RU2082915C1

RU2082915C1 - Способ сжигания топлива в камере сгорания и устройство для его осуществления

Info

Publication number: RU2082915C1
Application number: SU914895730A
Authority: RU
Inventors: Вюннинг Йоахим
Original assignee: Вюннинг Йоахим
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1997-06-27
Also published as: EP0463218B1; ES2064538T3; US5154599A; EP0463218A1; JPH05126316A; JP3260398B2; DE59007772D1; ATE114364T1

Abstract

Изобретение относится к способам сжигания топлива в камере сгорания и устройствам для осуществления этих способов. Задача изобретения - уменьшение выделения окислов азота при сжигании топлива. Способ сжигания топлива в камере сгорания заключается в том, что топливо окисляют предварительно подогретым воздухом в присутствии отводимых отработавших газов с отношением по массе потоков возвращаемых в цикл отработавших газов и воздуха для сжигания топлива r ≥ 2, при этом эту газовоздушную смесь удерживают до температуры выше температуры воспламенения и газовоздушную смесь соединяют затем с топливом с образованием зоны окисления в камере сгорания, в которой происходит практически беспламенное и безымпульсное окисление. Устройство для сжигания топлива в камере сгорания снабжено системой сопл для предварительно подогретого воздуха, размещенных в виде венца вокруг сопла для подачи топлива с возможностью отсасывания инжекционным эффектом отработавших газов после сгорания опять в зону подачи топлива. 2 с. и 27 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Изобретение относится к способам сжигания топлива в камере сгорания и устройствам для осуществления этих способов.

Классический способ преобразования энергии топлива в тепло состоит в окислении топлива окислителем в пламени. При сжигании природного топлива (уголь, углеводород с воздухом) температура пламени около 1600 2000^oC с тем преимуществом, что окисление топлива после поджигания фронта пламени продолжается само даже при неблагоприятных условиях (например, открытый огонь в камине и т. п.). Этот принцип сохраняется и при сжигании газообразного или жидкого топлива в горелках, причем большую роль играют меры стабилизации пламени. Горелки с производительностью от нескольких киловатт до многих мегаватт подразделяются в зависимости от подвода топлива и воздуха на горелки с предварительным смешиванием и горелки со смешиванием на выходе из сопла. В последних воздух может быть предварительно нагрет до весьма высоких температур для регенерации тепла отработавших газов. Относительным коэффициентом подогрева ε несколько упрощенно называют отношение температуры подогрева к температуре отработавших газов на выходе из камеры сгорания (та и другая в ^oC). В рекуперативных горелках на практике этот коэффициент достигает 0,7, а в регенеративных горелках он доходит до 0,9.

Несмотря на то, что предварительный нагрев воздуха, необходимого для сгорания, позволяет добиться существенного повышения экономичности, он повышает температуру пламени и ведет тем самым к весьма сильному повышению термообразования окислов азота. Эти окислы нежелательны из-за вреда, наносимого ими окружающей среде. Поэтому существуют нормативы, ограничивающие допустимое выделение окиси азота, причем существует тенденция к ужесточению этих нормативов.

Известные малотоксичные горелки работают на принципе так называемого ступенчатого сжигания [1] и/или охлаждения пламени возвращаемым отработавшим газом [2]
Для охлаждения пламени и снижения образования окислов азота отработавший газ или подсасывается на принципе аэрогидродинамики из камеры сгорания (внутренняя рециркуляция) или вновь подводится снаружи (внешняя рециркуляция). По соображениям стабилизации горения подмешивание отработавшего газа ограничено максимум 50% от количества воздуха, необходимого для горения.

Для стабилизации горения применяют наряду с этим обратный подвод нагретого газа к основанию факела непосредственно из пламени, причем в форсунках этот нагретый отработавший газ подводят сначала в струю топлива, как правило масла, для испарения топлива перед сжиганием и смешиванием с воздухом (так называемая "голубая форсунка") [3]
Помимо сжигания топлива в пламени известно и так называемое бесфакельное сжигание топлива технически применимое, например, в радиационных горелках [4] Окисление газообразного топлива происходит при этом непосредственно на поверхности пористого, чаще всего керамического элемента, отдающего тепло излучением. Сравнительно низкая температура при окислении способствует снижению образования окислов азота. Поскольку топливо предварительно смешивается с воздухом, этот воздух можно подогревать лишь немного, поскольку иначе происходит преждевременное зажигание или термическое разложение топлива. Поэтому такие горелки недостаточно экономичны при высоких мощностях и повышенных температурах (свыше 900^oC), кроме этого, форма излучающего элемента тоже вносит определенные ограничения.

Задача изобретения состоит в создании способа и устройства, позволяющих осуществить окисление топлива воздухом при расширении использования тепла, выделяющегося при окислении, при понижении образования окислов азота.

Для решения этой задачи в способе сжигания топлива в камере сгорания топливо окисляют предпочтительно предварительно подогретым воздухом в присутствии отводимых отработавших газов сгорания, а отработавшие газы, полезное тепло которых отведено из системы наружу, смешивают с подогретым воздухом, необходимым для горения, с коэффициентом рециркуляции r ≥ 2 (этот коэффициент представляет собой отношение по массе потоков возвращаемого отработавшего газа и подводимого воздуха) при поддержании температуры этой газовоздушной смеси более высокой, чем температура зажигания, и газовоздушную смесь затем приводят в соприкосновение с топливом с образованием зоны окисления, в которой происходит в основном бесфакельное и плавное окисление в камере сгорания.

Благодаря предварительному смешиванию отработавшего газа с воздухом в соотношении r ≥ 2 содержание кислорода в смеси снижается до менее 8% если работа ведется при обычном избытке воздуха 10% соответствующем содержанию кислорода в отработавшем газе 2% Еще более высокий избыток воздуха должен компенсироваться увеличением примешивания отработавшего газа.

