RO114675B1

RO114675B1 - METODA SI ARZATOR PENTRU COMBUSTIA GAZELOR NATURALE CU EMISIE JOASA DE NOx, CO

Info

Publication number: RO114675B1
Application number: RO144062A
Authority: RO
Inventors: Enrico Sebastiani
Original assignee: Worgas Bruciatori Srl
Priority date: 1987-08-03
Filing date: 1987-08-03
Publication date: 1999-06-30
Also published as: EP0373157B1; DE3787810T2; AU627146B2; BR8707991A; WO1989001116A1; JPH0617729B2; RU2002994C1; JPH02501496A; ATE95905T1; AU7809187A; EP0373157A1; DE3787810D1

Description

Invenția se referă la o metodă și la un arzător de gaz cu emisie joasă de NOx, CO, destinate exploatării și echipării instalațiilor de ardere.

Prin utilizarea de arzătoare atmosferice poate apărea, în general, o combustie imperfectă, cu emisii dăunătoare de monoxid de carbon și oxizi azotici, care poluează atmosfera.

Tehnica anterioară nu are în vedere reducerea emisiilor dăunătoare de oxizi de azot și de monoxid de carbon. Acest lucru este justificat de faptul că rezolvarea problemei reducerii emisiilor poluante ale arzătorului atmosferic este considerată imposibilă numai prin acționarea metodei de combustie sau prin dimensionarea arzătorului.

Sunt cunoscute arzătoare atmosferice de genul celui descris în brevetul EP-A0009831, arzător atmosferic (POLIDORO), prevăzut cu un difuzor cilindric, cu o suprafață perforată, constând din subgrupe de fante distanțate la 2 mm în direcție transversală și cu găuri de ghidare la fiecare capăt. Fiecare subgrupă constă din serii de fante transversale, paralele, compacte, cu o distanță centrală de numai 1,2 mm, în vederea obținerii unui “front unic al flăcării” de la fiecare grup, adică o flacără verticală mare, unică, și a reducerii paraziților arzătorului la o putere termică mare.

Este, de asemenea, cunoscut din EP-A-0217470 un arzător atmosferic (NEFIT), în care amestecul primar aer-gaz, introdus printr-un tub Venturi, este apoi dirijat în jos spre ieșirea din tub, fiind apoi alimentat lateral înapoi în sus, cu o turbulență redusă la minimum, pentru alimentarea fantelor difuzorului perforat. Scopul constă în obținerea unei arderi pe cât posibil uniforme, fără producere de paraziți. De fapt, suprafața difuzorului corpului prezintă grupe de fante similare celor din EP-A0009831

In sfârșit, există, de asemenea, brevetul DE-A-2132968, care prezintă un arzător atmosferic (FOGLIANI, PANINI și VECCHI) echipat cu niște grupe mici, variate, de fante, dispuse strâns împreună și/sau cu rânduri de găuri aliniate transversal, având găurile de ghidare respective, la capete; corpul arzătorului are o secțiune transversală, poligonală, caracterizând difuzorul îndeosebi prin două laturi în unghi, care are fantele de-a curmezișul legăturii dintre aceste laturi, creând o flacără dublă (cu două volute] pe planul transversal al difuzorului. în acest arzător, flacăra este mai stabilă și nivelul paraziților mai redus.

Chiar dacă s-ar recunoaște, în termeni generali, că a fost posibilă alimentarea arzătorului cu o cantitate de aer primar care depășește 80% din valoarea stoichiometrică a aerului, dat fiind disponibilitatea aerului secundar de a aduce totalul peste parametrul stoichiometric, corpurile arzătoarelor fabricate conform tehnicii anterioare nu sunt de un tip care ar putea funcționa satisfăcător în aceste condiții, din cauza supraîncălzirii foii subțiri de metal din care este confecționat difuzorul arzătorului.

De altfel, tehnica anterioară nu a permis construirea de arzătoare cu emisii joase de gaze dăunătoare, destinate camerelor de combustie cu o putere termică care să depășească 4DW/cm² de suprafață a bazei. în plus, dacă valoarea de putere termică de 1,1 kW/cm² de suprafață de ieșire a amestecului difuzorului arzătorului a fost depășită, în acest caz ar deveni imposibilă introducerea unei cantități de aer primar care să depășească 80% din valoarea stoichiometrică. Valorile puterii termice (egale cu capacitatea combustiei specifice) au fost, în general, de 1,3...1,7 kW/cm², ceea ce a permis eliminarea riscului de supraîncălzire.

