PL202159B1 - Sposób spalania paliwa w piecu - Google Patents

Abstract

1. Sposób spalania paliwa w piecu, w którym do- starcza si e do pieca tlen i paliwo na bazie w egla po- przez wloty do co najmniej jednego palnika, i w którym stosuje si e bardzo szczelny piec uniemo zliwiaj acych przedostawanie sie do niego powietrza z atmosfery, znamienny tym, ze do palnika (84) doprowadza si e tlen o czysto sci co najmniej 85%, gdzie nadmiar tlenu w stosunku do paliwa lub odwrotnie nie prze- kracza 5% warto sci stechiometrycznych, oraz ze spalaniem paliwa steruje si e tak, ze temperatura wytworzonego p lomienia wynosi co najmniej 2480°C, przy której we wn etrzu pieca (14), (16), (166) bez obecno sci powietrza wytwarza si e stref e przenosze- nia ciep la promieniowania, w której podstawowym sposobem przenoszenia ciep la jest promieniowanie, przy czym piec poddaje si e bezpo srednio dzia laniu ciep la promieniowania pochodz acego ze spalanego paliwa, oraz ze steruje si e ilo sci a dostarczanego tlenu i paliwa do wlotów (152) i (154) palników tak, aby temperatura wydalanego z pieca strumienia spalin, przed odzyskiem ciep la, by la nie wi eksza ni z 595°C. PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób spalania paliwa w piecu. Wynalazek szczególnie dotyczy sposobu spalania paliwa w piecu w tlenie, gdzie stosuje się bardzo szczelny piec uniemożliwiający przedostawanie się do niego powietrza z atmosfery, i w którym zmniejszone jest wytwarzanie gazów cieplarnianych i zużycie paliwa kopalnego.

W praktyce przemysłowej znane są sposoby spalania paliwa w tlenie, jednakże ich zastosowanie jest dość ograniczone. Systemy palników do spalania paliwa w tlenie są zwykle stosowane tylko tam, gdzie potrzebna jest bardzo wysoka temperatura płomienia. Na przykład systemy takie mogą być stosowane w przemyśle szklarskim, w celu osiągnięcia temperatury koniecznej do roztapiania krzemionki. Poza tym ogólnie przyjmuje się, że ograniczenia konstrukcyjne i materiałowe dyktują górne wartości temperatury, której mogą podlegać systemy przemysłowe. W związku z tym w kotłach, piecach itp., w prawie każdym zastosowaniu przemysłowym, łącznie z wytwarzaniem energii elektrycznej oraz w innych procesach, stosowane są sposoby spalania paliwa w powietrzu.

W szczególnoś ci spalanie paliwa w powietrzu lub systemy grzania energią elektryczną stosuje się przy wytwarzaniu stali i aluminium, jak również w energetyce i w innych gałęziach przemysłu, przy czym systemy te wykorzystują głównie paliwa na bazie węgla. W sposobach spalania paliwa w powietrzu do pieca wraz z paliwem doprowadzane jest powietrze, które złożone jest z około 79% azotu i 21% tlenu. Mieszanina paliwa z powietrzem jest zapalana, na skutek czego powstaje cią g ły pł omień . Płomień ten przenosi energię, w postaci ciepła, z mieszaniny paliwowo-powietrznej do pieca.

Wadą stosowania sposobów spalania paliwa w powietrzu jest to, że podczas takiego spalania wytwarzają się tlenki azotu i inne gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek węgla, dwutlenek siarki itp., jako nieuchronny wynik procesu spalania. Tlenki azotu i inne gazy cieplarniane znacznie przyczyniają się do zanieczyszczenia środowiska, wliczając w to, jednakże bez ograniczenia, kwaśne deszcze. Zmniejszenie emisji tlenków azotu i innych gazów cieplarnianych jest zatem pożądane, a na skutek ograniczeń prawnych emisja ta jest znacznie ograniczona. W tym celu trzeba instalować różne urządzenia na takich systemach spalania, aby ograniczyć i/lub zmniejszyć emisje tlenków azotu i innych wytwarzanych gazów cieplarnianych.

Inną wadą sposobów spalania paliwa w piecach w powietrzu jest to, że znaczna ilość energii uwalnianej z procesu spalania jest pochłaniana lub wykorzystywana do ogrzania gazowego azotu zawartego w powietrzu doprowadzanym do pieca. Energia ta jest zasadniczo marnowana, ponieważ ogrzany gazowy azot jest zwykle usuwany ze źródła ciepła np. z pieca.

Znaczne ilości energii przechodzą zatem do środowiska poprzez komin itp., co zwiększa znacznie koszty. Inne wady znanych systemów spalania paliwa w powietrzu są znane fachowcom.

Sposoby spalania w piecach elektrycznych mają również swe wady. Przykładowo systemy te wymagają, by źródło energii elektrycznej działało w sposób ciągły, zasadniczo bez przerw. Ponieważ do pracy pieców elektrycznych potrzebne są duże ilości energii elektrycznej, zwykle takie piece elektryczne trzeba instalować w pobliżu elektrowni i/lub dużych urządzeń przesyłowych. Ponadto, piece elektryczne wymagają znacznej konserwacji, by zapewnić ich działanie z optymalną lub prawie optymalną sprawnością. Ponadto, z użyciem pieców elektrycznych związana jest niska sprawność przetwarzania paliwa w energię elektryczną. Większość dużych elektrowni opalanych paliwem kopalnym, które wykorzystują turbiny parowe, ma sprawność mniejszą niż 40%, a zwykle mniejszą niż 30%. Ponadto, te duże elektrownie na paliwo kopalne wytwarzają również bardzo duże ilości tlenków azotu i innych gazów cieplarnianych.