Способ отличается необычно высоким коэффициентом рециркуляции отработавшего газа (r ≥ 2), благодаря чему даже максимальные температуры, развиваемые при окислении (≅ 1500^oC), ниже, чем при сжигании топлива в факеле. Несмотря на высокий подогрев воздуха и тем самым максимальное использование тепла отходящих газов, показатели образования окислов азота, образующихся при бесфакельном окислении, гораздо ниже значений, которые могли бы быть получены при окислении топлива в факеле без подогрева воздуха. Поэтому предлагаемый способ позволяет практически полностью устранить противоречие между экономичностью подогрева воздуха и как можно более полным устранением образования окислов азота. Помимо этого способ позволяет резко снизить уровень шума по сравнению с существующим при сжигании в факеле, поскольку отсутствуют колебания давления во фронте пламени, определяющие образование шумов.

Рециркуляцию частично охлажденных отбором полезного тепла отработавших газов из камеры сгорания и их смешивание с подогретым воздухом могут выполняться по-разному, причем возможна и внешняя рециркуляция. Однако наиболее предпочтительные соотношения достигаются в том случае, когда воздух в виде струй из сопл пропускается через область, практически не содержащую топлива, где эти струи благодаря инжекционному эффекту захватывают отработавшие газы, засасываемые из камеры сгорания, и могут смешиваться с ними. При этом предпочтительно располагать воздушные струи в виде венца и производить подачу топлива в область, окруженную воздушными струями, на определенном расстоянии за выходным отверстием сопла. При таком размещении воздушных струй и подвода топлива топливо окружено воздушными потоками, что благоприятно сказывается на полноте сгорания. Расстояние, на которое место подвода удалено от отверстий воздушных сопл, зависит от конкретных условий; его оптимальную величину можно при необходимости определить опытным путем. Его максимальная величина ограничена тем, что в любом случае должно обеспечиваться достаточное перемешивание топлива с потоками отработавшего газа и воздуха.

Воздух с учетом максимальной экономичности предпочтительно подогревать с коэффициентом подогревания e ≥ 0,6, причем на практике использование тепла, содержащегося в отработавших газах, ограничено только тем, чтобы отводимые в атмосферу отработавшие газы сохраняли минимальную температуру, обусловленную предотвращением конденсации водяных паров и тому подобными условиями.

Для подогрева воздуха, как указывалось выше, как правило, используют отработавшие газы, от которых ранее отведено полезное тепло. Можно использовать для подогрева и отводящее тепло из других процессов.

Для регулировки коэффициента рециркуляции отработавших газов, используемого в заявляемом способе, при упомянутом расположении воздушных струй в виде венца минимальное расстояние до отверстий сопл предпочтительно больше или равно удвоенному диаметру отверстия сопла. Рекомендуется также, чтобы скорость потока воздуха на выходе из сопл составляла не менее 20 м/с. Это минимальное значение позволяет иметь достаточный запас для регулирования, например, в десятикратном пределе. При бесфакельном окислении в соответствии с предлагаемым способом не существует требований стабилизации, необходимых, например, при факельном сжигании топлива.

В определенных случаях при высоком отводе полезного тепла необходимо поддерживать температуру газовоздушной смеси, по крайней мере в зоне окисления, на температуре воспламенения путем подвода внешнего тепла. С другой стороны существует также возможность каталитического снижения температуры зажигания в зоне окисления, т.е. с применением катализаторов.

Для запуска бесфакельного окисления топлива необходимо, во-первых, подать достаточное количество отработавшего газа для смешивания с воздухом, а во-вторых, создать температуру такой смеси, которая была бы не ниже температуры воспламенения. Эти условия можно создать искусственно, соответствующим подогревом воздуха подводимым извне теплом. Однако проще зажечь сначала в камере сгорания топливо при соответствующем избытке воздуха со стабильным факелом до достижения воздушно-газовой смесью температуры воспламенения, а затем соответствующим изменением подачи воздуха и/или топлива плавно перевести условия реакции в зоне окисления к бесфакельному окислению с отсутствием импульсов.

При исследовании бесфакельного окисления в зоне окисления было установлено, что при исчезновении факела не только устраняются голубое свечение и шум факела, но и возникающая при окислении в ином режиме эмиссия излучения в ультрафиолетовой области (с длиной волны около 190 270 нм). На основании этого можно получить важный вспомогательный рычаг оптимизации и контроля процесса окисления, состоящий в детектировании наличия светового излучения пламени в ультрафиолетовой области во время запуска и исчезновения этого свечения при установлении бесфакельного окисления с отсутствием импульсов. При этом характер измеренных показаний прямо противоположен тем, который получают при сжигании с факелом. При таком сжигании появление ультрафиолетового сигнала свидетельствует о том, что факел стабилен, в то время как при затухании факела ультрафиолетовый сигнал исчезает.

Для контроля бесфакельного окисления можно использовать измеряемое за зоной окисления повышение температуры в камере сгорания.

Предлагаемый способ можно применять практически при любом виде промышленного обогрева. Поскольку показатели выделения окислов азота даже при максимальном разогреве воздуха, подводимого для горения, ниже, чем при факельном сгорании с холодным воздухом, может оказаться целесообразным ограничить выделение полезного тепла даже при низкотемпературных процессов (например, при водонагревании), уменьшив поверхности теплообмена, и регенерировать остаточное теплосодержание отработавшего газа, пустив его на подогрев воздуха, подводимого для сгорания. Благодаря этому достигается крайне низкое выделение окислов азота и шума при одновременной экономии конструкционных затрат.

Предлагаемый способ можно осуществлять с газообразным или жидким (распыленным или испаренным) топливом, хотя он подходит и для сжигания твердых горючих материалов, которые могут по крайней мере частично разлагаться при повышенной температуре с выделением горючих газов (газифицироваться). Его можно использовать в рекуперационных горелках, регенерационных горелках, а также в установках для сжигания углях промышленных и бытовых отходов и других горючих материалов.