Amestecul care a parcurs la o viteză înaltă interiorul arzătorului determină pierderi mari de sarcină, făcând imposibilă introducerea în cantități mari a aerului primar.

RO 114675 Bl

Tehnica anterioară nu asigură arzătoare atmosferice cu flăcări lamelare. 50 Dimpotrivă, în scopul creșterii puterii termice și a stabilității flăcării, caracteristicile încorporate arzătoarelor existente aveau scopul să grupeze împreună flăcările, pe cât posibil, în formațiuni verticale compacte, în vederea asigurării așa-zisului “front unic (bineînțeles POLIDORO și FOGLIANI, PANINI și VECCHI intră în această categorie, NEFIT, deși nu discută problema, prezintă totuși o configurație similară de fante], 55 Acest lucru reduce, de fapt, în mod considerabil suprafața de contact dintre flacără și aerul secundar.

De fapt, arzătoarele realizate conform tehnicii anterioare, prevăzute cu grupe și subgrupe de fante, cu corpul proiectat în așa fel încât să permită o admisie de aer primar sub 80%, nu au generat flăcări lamelare, producând astfel emisii dăunătoare. 60

Problema tehnică constă în conceperea unei metode și a unui arzător atmosferic pentru aplicarea metodei, în condițiile adoptării unei puteri termice raportată la suprafeța bazei camerei de ardere de cel puțin 40 kW/cm², fără a acționa asupra dimensiunilor arzătorului.

Metoda de combustie rezolvă problema tehnică, prin aceea că implică aspi- 65 rarea printr-un tub Venturi a unei cantități de aer primar de cel puțin 80% din aerul stoichiometric necesar combustiei și a unei cantități de aer secundar, care să vină în contact cu amestecul de gaz-aer primar imediat după aprindere, pentru a aduce întreaga cantitate de aer la un nivel superior valorii stoichiometrice, urmată de pornirea și completarea arderii cu o flacără lamelară, divergentă, mică și subțire, în 70 formă de aripi, arderea gazului natural fiind însoțită de o emisie luminoasă de culoare violetă în domeniul spectrului vizibil, cu o lungime de undă sub 0,42 microni.

Arzătorul de gaz cu emisie joasă de NOx, CO, pentru aplicarea metodei de combustie a gazelor naturale, conform invenției, rezolvă problema tehnică, prin aceea că este echipat cu un tub de aspirație de forma unui tub Venturi, montat în difuzorul 75 arzătorului, prevăzut cu gupe de fante și cu găuri de prevenirea ascensiunii flăcării, așezate în rânduri perpendiculare pe axa corpului arzătorului, lăsând între grupele unui rând distanțe de cel puțin 0,65 b, unde “b” este lungimea fantei celei mai lungi dintr-o grupă, și între două rânduri adiacente o distanță de cel puțin nd/2, unde “d” este lățimea, pe direcție axială, a fantelor care formează o grupă, iar “n” este fie numărul 80 de grupe prevăzute pe un rând, fie numărul de grupe din două rânduri adiacente, atunci când rândurile sunt decalate.

Avantajele aplicării invenției sunt următoarele:

- reduce emisiile de noxe la niveluri extrem de joase, chiar în camerele de combustie a căror putere termică, raportată la suprafața bazei, este de cel puțin 40 85 kW/cm²;

- putere termică înaltă, fără supraîncălzirea arzătorului;

-în flacăra lamelară are loc o ardere completă;

- se mărește suprafața de contact între flacără și aerul secundar.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a metodei de combustie și a 90 arzătorului de gaz cu emisie joasă de NOx, Cox, în legătură cu fig.1 ...10, care reprezintă:

- fig. 1 ,o vedere în profil longitudinal a unui arător;

- fig. 2, o secțiune transversală de-a lungul axei A-A din fig.1;

- fig. 3a, 3b, variații posibile de grupe de fante; 95

- fig. 4, o vedere a unei dispuneri posibile a grupelor de fante;

- fig.5, o variantă a fig. 4;

- fig.6, o vedere în plan a părții superioare a unui arzător;

RO 114675 Bl

1OO

105

110

115

120

125

130

135

140

- fig.7, o vedere în profil a unei variante de realizare a arzătorului din fig. 6;

-fig. 8, 9, variante ale fig. 2 și

- fig.10a,10b,10c,10d, vederi ale unor variante posibile ale golurilor subgrupelor, în care sunt evidențiate pozițiile mutuale ale subgrupelor de fante și ale subgrupelor de goluri.

