PL179614B1

PL179614B1 - Sposób spalania gazów opalowych oraz komora spalania PL PL PL

Info

Publication number: PL179614B1
Application number: PL95319903A
Authority: PL
Inventors: Donald Ray Cummings
Original assignee: Isentropic Sys Ltd; Isentropic Systems Ltd
Priority date: 1994-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 2000-10-31
Also published as: JPH10508683A; CN1107838C; WO1996014370A2; CN1170456A; EP0785975A2; US6033207A; ATE220096T1; CA2202767A1; ZA959129B; EP0785975A4; RU2149312C1; PL319903A1; EP0785975B1; DE69527299D1; WO1996014370A3; US6345495B1

Abstract

I Sposób spalania gazów opalowych polegajacy na tym, ze doprowadza sie gaz opalowy do komory spalania i ogrzewa sie wstepnie zasilajacy gaz opalowy za pomoca ciepla oddanego przez spalony wczesniej gaz opalowy, przy czym stosunek doprowadzanego gazu opalowego do powietrza jest na poziomie mniejszym niz dolna granica wybuchowosci tego gazu opalowego oraz spala sie ten gaz w strefie spalania, po czym odprowadza sie uzyskany spalony gaz opalowy kanalem, zas podczas tego odprowadzania wymienia sie cieplo tego spalonego gazu z gazem doprowadzanym na powierzchni wymiennika ciepla, znamienny tym , ze prowadzi sie spalanie doprowadzonego gazu opalowego w strefie spalania (8) komory w reakcji bezplomieniowe j, przy czym zatrzymuje sie wstepnie ogrzany gaz opalowy w tej strefie spalania (8) przez czas wystarczajacy do wystapienia reakcji bezplomie- niowej, ponadto doprowadzany gaz opalowy podczas wprowadzania do strefy spalania (8) miesza sie z odprowadzanym gazem spalonym i w ten sposób dodatkowo podgrzewa 3 Komora spalania, zwlaszcza do spalania gazów opalowych, w której sklad wchodzi pojemnik z wlotem do doprowadzania gazu opalowego, zespól rur z jednym koncem umieszczonym w strumieniu doprowadzanego gazu opalowego a drugim usytuowanym w strefie spalania, rozmieszczonych w pewnej odleglosci od siebie, przy czym znajdujaca sie na zewnatrz rur zespolu rur przestrzen stanowi kanal wylotowy spalonych gazów wyplywajacych ze strefy spalania komory i plynacych do wylotu z pojemnika przekazujacych bezposrednio cieplo spalonych gazów do gazu wlotowego w rurach i ogrzewajace go wstep- nie, znamienna tym, ze ponadto zawiera przegrody (10) usytuowane pomiedzy rurami (6) zespolu rur, tworzacymi krety kanal wylotowy, przy czym rury (6) biegna wzdluz pojemnika, zas wlot (14) oraz wylot kanalu (22) znajduja sie w przyblizen iu w tym samym koncu pojemnika a strefa spalania (8) znajduje sie w jego drugim koncu Fig . 1 PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy sposobu spalania gazów opałowych oraz komory spalania, zwłaszcza do spalania gazów opałowych.

Używany w niniejszym opisie wynalazku termin gaz opalowy obejmuje gazy palne, takie jak metan lub zawierające metan, a między innymi gaz naturalny, gaz z cienkich pokładów węgla, gaz gnilny, gaz z wysypisk śmieci i podobne, oraz gazy zawierające tlenek węgla, takie jak gaz wielkopiecowy, gazy stalownicze, gazy generatorowe i podobne. Gazy te mogą zawierać również zanieczyszczenia takie jak azot, dwutlenek węgla i powietrze. W pewnych przypadkach, takich jak powietrze wentylacyjne z kopalń, gazy te mogą być znacznie rozrzedzone i stosunek takiego gazu palnego do powietrza musi być albo poniżej dolnej granicy wybuchowości albo powyżej górnej granicy wybuchowości mieszanki. Ponadto gaz opałowy może obejmować mieszankę specjalnie domieszkowanego powietrza z gazem palnym.

179 614

W kontekście gazu opałowego doprowadzanego do komory spalania według wynalazku, termin ten należy rozumieć jako odnoszący się do takiej mieszanki gazu palnego (gazów palnych) z powietrzem, której skład jest poniżej dolnej granicy wybuchowości dla tej mieszanki.

Znane są paliwa o niskiej jakości, takie jak gaz wielkopiecowy, oraz silnie rozrzedzone gazy opałowe, takie jak zawierające metan powietrze wentylacyjne z kopalni węgla, które dopala się jako gazy odpadowe lub wypuszcza do atmosfery, a zatem nie wykorzystuje. Wynika to głównie z problemów związanych z bardzo wysokimi kosztami znanych technik i/lub braku odpowiednich technik oraz taniego sprzętu umożliwiającego komercyjne wykorzystanie tych paliw. Warunkiem wykorzystania takich gazów opałowych jest sprężanie ich dużych ilości, natomiast natężenia przepływu przez stopnie sprężania i rozprężania turbin gazowych i związane z tym problemy spalania są tak poważne, iż nie można zastosować turbin o standardowej konstrukcji.