В устройстве для сжигания топлива в камере сгорания, предназначенном для осуществления этого способа, содержащем систему сопл для воздуха, отсасывающую инжекционным эффектом отработавшие газы, с направляющим аппаратом для подвода воздуха к системе сопл и питателем для топлива, система сопл имеет соответствующее число размещенных в виде венца сопл, в которых минимальное расстояние между соседними отверстиями сопл больше, чем двойной диаметр отверстий сопл, и система сопл соединена с подогревателем воздуха, к которому примыкает устройство для подачи воздуха, причем сопла системы сопл расположены в области камеры сгорания, содержащей практически лишь отработавший газ, у входа открытыми при этом, устройство для подачи воздуха рассчитано на скорость выхода воздуха минимально 20 м/с к отверстиям сопл, и питатель для топлива расположен в содержащей газовоздушную смесь области в камере сгорания.

Кроме того, питатель для топлива выполнен открытым внутри венца, образованного соплами, питатель газообразного, мелкокапельного или испаренного жидкого топлива содержит выпускное сопло, которое расположено на заданном расстоянии в направлении распространения потока за воздушным соплом. При этом измеренное в направлении потока расстояние между краем отверстия сопла и областью, в которой жидкое или газообразное топливо, выходящее из питателя смешивается со смесью, более чем в шесть раз превышает диаметр отверстия сопла, расстояние между топливным соплом и воздушными соплами выполнено с возможностью регулирования; воздухопровод и/или система сопл и/или питатель для топлива выполнены регулируемыми или переключаемыми между двумя различными рабочими положениями, в одном из которых топливо сжигается с избытком воздуха с образованием факела, а в другом топливо окисляется практически бесфакельно и безымпульсно.

Устройство также содержит камеру сгорания, открытую в венец, образованную соплами, в которой оканчивается питатель для топлива, и содержит воздухоподающие отверстия, причем воздухоподающим отверстиям и соплам соответствуют средства управления подачей воздуха, с помощью которых избирательно регулируется расход воздуха через воздухоподающие отверстия и сопла.

Устройство может быть выполнено с предвключенным перед соплами рекуператором, через который пропускаются воздух и отработавшие газы, от которых отведено в камере сгорания полезное тепло.

Устройство может быть также выполнено как регенеративная горелка с не менее чем двумя регенераторными блоками, через которые попеременно протекают воздух и отработавшие газы, охлажденные отбором полезного тепла, переключатели которых рассчитаны на воздух и отработавшие газы, регенераторные блоки размещены с образованием конструктивного элемента, окружающего питатель для топлива, и выполнены в виде патронов с не менее чем одним воздушным соплом, расположенным на торцевой стенке, обращенной к камере сгорания, питатель для топлива содержит нагревательную камеру, размещенную в камере сгорания, особенно для твердых, термически разлагаемых или газифицируемых горючих материалов, которая снабжена не менее чем одним выпускным отверстием, открытым в камеру сгорания для газообразного топлива, образующегося при газификации, и это отверстие для выхода топлива находится внутри венца, образованного воздушными соплами, камера выполнена постоянно загружаемой для непрерывной эксплуатации горючими материалами и содержит закрытую с двух сторон трубу, снабженную не менее чем одним выпускным отверстием для топлива и проходящую через камеру сгорания и закрытую относительно нее. Труба с обеих сторон закрыта затворами и содержит подвод для окислителя и на одном конце имеет загрузочное приспособление для горючего материала, а на другом конце - приспособление для удаления остатков сгорания.

На фиг. 1 показана схема, поясняющая предлагаемый способ; на фиг. 2 - устройство для осуществления предлагаемого способа, схематический разрез, вид сбоку; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 рекуперативная горелка, продольный разрез; на фиг. 5 расположение сопл для воздуха в рекуперативной горелке по фиг. 4, вид сверху; на фиг. 6 регенеративная горелка, осевой продольный разрез; на фиг. 7 вид с торца на сопла рекуперативной горелки по фиг. 6; на фиг. 8 устройство для сжигания твердого топлива, осевой продольный разрез; на фиг. 9 разрез Б-Б на фиг. 8; на фиг. 10 диаграмма, поясняющая выделение окислов азота при различных процессах сгорания в зависимости от предварительного нагрева воздуха, необходимого для сгорания.

Предлагаемый способ служит для того, чтобы в контролируемых условиях при пониженных температурах (не выше 1500^oC) окислять топливо сильно разогретым воздухом с малым выделением окислов азота. Принципиальный ход этого процесса рассматривается со ссылками на фиг. 1 3.

На фиг. 2, 3 схематически изображено устройство для практически бесфакельного и безимпульсного окисления газообразного топлива (например, природного газа). Это устройство содержит закрытую камеру сгорания 1 в корпусе 2, наружная стенка которого служит для отвода полезного тепла Q, что показано стрелкой 3. В области торцевой стенки примерно цилиндрического корпуса 2 имеется шесть сопл 4, оси выпускных отверстий которых расположены в виде венца на одной окружности 5 (фиг. 3) и которые соединены с воздухораспределителем 6, закрепленным на стенке камеры. К воздухораспределителю 6 подключен воздухопроводом 7 воздухоподогреватель 8, выполненный в виде теплообменника, к которому подводится через впускной штуцер 9 воздух, необходимый для горения.

Из камеры сгорания 1 сбоку от расположенных венцом воздушных сопл 4 выходит патрубок 10 для отвода отработавшего газа, укрепленный в торцевой стенке 11, на которой установлены сопла 4. Этот патрубок 10 ведет к воздухоподогревателю 8, от которого отходит отвод 12 для отработавшего газа, по которому охлажденные газы выбрасываются в атмосферу. В воздухоподогревателе 8 отработавшие газы, поступающие туда по патрубку 10, проходят в противотоке к подаваемому по штуцеру 9 воздуху, при этом они отдают свое тепло воздуху и нагревают его.

В зону камеры сгорания 1, окруженную соплами 4 в виде венца, входит топливный патрубок 13, соединенный с топливопроводом 14 и имеющий форсунку 15, находящуюся на заданном расстоянии от выходных отверстий сопл 4, которые в свою очередь удалены на расстояние 16 от стенки 11 камеры.

Как видно из фиг. 2, форсунка 15 топливного патрубка 13 находится на расстоянии по оси от выходных отверстий сопл 4.