Przykładowo przy wytwarzaniu aluminium, a zwłaszcza przy przetwarzaniu złomu aluminiowego, temperatura płomienia w piecu powinna wynosić w przybliżeniu 1370-1650°C (2500-3000°F). Zakres ten ma pozwolić na osiągnięcie równowagi pomiędzy energią potrzebną do dostarczenia wystarczającej ilości ciepła do roztopienia złomu aluminiowego a utrzymywaniem odpowiedniej temperatury roztopionego metalu, około 788°C (1450°F). Znane piece mają konstrukcję dostosowaną do temperatury płomienia zwykle nie przewyższającej 1650°C (3000°F), by zapewnić utrzymanie integralności konstrukcji takich pieców, ponieważ przekroczenie tych granic temperatury może osłabić konstrukcję nośną pieca, a więc ewentualnie spowodować katastrofę. Ponadto, temperatura w kominie konwencjonalnych pieców wynosi zwykle około 870°C (1600°F). Różnica temperatury pomiędzy płomieniem a wylotem wynosi tylko około 778°C (1400°F). Powoduje to niepełne wykorzystanie energii w procesie spalania.

PL 202 159 B1

Uważa się również, że straty ciepła i ewentualne straty z powodu uszkodzenie pieców, w których temperatura płomienia przewyższa 1650°C (3000°F), są znacznie ważniejsze niż sprawność działania, jaką można osiągnąć przy wyższej temperaturze płomienia. Tak więc znów konwencjonalna wiedza w pełni wspiera stosowanie pieców do spalania paliwa w powietrzu, w których temperatura płomienia jest utrzymywana przy górnej granicy około 1650°C (3000°F) (przez stechiometryczny skład płomienia), co zapewnia integralność konstrukcji pieca i zmniejsza straty energii.

Potrzebny jest zatem taki sposób spalania paliwa w piecu, który będzie miał zalety zmniejszenia skażenia środowiska (przypisywanego tlenkom azotu i innym gazom cieplarnianym) przy równoczesnym zapewnianiu efektywnego wykorzystywania energii. Takie wymogi zapewnia sposób spalania według wynalazku.

Sposób spalania paliwa w piecu, w którym dostarcza się do pieca tlen i paliwo na bazie węgla poprzez wloty do co najmniej jednego palnika, i w którym stosuje się bardzo szczelny piec uniemożliwiających przedostawanie się do niego powietrza z atmosfery, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do palnika doprowadza się tlen o czystości co najmniej 85%, gdzie nadmiar tlenu w stosunku do paliwa lub odwrotnie nie przekracza 5% wartości stechiometrycznych, oraz że spalaniem paliwa steruje się tak, że temperatura wytworzonego płomienia wynosi co najmniej 2480°C, przy której we wnętrzu pieca bez obecności powietrza wytwarza się strefę przenoszenia ciepła promieniowania, w której podstawowym sposobem przenoszenia ciepł a jest promieniowanie, przy czym piec poddaje się bezpośrednio działaniu ciepła promieniowania pochodzącego ze spalanego paliwa, oraz że steruje się ilością dostarczanego tlenu i paliwa do wlotów palników tak, aby temperatura wydalanego z pieca strumienia spalin, przed odzyskiem ciepła, była nie większa niż 595°C.

Dla sposobu według wynalazku korzystne jest, gdy tlen doprowadza się do palnika z ustaloną szybkością, a paliwo dostarcza się z szybkością dostosowaną do szybkości tlenu i w ilości wynikającej z proporcji stechiometrycznej. Korzystne jest, gdy ustala się przynajmniej jedną żądaną temperaturę w piecu, oraz gdy proporcje dostarczanego tlenu i paliwa kontroluje się przez centralną jednostkę sterującą.

W sposobie według wynalazku stosowanym paliwem na bazie węgla może być dowolnego rodzaju paliwo. Korzystne jest, gdy paliwem jest gaz, taki jak gaz ziemny np. metan. Alternatywnie paliwem może być paliwo stałe, takie jak węgiel kamienny lub pył węglowy, a równie korzystne jest gdy paliwo jest paliwem ciekłym, na przykład takim jak różnego rodzaju oleje opałowe, łącznie z olejami zużytymi.

Do spalania paliwa w piecu stosuje się tlen o zadanej czystości, który można uzyskiwać z różnych źródeł jego we wnętrzu pieca bez wytwarzania. Znane są różne systemy wytwarzania tlenu, takie jak chemiczny rozkład wody na tlen i wodór, czy fizyczne rozdzielanie powietrza na tlen i wodór metodą membranową lub kriogeniczną. Najkorzystniej, gdy w sposobie spalania według wynalazku stosuje się tlen pochodzący z instalacji kriogenicznej.

Zasadniczą zaletą opisanego sposobu spalania według wynalazku jest istotne zmniejszenie ilości zanieczyszczeń przedostających się do atmosfery, głównie z powodu całkowitej eliminacji emisji tlenków azotu, oraz efektywniejsze wykorzystanie wytwarzanej przy spalaniu energii, a więc istotne zwiększenie sprawności energetycznej pieców. Taki system spalania może być wykorzystywany w wielu różnych zastosowaniach przemysłowych, od energetyki do przetwórstwa chemicznego, metalurgii itp. Taki sposób spalania można stosować przykładowo przy przetwarzaniu aluminium, gdzie spalanie zapewnia zwiększoną sprawność energetyczną i zmniejszenie emisji zanieczyszczeń. Istnieje również duże zapotrzebowanie, zwłaszcza przy przetwarzaniu złomu aluminium, na wyposażenie technologiczne, a szczególnie piece, które byłyby skonstruowane tak, by wytrzymywać zwiększoną temperaturę płomienia związaną z takim sprawnym systemem spalania, oraz by zwiększać sprawność energetyczną i zmniejszać emisję zanieczyszczeń.