Metoda pentru combustia gazelor naturale cuprinde o primă etapă de aspirare a unei cantități de aer primar, egală cu cel puțin 80% din aerul stoichiometric necesar arderii, urmată de etapa de aprindere a amestecului gaz-aer primar, după care are loc etapa de admisie a unei cantități de aer secundar care să vină în contact cu amestecul de gaz-aer primar imediat după aprindere, pentru a duce valoarea totală a aerului implicat la un nivel superior valorii stoichiometrice. Urmează etapa de pornire și completare a arderii printr-o flacără lamelară, sub formă de aripi, moment în care are loc și o emisie luminoasă de culoare violetă, în domeniul spectrului vizibil, cu o lungime de undă sub 0,42 microni. Flacăra lamelară nu este verticală, ci divergentă, mică și subțire, permite aerului să intre în contact cu toate laturile ei, pe o suprafață întinsă, asigurând o combustie completă, chiar din primul moment, în timp ce în flăcările convenționale există nu mai puțin de trei zone (de culoare albastruverde], unde amestecul de aer-combustibil este încălzit la punctul de aprindere, o zonă intermediară (de culoare albastră], unde are loc o combustie incompletă a amestecului, lăsând reziduuri de monoxid de carbon și de hidrogen, și o zonă exterioară unică, de culoare violet, unde gazele nearse în zona intermediară sunt supuse combustiei atunci când vin în contact cu aerul secundar.

Când se ard gaze naturale, aplicarea metodei noi la arzătorul nou generează flăcări lamelare de culoare violetă; măsurătorile efectuate au dat valori de lungimi de undă sub 0,42 microni, în cadrul domeniului violet al spectrului vizibil. în cazul arzătoarelor conform invenției, flacăra lamelară constituie singura formă care permite emisii minime de NQx și CO. Această flacără constituie fenomenul care indică efectul unei metode noi, foarte avantajoase, de combustie în arzător, conform invenției.

Pe de altă parte, arzătorul, prin intermediul căruia se aplică metoda descrisă de invenție, este proiectat pentru a mări suprafața de contact dintre flacără și aerul secundar, la cel mai înalt nivel posibil. în acest fel, se generează flăcări individuale subțiri, fiecare cu o suprafață mare, începând cu o pereche de aripi divergente, care rămân complet separate.

Fig. 1 și 2 reprezintă un arzător care constă dintr-un corp 1, care conține un tub Venturi 2, cu un ajutaj neted 3, în formă de pâlnie parabolică. Tubul Venturi lasă o suprafață liberă (hașurată în fig. 2, 8 și 9] în interiorul corpului arzătorului 1, astfel încât să imprime amestecului aer/gaz o viteză medie care să nu depășească 2m/s. Partea superioară a corpului arzătorului are goluri din care iese o serie de flăcări mici F. Secțiunea corpului arzătorului 1, în care sunt amplasate golurile, este convexă, cu o rază de curbură mai mare decât raza de curbură a părții inferioare. Golurile constau din grupe 5 mici de fante 7, fiecare cu câte două subgrupe 4, astfel încât flacăra F va avea două aripi (conform fig. 7). Grupele 5 mici sunt aranjate în rânduri 8, perpendicular pe axa 10 a arzătorului. Alte goluri 6 care previn ascensiunea flăcării sunt așezate între grupurile 5 mici (conform fig.10a...10d). Rândurile de grupe mici pot fi aranjate unele de-a lungul celorlalte, grupele mici fiind aliniate, așa cum se vede în fig. 4, distanța “a” între grupurile 5 fiind în acest caz de cel puțin 0,65 b, unde “b” este lungimea maximă a fantelor dintr-o grupă, în timp ce distanța “c” dintre rânduri este de cel puțin nd/2, unde “n” este numărul de grupe 5 mici și d este lățimea totală ocupată de fantele 7 dintr-o grupă 5. în mod alternativ, rândurile 8 de grupe mici 5

145

RO 114675 Bl pot fi decalate față de rândurile 8', așa cum se vede în fig. 5. Cu această configurație de tablă de șah, distanțele a” și c” trebuie să satisfacă condițiile mai înainte descrise; “n”, în acest caz, este suma grupelor mici în cele două linii adiacente 150 decalate 8 și 8'. Distanța între subgrupele 4 din fiecare grup mic 5 este de 2,4...2,8 mm.