Расстояние B между осями выходных отверстий соседних сопл 4 больше удвоенного диаметра d отверстия сопла (на практике оно составляет 3 10 d и больше).

При установившемся режиме в камеру сгорания 1 подается через сопла 4 воздух, выходящий из их отверстий в виде струй, примерно параллельных друг другу или несколько наклоненных внутрь по отношению к оси расположенного в центре топливного патрубка 13. В камере сгорания существует циркуляционный поток горячих отработавших газов, обозначенный стрелками 17, отклоняемый стенкой 11 камеры. Выходящие из сопл 4 воздушные струи пересекают поэтому сначала пространство, заполненное отработавшими газами и практически не содержащее топлива, в которое эти струи подсасывают инжекционным эффектом отработавшие газы, окружаются ими и смешиваются с ними. Поэтому внутри участка или зоны 18 смешивания создаются смешанные воздушно-газовые потоки, в которых имеется направленный снаружи внутрь перепад кислорода, в результате чего внешние зоны смешанных потоков обеднены кислородом.

Благодаря упомянутому выбору соотношения расстояния между осями сопл и диаметра выходного отверстия d сопла достигается смешивание подогретого воздуха с отработавшим газом, подсосанным из камеры сгорания 1, с коэффициентом рециркуляции отработавшего газа r≥2.

В газовоздушную смесь в конце участка смешивания 18 вводится из топливного патрубка 13 топливо, причем глубина участка смешивания 18 по меньшей мере в шесть раз превышает диаметр d отверстия сопла. Форсунка 15 топливного патрубка 13 располагается внутри участка 18 смешивания.

Подсосанные указанным образом и смешанные с подогретым воздухом отработавшие газы отдают полезное тепло Q на своем обратном пути стенке корпуса 2. Поэтому они уже несколько охлаждены.

Подвод воздуха и топлива регулируется так, чтобы создавалось при определенных условиях практически бесфакельное и безымпульсное окисление между топливом и воздухом, происходящее в зоне 19 в камере сгорания 1.

Это практически бесфакельное и безымпульсное окисление отличается тем, что оно создает очень малые шумы и протекает без светового излучения, в том числе особенно в ультрафиолетовой области. Ультрафиолетовый датчик 21, помещенный в стенке 20 камеры, расположенной напротив стенки 11, может поэтому использоваться для контроля практически бесфакельного процесса окисления. Как только прекращается поступающий с него сигнал, т.е. исчезает ультрафиолетовое излучение, окисление происходит в отсутствие факела. Для контроля самого окисления служит температурный датчик 22, выступающий в камеру сгорания 1 у стенки 11 камеры.

Описанные соотношения на участке смешивания 18 схематически показаны на фиг. 3. Выходящие из расположенных в виде венца сопл 4 исходные воздушные струи 23 заштрихованы. Их окружает оболочка из засасываемых отработавших газов, создавая газовоздушные потоки 24, окружающие центральную зону, в которую в конце участка 18 подается топливо 25. Окисление этого топлива начинается в пограничной зоне 26 между участком, заполненным топливом, и бедным кислородом внешним участком газовоздушного потока 24.

В камере сгорания 1 расположен также вспомогательный нагреватель 27, через который протекает рециркулирующий отработавший газ и который позволяет нагреть этот газ, например, в режиме запуска настолько, чтобы газовоздушная смесь имела на участке 18 по меньшей мере температуру воспламенения.

Поскольку воздух, необходимый для сгорания, выходит из сопл 4 со сравнительно высокой скоростью (около 20 м/с), в камере сгорания 1 создается поток высокого импульса, обеспечивающий быстрое выравнивание температуры в камере сгорания 1. Одновременно достигается высокая плотность энергии для отвода полезного тепла.

Этапы способа схематически представлены на фиг. 1, где одновременно указаны развиваемые на отдельных этапах температуры.

Полезное тепло Q, отводимое от стенки корпуса 2, не связано с системой в целом, поэтому оно не используется для подогрева воздуха.

На фиг. 4, 5 показана промышленная горелка, выполненная в форме так называемой рекуперативной горелки, работающей по предлагаемому бесфакельному способу окисления и построенной аналогично устройству, приведенному на фиг. 2 и 3. Поэтому одинаковые детали обозначены теми же номерами позиций и не описаны более подробно.

Камера сгорания 1, имеющая, например, ту же цилиндрическую форму, размещена в данном случае в выложенной кирпичом печи 28, где установлен змеевик 29, по которому пропускается теплоноситель, например масло, обтекаемый рециркулирующим потоком горячего отработавшего газа и отбирающий у этого газа полезное тепло до попадания в область воздушных сопл 4. Змеевик 29 окружает зону 19 бесфакельного окисления. Тепловая развязка осуществляется посредством присоединительного патрубка 30, а холодный теплоноситель подается через патрубок 31.

Обжиговая печь 28 содержит осевое торцевое цилиндрическое отверстие 32, в которое вставлена рекуперативная горелка 33. Эта горелка выполнена с закрытым с одной стороны воздухонаправляющим цилиндром 34, в который с другого конца вставлена цилиндрическая горшкообразная керамическая камера сгорания 35, выполненная с осевым выпускным соплом 36, выступающим вытянутым участком в камеру сгорания 1, имеющим выпускное отверстие 15. С противоположной стороны камера сгорания 35 снабжена воздухоподводящими отверстиями 37, размещенными сбоку рядом с коаксиальным, выступающим в камеру 35 топливоподводящим патрубком 38, управляемым вентилем 39, через который можно подводить газообразное топливо, например природный газ. Поджигающее копье 40, расположенное внутри топливоподводящего патрубка 38, позволяет воспламенять электрическим разрядом высокого напряжения образованную внутри камеры 35 газовоздушную смесь.