Te i inne właściwości i zalety przedmiotowego wynalazku staną się bardziej zrozumiałe na podstawie niżej przedstawionych przykładów wykonania i zastosowania sposobu według wynalazku, w połączeniu ze schematami przedstawionymi na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogólny schemat urządzenia, zawierający również schemat doprowadzania tlenu z urządzenia kriogenicznego do pieców, fig. 2 przedstawia zespół palnikowy do stosowania w systemie spalania paliwa w tlenie, fig. 3 przedstawia schematycznie przykładowy system sterowania do stosowania w sposobie spalania paliwa według wynalazku, zaś fig. 4 przedstawia schemat przetwarzania żużla w odzyskowym piecu ze sposobem spalania paliwa w tlenie według wynalazku.

PL 202 159 B1

Chociaż przedmiotowy wynalazek można realizować w różnych postaciach, poniżej opisano aktualnie korzystny przykład wykonania, na przykładzie przetwórni 10 złomu aluminiowego przedstawionego w schemacie na fig. 1, przy czym należy rozumieć, że niniejszy opis powinien być traktowany jako przykład realizacji wynalazku, bez ograniczenia jego stosowania.

Złom aluminiowy doprowadzany jest do wytopowego pieca 14, gdzie jest przeprowadzany w stan ciekły. Przetwórnia 10 może zawierać wiele pieców 14, działających równolegle, z których przedstawiono tylko dwa. Z wytopowego pieca 14 roztopione aluminium jest doprowadzane do mniejszego magazynowego pieca 16, który jest również ogrzewany przez spalanie paliwa w tlenie według wynalazku. Roztopione aluminium jest doprowadzane w miarę potrzeby, by utrzymywać pewien zadany poziom w magazynowym piecu 16. Może to być realizowane jako ciągłe doprowadzanie z pieca wytopowego 14 lub, jeśli trzeba, jako doprowadzanie partiami.

Magazynowy piec 16 jest aktywnie ogrzewany i pracuje w temperaturze roztopionego metalu około 700°C (1300°F).

Temperatura powietrza w magazynowym piecu 16 jest nieco wyższa.

Ciepło jest doprowadzane do pieca 14 za pomocą palników 84. Piec 14 ma cztery palniki 84 do spalania paliwa w tlenie. Te palniki 84 są zainstalowane na bocznej ścianie pieca 14 naprzeciw jego drzwi. Uważa się, że podstawowym trybem przenoszenia ciepła do pieca 14 jest promieniowanie z niewielką konwekcją ciepła. Ze względu na wysoką temperaturę płomienia system spalania paliwa w tlenie zapewnia skuteczne przenoszenie ciepła przez promieniowanie. Kształt geometryczny pieca 14 jest ponadto taki, aby zwiększać prędkość przenoszenia ciepła przez zwiększenie do maksimum pola powierzchni metalowej, na której zachodzi przenoszenie ciepła z płomienia do metalu.

Piec 14 może działać w kilku trybach pracy, od stanu pustego do podtrzymującego roztopione aluminium. Kiedy piec 14 jest u szczytu działania, wówczas jest napełniony do około 80-90%. Roztopiony metal ma temperaturę w przybliżeniu 760°C (1400°F), a temperatura powietrza w piecu wynosi w przybliżeniu 980°C (1800°F). Temperatura gazów spalinowych w kominie wynosi w przybliżeniu 538°C (1000°F). Temperatura powietrza mierzona jest za pomocą termopary zainstalowanej w bocznej ścianie pieca 14. Temperatura metalu mierzona jest przy podstawie pompy cyrkulacyjnej.

Gazy wylotowe z pieca 14 przepływają do stacji 82 filtrów workowych. Ta stacja 82 filtrów workowych służy zasadniczo do zbierania niespalonego węgla pochodzącego z farb, olejów, rozpuszczalników itp. Stosowanych w przetwarzaniu złomu aluminiowego.

Każdy z czterech palników 84 (fig. 2) zawiera główny korpus 152 dyszy wlotowej, który wchodzi do pieca 14, oraz wlot 154 gazowego paliwa dochodzący do głównego korpusu wlotowego 152 z zewnątrz ściany pieca. Tlen jest doprowadzany do głównego korpusu 152 dyszy wlotowej i miesza się z gazowym paliwem. Przez środkowy otwór 156 w głównym korpusie wlotowym 152 przechodzi zapalnik (nie uwidoczniony), wytwarzający iskrę służącą do zapalenia mieszanki paliwowo-tlenowej.