Fiecare subgrupă poate consta din fante 7, egale în lungime și paralele (conform fig. 3a,4 și 5). Numărul fantelor poate să fie de 2,3 sau 4. în mod alternativ, subgrupele pot consta din fante 7' de diferite lungimi (descrescând de la 155 centrul grupei spre exterior), astfel încât aria ocupată de fiecare grup să corespundă unui romb. în acest caz, numărul de fante care formează o subgrupă poate fi 2, 3,4, maximum 5.

Golurile 6 de prevenire a ascensiunii flăcării pot fi dispuse așa cum este ilustrat în fig. 10a... 10d, adică în vârfurile unui pătrat și/sau ale unui triunghi echilateral 160 ideal, distanța lor centrală I fiind de 1,3...1,5 mm, de preferință 1,4 mm.

în fine, la arzătorul reprezentat în fig. 7, rândurile de grupe mici 5 sunt aranjate la distanțe variabile 07, D2, D3, D4, D5, D6. Acest lucru face posibilă adaptarea unui halo de flacără 11 la configurația schimbătorului de căldură. O adaptare similară este obținută transversal față de arzător prin varierea numărului 165 fantelor în fiecare grupă mică (fig. 9) sau prin distanțarea grupelor mici dintr-un singur rând.

Sunt prevăzute niște fante de ventilație 12 departe de grupele mici 5, în vederea distribuirii curentului invers de-a lungul corpului arzătorului 1. Forma și culoarea specială a flăcării face posibilă obținerea unei combustii de gaz de capacitate 170 înaltă - 40 kW/cm²- a camerei de combustie, suprafață măsurată în vedere plană cu un nivel foarte redus de emisii dăunătoare.

Dacă gura de admisie de aer nu este coaxială cu tubul Venturi, este de preferat ca acesta să fie ușor curbat în comparație cu axa injectorului, în scopul obținerii concentricității cu fluxul real al amestecului deviat. 175 în anumite cazuri, în vederea facilitării contracurentului amestecului care iese din tubul Venturi, fantele de ventilație de pe acesta sunt deschise pentru a obține un contacurent gradat. Aceste fante de ventilație sunt deschise pe tubul Venturi, în special, în zone depărtate de gurile de flăcări de pe difuzorul arzătorului.

De preferință, partea superioară a difuzorului arzătorului, unde sunt dispuse 180 fantele în grupe mici, trebuie să aibă o rază de curbură mai mică decât cea a părții inferioare.

De preferință, numărul de fante în fiecare grupă dintr-un rând descrește în direcția planului de simetrie vertical al arzătorului.

Pentru ca haloul să urmărească forma schimbătorului de căldură, rândurile 185 formate din grupe mici sunt dispuse longitudinal la o distanță variabilă. Este, de asemenea, posibilă varierea distanței între grupele unui singur rând. Fiecare grupă poate avea o suprafață diferită a gurilor.

Caracteristicile sale sunt următoarele: puterea termică nu depășește 1,1 kW/cm² de suprafață a gurilor de ieșire a amestecului din difuzorul arzătorului, viteza 1 90 medie a amestecului aer-gaz nu depășește 4,5 m/s, mai precis, 4m/s în gâtul tubului Venturi, iar între tub și difuzor viteza medie nu depășește 2,5 m/s, mai precis, 2m/s.

