PL175349B1 - Sposób spalania paliwa - Google Patents

Abstract

1. Sposób spalania paliwa w piecu, w którym jako wsad stosuje sie szklo lub mate- rialy do wyrobu szkla, znamienny tym, ze do pieca polaczonego z ukladem spalinowym i zawierajacego wsad doprowadza sie paliwo i utleniacz w stosunku zasadniczo stechio- metrycznym, nastepnie spala sie to paliwo wraz z utleniaczem wewnatrz pieca, przepu- szcza sie reakcyjne gazy spalinowe z pieca do ukladu spalinowego, a wtórny utleniacz wtryskuje sie z predkoscia przynajmniej 6 m/s do ukladu spalinowego w miejscu, w którym temperatura reakcyjnych gazów spa- linowych wynosi przynajmniej 1144 K. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazkujest sposób spalania paliwa w piecu, zwłaszcza do wytwarzania szkła, dzięki któremu wytwarzane jest ciepło do ogrzewania wsadu.

W wielu procesach przemysłowych stosuje się piece, w których spala się paliwo i utleniacz dla wytworzenia ciepła, wykorzystywanego do ogrzania wsadu wewnątrz pieca. Tego rodzaju procesy obejmują wytwarzanie szkła, w którym wsad stanowi materiał do wyrobu szkła lub szkło stopione, względnie w stanie stałym, wytwarzanie stali, w którym wsad stanowi stal lub żelazo, i wytapianie aluminium, w którym wsad stanowią bloki lub złom aluminium.

Przy prowadzeniu spalania piecowego jest pożądane całkowite spalanie paliwa wewnątrz pieca, ponieważ w ten sposób maksymalizuje się ilość ciepła wyzwalanego wewnątrz pieca i wykorzystywanego do ogrzewania wsadu. Zgodnie z tym, do pieca doprowadza się utleniacz i paliwo w stosunku, który nie jest stosunkiem podstechiometrycznym, ponieważ stosunek podstechiometryczny powodowałby pozostawanie nie spalonej części paliwa lub powodowałby wytwarzanie znacznych ilości produktów niezupełnego spalania, takich jak tlenek węgla, węglowodory i węgiel.

Wydaje się oczywiste, że optymalny stosunek doprowadzenia utleniacza i paliwa do pieca dla spalania, jest stosunkiem stechiometrycznym. Jednakże w praktyce tego rodzaju spalanie prowadzi do spalania niezupełnego, ze względu na niedoskonałe zmieszanie paliwa i utleniacza wewnątrz pieca, jak również z tego względu, że kinetyka reakcji paliwa i utleniacza nie umożliwi całkowitego spalania całości paliwa przed wyjściem z pieca. Odpowiednio do tego, według aktualnej praktyki przemysłowej, piece tego rodzaju pracują z doprowadzaniem nadmiaru tlenu dla uzyskania całkowitego spalania paliwa wewnątrz pieca. Jednakże, przy tego rodzaju warunkach pracy, to znaczy, gdy utleniacz i paliwo są doprowadzone do pieca w stosunku nadstechiometrycznym, wówczas powstaje tendencja do wytwarzania nadmiernych ilości tlenków azotu (NO_X), ponieważ nadmiar tlenu w stosunku do ilości potrzebnej do reagowania z paliwem łączy się z azotem, tworząc NO_X. NO_X stanowi istotne zanieczyszczenie atmosfery, i z tego względu istnieje potrzeba zredukowania ilości NO_X wytwarzanej podczas przeprowadzania spalania.

Przedmiotem wynalazkujest sposób spalania paliwa w piecu, w którym jako wsad stosuje się szkło łub materiały do wyrobu szkła, który polega na tym, że do pieca połączonego z układem spalinowym i zawierającego wsad doprowadza się paliwo i utleniacz w stosunku zasadniczo ste175 349 chiometrycznym, następnie spala się to paliwo wraz z utleniaczem wewnątrz pieca, przepuszcza się reakcyjne gazy spalinowe z pieca do układu spalinowego, a wtórny utleniacz wtryskuje się z prędkościąprzynajmniej 6 m/s do układu spalinowego w miejscu, w którym temperatura reakcyjnych gazów spalinowych wynosi przynajmniej 1144 K.

Korzystnie, wtórny utleniacz wtryskuje się do układu spalinowego w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym reakcyjne gazy spalinowe płyną przez układ spalinowy.

W sposobie według wynalazku stosuje się wtórny utleniacz mający stężenie tlenu wynoszące przynajmniej 80 procent molowych, a temperatura reakcyjnych gazów spalinowych w miejscu wtryskiwania wtórnego utleniacza wynosi przynajmniej 1373 K.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na przeprowadzenie zasadniczo całkowitego spalania dla wydajnego wytwarzania wewnątrz pieca ciepła do ogrzania wsadu, z uniknięciem wytwarzania dużych ilości NO_X.

Stosowane określenie, zasadniczo stechiometryczny” oznacza nie mniej niż 99 procent lub nie więcej niż 105 procent ilości stechiometrycznych.