Proporcje dostarczanego tlenu i paliwa kontroluje się przez centralną jednostkę sterującą, w postaci przedstawionego na fig. 3 systemu sterowania 120 z tablicą sterującą 118. System sterowania jest złożony z dwóch części. Pierwsza część 122 zawiera oprzewodowane na stałe urządzenia zabezpieczające, takie jak przekaźniki, wyłączniki itp., obejmujące wszystkie łączniki działające w zależności od ciśnienia gazu, zawory odcinające i blokujące oraz czujniki płomienia. Druga część 124 systemu 120 sterowania obejmuje monitorowanie i funkcje automatycznego sterowania realizowane przez centralny procesor. Drogi 102 i 104 gazu są utworzone parami, tak że jedna droga może pracować podczas gdy druga jest wyłączona, np. do konserwacji lub w czasie małego obciążenia. Każda droga 102 i 104 gazu jest odpowiednio wymiarowo dobrana zgodnie z wymaganym dopływem tlenu. Przy pracy w trybie automatycznym system 120 sterowania reaguje na odchylenia od wartości zadanych procesu. Temperatura pieca jest kontrolowana i regulowana do wartości zadanej. Kiedy temperatura procesu odchyla się od wartości zadanej, wytwarzany jest sygnał błędu, a system 120, sterowania wysyła sygnał do zaworu sterowania tlenem, który reguluje natężenie przepływu tlenu określone przez przepływomierz tlenu.

Sposób według wynalazku jest również wykorzystywany w piecu odzyskowym 166, w procesie 164 przetwarzania żużla D z pieca wytopowego 14 (fig. 4). Odzyskowy piec 166 ma konstrukcję podobną do wytopowego pieca 14, ponieważ wykorzystuje system 10 spalania paliwa w tlenie. Podczas pracy odzyskowy piec 166 działa wstrząsowo na materiał żużlowy przez stosowanie prawie bezpośredniego uderzenia płomieniem o temperaturze około 2760°C (5000°F), by uwolnić metaliczne aluminium z żużla D. Temperatura roztopionej kąpieli 172 w odzyskowym piecu 166 jest również znacznie wyższa, około 788-816°C (1450-1500°F), podczas gdy temperatura w piecu powietrznym wynosi

PL 202 159 B1 około 1093-1204°C (2000-2200°F). Ponadto, proces wstrząsowy jest przeprowadzany w silnie zredukowanej atmosferze zasadniczo bez nadmiaru tlenu w piecu 166 (w odróżnieniu od konwencjonalnych pieców, które działają przy 3-5% nadmiarze tlenu). Stwierdzono, że opisany proces, łącznie z procesem odzyskiwania aluminium, zapewnia znaczne zwiększenie odzyskiwania metalu. Odpadowy żużel D2, który jest ostatecznie transportowany do dalszego przetwarzania, jest tylko ułamkiem pierwotnej ilości żużla D, przez co zmniejsza się koszty przetwarzania i zwiększa się odzyskiwanie aluminium.

W sposobie spalania paliwa w piecu według wynalazku wykorzystuje się zasadniczo czysty tlen w połączeniu z paliwem, by wytwarzać ciepło przez proces spalania w sposób nieszkodliwy dla środowiska. W procesie może być stosowany tlen w stężeniach od 85% do powyżej 99%, jednakże korzystne płomieniem o temperaturze uwolnić jest, by stężenie tlenu (to znaczy czystość dostarczanego tlenu) było jak największe. W takim systemie tlen o dużej czystości jest doprowadzany do palnika w piecu wraz z paliwem w proporcjach stechiometrycznych. Tlen i paliwo są zapalane, by wyzwolić energię zmagazynowaną w paliwie. Dla celów niniejszego wynalazku piec należy szeroko interpretować jako dowolny przemysłowy generator ciepła, który spala paliwa kopalne (na bazie węgla). W korzystnym sposobie spalania stężenie lub czystość tlenu praktycznie powinna być jak największa, aby zmniejszyć wytwarzanie gazów cieplarnianych.

Zapotrzebowanie na tlen w przedmiotowym sposobie spalania może być bardzo duże. Chociaż potrzebny tlen można kupować i dostarczać oraz magazynować, to bardziej pożądane jest posiadanie wytwórni tlenu usytuowanej w pobliżu lub stanowiącej część systemu spalania paliwa w tlenie, takiego jak przykładowa przetwórnia 10 złomu aluminiowego. Na fig. 1 przedstawione jest przykładowo kriogeniczne urządzenie 180 do wytwarzania tlenu do stosowania w sposobie spalania według wynalazku. Przedstawione urządzenie 180 wytwarza dziennie 105 ton tlenu o czystości co najmniej 95 procent oraz 1620 m³ (60.000 stóp sześciennych) na godzinę azotu zawierającego mniej niż 0,1 ppm tlenu. Gazowy tlen 188 jest doprowadzany bezpośrednio do systemu spalania, a ciekły tlen 190 jest magazynowany, np. w zbiornikach 191, do późniejszego wykorzystania w sposobie spalania. Gazowy azot 194 jest odprowadzany do dalszego wykorzystania.

Zakłada się, że można stosować zasadniczo dowolne źródło paliwa. Przykładowo w niniejszym wynalazku tlen jest doprowadzany wraz z gazem ziemnym do spalania w piecu. Inne rozważane źródła paliwa obejmują oleje, zarówno rafinowane, jak i zużyte, drewno, węgiel, pył węglowy, odpadki, śmieci itp. Jest wiele źródeł paliwa, które można użyć w przedmiotowym sposobie spalania paliwa w piecu.

Przedmiotowy sposób odchodzi od konwencjonalnych procesów w dwóch głównych obszarach. Po pierwsze, konwencjonalne procesy spalania wykorzystują powietrze (jako czynnik utleniający, dostarczający tlenu), a nie zasadniczo czysty tlen. Tlen zawarty w powietrzu (około 21%) jest wykorzystywany w spalaniu, podczas gdy pozostałe składniki (a głównie azot) są ogrzewane w piecu i z niego wydalane. Po drugie, przedmiotowy proces wykorzystuje tlen w proporcji stechiometrycznej do paliwa. Oznacza to, że dostarczana jest tylko wystarczająca ilość tlenu proporcjonalna do ilości paliwa, by zapewnić pełne spalanie paliwa. Do systemu spalania nie doprowadza się więc żadnego nadmiaru tlenu.