Воздухонаправляющий цилиндр 34 можно запитывать при запуске вспомогательным воздухом через линию 41 с вентилем 42. Соосно с воздухонаправляющим цилиндром 34 и вокруг него размещена цилиндрическая стенка 43, представляющая часть рекуператора и несущая теплообменные экраны 44, которые с одной стороны обращены в кольцевое пространство 45, ограниченное воздухонаправляющим цилиндром 34, а с другой стороны в кольцевую полость 46, размещенную между внутренней стенкой отверстия 32 и цилиндрической стенкой 43 и открытую в камеру сгорания 1. Эта кольцевая полость закрыта крышкой 47, от которой отходит патрубок 12 для отработавшего газа. Кольцевое пространство 45 на одном конце 48 тоже закрыто, а с противоположной стороны открыто в размещенные венцом в соответствующей кольцевой пластине отверстие сопл 4, параллельных оси. К кольцевому пространству 45 примыкает присоединенный через вентиль 49 впускной штуцер 9 для воздуха. Венцеобразное расположение отверстий сопл 4 видно на фиг. 5. В данном случае имеется шесть сопл 4, но их может быть и больше. Расстояние B между соседними отверстиями сопл 4 превышает удвоенный диаметр d отверстия сопла. Осевая глубина S участка 18 более чем в шесть раз превышает диаметр отверстия сопла. Помимо температурного датчика 22, имеется еще один температурный датчик 50, выступающий в камеру сгорания 1 вблизи от нижней стенки печи 28 и поэтому измеряющий температуру T5 (фиг. 1) нагретого отработавшего газа перед отбором полезного тепла.

Описанная рекуперативная горелка 33 работает с коэффициентом рециркуляции отработавшего газа r≥2. Принцип ее действия следующий.

При запуске из холодного состояния вентиль 49 закрыт или сильно дросселирован, так что сопла 4 не подают воздух или подают крайне мало воздуха. Вентиль 42 открыт, вследствие чего воздух поступает через отверстия 37 в камеру 35.

Вентиль 39 тоже открыт, образующаяся в камере 35 топливовоздушная смесь поджигается копьем 40. Частично сгоревшая газовая смесь выходит из сопла 36 и полностью сжигается с воздухом, подводимым из сопл 4 с образованием факела. Таким образом, горелка работает в обычном режиме.

Образующиеся при таком сгорании в факеле отработавшие газы проделывают путь, показанный стрелками 17, и выходят через кольцевой канал 46 и отвод 12. При этом нагревается рекуператор, образованный цилиндрической стенкой 43 и теплообменными экранами 44.

Как только вытекающие отработавшие газы достигают достаточно высокой температуры, вентиль 42 закрывается по крайней мере частично, а вентиль 49 одновременно полностью открывается; запирается прохождение воздуха через отверстия 37 камеры 35 (или дросселируется не менее чем до 30%), а сопла 4 подают полное количество воздуха, необходимого для сгорания.

Струи подогретого в рекуператоре 43, 44 воздуха, выходящие из отверстий сопл, расположенных в виде венца, обволакивают (фиг. 2, 3) подсасываемые инжекционным эффектом отработавшие газы и смешиваются с ними на участке 18 с образованием газовоздушной смеси, температура T3 которой превышает температуру воспламенения. В эту смесь на выходе с участка 18 через отверстие форсунки 15 камеры 35, к которой теперь подводится только топливо, вводится топливо.

Для перевода сгорания, происходившего до этого момента с факелом, в бесфакельное безимпульсное окисление топлива в зоне 19 окисления рекуператорную горелку 33 устанавливают в состояние нормальной эксплуатации.

Настраивают подачу топлива соответствующей регулировкой вентиля 39. Контроль окисления выполняется с помощью температурных датчиков 22, 50 и ультрафиолетового датчика 21, который при установлении бесфакельного окисления прекращает выдачу постоянного сигнала. Далее осуществляют практически бесфакельное и безимпульсное регулируемое окисление топлива в рекуперативной горелке (фиг. 4).

При регулируемом бесфекальном окислении топлива в потоках отработавшего газа и воздуха рекуперативная горелка встроена в торец печи или обжиговой камеры аналогично фиг. 4.

Обжиговая камера 28 изолирована высокоогнеупорным волокнистым материалом. Внутренний диаметр 600 мм, внутренняя длина 2300 мм. Потеря тепла через стенки при 1000^oC около 20 кВт (соответствует полезному теплу).

Рекуперативная горелка с цилиндрическими ребристыми рекуператорами 43, 44 снабжена керамической камерой сгорания 35 для факельного режима.

Число n сопл 4 12
Диаметр d сопл 7 мм
Диаметр D венца 80 мм
Расстояние B между осями выходных отверстий сопл 21 мм
Расход воздуха, необходимого для сгорания 25 м³/ч
Расход природного газа 2,5 м³/ч
Содержание кислорода в отработавшем газе 2 об.

Факельный режим до 750^oC при около 70% внутреннего воздуха через сопла 36 и 30% воздуха через сопла 4 в качестве вторичного воздуха (каскадная струйная горелка). Горелку автоматически поджигают высоким напряжением и контролируют ультрафиолетовым датчиком 21 пламени. Пламя имеет голубой цвет.

Содержание ПО в сухом отработавшем газе при 700^oC составляет 80 ч. на 1 млн.

Для эксплуатации с бесфакельным окислением при 750^oC весь внутренний воздух переключают на сопловой венец. Голубое пламя гаснет. Сигнал наличия ультрафиолетового излучения сначала прерывается, а потом исчезает совсем.

При 1100^oC (температура камеры сгорания) подогрев воздуха около 810^oС в соответствии с e 0,75. При этом содержание окислов азота в сухом отработавшем газе менее 10 ч. на 1 млн.

При переключении на факельный режим с 70% внутреннего воздуха при 110^oC содержание окислов азота 300 ч. на 1 млн.

Установлено, что при подводе топлива параллельно оси (фиг. 4) сопло 36 после запуска может быть отведено из камеры сгорания 1 без образования факела в зоне окисления 19. Поэтому возможно также выполнение, при котором топливная форсунка или в общем случае сопло питателя топлива выполнены перемещаемыми в осевом направлении.

На фиг. 6, 7 представлена промышленная горелка в форме регенеративной горелки, работающей по предлагаемому способу. Детали, аналогичные показанным на фиг. 2 5, обозначены теми же номерами и поэтому не поясняются.