Stosowane określenie układ spalinowy” oznacza kanał połączony z piecem za pomocą przewodu, mającego węższą powierzchnię przepływu niż piec, przy czym kanał ten umożliwia przepuszczanie gazów piecowych z pieca do atmosfery otoczenia.

Przedmiot wynalazku zostanie uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia przekrój poprzeczny pieca do wyrobu szkła.

Na rysunku pokazano przekrój poprzeczny pieca 10 z zespołem krzyżowym do wytopu szkła. Sposób według wynalazku znajduje szczególne zastosowanie w regeneracyjnych piecach do wytopu szkła,, w których przeszkody natury fizycznej utrudniają wprowadzenie do komory spalania wtórnego utleniacza. Inne piece, w których można korzystnie praktykować sposób według wynalazku, są to piece do wtórnej obróbki cieplnej stali i do wytopu aluminium. Piec 10 zawiera wsad 2 obejmujący materiał do wyrobu szkła i stopionego szkła, który przechodzi poprzez piec poniżej poprzecznych płomieni.

Paliwo i utleniacz są wprowadzone do pieca w stosunku zasadniczo stechiometrycznym, poprzez jeden lub więcej palników lub otworów 11. W rozwiązaniu przedstawionym na rysunku pokazano pięć takich palników. Paliwo może stanowić dowolne paliwo gazowe lub płynne takie jak metan, propan, gaz ziemny lub olej opałowy. Utleniaczem może być powietrze lub gaz zawierający większe stężenie tlenu niż powietrza.

Paliwo wraz z utleniaczem spala się wewnątrz pieca 10, co zilustrowano na rysunku jako płomienie 1. Spalanie powoduje wytwarzanie ciepła, wykorzystywanego wewnątrz pieca do ogrzania, a w niektórych przypadkach, stopienia wsadu. Podczas spalania powstają reakcyjne gazy spalinowe. Temperatura reakcyjnych gazów spalinowych, wytwarzanych w piecu, zawiera się zasadniczo w zakresie od 1477 do 1977 K. Z powodu zasadniczo stechiometrycznego stosunku, w jakim pozostają paliwo i utleniacz, wprowadzone do pieca, przeważającą część reakcyjnych gazów spalinowych stanowią produkty zupełnego spalania, to jest dwutlenku węgla i para wodna. Jednakże w gazach spalinowych występują również produkty niezupełnego spalania, obejmujące tlenek węgla i ewentualnie węglowodory i węgiel.

Spalinowe gazy reakcyjne są przepuszczane z pieca do układu spalinowego. W rozwiązaniu pokazanym na rysunku, układ spalinowy zawiera komin 5, który przepuszcza gazy do otaczającej atmosfery, oraz otwór wylotowy 3, połączony z piecem. Powierzchnia przekroju przepływu 12, łącząca układ spalinowy z piecem, jest mniejsza niż powierzchnia przekroju przepływu pieca, przez którą przechodzą spalane paliwo i utleniacz. Rozwiązanie pokazane na rysunku posiada pięć otworów wylotowych, z których każdy jest przyporządkowany palnikowi. Dla fachowców z tej dziedziny oczywiste jest stosowanie dowolnej praktycznie ilości palników i otworów wylotowych, włącznie z pojedynczym palnikiem i/lub jednym otworem wylotowym.

Do układu spalinowego wtryskuje się wtórny utleniacz, korzystnie do otworów wylotowych, jak pokazano na rysunku. Wtórny utleniacz wtryskuje się do układu spalinowego poprzez lancę 4. Jak wspomniano, na rysunku przedstawiono uproszczone urządzenie ilustrujące sposób według wynalazku. Tak więc, nie pokazano na nim źródeł paliwa i utleniacza. Fachowcy z danej

175 349 dziedziny orientują się w sposobach doprowadzania paliwa i utleniacza do palników i lanc za pomocą przewodów (niepokazanych), prowadzących z odpowiedniego źródła. Wtórny utleniacz stanowi powietrze lub gaz o stężeniu tlenu wyższym niż stężenie w powietrzu. Korzystnie wtórny utleniacz ma stężenie tlenu wynoszące przynajmniej 80 procent molowych, a najkorzystniej większe niż 90 procent molowych.

Zalecane jest duże stężenie tlenu we wtórnym utleniaczu, ponieważ umożliwia to utlenianie danej ilości produktów niezupełnego spalania poprzez mniejszą objętość wtórnego utleniacza. Można więc zredukować ciśnienie wtórnego utleniacza i/lub wielkość przewodów i lanc prowadzących wtórny utleniacz.

W rozwiązaniu według wynalazku zredukowana jest również objętość gazu przepuszczanego przez układ spalinowy, co może być korzystne w przypadku, gdy powierzchnia układu spalinowego jest ograniczona w wyniku na przykład zatkania drobinami cząstek, co często ma miejsce w piecach do wytopu szkła. Duże stężenie tlenu we wtórnym utleniaczu jest również korzystne, jeżeli układ spalinowy jest tak umiejscowiony, że umożliwia odebranie ciepła użytkowego z piecowych gazów odlotowych, tak jak w przypadku regeneracyjnych pieców do wytopu szkła. Ponieważ we wtórnym utleniaczu występuje mniej gazu obojętnego, którym jest głównie azot, zatem ciepło absorbowane i odprowadzane przez gazy obojętne ma mniejszy wpływ na wydajność paliwa.