Dzięki zastosowaniu przedmiotowego systemu spalania uzyskuje się wiele zalet i korzyści. Zaobserwowano, jak opisano poniżej, że zużycie paliwa w celu wytworzenia równoważnej ilości energii lub ciepła jest zmniejszone w pewnych zastosowaniach nawet o 70%. Może to doprowadzić do olbrzymiego zmniejszenia ilości wytwarzanych substancji zanieczyszczających. Znów w pewnych zastosowaniach emisja tlenków azotu może być zmniejszona zasadniczo do zera, a emisja innych gazów cieplarnianych może być zmniejszona nawet o 70% w porównaniu z konwencjonalnymi systemami spalania powietrze-paliwo.

W systemie według wynalazku piec jest zasilany paliwem na bazie węgla, takim jak gaz ziemny, w stosunku stechiometrycznym wobec tlenu. Stanowi to różnicę wobec znanych pieców, które wykorzystują mieszaniny paliwa i powietrza. Mieszaniny paliwa z powietrzem doprowadzają do pieca azot oraz tlen do podtrzymywania procesu spalania. Powoduje to wytworzenie niepożądanych tlenków azotu odprowadzanych w spalinach. Ponadto, azot pochłania też energię z roztopionego aluminium zmniejszając całkowitą sprawność procesu. Jest tak dlatego, ponieważ zawartość procentowa azotu w powietrzu jest tak duża, że duża ilość energii idzie raczej na ogrzewanie azotu niż aluminium.

Proporcje tlenu do gazu ziemnego w istniejących wytopowych i magazynowych piecach 14, 16 wynoszą w przybliżeniu 2,36:1. Stosunek ten zmienia się w zależności od czystości dostarczanego tlenu i od rodzaju paliwa. Przykładowo, w idealnych warunkach stosowania tlenu o czystości 100 procent obliczony teoretycznie stosunek wynosi 2,056:1. Jednakże doprowadzany tlen może zawierać nawet do około 15 procent innych składników, a gaz ziemny nie zawsze ma czystość 100%. Fachowcy

PL 202 159 B1 zauważą, że proporcje te mogą zmieniać się nieznacznie, ale podstawa do obliczania tych stosunków, którą są proporcją stechiometryczną paliwa do tlenu, pozostaje ważna.

Taka proporcja tlenu do paliwa daje wiele zalet. Po pierwsze, stechiometria taka zapewnia pełne spalanie paliwa z mniejszą ilością tlenku węgla, tlenków azotu i innych szkodliwych substancji w spalinach (innych gazów cieplarnianych). Ponadto, kontrolowane proporcje tlenu zmniejszają również ilość tlenków zawartych w roztopionym aluminium. To z kolei zapewnia wyższą jakość końcowego wyrobu aluminiowego i potrzebę mniejszego przetwarzania w celu usunięcia tych niepożądanych zanieczyszczeń tlenkowych.

Warto zauważyć, że dokładne kontrolowanie stosunku tlenu do paliwa zapewnia pełne spalanie paliwa. Stanowi to silne przeciwieństwo wobec przykładowo elektrowni opalanych paliwami kopalnymi (np. elektrowni publicznych), które walczą z problemem zaniku zapłonu. Zasadniczo utrata zapłonu jest równoważna niepełnemu spalaniu paliwa. Z drugiej strony, według niniejszego sposobu, zasadniczo czysty tlen w ściśle kontrolowanej proporcji stechiometrycznej do paliwa zmniejsza do minimum i ewentualnie eliminuje takie straty. Ponadto, zgodnie ze sposobem wedł ug wynalazku tlenki azotu teoretycznie pochodzą tylko z paliwa, a nie ze spalania z użyciem powietrza. Zawartość tlenków azotu, jeżeli nie są one całkowicie wyeliminowane, jest zmniejszona do nieznacznej wartości w porównaniu z konwencjonalnymi systemami spalania.

Stwierdzono również, że stosowanie mieszaniny paliwa z tlenem powoduje wyższą temperaturę płomienia w piecu wytopowym. Przy stosowaniu tlenu z paliwem osiąga się temperaturę płomienia w piecu około 2760°C (5000°F). Jest to o około 816-1093°C (1500-2000°F) więcej niż w innych znanych piecach. Zaobserwowano również, że przy stosowaniu mieszaniny tlenu z powietrzem w połączeniu z taką wyższą temperaturą płomienia uzyskuje się proces o maksymalnie zwiększonej sprawności. Przy jednym pomiarze sprawności mierzy się energię w MJ (BTU) potrzebną na kg (funt) przetwarzanego aluminium. W znanym procesie potrzebna energia wynosi około 7,6 MJ/kg przetwarzanego produktu (około 3620 BTU/funt). W przedmiotowym procesie i urządzeniu wymagania energetyczne są znacznie mniejsze i wynoszą około 2,2 MJ/kg (1083 BTU/funt) przetwarzanego metalu. Należy również zauważyć, że chociaż paliwem omawianym powyżej w odniesieniu do przedmiotowego sposobu jest gaz ziemny, można stosować dowolne paliwo organiczne, takie jak olej (łącznie z olejem zużytym), węgiel kamienny, pył węglowy itp.