Регенеративная горелка 51 также установлена в отверстии 32 обжиговой или печной камеры 28, в которой выполнена полость сгорания. Горелка содержит установленный на оси воздухонаправляющий цилиндр 34, в котором размещены осевой топливоподводящий патрубок 38 и соосное с ним поджигающее копье 40. Воздухонаправляющий цилиндр 34 закрыт с одного конца крышкой 52, а с другой стороны открыт в керамическую высокоогнеупорную камеру 35 в виде стакана, имеющую осевое сопло 36 с выходным отверстием 15. Воздухонаправляющий цилиндр 34 снабжен шестью расположенными по его окружности регенераторными патронами 53, находящимися в отверстии 32 стенки печи. Каждый из регенераторных патронов 53 состоит из нескольких вставленных один в другой известных керамических модулей 54 со сквозными каналами. Каждый из регенераторных патронов 53, выполненный в поперечном сечении прилегающим к периферии воздухонаправляющего цилиндра 34 на участке 55, снабжен охватывающей модули 54 трубчатой наружной оболочкой 56 из стального листа, к которой со стороны, обращенной к камере сгорания, примыкает сопловая камера 57, в нижней стенке которой расположены сопла 4.

Как видно из фиг. 7, каждый из регенераторных патронов 53 содержит по два сопла 4, причем все сопла 4 осями расположены на окружности 5 (фиг. 3) на одинаковом расстоянии B. Расстояние B более чем в два раза превышает диаметр d отверстия сопла. При наличии шести равномерно распределенных по окружности регенераторных патронов 53 имеется двенадцать сопл 4 в форме венца.

На стороне, противоположной соплам 4, внутренняя полость наружной оболочки 56 регенераторных патронов 53 примыкает к воздухораспределительному блоку 57, соосно насаженному на воздухонаправляющий цилиндр 34 и образующему головку регенераторной горелки 51. В этом распределительном блоке 57 выполнены распределительные каналы 58, 59, 60, соединенные с клапанным блоком 61, в который входит впускной штуцер 9 для воздуха и от которого отходит отвод 12 для отработавшего газа.

Конструкция выполнена так, чтобы воздухонаправляющий канал 58 сообщался с внутренней полостью воздухонаправляющего цилиндра 34 и тем самым с камерой сгорания 35, а распределительные каналы 53а или 53в (фиг. 7) так, чтобы эти регенераторные патроны распределялись на две группы по три патрона в каждой. Клапанный блок 61 позволяет подавать в каждые три регенераторных патрона 53а или 53в двух групп, включенные параллельно, попеременно холодный воздух или нагретые отработавшие газы из камеры сгорания.

Работа регенеративной горелки 51 принципиально аналогична работе рекуперативной горелки (фиг. 4, 5).

Для запуска из холодного состояния соответствующей настройкой клапанного блока 61 сначала по распределительному каналу 58 в камеру сгорания 35 подается воздух. Подаваемое в камеру 35 топливо поджигается, сгорая с факелом. Таким образом, внутренняя горелка с камерой сгорания 35 работает как обычная газовая горелка. Создаваемые отработавшие газы протекают через сопла 4 одной из двух групп регенераторных патронов 53a, 53b и соответствующий распределительный канал 59, 60 в отводящий патрубок 12. Сопла 4 регенераторных патронов 53a или 53b другой группы еще не заполнены или лишь в очень малой степени заполнены воздухом, необходимым для сгорания.

Как только достигается повышение температуры, необходимое для бесфакельного режима, вентили блока 61 переключаются, запирая или дросселируя подачу воздуха в камеру сгорания 35 и одновременно подавая номинальное количество воздуха в расположенные в виде венца сопла 4 воздухонаправляющих регенераторных патронов группы 53a или 53b. Топливный клапан 39 устанавливается так, чтобы в зоне окисления, образованной в камере сгорания, снова установилось практически бесфакельное безымпульсное окисление топлива.

Три регенераторных патрона 53a или 53b двух групп попеременно запитываются нагретыми газами сгорания и холодным воздухом, что показано на фиг. 7 заштрихованными отверстиями сопл 4 одной группы (воздухопропускающей).

Регенеративная горелка позволяет работать с очень высокой степенью подогрева воздуха, при которой коэффициент достигает не менее чем 0,9. Предлагаемая конструкция может, однако, эксплуатироваться и в обычном режиме сгорания топлива с факелом. При этом используют известное двухступенчатое сжигание [1]
Предлагаемый способ практически бесфакельного и безымпульсного окисления топлива можно применять также для твердых горючих материалов (уголь, отходы, мусор и т.п.).

Схематически показанное на фиг. 8 и 9 устройство использует те же составные части, которые описывались в предыдущих примерах. Поэтому они обозначены теми же цифрами и не требуют пояснений.

Камера сгорания 1 этого устройства находится в печи или полости 28 обжига, где для отвода полезного тепла содержится змеевик 29 с теплоносителем, показанный на фиг. 8 схематически. Он выполнен соосным с цилиндрической камерой сгорания 1 (фиг. 4).

Помимо отверстия 32 в противоположной стенке печи 28 выполнено второе соосное отверстие 62. Оба отверстия 32, 62 окружают сквозную трубу 63, уплотненную в стенке. Эта вертикальная при эксплуатации труба 63 имеет сверху загрузочную воронку 64, к которой примыкает загрузочный шлюз 65 с двумя перекрывающими заслонками 66, обдуваемыми воздухом, поступающим из патрубка 67.

Аналогичный шлюз 68 предусмотрен на противоположном нижнем конце трубы 63. Шлюз имеет заслонки 69. Они обдуваются воздухом из патрубка 70. Над нижним шлюзом 68 в трубу 63 входит патрубок 71, через который в трубу 63 может подводиться окислитель, например воздух или водяной пар.