Stężenie produktów niezupełnego spalania w reakcyjnych gazach spalinowych przechodzących przez układ spalinowy jest stosunkowo niskie, ponieważ utleniacz i paliwo doprowadza się do pieca w stosunku zasadniczo stechiometrycznym, a nie znacząco podstechiometrycznym. Dla skutecznego dopalenia przez wtórny utleniacz produktów niezupełnego spalania, potrzebny jest pewien czas przetrzymywania w wysokiej temperaturze. Jest to realizowane przez wtryskiwanie wtórnego utleniacza do układu spalinowego w miejscu, w którym spalinowe gazy reakcyjne mają temperaturę przynajmniej 1144 K. Poniżej 1144 K kinetyka reakcji utleniacza tlenku węgla przebiega zbyt wolno, aby można było skutecznie zastosować sposób według wynalazku. Korzystnie temperatura reakcyjnych gazów spalinowych w miejscu wtryskiwania wtórnego utleniacza powinna wynosić przynajmniej 1373 K.

Wtryskiwanie wtórnego utleniacza powinno powodować powstawanie wystarczającej turbulencji lub przerwanie przepływu dla spowodowania zmieszania i spalenia stosunkowo rozcieńczonych produktów niezupełnego spalania, które dodatkowo do tlenku węgla mogą zawierać węglowodory.

Tego rodzaju pożądane efekty przepływu są uzyskiwane przez wtryskiwanie wtórnego utleniacza do układu spalinowego z prędkościąprzynajmtiicj 6 m/s i korzystnie w zakresie od 15 do 90 m/s. Ponadto, jak pokazano na rysunku, zaleca się aby wtórny utleniacz był wtryskiwany do układu spalinowego w kierunku do pieca, to jest w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu reakcyjnych gazów spalinowych, przechodzących przez układ spalinowy.

Wewnątrz układu spalinowego, wtórny utleniacz reaguje z tlenkiem węgla zawartym w reakcyjnych gazach spalinowych, dla wytworzenia dwutlenku węgla. Jeżeli w gazach spalinowych występują również węglowodory, wówczas wtórny utleniacz reaguje z tymi węglowodorami, wytwarzając dwutlenek węgla i parę wodną. Szczególnie zalecane jest wtryskiwanie wtórnego utleniacza do otworu wylotowego układu spalinowego, ponieważ w tym miej scu gazy spalinowe mają najwyższą temperaturę. Jak wspomniano uprzednio, wysoka temperatura wspomaga szybką reakcję pomiędzy reakcyjnymi gazami spalinowymi i wtórnym utleniaczem. Ponadto, ograniczona objętość otworu wylotowego wzmaga zdolność wtórnego utleniacza do reagowania z rozcieńczonym tlenkiem węgla i maksymalizuje wypalanie produktów niezupełnego spalania.

Sposób według wynalazku jest korzystny w porównaniu z konwencjonalnymi sposobami spalania, w których redukowano poziom zawartości produktów niezupełnego spalania, uchodzących z pieca do otaczającej atmosfery, poprzez wprowadzanie utleniacza i paliwa do pieca w postaci nadmiaru powietrza lub powietrza wzbogaconego tlenem, ponieważ przeprowadzanie spalania w nadmiarze tlenu powoduje powstawanie nadmiaru NO_X. Ponadto, konwencjonalne układy spalania, w których doprowadza się wtórny tlen bezpośrednio do pieca,

175 349 mają tę wadę, że w przypadku geometrii niektórych pieców występuje trudność w doprowadzaniu dodatkowego tlenu w sposób umożliwiający skuteczne spalanie znacznej ilości produktów niezupełnego spalania wewnątrz pieca.

Jakkolwiek wynalazek opisano szczegółowo w odniesieniu do rozwiązania zalecanego, to jednak można stosować również inne rozwiązania, w oparciu o istotę wynalazku.

175 349 δ

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób spalania paliwa w piecu, w którym jako wsad stosuje się szkło lub materiały do wyrobu szkła, znamienny tym, że do pieca połączonego z układem spalinowym i zawierającego wsad doprowadza się paliwo i utleniacz w stosunku zasadniczo stechiometrycznym, następnie spala się to paliwo wraz z utleniaczem wewnątrz pieca, przepuszcza się reakcyjne gazy spalinowe z pieca do układu spalinowego, a wtórny utleniacz wtryskuje się z prędkością przynajmniej 6 m/s do układu spalinowego w miejscu, w którym temperatura reakcyjnych gazów spalinowych wynosi przynajmniej 1144 K.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wtórny utleniacz wtryskuje się do układu spalinowego w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym reakcyjne gazy spalinowe płyną przez układ spalinowy.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się wtórny utleniacz mający stężenie tlenu wynoszące przynajmniej 80 procent molowych.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperatura reakcyjnych gazów spalinowych w miejscu wtryskiwania wtórnego utleniacza wynosi przynajmniej 1373 K.