Ponadto, ponieważ do pieca 14 nie jest dostarczany azot (oprócz azotu zawartego w paliwie), objętość gorących gazów (np. spalin) przepływających przez piec 14 jest bardzo mała. Korzystnie zwiększa to czas przebywania gazów w piecu 14, stwarzając dodatkową sposobność przenoszenia ciepła do roztopionego metalu. Konwekcyjne przenoszenie ciepła, chociaż stosunkowo słabe, jest skuteczniejsze niż w piecach konwencjonalnych. Ponieważ gorące gazy w piecu 14 według przedmiotowego wynalazku mają temperaturę zbliżoną do 2760°C (5000°F) i mają stosunkowo długi czas przebywania, to zostają pozbawione znacznej ilości ciepła przed ich wypuszczeniem.

Ilość energii, którą trzeba doprowadzić do pieca 14 według wynalazku, by spowodować wytopienie, wynosi w przybliżeniu 2,2 MJ/kg (1083 BTU/funt). Maksymalna ilość energii cieplnej doprowadzanej do pieca 14 wynosi w przybliżeniu 42,2 GJ (40 milionów BTU) na godzinę, a zwykle 10,5-12,6 GJ (10-12 milionów BTU) na godzinę. Ilość doprowadzanego ciepła oczywiście zależy od roztapianego złomu i od wymagań produkcyjnych. Piec nadaje się do wytapiania 20 t (40 000 funtów) na godzinę.

Palniki 84 do spalania paliwa w tlenie działają przy znacznie wyższej temperaturze niż konwencjonalne piece. Występuje zatem zauważalne zwiększenie ilości ciepła, które można wykorzystać do roztapiania (w innych zastosowaniach przemysłowych tę zwiększoną ilość ciepła można wykorzystać np. do wytwarzania pary wodnej, spopielania odpadków itp.). Zapewnia to zmniejszenie ilości paliwa potrzebnego do działania pieców 14, 16, 166. W praktycznej realizacji przedmiotowego wynalazku zaobserwowano, że średnia (i szacowana) wejściowa moc cieplna potrzebna do roztopienia jednego kilograma aluminium jest zmniejszona z około 7,6 MJ (3620 BTU/funt) (w konwencjonalnym piecu) do około 2,2 MJ/kg (1083 BTU/funt) w wytopowym piecu 14. Stanowi to zmniejszenie o około 70 procent. Ponadto, okazało się, że ilość paliwa potrzebna do utrzymywania temperatury w magazynowym piecu 16 jest w przybliżeniu równa połowie ilości potrzebnej w konwencjonalnym piecu.

Uważa się, że oszczędności paliwa należy przypisać trzem głównym czynnikom. Po pierwsze, zwiększone ciepło systemu spalania umożliwia pełne spalanie całego paliwa bez nadmiaru tlenu. Po drugie, zgodnie z teorią uważa się, że system spalania działa w strefie przenoszenia ciepła przez promieniowanie, a tylko niewielka ilość ciepła jest przenoszona przez przewodzenie.

PL 202 159 B1

System jest skonstruowany tak, by wykorzystywać przenoszenie ciepła przez promieniowanie w piecach 14, 16, 166, by sprawnie przenosić ciepło do roztopionego metalu. Po trzecie, ponieważ w procesie spalania nie ma azotu, ilość gazu przepływającego przez piece 14, 16, 166 jest mała. Zwiększony czas przebywania gorących gazów umożliwia zatem uwolnienie większej części energii (w postaci ciepła) przed odprowadzeniem z pieców 14, 16,166.

Typowa objętość gazów spalinowych jest ułamkiem ich objętości w konwencjonalnych piecach. Ponieważ w piecu do spalania paliwa w tlenie jest o około 80% mniej gazów (głównie o azot zawarty w powietrzu), to sprawność spalania jest znacznie zwiększona. W konwencjonalnych piecach azot z powietrza pochłania wiele energii (znów w postaci ciepła) z roztopionego metalu. W przedmiotowym systemie spalania tlen (zamiast powietrza) i paliwo są doprowadzane do pieców 14, 16, 166, gdzie spalanie odbywa się w stosunku stechiometrycznym. Spalanie przeprowadzane jest zatem bez nadmiaru tlenu. Energia nie jest więc pochłaniana przez materiały niezwiązane ze spalaniem, np. przez nadmierną ilość tlenu lub przez azot.

Przedmiotowy sposób spalania według wynalazku umożliwia również zwiększenie produkcji. Po zainstalowaniu w piecu wytopowym zdolność wytopowa lub przepustowość pieca zostaje zwiększona. Przypisuje się to znów szybkiemu i skutecznemu przenoszeniu ciepła w piecu 14. Gdy świeży metal wprowadza się do pieca 14 system spalania szybko reaguje dostarczaniem ciepła, by roztopić doprowadzony metal i utrzymywać ciepło (temperaturę) roztopionego metalu w kąpieli na zadanej wartości. Stwierdzono, że aluminium przyjmuje ciepło bardzo sprawnie ze źródła ciepła promieniowania.