В части своей оболочки, приходящей через камеру сгорания 1, труба 63 снабжена газовыпускными отверстиями 72, расстояние которых от верхней внутренней стенки камеры выбирается в соответствии с поставленной задачей, и которые образуют подвод топлива для бесфакельного окисления. Сбоку рядом с трубой 63 в виде венца вокруг нее в верхней стенке 73 камеры установлены шесть регенераторов 74, принципиальная конструкция которых аналогична регенераторным патронам 53 на фиг. 6, 7. Каждый из регенераторов 74 содержит несколько установленных друг над другом модулей 54, размещенных в данном случае в цилиндрической оболочке 56 из стального листа, закрытой с торцевой стороны, обращенной к камере сгорания 1, до одного или нескольких сопл 4. На противоположной стороне оболочка 56 закрыта с образованием газо- или воздухораспределительной полости, соединенной с распределительным каналом 59 или 60, который, в свою очередь, ведет к клапанному блоку (не показан), построенному аналогично клапанному блоку 61 на фиг. 6. Регенераторы 74 опять разделены через один на две группы, через каждую из которых попеременно пропускаются отводимые из камеры сгорания 1 нагретые отработавшие газы и подводимый снаружи холодный воздух, так что отдаваемое нагретыми газами модулям 54 тепло воспринимается холодным воздухом и используется для его подогрева. Сопла 4 располагаются в виде вокруг осевой трубы 63, расстояние В между осями соседних сопл снова более чем вдвое превышает диаметр d выходного отверстия сопла.

При эксплуатации твердый кусковой горючий материал загружается порциями из воронки 64 через шлюз 65 и трубу 63. Через патрубок 71 подается окислитель, с помощью которого после соответствующего воспламенения горючий материал частично окисляется. При этом происходит термическое разложение горючего материала, в результате которого горючие газы выходят через отверстия 72 частично или полностью в камеру сгорания 1. Из отверстий сопл 4 группы регенераторов 74, пропускающей воздух, этот предварительно подогретый воздух вытекает струями, обволакивающими и смешивающимися (фиг. 2, 3) со всасываемыми инжекционным эффектом рециркулирующими газами сгорания, что создает газовоздушную смесь, нагретую не менее чем до температуры воспламенения.

Газовыпускные отверстия 72 в трубе 63 размещены так, чтобы выходящие горючие газы в конце участка смешивания встречались с газовоздушной смесью и образовывалась окружающая трубу 63 кольцевая зона окисления, в которой происходит практически бесфакельное и безимпульсное окисление газа.

Сохранившийся в трубе 63 твердый несгоревший остаток удаляется через нижний шлюз 68, что позволяет поддерживать непрерывный эксплуатационный режим сжигания. Потому такое устройство, изображенное лишь схематически, особенно подходит для сжигания мусора и отбросов.

Описанные со ссылками на фиг. 2 9 варианты выполнения устройств для осуществления практически бесфакельного и безымпульсного окисления отличаются тем, что при высокой скорости подогрева воздуха и тем самым использовании энергии топлива выделение окислов азота снижается до практически несущественного минимума. Это наглядно показано диаграммой на фиг. 10, где в зависимости от температуры предварительного нагрева воздуха, необходимого для сгорания, показано содержание окислов азота в сухом отработанном газе, выводимом в атмосферу, для горелок, работающих различными способами.

Заштрихованная область 75 иллюстрирует выделение окислов азота в обычных промышленных горелках, работающих с окислением топлива в факеле без дополнительных мер снижения содержания окислов азота. Это содержание увеличивается в сухом отработавшем газе с увеличением температуры подогрева воздуха, в связи с чем такая горелка не соответствует существующим в настоящее время нормативам (ТА-Luft 1986). На диаграмме показано для сравнения граничное значение, внесенное в эти нормативы.

Гораздо более благоприятны показатели выделения окислов азота в рекуперативной горелке, работающей с двухступенчатым сжиганием и описанной в [1] Как показывает заштрихованная область 76, при повышении температуры подогрева воздуха и у этих горелок наблюдается увеличением выделения окислов азота в сухом отработавшем газе, однако это увеличением несущественно.

Область 77, иллюстрирующая показатели рекуперативной или регенеративной горелки в соответствии с фиг. 4 или 6, работающей по предлагаемому способу, показывает, что почти исчезающее содержание окислов азота в сухом отходящем газе повышается при повышении температуры подогрева воздуха незначительно. Из этого следует, что при указанном способе можно работать с воздухом, подогретым практически до неорганической температуры, не вызывая недопустимого повышения содержания окислов азота.

Для снижения необходимой температуры воспламенения можно разместить в камере сгорания 1 катализатор, например, из окиси железа. Можно также представить добавление тонкоизмельченного катализатора в топливо и/или воздуха, подводимого для горения.

В камерах сгорания малого объема может оказаться необходимым пропускание отводимого из камеры сгорания 1 отработавшего газа через катализатор (например, железо), который окисляет сохранившуюся долю окиси углерода.

Предлагаемый способ обладает тем преимуществом, что может работать с высоким подогревом воздуха. В особых конкретных случаях можно однако и без подогрева воздуха или с незначительным подогревом, например, если приходится считаться с сильно загрязненными отходящими газами.

Кроме того, можно представить случаи, в которых подогревают топливо, для чего тоже можно использовать тепло отходящих газов.

Примеры выполнения по фиг. 4 7 относятся к горелкам для непосредственного обогрева печи или камер 20 или 30 обжига. Однако предлагаемый способ можно использовать и для эксплуатации выхлопных труб, в которых возможна рециркуляция отходящих газов, например труб с оболочкой. При этом камера сгорания находится в самой трубе.

Claims

1. Способ сжигания топлива в камере сгорания, при котором топливо окисляют предпочтительно предварительно подогретым воздухом в присутствии отводимых отработавших газов сгорания, отличающийся тем, что отработавшие газы смешивают с предварительно подогретым воздухом для сжигания топлива с отношением рециркуляции отработавшего газа больше или равным 2 (причем это отношение определяют, как отношение по массе потоков возвращаемых в цикл отработавших газов и воздуха для сжигания топлива), эту газовоздушную смесь удерживают до температуры выше температуры воспламенения и затем соединяют с топливом с образованием зоны окисления в камере сгорания, в которой происходит практически беспламенное и безымпульсное окисление.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух в виде выходящих из сопл воздушных струй пропускают через область, содержащую в основном лишь отработавшие газы, в которой воздушные струи могут окружаться отсасываемыми благодаря инжекционному эффекту из камеры сгорания отходящими газами и смешиваться с ними.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что воздушные струи расположены в виде венца, а подвод топлива осуществляют в зоне, окруженной воздушными струями, позади отверстий сопл.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что минимальное расстояние между соседними воздушными струями в месте выхода из отверстий сопл превышает двойной диаметр отверстия сопла.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что скорость потока воздуха на выходе из отверстий сопл составляет не менее 20 м/с.