Kolejnym problemem związanym ze stosowaniem turbin gazowych do silnie rozrzedzonych gazów opałowych jest konieczność sprężania w zasadzie całego gazu do ciśnienia wyższego od ciśnienia spalania dla turbiny, oraz wysoki koszt takiego sprężania zarówno ze względów sprzętowych jak i energetycznych.

W głębinowych kopalniach węgla kamiennego, w których występują gazy, techniką ekstrakcji metanu można usunąć część całej ilości metanu zawartego w eksploatowanych cienkich pokładach węgla w postaci zawierającego metan gazu opałowego wymieszanego z powietrzem i innymi zanieczyszczeniami, takimi jak dwutlenek węgla. Stosunek metanu uzyskanego tą techniką do całkowitej jego ilości wydzielanej podczas wydobycia węgla wynosi poniżej 50%, przy czym większa jego część jest odprowadzana z powietrzem do wentylacji kopalń. Zawartość metanu w powietrzu wentylacyjnym w takich kopalniach wynosi zazwyczaj od 0,8 do 1,0%. Proponowano wykorzystanie tego gazu, w przeciwnym przypadku odpadowego, w komorach spalania turbin gazowych albo jako składnika powietrza doprowadzanego do spalania w tych komorach, chociaż stwierdzono, że nowoczesne i ekonomiczne turbiny gazowe o wysokiej sprawności w zasadzie nie nadają się do tego celu ponieważ wymagany całkowity stosunek objętościowy paliwa metanowego do powietrza do spalania w turbinach tego typu wynosi na ogół ponad 2%, a zwykle jest bliższy 3%, stąd, nawet w przypadku możliwości spalenia doprowadzonego metanu w jego mieszance z powietrzem, i nawet przy 1,0% stosunku objętościowym metanu do powietrza w tej mieszance, zaspokoiłoby to zapotrzebowanie turbiny na paliwo tylko w około jednej trzeciej. Taka turbina nie mogłaby efektywnie wykorzystywać gazu odprowadzanego tego rodzaju kopalń, nawet w przypadku rozwiązania problemów ze spalaniem i wykorzystywania gazów odprowadzanych z kopalni jako paliwa uzupełniającego.

W przypadku rozrzedzonych gazów opałowych występuje również kolejny problem polegający na tym, że w znanych nowoczesnych i bardzo sprawnych turbinach ponad 15% całego strumienia powietrza zużywa się na chłodzenie oraz do przedmuchiwania. W rezultacie znaczna ilość metanu w powietrzu zasilającym nie przepływałaby do etapu spalania, co uniemożliwiałoby wykorzystanie zawartego w tym powietrzu paliwa, a zatem jego stratę. Ponadto wiadomo, że metan, który nie jest spalany, a jest dodawany do strumienia gazów do spalania w temperaturach pośrednich, może tworzyć aktywne rodniki, takie jak rodniki metylowo-hydroksylowe, które intensyfikują przekształcanie się tlenków azotu, powstających podczas spalania, w toksyczny i widoczny dwutlenek azotu.

Niektóre słabo oczyszczone gazy, takie jak gazy z oczyszczalni ścieków, z obróbki na wysypiskach śmieci, z cienkich pokładów węgla i podobne, mogą zawierać duże ilości dwutlenku węgla, nawet powyżej 70% w proporcji objętościowej. Problem z tymi gazami polega na tym, że ich spalanie w konwencjonalnych turbinach gazowych i związanych z nimi instalacjach spalania jest bardzo trudne, o ile w ogóle możliwe.

W zamieszczonym w Australian Institute of Energy's News Journal z czerwca 1992 artykule zatytułowanym Eliminacja emisji metanu z kopalń węgla kamiennego autor, ujawniono sposób zasilania turbin zawierającym metan powietrzem wentylacyjnym z kopalń węgla kamiennego, jak również instalację do spalania, w której zaproponowano wyko4

179 614 rzystanie uszczelnienia wodnego jako przegrody zabezpieczającej przed możliwością przeniknięcia płomieni i odcinającej komunikację z kopalnią, usytuowanej pomiędzy kopalnią a instalacją do spalania, ze specjalnymi zaworami rozrządczymi do regulacji ilości rozrzedzonego powietrza, zapewniającymi automatyczne zabezpieczenie pracy turbiny w razie przekroczenia zadanego górnego poziomu stężenia metanu w powietrzu wentylacyjnym. Wadą tej ujawnionej instalacji była również jej stosunkowo duża złożoność oraz to, że turbina, bez urządzenia zabezpieczającego, mogłaby pracować przy zawartości objętościowej metanu w powietrzu około 3%, lub wyższej o ile spalanie nie byłoby zupełne. Było to niedopuszczalnie bliskie dolnej granicy wybuchowości mieszanki powietrza z metanem.

Kolejny problem polegał na tym, że w przypadku doprowadzania mieszanki gazu opałowego z powietrzem do zasilania turbiny gazowej lub do komory spalania przy składzie mieszanki poniżej dolnej granicy wybuchowości, w miejscu mieszania tworzą się przejściowo mieszanki wybuchowe. W przypadku turbin gazowych i dużych instalacji przemysłowych, podczas etapu mieszania pożądane są małe spadki ciśnień oraz możliwie małe ryzyko i rozległość ewentualnego wybuchu pomimo, że objętości powietrza i gazu opałowego potrzebne do turbin gazowych i pieców przemysłowych są bardzo duże.

