcji paliwa dla wytwarzania wysokiej energii. Sumując, koncentracja ciepła prowadzi do uwolnienia substancji lotnych z wytopu, a duże prędkości prowadzą do porywania wsadu i do wydmuchiwania go z pieca. Porywany wsad i uwalniane substancje lotne mogą powodować wycieki i zanieczyszczenie atmosfery, sprzyjać tworzeniu się osadów wewnątrz pieca, albo też obniżaniu sprawności systemów odzyskiwania ciepła stosowanych wraz z piecami.

Opis patentowy USA nr 3.658.740 przedstawia palnik na paliwo tlenowe zawierający środkowe otwory tlenowe i skrajne otwory paliwowe do wytwarzania płomienia, który jest krzaczasty (gęsty) w wyglądzie i który jest wytwarzany przez tlen o dużej prędkości albo ma sam dużą prędkość. Takie płomienie nadają się do wykonywania gorących plam przy stapianiu materiału albo alternatywnie do wydzielania ulotnych albo do ładowania materiału zasilającego.

Innym przykładem jest rozwiązanie przedstawione w opisie patentowym USA nr 1.513.828, w którym strumienie środka utleniającego o bardzo dużej prędkości są ustawione do zbiegania się na strumieniu paliwa dla nadania pędu strumieniowi paliwa i spowodowania rozprzestrzeniania się płomienia.

Palnik do spalania paliwa w utleniaczu, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że ma dyszę środkową paliwową o wachlarzowym kształcie, formującą strumień paliwa do spalania w utleniaczu na zewnątrz w rozprzestrzeniającym się i rozbieżnym płomieniu oraz górny zestaw dysz utleniacza i dolny zestaw dysz utleniacza, oddzielone i odseparowane od siebie i od środkowej dyszy paliwowej, przy czym górny i dolny zestaw dysz utleniacza mają wachlarzowy kształt i są usytuowane po obu stronach środkowej dyszy paliwowej.

Powyżej i poniżej górnego i dolnego zestawu dysz utleniacza są górne i dolne dodatkowe dysze utleniacza o wachlarzowym kształcie, zewnętrznie rozbieżne, przy czym dodatkowe dysze utleniacza są oddzielone i odseparowane od siebie oraz od górnego i dolnego zestawów dysz utleniacza, a także od strumienia paliwa.

Każdy z górnego i dolnego zestawów dysz utleniacza posiada odpowiednio kanał zawierający wylot do odprowadzania utleniacza i wlot do kanału dla wprowadzania utleniacza do kanału, który ma zestaw skrzydełek dzielących kanał w kierunku zbliżonym do wzdłużnego i strumienia utleniacza na wiele mniejszych strumieni o zasadniczo jednakowej wielkości i skierowanych rozbieżnie w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu utleniacza.

. Kanały mają prostokątny przekrój poprzeczny, przy czym zestaw wytwarzający strumień paliwa zawiera główny korpus posiadający komorę, wlot paliwa do komory, liczne oddalone od siebie kanały o jednakowej długości i stopniowo rozbiegające się komory pod kątem, który zapewnia jednakowy spadek ciśnienia i prędkości na wlocie paliwa do komory i wylocie z poszczególnych kanałów.

Zestawy skrzydełek dzielących kanały mają liczne skrzydełka zakrzywione na zewnątrz. Prostokątny przekrój poprzeczny dolnego zestawu dyszy utleniacza ma większą powierzchnię niż ten sam przekrój górnego zestawu dysz utleniacza.

Górna i dolna dodatkowe dysze utleniacza mają prostokątne odprowadzające wyloty oraz są zaopatrzone w zestawy skrzydełek, w których skrzydełka mają jednakową wielkość i są skierowane rozbieżnie w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu.