Claims

Revendicări

1. Metodă pentru combustia gazelor naturale, cu un conținut foarte redus de emisii dăunătoare (NOx, CO), cu ajutorul unui arzător atmosferic, caracterizată prin aceea că, în prima fază, în interiorul arzătorului este aspirată o cantitate de aer primar care reprezintă cel puțin 80% din aerul stoichiometric necesar combustiei, urmată de faza în care, pentru cele dintâi etape ale combustiei, aerul secundar înconjoară toate laturile fiecărei flăcări mici lamelare individuale (F), care iese din fiecare grupă (5) de fante (7, 7') prevăzute pe un difuzor al arzătorului (1), astfel încât aerul total implicat depășește valoarea stoichiometrică de aer, după care are loc faza în care combustia începe și devine completă în cadrul lățimii flăcării lamelare, asigurând o emisie de lumină violetă cu o lungime de undă mai mică de 0,42 microni, și o ultimă fază, în care fiecare grupă de fante (5) produce o mică flacără (F), cu cel puțin o aripă lamelară similară unei “aripi de fluture”.
2. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că fiecare grupă de fante (5) produce o mică flacără (F), cu două aripi lamelare divergente, similare “aripilor de fluture”.
3. Metodă conform revendicărilor 1 sau 2, caracterizată prin aceea că distanțele dintre micile flăcări (F) pot fi mărite sau micșorate, astfel încât înălțimea haloului de la vârful flăcărilor să urmărească forma unui schimbător de căldură (S).
4. Arzător pentru combustia gazelor naturale, cu un conținut foarte redus de emisii dăunătoare (NOx, CO), utilizat pentru aplicarea metodei conform revendicărilor 1,2 sau 3, caracterizat prin aceea că este echipat cu un tub de aspirație, în particular un tub Venturi, montat în difuzorul arzătorului (1), prevăzut cu fante și apoi găurit, difuzorul menționat având grupe mici (5) de fante și, de preferință, și găuri (6) de prevenire a ascensiunii flăcării, așezate în rânduri perpendiculare pe axa corpului arzătorului (10), lăsând între grupele mici de fante (5) ale unui rând distanțe de cel puțin 0,65 b, unde “b” este lungimea fantei celei mai lungi din grupa mică (5) și lăsând între două rânduri adiacente o distanță de cel puțin nd/2, unde “d” este lățimea, în direcție axială, a fantelor care formează o grupă mică (5), iar “n” este fie numărul de grupe mici prevăzute într-un rând, fie numărul de grupe mici din două rânduri adiacente, atunci când rândurile sunt decalate, astfel încât capacitatea de combustie specifică a arzătorului să nu depășească niciodată 1,1 kW pe fiecare centimetru pătrat de suprafață a gurilor de pe difuzorul arzătorului.
5. Arzător, conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că, ajutajul tubului Venturi este parabolic, astfel încât aerul aspirat păstrează o accelerație uniformă pe tot parcursul ajutajului, viteza medie maximă a amestecului fiind sub 4,5 m/s, de preferință 4 m/s, în timp ce secțiunile corpului arzătorului sunt destul de late pentru a menține viteza medie a fluxului de amestec sub 2,5 m/s, de preferință 2 m/s.
6. Arzător, conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că, rândurile de grupe mici (5) sunt decalate, formând în acest fel o configurație de tablă de șah.
7. Arzător, conform revendicărilor 4,6, caracterizat prin aceea că, grupele mici (5) de fante sunt despărțite în două subgrupe (4), fiecare subgrupă formată, de preferință, din 2, până la maximum 5 fante (7, 7') foarte apropiate una de alta, o subgrupă fiind la o distanță de 2,4...2,8 mm față de cealaltă.
8. Arzător, conform uneia din revendicările 4, 6, 7, caracterizat prin aceea că fantele (7') ale fiecărei grupe mici (5) sunt paralele una cu cealaltă si au lungimi

RO 114675 Bl diferite, cea mai mare lungime fiind prevăzută în interiorul grupei, iar cea mai mică lungime la exteriorul ei.
9. Arzător, conform uneia din revendicările 4, 6, 7, caracterizat prin aceea că, fantele (7) ale fiecărei grupe mici (5) sunt paralele una cu cealaltă și au aceeași 245 lungime.
10. Arzător, conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că distanța (07, D2, D3, D4, D5, D6] dintre rânduri este variabilă longitudinal, de-a lungul arzătorului.
11. Arzător, conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că distanța 250 dintre grupele mici (5) este variabilă de-a lungul difuzorului arzătorului (1).
12. Arzător, conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că suprafața gurilor grupelor mici (5) descrește înspre planul de simetrie vertical (13) al corpului arzătorului.
13. Arzător, conform revendicărilor 4 și 5, caracterizat prin aceea că tubul 255 de aspirație, în particular tubul Venturi (2), este ușor curbat în comparație cu axa jetului, în scopul obținerii concentricității cu fluxul real deviat al amestecului gaze-aer.
14. Arzător, conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că fantele de ventilație (12) ale tubului Venturi sunt deschise, pentru realizarea unui contracurent gradat. 260
15. Arzător, conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că partea superioară a difuzorului arzătorului (1), unde sunt localizate fantele (7, 7') în grupe mici (5), are o rază de curbură mai mare decât cea a părții inferioare.
16. Arzător, conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că găurile (G) sunt plasate în vârfurile unui pătrat și/sau ale unui triunghi echilateral ideal, la o 265 distanță față de centru (I) cuprinsă între 1,3 și 1,5 mm, de preferință de 1,4 mm.