Pomimo korzyści wynikających z wykorzystania traconych w przeciwnym przypadku gazów, producenci turbin nie zaproponowali dotychczas żadnych odpowiednich konstrukcji swoich wyrobów.

Upraszczając, głównym problemem w wielu instalacjach grzejnych, takich jak komercyjne i przemysłowe komory spalania, piece, turbiny gazowe i podobne, jest powstawanie podczas spalania tlenków azotu (NOX). W wielu zastosowaniach pożądana temperatura spalanych gazów powstających w procesie spalania jest znacznie niższa od temperatury płomieni spalanego gazu, natomiast zawartość wytwarzanego NOX w ostatecznym gazie zależy od temperatury płomienia a nie od temperatury końcowej mieszanki gazowej. Typowym skutkiem tego problemu jest spalanie paliwa w turbinach gazowych, gdzie potrzebne są gazy spalinowe o temperaturach rzędu 850°C do 1200°C, ale gdzie zawartości NOX wynikają z warunków spalania w komorze spalania, nawet w przypadku bardzo nowoczesnych konstrukcji palników (takich jak spalanie mieszanki bogatej, a następnie ubogiej), od których należy oczekiwać zmniejszenia ilości NOX w gazach spalinowych do poniżej 20 ppm, natomiast możliwość zmniejszenia emisji NOX do poniżej 10 ppm jest osiągalna wyłącznie w bardzo specjalnych instalacjach do spalania, takich jak urządzenia katalityczne.

W katalitycznych instalacjach spalających stosuje się na ogół katalizatory z metali szlachetnych, takich jak platyna i pallad, które są bardzo rzadkimi i bardzo drogimi pierwiastkami, i które również łatwo zatruwają się zanieczyszczeniami w niektórych gazach opałowych. Jednym z przykładów jest tu obecność krzemometanu w gazach pochodzących z wysypisk śmieci.

Kolejny problem ze spalaniem pojawia się w przypadku mieszanek paliw gazowych z powietrzem oraz zawartości paliwa w powietrzu poniżej dolnej granicy wybuchowości mieszanki, której w związku z tym nie można spalać korzystając z istniejących obecnie technologii spalania niekatalicznego bez konieczności spalania dodatkowego paliwa dla zainicjowania i podtrzymania procesu spalania.

Znane jest zasilanie turbin gazowych powietrzem z domieszką węglowodorów w celu dopalenia domieszki i wykorzystania jej jako części paliwa do turbiny, ale w zasadzie tylko wtedy gdy domieszka stanowi mniejszą część paliwa. Technikę tę stosuje się głównie w celu zmniejszenia emisji zanieczyszczeń, i nie można jej łatwo zastosować do zaspokojenia znaczącej części zapotrzebowania turbiny gazowej na paliwo, stosując konwencjonalne turbiny gazowe, ze względu na ograniczone możliwości konwencjonalnych komór spalania.

Znany jest z opisu patentowego GB989054 sposób spalania oraz instalacja do spalania mieszanin gazowych zawierających gaz palny w ilości poniżej granicy wybuchowości mieszanki, w którym wykorzystuje się ruchome złoże lub rekuperator w postaci ruchomego złoża umożliwiającego spalanie oraz przekazywanie ciepła. Urządzenie do spalania palnych mieszanin gazowych ujawnione według tego wynalazku wykorzystuje pośredni sposób przekazywania ciepła i zawiera układ przelotowego kanału posiadającego wlot, którym do179 614 prowadza się spalaną mieszaninę, usytuowany na przeciwnym końcu kanału wylot oraz umieszczoną wewnątrz kanału komorę, w której umieszczona jest magazynująca ciepło masa np. z piasku krzemowego lub inna drobnocząsteczkowa masa ceramiczna lub metaliczna krążąca w obiegu zamkniętym. Komora oddzielona jest przepuszczającą gazy ścianką, zaś w środkowym jej obszarze usytuowana jest rura doprowadzająca gaz zapłonowy podgrzewający masę magazynującą ciepło do temperatury ok. 1000°C. W pobliżu wylotu tej rury tworzy się strefa spalania, w której spalana jest doprowadzana mieszanina gazu palnego. Nie są jednak znane żadne przemysłowe instalacje wykorzystujące przedstawioną wyżej komorę spalania w turbinach gazowych z powodu jej skomplikowanej i w związku z tym niepraktycznej konstrukcji.

Głównym celem wynalazku jest eliminacja albo co najmniej złagodzenie jednego lub więcej powyższych problemów występujących w stanie techniki.

Sposób spalania gazów opałowych polegający na tym, że doprowadza się gaz opałowy do komory spalania i ogrzewa się wstępnie zasilający gaz opałowy za pomocą ciepła oddanego przez spalony wcześniej gaz opałowy, przy czym stosunek doprowadzanego gazu opałowego do powietrza jest na poziomie mniejszym niż dolna granica wybuchowości tego gazu opałowego oraz spala się ten gaz w strefie spalania, po czym odprowadza się uzyskany spalony gaz opałowy kanałem, zaś podczas tego odprowadzania wymienia się ciepło tego spalonego gazu z gazem doprowadzanym na powierzchni wymiennika ciepła, według wynalazku charakteryzuje się tym, że prowadzi się spalanie doprowadzonego gazu opałowego w strefie spalania komory w reakcji bezpłomieniowej, przy czym zatrzymuje się wstępnie ogrzany gaz opałowy w tej strefie spalania przez czas wystarczający do wystąpienia reakcji bezpłomieniowej, ponadto doprowadzany gaz opałowy podczas wprowadzania do strefy spalania miesza się z odprowadzanym gazem spalonym i w ten sposób dodatkowo podgrzewa.