Zestawy skrzydełek złożone z zakrzywiających się do zewnątrz skrzydełek są usytuowane w kanałach. Kanały posiadają prostokątny przekrój poprzeczny.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładach wykonania na załączonym rysunku, na którym: fig. 1 - widok górnej płaszczyzny palnika, fig. 2 - widok boczny palnika z fig. 1, fig. 3 - przedni widok palnika z fig. 1, fig. 4A - fragment lub częściowy widok wzdłuż linii 4-4 z fig. 3, fig. 4B - częściowy widok przedniego elementu z fig. 4A, fig. 4C - częściowy przekrój poprzeczny wzdłuż linii 4C z fig. 4A, fig. 4D - częściowy przekrój poprzeczny wzdłuż linii 4D z fig. 4A, fig. 5 - częściowy boczny widok wariantu palnika zgodnie z niniejszym wynalazkiem, wykorzystujący podział spalania na etapy i zobrazowany jako zestaw ułożony w bloku palnika, pokazany w przekroju, fig. 6 - przedni widok elementu z fig. 5, fig. 7 - górny płaski widok dyszy wykorzystanej w palniku z fig. 5, fig. 8 - widok boczny płomienia

174 969 wydobywającego się z palnika z fig. 5, przy czym blok palnika jest narysowany w przekroju, fig. 9 - górny płaski widok elementu z fig. 8.

Na fig. 1, 2 i 3 przedstawiony jest palnik 10 zgodny z niniejszym wynalazkiem.

Palnik 10 jest zaopatrzony w korpus 18 o wydłużonym układzie, posiadający górną i dolną ściankę 20 i 22 oraz boczne ścianki 24 i 26. Kątowe człony wzmacniające 28-34 są przewidziane w usztywnionej części korpusu 18. Środkowa dysza paliwowa 12 dzieli część korpusu 18 na górny zestaw dysz utleniacza 14 i dolny zestaw dysz utleniacza 16, które zawierają odpowiednio kanały 36 i 38, posiadające wyloty 40 i 42 oraz wloty 44 i 46.

Zestaw sprzęgający 48 jest połączony z tyłem części korpus 18 dla wprowadzania utleniacza do części korpusu 18, który następnie wpływa do wlotów 44 i 46 górnego zestawu dysz utleniacza 14 i dolnego zestawu dysz utleniacza 16, i następnie wypływa wylotami 40 i 42.

Środkowa dysza paliwowa 12 jest utrzymywana w korpusie 18 przez górne i dolne zestawy skrzydełek 50 i 52. Zestawy skrzydełek 50 i 52 są połączone z górną i dolną ścianką 20 i 22, i środkową dyszą paliwową 12. Zestawy skrzydełek 50 i 52 dzielą kanały 36 i 38 w kierunku zbliżonym do wzdłużnego i przez to przepływ utleniacza w górnym i dolnym kanale 36 i 38 rozszczepia się na wiele przepływów. Zestawy skrzydełek 50 i 52 są zaprojektowane tak, by te liczne przepływy miały zasadniczo równą wielkość i były tak zorientowane, by stopniowo rozbiegać się w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu utleniacza. Uzyskuje się to dzięki zewnętrznie zakrzywionym zestawom skrzydełek 50 i 52 tak zaprojektowanym, by styczne wzięte przy ich maksymalnej krzywiźnie przecinały się w jednym miejscu odpowiednich kanałów 36 i 38, dzielonych przez skrzydełka 50 i 52. Mimo, że nie pokazane, zestawy skrzydełek rozciągają się do tyłu, aż do wlotów 44 i . 46 górnego zestawu dysz utleniacza 14 i dolnego zestawu dysz utleniacza 16. Kolejną zaletą posiadających skrzydełka, górnego zestawu dysz utleniacza 14 i dolnego zestawu dysz utleniacza 16 jest to, że skrzydełka umożliwiają efektywne samochłodzenie palnika 10 bez zewnętrznego chłodzenia.

Jak wcześniej zaznaczono, górny zestawu dysz utleniacza 14 i dolny zestawu dysz utleniacza 16 są tak zaprojektowane, by dolny strumień utleniacza miał większy przepływ niż górny strumień utleniacza. Uzyskuje się to przez odpowiednie wymiarowanie prostokątnego poprzecznego przekroju górnego zestawu dysz utleniacza 14 i dolnego zestawu dysz utleniacza 16 tak, by stosunek ich przekrojów poprzecznych był mniejszy od jedności. Stosunek z korzyścią zawiera się w przedziale pomiędzy 0,125 i 0,5.

Należy zauważyć, że te zestawy dysz utleniacza 14 i 16 mogłoby być użyte w innych zastosowaniach. Na przykład, zestaw dysz utleniacza mógłby być zaprojektowany w sposób tutaj przedstawiony do zastosowania w wytwarzaniu płaskiego, wachlarzowego, zewnętrznie rozbieżnego pola tlenu poniżej strumienia paliwa lub palnika, lub innymi słowy, w zastosowaniach przy cięciu lancą tlenową.