Jednym z istotnych aspektów stosowania sposobu według wynalazku jest zmniejszenie zagrożenia środowiska w porównaniu ze znanymi obecnie i stosowanymi systemami spalania. Przedmiotowy system korzystnie nie wykorzystuje azotu (z powietrza) w procesie spalania. Zwykle w piecu jako produkt reakcji ogrzanego powietrza dostarczonego przez system spalania powstają tlenki azotu. Jednakże ponieważ przedmiotowy system wykorzystuje tlen zamiast powietrza, tlenki azotu wytworzone przez przedmiotowy system spalania pochodzą tylko z pierwiastkowego azotu zawartego w paliwie. Ponieważ zawartości azotu w paliwie są bardzo małe (w porównaniu z ilościami doprowadzanymi przez powietrze w konwencjonalnych piecach), zawartości tlenków azotu z przedmiotowego systemu spalania są znacznie poniżej wszelkich norm przemysłowych i ograniczeń prawnych. Oprócz zmniejszania wytwarzania tlenków azotu znacznie zmniejszone jest również wytwarzanie innych gazów cieplarnianych, takich jak tlenek węgla.

Ponadto, oprócz zmniejszonego szkodliwego wypływu na środowisko, przedmiotowy sposób spalania paliwa w tlenie oszczędza również energię, ponieważ w procesie spalania według wynalazku znacznie więcej aluminium można przetworzyć przy doprowadzaniu znacznie mniejszej ilości paliwa (dowolnego paliwa na bazie węgla, łącznie z węglem kamiennym, pyłem węglowym, gazem ziemnym lub olejem). W wyniku przetwarzania z mniejszym zużyciem paliwa uzyskuje się oszczędność zasobów paliwa. Zasadniczo zużywa się mniej paliwa w sumie, jak również w przeliczeniu na jednostkę ciężaru przy produkcji aluminium. Zmniejsza to koszty produkcji (np. paliwa), jak również obciążające wykorzystywanie paliw kopalnych.

Sposób spalania według wynalazku może być wykorzystany i zastosowany w innych niż metalurgia dziedzinach przemysłu.

Przewiduje się, że system spalania według wynalazku może zastąpić istniejące systemy spalania całkowicie lub alternatywnie, w celu uzupełniania tlenem powietrza wykorzystywanego do spalania. Fachowcy zauważą korzyści uzyskiwane przy stosowaniu sposobu spalania paliwa według wynalazku (lub w pewnych zastosowaniach systemu uzupełniania tlenem) w kotłach elektrowni lub w piecach, które wykorzystują takie paliwa jak olej lub gaz.

System spalania paliwa w piecu według wynalazku wykorzystuje z drugiej strony tlen o wysokiej czystości, który umożliwia spalanie nie spalonego materiału bez wytwarzania tlenków azotu i innych gazów cieplarnianych oraz bez towarzyszących efektów chłodzenia.

Przy zastosowaniu sposobu spalania paliwa według wynalazku stwierdzono, że na każdy kilogram roztopionego aluminium potrzebne było tylko 0,027 metra sześciennego gazu ziemnego (1,03 stopy sześciennej gazu/funt aluminium (lub 1083 BTU)). Przedmiotowy system spalania paliwa w tlenie wykorzystywał tylko 1,14 MJ/3,82 MJ (1083 BTU/3620 BTU), czyli 29,9% paliwa wymaganego dla pieca zasilanego powietrzem. Jest to zmniejszenie o wartość względną wynikającą z różnicy liczb 1,0-0,299, czyli około 70% zużycia paliwa. Podobne, chociaż niecałkiem tak drastyczne zmniejszenie zużycia paliwa, zaobserwowano w przypadku systemów spalania paliwa w tlenie, które wykorzystują jako paliwo zużyty olej. Stwierdzono, że wartość cieplna zużytego oleju potrzebna do roztopienia każdego

PL 202 159 B1 kilograma aluminium wynosiła 1,28 MJ (1218 BTU/funt). Zmniejszenie zaobserwowane w przypadku zużytego oleju wynosiło zatem 1,28/3,82 (1218/3620) czyli 33,5 procent, co oznacza zmniejszenie zużycia paliwa o około 66 procent. Nawet bez rozważania zmniejszenia emisji zanieczyszczeń, sposób spalania paliwa według wynalazku powodował zmniejszenie zużycia paliwa o około 70 procent i 66 procent odpowiednio przy stosowaniu gazu ziemnego i zuż ytego oleju, w porównaniu z piecem opalanym gazem ziemnym z doprowadzanym do jego spalania powietrzem.

W tablicy 1 poniż ej przedstawiono porównanie zanieczyszczeń wytwarzanych przy stosowaniu systemu spalania paliwa gazowego w powietrzu (rubryka powietrze-gaz), przy systemie spalania paliwa w tlenie (rubryka tlen-gaz) oraz przy systemie spalania zużytego oleju w tlenie (rubryka tlen-olej). Przedstawionymi zanieczyszczeniami są tlenek węgla (CO), gazowe związki azotu (NOx), cząstki stałe o wielkości mniejszej niż 10 um (PM10), cząstki stałe ogólnie (PT), gazowe związki zawierające siarkę (SOx) oraz lotne związki organiczne (VOC).

Dane przedstawiono dwojako, mianowicie w tonach wytworzonych w ciągu roku (t/rok) oraz w kilogramach wytworzonego materiału na GJ zużytej energii (kg/GJ). Dane w nawiasach w rubrykach tlen-gaz i tlen-olej oznaczają zmniejszenie zanieczyszczeń w porównaniu z systemem spalania gazu w powietrzu.