Korzystnie, ponadto ogrzewa się wstępnie strefę spalania do temperatury odpowiedniej do spalania wstępnie ogrzanego gazu opałowego podczas jego wpływania do strefy spalania.

Komora spalania, zwłaszcza do spalania gazów opałowych, w której skład wchodzi pojemnik z wlotem do doprowadzania gazu opałowego, zespól rur z jednym końcem umieszczonym w strumieniu doprowadzanego gazu opałowego a drugim usytuowanym w strefie spalania, rozmieszczonych w pewnej odległości od siebie, przy czym znajdująca się na zewnątrz rur zespołu rur przestrzeń stanowi kanał wylotowy spalonych gazów wypływających ze strefy spalania komory i płynących do wylotu z pojemnika przekazujących bezpośrednio ciepło spalonych gazów do gazu wlotowego w rurach i ogrzewające go wstępnie, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ponadto zawiera przegrody usytuowane pomiędzy rurami zespołu rur, tworzącymi kręty kanał wylotowy, przy czym rury biegną wzdłuż pojemnika, zaś wlot oraz wylot kanału znajdują się w przybliżeniu w tym samym końcu pojemnika a strefa spalania znajduje się w jego drugim końcu.

Korzystnie, rury zespołu rur tworzą zespół w ten sposób, że przegrody w postaci sześciokątnych tulei opasujących ściśle rury są połączone z sąsiednimi tulejami, tworząc układ.

Korzystnie, komora spalania zawiera ponadto, usytuowany w sąsiedztwie strefy spalania palnik wstępnego ogrzewania strefy spalania do temperatury spalania przed doprowadzeniem gazu opałowego do komory spalania.

Wynalazek w przykładach wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przykład wykonania komory spalania według wynalazku w przekroju poprzecznym, w rzucie z boku, fig. 2a i 2b - kolejne przykłady wykonania komory spalania, fig. 3a - szczegół konstrukcyjny jednej z rur składowych wymiennika ciepła, fig. 3b - zespół rury składowej z fig. 3a, fig. 4 - urządzenie do wykorzystania gazów odlotowych i wentylacyjnych z kopalni z zastosowaniem urządzenia według wynalazku do wytwarzania energii elektrycznej, schematycznie, fig. 5 - takie samo urządzenie jak na fig. 4, z podanymi parametrami roboczymi, fig. 6a i 6b - szczegół konstrukcyjny urządzenia do mieszania gazów, oraz fig. 7 - szczegóły konstrukcyjne strefy mieszania gazów w urządzeniu do mieszania gazów.

179 614

Sposób spalania gazów opałowych według wynalazku obejmuje wstępne ogrzewanie gazu opałowego ciepłem oddanym przez poprzednio spalony gaz opałowy, przetrzymanie wstępnie ogrzanego gazu opałowego przez czas wystarczający na wystąpienie reakcji lub samospalenia, odprowadzenie spalonego gazu opałowego krętym kanałem w celu wymiany ciepła doprowadzanym gazem opałowym, przy czym w obszarze spalania temperatura jest wystarczająca do wywołania spalania wstępnie ogrzanego gazu opałowego podczas jego doprowadzania.

Proces spalania według wynalazku przebiega w następujący sposób. Gaz opałowy (np. metan), zawierający powietrze do spalania o stężeniu poniżej dolnej granicy wybuchowości, doprowadza się do sekcji wlotowej 14 komory spalania 2 rurociągiem 20 tak, że opływa on ścianę sitową 4 ku rurze 6 wymiennika ciepła, gdzie gaz jest ogrzewany do temperatury swojego zapłonu zanim wpłynie do strefy spalania 8. Podwyższona temperatura, łącznie z objętością strefy spalania 8 o wysokiej temperaturze zapewniają czas przebywania gazu opałowego w tej strefie niezbędny do reakcji i samospalenia dzięki wzbudzanym przez rodniki reakcjom spalania. Zatem spalanie jest spontaniczne z natury rzeczy, a metanowy składnik gazu przekształca się na gazowy dwutlenek węgla i parę wodną. Ominięcie konieczności zapewnienia płomienia do wystąpienia spalania oznacza bardzo małe wytwarzanie związków NOX, nawet poniżej <5 ppm.

Wypływające ze strefy spalania 8 gorące gazy płyną wzdłuż zewnętrznej powierzchni rur 6 wymiennika ciepła mieszając się i kierując ku rurom znajdującym się na powierzchni zewnętrznej dzięki szeregowi przegród 10 tworzących kręty lub obwodowy kanał, po czym wypływają na zewnątrz kanałem 22, w zasadzie spalone i o odpowiedniej temperaturze umożliwiającej ich doprowadzenie do stopnia rozprężania turbiny gazowej.