Środkowa dysza paliwowa 12, oznaczona na fig. 2 i 3, jest korzystnie uformowana w dwóch segmentach 56 i 58. Ma ona, jak oznaczono na fig. 4A - 4D, kształt środkowej części korpusu i posiada komorę 60 i liczne kanały 62 o tej samej długości, oddalone jeden od drugiego i stopniowo rozszerzające się z komory 60. Komora 60 jest połączona z kanałami 62 i wlotem paliwa 64 tak, że paliwo wpływa wlotem paliwa 64 i wypływa z kanałów 62. Kanały 62 stopniowo rozszerzają się z komory 60 tak, że wychodzący strumień paliwa rozszerza się. Jednakowe długości kanałów 62 zapewniają jednakowy spadek ciśnienia i przez to jednakową prędkość tak, że strumień paliwa rozchodzi się lub poziomo rozprowadza z niewielkim osłabieniem. W przedstawionym wariancie stosunek średnich prędkości paliwa do utleniacza wynosi w przybliżeniu od 13,5 do 1,0. Przewód 66 (fig. 1,2) o prostokątnym przekroju poprzecznym łączy się z zestawem sprzęgającym 68 przez zestaw przejściowego elementu 70, którego przekrój poprzeczny zmienia się z prostokątnego na kołowy. Jeśli dysza paliwowa 12 miałaby być zastosowana w palnikach na paliwa ciekłe, odpowiednie dysze paliwowe (dobrze znane) byłyby podłączone do kanałów 62.

Palnik 10 zawiera środkową dyszę paliwową 12, która, jak to zostanie opisane, jest zaprojektowana do generowania strumienia paliwa zewnętrznego rozbieżnego, o wachlarzowym kształcie. Taki strumień paliwa będzie się palił w odpowiednio ukształtowanych strumieniach utleniacza w rozprzestrzenionym na zewnątrz i rozbieżnym płomieniu. Górny i dolny zestaw

174 969 dysz utleniacza 14 i 16 są przewidziane dla generowania, górnego i dolnego, strumieni utleniacza o zewnętrznie rozbieżnym kształcie umieszczonych, odpowiednio, powyżej i poniżej strumienia paliwa. Górny i dolny, strumienie utleniacza z górnego i dolnego zestawu dysz utleniacza 14 i 16, mają mniejszą prędkość niż strumień paliwa. W rezultacie, utleniacz posiada wyższe ciśnienie niż paliwo i utleniacz ma skłonność do wnikania do paliwa. Przez to, w niniejszym wynalazku, strumień paliwa o wysokiej prędkości jest osłaniany przez strumienie utleniacza o niskiej prędkości co pomaga zapobiegać porywaniu cząstek wsadu, co może się pojawić w palnikach obecnie znanych. Palnik 10 jest konkretnie zaprojektowany do spalania gazu ziemnego w utleniaczu będącym zasadniczo czystym tlenem. Zrozumiałe jest, że można zastosować inne gazy paliwowe takie jak wodór, etan, propan, butan, acetylen i ciekłe paliwa takie jak paliwo dieslowe, oleje opałowe etc. Ponadto utleniaczem może być wzbogacane tlenem powietrze.

Jak można zauważyć, paliwo spala się na całej długości płomienia i strumienia utleniacza. Wówczas, niespalone paliwo jest ogrzewane i stopniowo bardziej wypierane wzdłuż płomienia, powodując, że płomień rozszerza się do góry, oddalając się od miejsca dostarczania ciepła. W celu zapobiegania temu, dolny zestaw dysz utleniacza 16 jest tak zaprojektowana, by dolny strumień utleniacza miał większy wydatek przepływu niż górny strumień utleniacza, wydobywający się z górnej dyszy utleniacza 14. Wynikiem, tego będzie spalanie paliwa odbywające się głownie w utleniaczu dostarczonym przez dolny strumień utleniacza o większym wydatku przepływu z coraz bardziej wypieranym niespalonym paliwem w utleniaczu dostarczonym przez górny strumień utleniacza. Jak można zauważyć, dowolny wariant niniejszego wynalazku jest wykonany z górną i dolną dyszą utleniacza, wytwarzającymi strumienie utleniacza o jednakowym wydatku przepływu.