6. Способ по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что воздух для горения предварительно подогревают с коэффициентом подогрева воздуха более 0,6.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для подогрева воздуха используют отходящие газы сгорания, от которых предварительно отобрано полезное тепло.

8. Способ по одному из пп.1 7, отличающийся тем, что температуру газовоздушной смеси поддерживают путем подвода постороннего тепла по крайней мере в зоне окисления не ниже температуры воспламенения.

9. Способ по одному из пп. 1 8, отличающийся тем, что в зоне окисления температуру воспламенения снижают каталитическим путем.

10. Способ по одному из пп.1 9, отличающийся тем, что при запуске из холодного состояния в камере сгорания сначала сжигают топливо при соответствующем избытке воздуха со стабильным факелом до тех пор, пока температура газовоздушной смеси не достигнет минимальной температуры воспламенения, и затем в результате изменения подачи воздуха и/или топлива условия реакции в зоне окисления переводят на практически беспламенное и безымпульсное окисление.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что при запуске световое излучение пламени в ультрафиолетовой области, а после установления практически бесфакельного и безымпульсного окисления прекращение светового излучения в ультрафиолетовой области контролируют.

12. Способ по одному из пп.1 11, отличающийся тем, что для контроля практически бесфакельного и безымпульсного окисления используют измеренное в направлении распространения потока позади зоны окисления повышение температуры в камере сгорания.

13. Способ по одному из пп.1 12, отличающийся тем, что в камере сгорания твердый или жидкий горючий материал подвергают термическому разложению (газификации) и выделяющийся при этом горючий газ подвергают непосредственно в качестве топлива практически бесфакельному и безымпульсному окислению в зоне окисления.

14. Устройство для сжигания топлива в камере сгорания, снабженное системой сопл для воздуха, отсасывающей за счет инжекционного эффекта отработавшие газы, с направляющим аппаратом для подвода воздуха к системе сопл и с питателем для топлива, отличающееся тем, что система сопл имеет соответствующее число размещенных в виде венца сопл, минимальное расстояние между соседними отверстиями сопл больше, чем двойной диаметр отверстий сопл, и система сопл соединена с подогревателем воздуха, к которому примыкает устройство для подачи воздуха, причем сопла системы расположены в области камеры сгорания, содержащей практически лишь отработавший газ, и у входа открыты, устройство для подачи воздуха рассчитано на скорость выхода воздуха минимально 20 м/с к отверстиям сопл, питатель для топлива расположен в содержащей газовоздушную смесь области камеры сгорания.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что система сопл содержит несколько расположенных в виде венца сопл, питатель для топлива выполнен открытым в точке внутри венца, образованного соплами.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что измеренное в направлении потока расстояние между краем отверстия сопла и областью, в которой жидкое или газообразное топливо, выходящее из питателя, смешивается со смесью, более чем в шесть раз превышает диаметр отверстия сопла.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что питатель газообразного, мелкокапельного или испаренного жидкого топлива содержит выпускное сопло, которое расположено на заданном расстоянии в направлении распространения потока за воздушным соплом.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что расстояние между топливным соплом и воздушными соплами выполнено с возможностью регулирования.

19. Устройство по одному из пп.14 18, отличающееся тем, что воздухопровод, и/или система сопл, и/или питатель для топлива выполнены регулируемыми или переключаемыми в два различных рабочих положения, в одном из которых топливо сжигается с избытком воздуха с образованием факела, а в другом окисляется практически бесфакельно и безымпульсно.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что оно содержит камеру сгорания, открытую в венец, образованный соплами, в которой оканчивается питатель для топлива, и воздухоподающие отверстия, причем воздухоподающим отверстиям и соплам соответствуют средства управления подачей воздуха, с помощью которых избирательно регулируется расход воздуха через указанные воздухоподающие отверстия и сопла.

21. Устройство по одному из пп.14 20, отличающееся тем, что оно выполнено с предвключенным перед соплами рекуператором, через который пропускаются воздух и отработавшие газы, от которых отведено в камере сгорания полезное тепло.

22. Устройство по одному из пп.14 21, отличающееся тем, что оно выполнено как регенеративная горелка с не менее чем двумя регенераторными блоками, через которые попеременно протекают воздух и отработавшие газы, охлажденные отбором полезного тепла, переключатели которых рассчитаны на воздух и отработавшие газы.

23. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что регенераторные блоки размещены с образованием конструктивного элемента, окружающего питатель для топлива.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что регенераторные блоки выполнены в виде патронов с не менее чем одним воздушным соплом, расположенным на торцевой стенке, обращенной к камере сгорания.

25. Устройство по одному из пп.14 24, отличающееся тем, что питатель для топлива содержит нагревательную камеру, размещенную в камере сгорания, особенно для твердых, термически разлагаемых или газифицируемых горючих материалов, которая снабжена не менее чем одним выпускным отверстием, открытым в камеру сгорания для газообразного топлива, образующегося при газификации, и находящимся внутри венца, образованного воздушными соплами.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что нагревательная камера выполнена постоянно загружаемой для непрерывной эксплуатации горючими материалами.

27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что камера содержит закрытую с двух сторон трубу, снабженную не менее чем одним выпускным отверстием для топлива, проходящую через камеру сгорания и закрытую относительно нее.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что труба с обеих сторон закрыта затворами и содержит подвод для окислителя.

29. Устройство по п. 27 или 28, отличающееся тем, что труба на одном конце имеет загрузочное приспособление для горючего материала, а на другом конце приспособление для удаления остатков сгорания.