Komora spalania gazów opałowych według wynalazku zawiera pojemnik z wlotem do doprowadzania gazów, zespól rur z jednym końcem otwartym w kierunku zasilającego gazu opałowego a drugim wchodzącym w strefę spalania, przy czym rury te znajdują się w pewnej odległości od siebie tak, że ich powierzchnie zewnętrzne tworzą kanał wylotowy spalonych gazów ze strefy spalania biegnący ku wylotowi z pojemnika, zaś ciepło pochodzące ze spalonych gazów przepływa częściowo do gazu płynącego w rurach podgrzewając go wstępnie, natomiast stosunek doprowadzanego gazu opałowego do powietrza jest mniejszy niż dolna granica wybuchowości dla danego gazu opałowego, a spalanie we wspomnianej strefie spalania zachodzi w wyniku reakcji lub samospalania wstępnie ogrzanego gazu opałowego. W komorze spalania mogą ponadto znajdować się przegrody umieszczone pomiędzy rurami tworzące kręty kanał wylotowy. Rury mogą biec wzdłuż pojemnika, przy czym wlot i wylot znajdują się w pobliżu tego samego końca pojemnika, natomiast strefa spalania jest usytuowana w jego drugim końcu. Rury mogą tworzyć układ sześciokątny dzięki przegrodom mającym postać otaczających je sześciokątnych tulei połączonych z sąsiednimi tulejami. Ponadto w skład urządzenia może wchodzić palnik usytuowany w sąsiedztwie strefy spalania z przeznaczeniem do wstępnego ogrzewania strefy spalania do temperatury spalania przed dopływem gazu opałowego do komory spalania.

Na fig. 2a pokazano typową, zalecaną konstrukcję komory spalania według wynalazku opartą na opisanej wcześniej uproszczonej komorze spalania 2'. W urządzeniu tym znajduje się zespół rur 6 wymiennika ciepła, każda z dolnym końcem wchodzącym do rurociągu zasilającego 20. Przegrody 10 są rozmieszczone w sposób zapewniający konwencjonalny przepływ poprzeczny. Na fig. 2b widać podobną komorę spalania 2 z płytami przedłużającymi 16 rozmieszczonymi w sposób zapewniający ciągły przepływ ku górze, a następnie wybiórczy przepływ w dół do strefy wymiennika ciepła.

Komora spalania 2 według wynalazku jest odpowiednio pokryta materiałem izolacyjnym i ma wewnętrzną powłokę odporną termicznie wykonaną z ceramicznych płytek i/lub pierścieni. W przypadku kiedy rury 6 są wykonane z materiału niemetalowego, na przykład z węglika krzemu, są one zatopione w metalowej ścianie sitowej 4, a ściana ta odpowiednio jest izolowana od gazów spalinowych o wysokiej temperaturze po tej stronie, która odpowiada kanałowi wylotowemu 22.

179 614

Na fig. 3a uwidoczniono przekrój rury z węglika krzemu z sześciokątną sekcją przegrodową, stanowiącą integralny element rury 6, natomiast na fig. 3b pokazano zespół rur 6, w którym sześciokątne podpory przegrodowe 10 są rozmieszczone w układzie schodkowym, tworząc w ten sposób krętą drogę do kanału wylotowego 22, co zapewnia skuteczną wymianę ciepła.

W jednym z przykładów wykonania stosuje się komorę spalania 2 do zasilania turbiny podobnej do turbiny gazowej Centaur 3000R z odzyskiem ciepła, w której komora spalania znajduje się na zewnątrz obudowy turbiny, a paliwo, np. metan, doprowadza się do turbiny razem z powietrzem wlotowym. Główne wymiary i parametry robocze turbiny są następujące: natężenie przepływu mieszanki powietrza z metanem 17,4 kg/sekundę.

Analiza: nasycone wodą w temperaturze 24°C pod ciśnieniem atmosferycznym, 1,6% metan (proporcje objętościowe w stanie suchym), 98,4 powietrze (proporcje objętościowe w stanie suchym)

Temperatura wlotowa mieszanki powietrza z metanem 400°C

Temperatura wylotowa gazów spalinowych 850°C

Średnica wewnętrzna komory spalania 1190 mm

Zespół rur:

liczba rur 1794 średnica zewnętrzna rury 19 mm (rozmieszczenie w układzie trójkątnym) długość rur 2000 mm

Liczba przegród 5

Górny koniec rur od górnej powierzchni komory spalania 1900 mm

Rury są wykonane ze stopu Sandvik 253-MA o grubości 2 mm i są rowkowane po stronie wewnętrznej za pomocą gwintownicy drobnozwojowej oraz pokrywane galwanicznie niklem. Ściana sitowa 4 i przegrody 10 są również wykonane ze stopu Sandvik 253MA. Zewnętrzne (wysoko temperaturowe) powierzchnie rur mogą być pokryte tlenkiem ceramicznym, takim jak Mullite.

Opisana powyżej komora spalania ma również zastosowania w turbinach gazowych, piecach rafineryjnych oraz w innych formach pieców technologicznych.

W jeszcze innym przykładzie wykonania, w rurach 6 można zainstalować pręty z porowatego materiału ceramicznego, który można nasycić znanymi sposobami znanymi katalizatorami, takimi jak nikiel do paliw zawierających metan, albo znanymi katalizatorami na osnowie tlenku cynku nadającymi się do paliw zawierających tlenek węgla.