Figury 5, 6 i 7, przedstawiają inny wariant palnika paliwowego według niniejszego wynalazku. Zilustrowany wariant wynalazku stopniuje wprowadzanie utleniacza do paliwa w celu zmniejszenia emisji szkodliwych NOx w czasie wytwarzania płomienia o postaci przedstawionej na fig. 8 i 9, który jest poziomo rozbieżny, w kształcie wachlarza i odporny na zanikanie wzdłuż długości podstawy płomienia. Uzyskuje się to przy użyciu palnika 10 tak, że paliwo i utleniacz są dostarczane z zestawów dysz utleniacza 14 i 16 w substechiometrycznych ilościach, lub innymi słowy, dostarczany utleniacz nie doprowadza do całkowitego spalania paliwa. Następnie spalanie paliwa jest dopełniane w górnym i dolnym, dodatkowych strumieniach utleniacza o zewnętrznie rozbieżnym, wachlarzowym kształcie, dostarczanych powyżej i poniżej, odpowiednio górnego i dolnego, strumieni utleniacza przez dodatkowe dysze utleniacza 72 i 74 ustawione w bloku palnika 75 wzdłuż palnika 10. Niecałkowite spalanie występuje w pierwszym etapie spalania a uzupełniające spalanie występuje w drugim etapie spalania, następującym po pierwszym etapie spalania. Jak opisano powyżej, dwa etapy spalania proponowane przez niniejszy wynalazek prowadzą do zmniejszenia emisji NOx. Ponadto, emisje NOx są również zmniejszane dzięki oddaleniu kanałów 62 środkowej dyszy paliwowej 12. Odstępy między kanałami 62 umożliwiają strefom recyrkulacyjnym wessanie gazów spalania do paliwa i przez to powodują zmniejszenie emisji NOx.

Górna i dolna, dodatkowe dysze utleniacza 72 i 74 posiadają przeciwległe ścianki 76 i 78 (dla górnej dodatkowej dyszy utleniacza 72) oraz 80 i 82 (dla dolnej dodatkowej dyszy utleniacza 74) połączone z zestawami górnych i dolnych ścianek 84,85,86 i 87, które są połączone z bocznymi ściankami 76 i 78 oraz 80 i 82, odpowiednio górnej i dolnej, dodatkowych dysz utleniacza 72 i 74. Dysze są również zaopatrzone w tylne ścianki 88 i 90. Dodatkowe dysze 72 i 74 są również zaopatrzone w prostokątne odprowadzające wyloty 92 i 94 oraz zestawy skrzydełek 96 i 98, mające taką samą konfigurację co zestaw skrzydełek 50 i 52 zestawy górnej i dolnej dyszy 14 i 16 utleniacza. Chociaż odprowadzające wyloty 92 i 94 są tak zaprojektowane, by wstrzykiwać utleniacz w tym samym stosunku co zestawy górnej i dolnej dyszy 14 i 16 utleniacza, możliwy jest wariant według niniejszego wynalazku, w którym odprowadzające wyloty 92 i 94 mają taki sam obszar przekroju poprzecznego i przez to umożliwiają inną wzajemną proporcję niż zestawy górnej i dolnej dyszy 14 i 16 utleniacza. W przedstawionym wariancie, dysza 72 jest zaopatrzona w przednią ściankę 97, w której ukształtowany jest odprowadzający wylot 92.

Dodatkowe dysze utleniacza 72 i 74 oraz palnik 10 są ułożone w kanałach 100, 102 i 104 umieszczonych w bloku palnika 75. Należy zauważyć, że kanał 102 tworzy wnękę pomiędzy

174 969 palnikiem 10 i dodatkowymi dyszami utleniacza 72 i 74 dla umożliwienia w dalszym biegu strumienia wstrzykiwania utleniacza przez dodatkowe dysze utleniacza 72 i 74 oraz przez to wykonanie drugiego etapu spalania. Ponadto, powierzchnie 106, 108, 110 i 112 bloku palnika 75, umieszczone z przodu palnika 10 i tworzące przód kanału 102, są tak zaprojektowane, by umożliwiać stopniową rozbieżność płomienia wytwarzanego przez palnik 10.