T a b e l a 1

Analiza spalin z systemów spalania powietrze-gaz, tlen-gaz i tlen-olej

	Powietrze-gaz	Tlen-gaz	Tlen-olej
Zanieczyszczenie	t/rok	kg/GJ	t/rok	kg/GJ	t/rok	kg/GJ
CO	4,88	0,9E-2	1,51	2,6E-3 (68,9)	1,32	2,1E-3 (73,0)
NOx	24,38	0,5E-1	0	0 (100,0)	10,04	0,02 (58,8)
PM10	0,028	0,5E-4	0,0023	4,0E-6 (92)	0,146	2,6E-4 (-410)
PT	0,028	0,5E-4	0,0023	4,0E-6 (92)	0,169	3,0E-4 (-490)
SOx	0,146	2,6E-4	4,5E-2	0,8E-4 (69)	1,39	2,5E-3 (-848)
VOC	0,582	2,4E-3	4,0E-1	1,6E-3 (31)	3,33	1,4E-2 (-471)

Wartości dla PM10, PT, SOx i VOC w przypadku systemu spalania zużytego oleju w tlenie wykazują wzrosty (jako ujemne zmniejszenia). Jest to spowodowane częściowo brakiem procesów obróbki po spalaniu w przykładowym systemie spalania. Przewiduje się, że prawidłowe procesy po spalaniu uwzględniałyby stosowanie filtrów workowych (na cząstki stałe) i płuczek (na gazy zawierające siarkę) i powodowałyby zmniejszenie wytworzonych emisji odpowiednio o co najmniej 98,99 procent i 95 procent. Wartości uzyskane w tabeli 1 oparte są na zaobserwowanym zmniejszeniu zużycia paliwa i są określone zgodnie z przyjętymi kryteriami agencji ochrony środowiska USA (United States Environmental Protection Agency - USEPA) zgodnie z tablicami AP42 USEPA.

Należy zauważyć, że powyższe wartości oparte są na kontrolowaniu atmosfery wewnątrz pieca, w którym zastosowany jest system spalania w tlenie. Oznacza to, że wartości przedstawione powyżej, które oznaczają zmniejszenie emisji zanieczyszczeń w przypadku systemów spalania tlen-gaz i tlenolej wymagają, by piec, w którym takie systemy spalania są zainstalowane, był skonstruowany z ograniczeniem do pomijalnie małych wartości przenikania powietrza do wnętrza pieca (to znaczy do pomijalnie małych zawartości azotu w atmosferze spalania).

Jak to zauważą znawcy dziedziny, stosowanie tlenu o wysokiej czystości lub powietrza (bardzo wzbogaconego tlenem) i dowolnego paliwa na bazie węgla może być łatwo zaadoptowane w wielu istniejących systemach przemysłowych. Przewiduje się, że użycie takiego systemu w znormalizowanych i konwencjonalnych zastosowaniach przemysłowych zapewni wiele zalet i korzyści w porównaniu ze znanymi, obecnie używanymi systemami z doprowadzaniem powietrza i nadmiaru powietrza. Chociaż wiele istniejących zakładów może wymagać przekonstruowania i modyfikacji, by zastosować

PL 202 159 B1 w nich systemy spalania paliwa według wynalazku w celu polepszenia wydajności i zwiększenia produkcji, uważa się, że zalety osiągane przez wprowadzenie tych zmian w konstrukcji, takie jak zmniejszone koszty eksploatacji, np. zmniejszone koszty paliwa, obniżone nakłady kapitałowe i zmniejszone emisje zanieczyszczeń znacznie przeważą koszty wprowadzenia takich zmian.

Z powyższego wynika, że bez odchodzenia od rzeczywistej idei wynalazczej i zakresu nowych pomysłów przedmiotowego wynalazku można wprowadzić liczne modyfikacje i zmiany. Przedstawione w opisie przykł ady nie powinny być jednak rozumiane jako ograniczenie samego wynalazku oraz zakresu jego stosowania.

Claims (8)

1. Sposób spalania paliwa w piecu, w którym dostarcza się do pieca tlen i paliwo na bazie węgla poprzez wloty do co najmniej jednego palnika, i w którym stosuje się bardzo szczelny piec uniemożliwiających przedostawanie się do niego powietrza z atmosfery, znamienny tym, że do palnika (84) doprowadza się tlen o czystości co najmniej 85%, gdzie nadmiar tlenu w stosunku do paliwa lub odwrotnie nie przekracza 5% wartości stechiometrycznych, oraz że spalaniem paliwa steruje się tak, że temperatura wytworzonego płomienia wynosi co najmniej 2480°C, przy której we wnętrzu pieca (14), (16), (166) bez obecności powietrza wytwarza się strefę przenoszenia ciepła promieniowania, w której podstawowym sposobem przenoszenia ciepła jest promieniowanie, przy czym piec poddaje się bezpośrednio działaniu ciepła promieniowania pochodzącego ze spalanego paliwa, oraz że steruje się ilością dostarczanego tlenu i paliwa do wlotów (152) i (154) palników tak, aby temperatura wydalanego z pieca strumienia spalin, przed odzyskiem ciepła, była nie większa niż 595°C.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tlen doprowadza się do palnika z ustaloną szybkością, a paliwo dostarcza się z szybkością dostosowaną do szybkości tlenu i w ilości wynikającej z proporcji stechiometrycznej.

3. Sposób według zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że ustala się przynajmniej jedną żądaną temperaturę w piecu (14), oraz że proporcje dostarczanego tlenu i paliwa kontroluje się przez centralną jednostkę sterującą.

4. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że paliwem na bazie węgla jest paliwo gazowe.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że paliwem gazowym jest gaz ziemny.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że paliwem na bazie węgla jest paliwo stałe.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że paliwem na bazie węgla jest paliwo płynne.

8. Sposób według zastrz. 1, albo 2, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, znamienny tym, że stosuje się tlen pochodzący z instalacji kriogenicznej (180).