Komora spalania według wynalazku może być zastosowana w zespole turbiny gazowej wykorzystującej gaz opałowy do wytwarzania użytecznej energii, w którego skład wchodzą stopień sprężający, do którego dopływa gaz opałowy, i z którego wypływa sprężony gaz opałowy, komora spalania, do której doprowadza się sprężony gaz opałowy przy stosunku gazu opałowego do powietrza mniejszym od dolnej granicy wybuchowości dla danego gazu opałowego, i w której gaz opałowy, przed jego spaleniem, wstępnie ogrzewa się za pomocą ciepła pochodzącego z gazu opałowego spalonego wcześniej, przy czym spalanie następuje w wyniku reakcji lub samospalania, oraz stopień rozprężania, sprzężony mechanicznie ze stopniem sprężania, i do którego dopływa spalony gaz opałowy, przetwarzający energię rozprężania na użyteczną energię ruchu obrotowego.

W zalecanym przykładzie wykonania rozprężony gaz wylotowy, wypływający ze stopnia rozprężającego, płynie do wymiennika ciepła, gdzie oddaje ciepło sprężonemu gazowi opałowemu przed jego dolotem do komory spalania. Ponadto ze stopniem rozprężania jest sprzężony generator energii elektrycznej lub sprężarka powietrza, przetwarzające energię ruchu obrotowego na energię elektryczną. Doprowadzany gaz opałowy może być mieszanką gazu odprowadzonego z kopalni węgla kamiennego z powietrzem wentylacyjnym. Mieszankę te można utworzyć w stopniu mieszania, w którego skład wchodzi kanał do powietrza wentylacyjnego, w którego strumieniu znajdują się liczne rury, w które wpływa gaz odlotowy z kopalni. W rurach tych znajdują się liczne otwory umożliwiające gazowi odlo8

179 614 towemu z kopalni mieszanie się z powietrzem wentylacyjnym z kopalni. Korzystnie, stosunek procentowy metanu do powietrza wynosi < 2%.

Sposób wykorzystania gazu opałowego w turbinie gazowej, w której zastosowano komorę spalania według wynalazku do wytwarzania energii użytecznej polega na sprężaniu gazu opałowego, wstępnym ogrzewaniu sprężonego gazu opałowego przed spaleniem za pomocą ciepła oddanego przez wcześniej spalony gaz opałowy, spalaniu wstępnie ogrzanego gazu opałowego w wyniku reakcji lub samospalania, oraz rozprężaniu spalonego gazu w celu wytworzenia użytecznej energii. Można również ogrzewać sprężony gaz opałowy dzięki wymianie ciepła z gazami wylotowymi po etapie rozprężania.

Komorę spalania 2 doprowadza się do temperatury roboczej za pomocą palnika 12 osobno zasilanego paliwem z rurociągu 24 i powietrzem z oddzielnego rurociągu 26, przy czym oba te rurociągi mogą doprowadzać paliwo z tego samego źródła paliwa i powietrza doprowadzanych rurociągiem 20. Po dojściu temperatury do wartości roboczej (dla metanu około > 1000°C) wyłącza się palnik 12 i chłodzi ciągłym, doprowadzanym wyłącznie do niego niewielkim strumieniem powietrza. Palnik ten może również działać przy małych natężeniach przepływu jako palnik oszczędnościowy.

Zastosowanie urządzenia według wynalazku, wykorzystujące zanieczyszczone metanem powietrze wentylacyjne z kopalń węgla oraz gazy odlotowe z kopalń, pokazano na fig. 4, gdzie przedstawiono uproszczony schemat turbiny 100. Stopień sprężający w postaci sprężarki 102 turbiny gazowej jest sprzężony ze stopniem rozprężającym 104 za pomocą wału napędowego 108. Z kolei stopień rozprężający 104 jest sprzężony z generatorem prądu elektrycznego 106 za pomocą kolejnego wału napędowego 110. Energia elektryczna wytwarzana przez generator 106 stanowi energię odzyskaną z powietrza wentylacyjnego z kopalni a gaz odlotowy można doprowadzać do rusztu elektrycznego, który zatem musi być szczelny.

Zanieczyszczone metanem powietrze wentylacyjne z kopalni płynie kanałem wlotowym 250 do urządzenia mieszającego 112 (opisanego dalej), do którego doprowadza się ponadto regulowaną ilość gazu odlotowego z kopalni, doprowadzanego kolejnym przewodem wlotowym 252. Uzyskana mieszanka płynie następnie kanałem wylotowym 254 dzięki wymuszonemu ssaniu sprężarki 102 turbiny gazowej.

Następnie zawierające metan sprężone powietrze wypływa ze sprężarki 102 kanałem wylotowym 256 i płynie do rekuperatora ciepła 116, gdzie ogrzewa się na zasadzie wymiany ciepła, po czym płynie przewodem 258 do komory spalania 114. Komora spalania 114 jest skonstruowana w sposób pokazany na fig. 1-3b, i dla celów niniejszego przykładu, zgodnie z konkretnymi danymi technicznymi poprzedniego przykładu wykonania. Gorące, spalone gazy wypływające z komory spalania 114 płyną przewodem 262 do stopnia rozprężającego 104.