Konwencjonalne szybko odłączalne łączniki 114 i 116 są odpowiednio połączone z górną i dolną dodatkowymi dyszami utleniacza 72 i 74, w celu wprowadzania dodatkowego utleniacza odpowiednio do górnej i dolnej dodatkowych dysz utleniacza 72 i 74.

Jak to zostanie opisane, niniejszy wynalazek dostarcza palnik mniej podatny na wady niż wcześniej znane palniki i tworzeniu się miejscowych ognisk wysokiej temperatury i porywaniu cząstek wsadu przez strumień tlenu i paliwa, oraz ponadto, łatwo dostosowywalny do systemów spalania z ograniczeniem wytwarzania się NO_X.

Chociaż wynalazek został opisany z odniesieniem do konkretnych wariantów, oczywiste jest, że można wykonać wiele zmian i ulepszeń bez wychodzenia poza ramy wynalazku.

174 969

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Palnik do spalania paliwa w utleniaczu, znamienny tym, że ma środkową dyszę paliwową (12), o wachlarzowym kształcie, formującą strumień paliwa do spalania w utleniaczu na zewnątrz w rozprzestrzeniającym się i rozbieżnym płomieniu oraz górny zestaw dysz utleniacza (14) i dolny zestaw dysz utleniacza (16), oddzielone i odseparowane od siebie i od środkowej dyszy paliwowej (12), przy czym górny i dolny zestaw dysz utleniacza (14,16) mają wachlarzowy kształt i są usytuowane po obu stronach środkowej dyszy paliwowej (12).
2. Palnik według zastrz. 1, znamienny tym, że powyżej i poniżej górnego i dolnego zestawu dysz utleniacza (14,16) usytuowane są górne i dolne dodatkowe dysze utleniacza (72,74) o wachlarzowym kształcie, zewnętrznie rozbieżne, przy czym dodatkowe dysze utleniacza (7:2,74) są odseparowane od siebie oraz od górnego i dolnego zestawów dysz utleniacza (14, 16), a także od strumienia paliwa.
3. Palnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy z górnego i dolnego zestawów dysz utleniacza (14,16) posiada odpowiednio kanał (36,38) zawierający wylot (40,42) do odprowadzania utleniacza i wlot (44, 46) do kanału dla wprowadzania utleniacza do kanału, który ma zestaw skrzydełek (50,52) dzielących kanał w kierunku zbliżonym do wzdłużnego i strumienia utleniacza na wiele mniejszych strumieni o zasadniczo jednakowej wielkości i skierowanych rozbieżnie w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu utleniacza.
4. Palnik według zastrz. 3, znamienny tym, że kanały (36,38) mają prostokątny przekrój poprzeczny, przy czym zestaw wytwarzający strumień paliwa zawiera główny korpus (18) posiadający komorę (60), wlot paliwa (64) do komory (60), liczne oddalone od siebie kanały (62) o jednakowej długości rozbieżne z komory (60) pod kątem, który zapewnia jednakowy spadek ciśnienia i prędkości na wlocie paliwa do komory (60) i wylocie z poszczególnych kanałów (62).
5. Palnik według zastrz. 3, znamienny tym, że zestawy skrzydełek (50, 52) dzielących kanały (36, 38) mają liczne skrzydełka zakrzywione na zewnątrz.
6. Palnik według zastrz. 3, znamienny tym, że prostokątny przekrój poprzeczny dolnego zestawu dysz utleniacza (16) ma większą powierzchnię niż ten sam przekrój górnego zestawu dysz utleniacza (14).
7. Palnik według zastrz. 2, znamienny tym, że górna i dolna dodatkowe dysze utleniacza (72, 74) mają prostokątne odprowadzające wyloty (92, 94) oraz są zaopatrzone w zestawy skrzydełek (96,98), w których skrzydełka mają jednakową wielkość i są skierowane rozbieżnie w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu.
8. Palnik według zastrz. 7, znamienny tym, że zestawy skrzydełek (96, 98) złożone z zakrzywiających się skrzydełek są usytuowane w kanałach (100 104).
9. Palnik według zastrz. 8, znamienny tym, że kanały (100,102,104) posiadają prostokątny przekrój poprzeczny.