Gazy wylotowe ze stopnia rozprężającego 104 wypływają przewodem wylotowym 264 i płyną przez rekuperator 116, po czym, już ostudzone, wypływają z rekuperatora 116 przewodem wylotowym 266 do atmosfery.

Oziębione gazy wylotowe z turbiny, wypływające z rekuperatora 116, mogą zasilać kocioł na ciepło odpadowe, który wytwarza parę wodną do chłodzenia tarcz turbiny, łożysk i innych podzespołów, chłodzonych zazwyczaj powietrzem ze sprężarki turbiny, co wymusza albo umożliwia przepływ całego albo prawie całego powietrza zawierającego metan (gaz opałowy) do turbiny przez układ spalania.

Paliwo rozruchowe turbiny, w tym przypadku paliwo destylowane, doprowadza się do komory spalania 114 przewodem 260 wraz z powietrzem do palnika, które jest doprowadzane następną rurą 268.

W większości zastosowań wykorzystuje się turbiny wielostopniowe pracujące w pobliżu ich wydajności znamionowej. Większe zmiany obciążenia można realizować wyłączając poszczególne turbiny, przy czym pewne odmiany docelowego obciążenia turbiny można zrealizować poprzez zmianę zadanej temperatury gazów wypływających z komory spalania 114 w kanale wylotowym 262. Zmiany obciążenia można również uzyskać za pomocą zmian masowego natężenia przepływu paliwa przez turbinę znanymi środkami, na

179 614 przykład za pomocą sterowanych łopatek wlotowych zamontowanych w stopniu sprężającym 102 i stopniu rozprężającym.

W korzystnym przykładzie zastosowania wynalazku w zasadzie całe zapotrzebowanie turbiny gazowej 100 na paliwo zapewnia metan z powietrza wlotowego oraz gaz opałowy wtryskiwany w sposób sterowany w strumień powietrza na wlocie do sprężarki 102.

Znane modele turbin, po modyfikacji polegającej na dodaniu opisanej komory spalania 114 według wynalazku, nie będą w stanie pracować z metanem zawartym w powietrzu zasilającym w proporcji objętościowej powyżej 2%, co jest znacznie poniżej dolnej granicy wybuchowości dla metanu w powietrzu. Tam gdzie stosuje się turbinę na powietrze wentylacyjne z kopalni, sama turbina staje się skutecznym urządzeniem monitorującym, synchronizującym i niezależnym od wszelkich przyrządów analitycznych ani od innych urządzeń bezpieczeństwa w kopalni.

Na fig. 6a i 6b pokazano szczegóły konstrukcyjne struktur kanałowych, w których w urządzeniu mieszającym 112 miesza się wlotowe powietrze wentylacyjne z kopalni i gaz odlotowy z kopalni. Na fig. 6a pokazano przekrój poprzeczny płaszczyzną A-A na fig. 6b. W kanale 250 znajduje się pewna liczba rozstawionych w pewnych odstępach od siebie, biegnących pionowo rur 150, połączonych ze sobą górnymi i dolnymi rurami łączącymi 152, 154. Do rury górnej 152 dopływa gaz odlotowy z kopalni doprowadzany kanałem wlotowym 252, po czym płynie w dół pionowymi rurami 150. Jak można najlepiej zobaczyć na fig. 7, na obwodzie każdej z pionowych rur 150 znajduje się pewien układ małych otworów 160, z których wypływa odlotowy gaz opałowy mieszając się z powietrzem wentylacyjnym z kopalni. Przestrzeń pomiędzy sąsiednimi rurami działa jak element roboczy mieszacza zwężkowego, z taką prędkością gazu i powietrza w miejscu wstrzykiwania gazu opałowego, żeby zapobiegać wszelkiej ewentualnej pracy przy stabilnym płomieniu na wypadek mało prawdopodobnej możliwości obecności źródła zapłonu.

Przykład

Przykład zastosowania wynalazku pokazany na fig. 5 opiera się na wykorzystaniu zespołu turbinowego Solar Centaur 3000R. W przykładzie tym, prędkość turbiny reguluje się za pomocą sterowania mocą generatora 106 oraz natężeniem przepływu gazu zasilającego zespół turbiny rurociągiem wlotowym 252, co umożliwia sterowanie dopływem gazu dla utrzymania zadanego zakresu temperatur dla temperatury wylotowej z komory spalania w przewodzie wylotowym 262. Natężenia przepływu składników powietrza wentylacyjnego z kopalń wynoszą 13306 Nm³/s dla powietrza, 0,134 Nm³/s dla metanu oraz 0,403 Nm³/s pary wodnej. Natężenia przepływu składników gazu odlotowego z kopalń wynoszą 0, 081 Nm³/s dla metanu, 0,081 Nm³/s dla powietrza oraz 0,005 Nm³/s dla pary wodnej. Jednostka Nm³/s oznacza normalny metr sześcienny na sekundę i jest dobrze znaną jednostką masowego natężenia przepływu sprowadzoną do temperatury 0°C i ciśnienia standardowego. Stopień sprężania stopnia sprężającego wynosi poniżej 14:1, a korzystnie poniżej 10:1. Stężenie sprężonego gazu opałowego w powietrzu musi być poniżej dolnej granicy wybuchowości, i w tym przykładzie wynosi 1,6% (objętościowe), a korzystnie mieści się w zakresie 1,5% do 2%. Czas przebywania czynnika roboczego w komorze spalania wystarcza do umożliwienia spalania w zasadzie całego znajdującego się tam i przepływającego paliwa. Najbardziej korzystnie, temperatura wylotowa produktów gazowych spalania powinna wynosić od 850 do 950°C, chociaż granica górna wynosi 1100°C. Wynikająca z tego temperatura gazów opałowych na wylocie z komory spalania 114 wynosi około 870°C, przy temperaturze wylotowej gazów ze sprężarki 104 na poziomie 455°C. Moc wyjściowa generatora 106 wynosi 2420 kW.

Natężenie przepływu gazu zasilającego komorę spalania 114 rurociągiem wlotowym 260 wskazuje ilość metanu w powietrzu wentylacyjnym w kanale zasilającym 250, a odpowiednie czujniki alarmowe określają małe natężenie przepływu gazu lub wysoką temperaturę spalania, wyłączając turbinę i sygnalizują anormalne i niebezpieczne warunki w systemie wentylacji kopalni.

W kolejnym przykładzie zastosowania wynalazku, turbina gazowa 100 może być wykorzystana do spalania gazów hutniczych zawierających tlenek węgla po doprowadzeniu do

179 614 nich powietrza na wlocie do turbiny. Część wytwarzanej energii jest zużywana bezpośrednio lub pośrednio do sprężania powietrza w celu oddzielenia od niego tlenu z przeznaczeniem na potrzeby huty oraz do oddzielania powietrza. Ponadto może być również powietrze nie zawierające paliwa, przeznaczone do przepłukiwania i chłodzenia podzespołów turbiny, co zapewnia, że w zasadzie cała mieszanka paliwa z powietrzem doprowadzona do turbiny płynie do instalacji spalania turbiny.

W kolejnym przykładzie wykonania, w którym stosuje się turbiny gazowe, powietrzem i gazem opałowym wypływającymi ze sprężarki można nasycić wodę, która dodatkowo ochłodzi mieszankę powietrza z paliwem, przy czym wodą tą może być woda ściekowa, np. ścieki kanalizacyjne lub lokalne i podobne. Takie rozwiązanie zmniejsza ilość ścieków i umożliwia co najmniej częściowo przejęcie przez powietrze do spalania znajdujących się w ściekach składników o silnym odorze i ich spalenie w komorze spalania.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób spalania gazów opałowych polegający na tym, że doprowadza się gaz opałowy do komory spalania i ogrzewa się wstępnie zasilający gaz opałowy za pomocą ciepła oddanego przez spalony wcześniej gaz opałowy, przy czym stosunek doprowadzanego gazu opałowego do powietrza jest na poziomie mniejszym niż dolna granica wybuchowości tego gazu opałowego oraz spala się ten gaz w strefie spalania, po czym odprowadza się uzyskany spalony gaz opałowy kanałem, zaś podczas tego odprowadzania wymienia się ciepło tego spalonego gazu z gazem doprowadzanym na powierzchni wymiennika ciepła, znamienny tym, że prowadzi się spalanie doprowadzonego gazu opałowego w strefie spalania (8) komory w reakcji bezpłomieniowej, przy czym zatrzymuje się wstępnie ogrzany gaz opałowy w tej strefie spalania (8) przez czas wystarczający do wystąpienia reakcji bezpłomieniowej, ponadto doprowadzany gaz opałowy podczas wprowadzania do strefy spalania (8) miesza się z odprowadzanym gazem spalonym i w ten sposób dodatkowo podgrzewa.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto ogrzewa się wstępnie strefę spalania (8) do temperatury odpowiedniej do spalania wstępnie ogrzanego gazu opałowego podczas jego wpływania do strefy spalania (8).
3. Komora spalania, zwłaszcza do spalania gazów opałowych, w której skład wchodzi pojemnik z wlotem do doprowadzania gazu opałowego, zespół rur z jednym końcem umieszczonym w strumieniu doprowadzanego gazu opałowego a drugim usytuowanym w strefie spalania, rozmieszczonych w pewnej odległości od siebie, przy czym znajdująca się na zewnątrz rur zespołu rur przestrzeń stanowi kanał wylotowy spalonych gazów wypływających ze strefy spalania komory i płynących do wylotu z pojemnika przekazujących bezpośrednio ciepło spalonych gazów do gazu wlotowego w rurach i ogrzewające go wstępnie, znamienna tym, że ponadto zawiera przegrody (10) usytuowane pomiędzy rurami (6) zespołu rur, tworzącymi kręty kanał wylotowy, przy czym rury (6) biegną wzdłuż pojemnika, zaś wlot (14) oraz wylot kanału (22) znajdują się w przybliżeniu w tym samym końcu pojemnika a strefa spalania (8) znajduje się w jego drugim końcu.
4. Komora spalania według zastrz. 3, znamienna tym, że rury (6) zespołu rur tworzą zespół w ten sposób, że przegrody (10) w postaci sześciokątnych tulei opasujących ściśle rury (6) są połączone z sąsiednimi tulejami, tworząc układ.
5. Komora spalania według zastrz. 3, znamienna tym, że zawiera ponadto, usytuowany w sąsiedztwie strefy spalania (8) palnik (12) wstępnego ogrzewania strefy spalania do temperatury spalania przed doprowadzeniem gazu opałowego do komory spalania.