ГОРЕЛКА С МИГРИРУЮЩИМ НАГРЕВОМ И СПОСОБ
BURNER WITH MIGRATORY HEATING AND METHOD

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к горелке и способу нагревания печи и, в частности, промышленной плавильной печи, обеспечивая улучшенную теплопередачу и одновременно повышая равномерность нагревания и уменьшая вероятность создания условий перегрева и окисления на поверхности ванны с расплавом.
В обычный системе тепло, производимое стационарным пламенем, не направляется в расплав, и в результате этого ограничивается теплопередача от пламени к расплаву. Кроме того, если модифицировать обычную систему, чтобы направлять стационарное пламя в расплав, могут происходить нежелательный перегрев и окисление металла. Способ предотвращения перегрева, как описано в патенте США № 5554022, заключается в том, чтобы направлять низкоимпульсное пламя в расплав, а затем направлять высокоимпульсную струю на низкоимпульсное пламя, приводя пламя в движение. Однако при таком подходе все же остается значительная вероятность окисления металла и сильного пламени, которое может взаимодействовать с огнеупорным материалом печи и перегревать его.
Раскрытие изобретения
Горелка с мигрирующим нагревом и способ обеспечивают улучшение покрытия пламенем и коэффициента видимости в печи. Конфигурация горелка создает оптимальное перемещение теплового потока как в пространстве, так и во времени, таким образом, что в печи может создаваться и поддерживаться равномерное распределение температуры. Равномерный тепловой поток обеспечивается за счет направления теплового потока в соответствующие точки, которые определяются, например, посредством алгоритма на основе геометрии печи или на основе обратной связи в реальном времени от одного или более датчиков, для определенных периодов времени. Горелка и способ обеспечивают селективное увеличение длины и проникающей способности пламени, которое может воздействовать на обжигаемый в печи материал, осуществляя улучшенное плавление, сокращая при этом до минимума потери расплава за счет окисления. В частности, высокоимпульсное пламя многократно направляется в расплав в циклическом режиме. Предотвращается перегрев, и энергия распределяется более равномерно в ванне с расплавом. Горелка также способна производить вихри посредством селективной модуляции многократного воздействия пламени. В частности, горелка имеет множество отдельных горелочных элементов, каждый из которых в пассивном или активном состоянии производит свое собственное пламя, которое можно модулировать в разнообразных режимах и с различной периодичностью для достижения требуемого профиля теплового потока.
Описаны разнообразные варианты осуществления горелки с мигрирующим нагревом. Горелка содержит по меньшей мере два горелочных элемента, каждый из которых имеет распределительное сопло для потока топлива и кольцевое сопло, окружающее распределительное сопло и предназначенное для потока первого окислителя, и по меньшей мере одно ступенчатое сопло для потока второго окислителя. Контроллер запрограммирован для независимого регулирования потока топлива в каждое распределительное сопло и для регулирования ступенчатого соотношения, чтобы оно было меньшим чем или равнялось приблизительно 75%. Контроллер регулирует поток таким образом, что по меньшей мере одно из распределительных сопел является активным, а по меньшей мере одно из распределительных сопел является пассивным, причем поток топлива в активное распределительное сопло является большим, чем средний поток топлива в распределительные сопла, а поток топлива в пассивное распределительное сопло является меньшим, чем средний поток топлива в распределительные сопла. Ступенчатое соотношение представляет собой соотношение содержания кислорода во втором потоке окислителя и суммарного содержания кислорода в первом и втором потоках окислителя.
Горелочные элементы могут быть разнесены по существу равномерно на описанной окружности, а ступенчатое сопло располагается внутри описанной окружности. Согласно одному аспекту, горелка включает три горелочных элемента, каждый из которых разнесен от смежных горелочных элементов на 120°. Согласно еще одному аспекту, горелка включает четыре горелочных элементы, каждый из которых разнесен от смежных горелочных элементов на 90°. Согласно следующим аспектам, горелка можно включать пять или шесть горелочных элементов, равномерно разнесенных по описанной окружности.
n
Согласно одному аспекту по меньшей мере один из горелочных элементов наклонен радиально наружу под углом α от описанной окружности. Все горелочные элементы могут быть наклонены под одинаковым углом α, или каждый горелочный элемент (n) может быть наклонен радиально наружу под собственным углом α. Угол α предпочтительно меньше чем или равняется приблизительно 60°, а более предпочтительно от приблизительно 10° до приблизительно 40°.
Согласно еще одному аспекту по меньшей мере один из горелочных элементов располагается тангенциально под углом под углом β относительно описанной окружности. Угол β предпочтительно меньше чем или равняется приблизительно 60°, а более предпочтительно от приблизительно 10° до приблизительно 40°.
Согласно еще одному варианту осуществления горелки, горелочные элементы и ступенчатое сопло располагаются, по существу, коллинеарно, причем каждое ступенчатое сопло располагается приблизительно равноудаленно между двумя горелочными элементами. Согласно одному аспекту, горелка имеет по меньшей мере три ступенчатых сопла, включая центральное ступенчатое сопло, и по меньшей мере четыре горелочных элемента, расположенных поочередно со ступенчатыми соплами. Согласно еще одному аспекту, горелочные элементы и ступенчатые сопла на каждой стороне от центрального ступенчатого сопла наклонены под углом γ от центрального ступенчатого сопла.
Согласно еще одному варианту осуществления горелки, поперечное сечение распределительных сопел и кольцевых сопел каждого из горелочных элементов имеют малую ось и большую ось, по меньшей мере в 1,5 раза длиннее малой оси. По меньшей мере два ступенчатых сопла располагаются, по существу, коллинеарно и по существу параллельно относительно больших осей и смежно каждому горелочному элементу.
Согласно еще одному варианту осуществления горелки, ступенчатое сопло имеет поперечное сечение с малой осью и большой осью, по меньшей мере в 1,5 раза длиннее малой оси, и по меньшей мере два горелочных элемента располагаются коллинеарно и смежно ступенчатому соплу и по существу параллельно относительно большой оси. Согласно одному аспекту, горелочные элементы наклонены наружу от малой оси ступенчатого сопла под углом φ, составляющим менее чем приблизительно 45°.
Контроллер запрограммирован для регулирования потока топлива в пассивное распределительное сопло, чтобы он был больше нуля и не превышал половины скорости потока активного распределительного сопла. Согласно одному варианту осуществления, контроллер запрограммирован для регулирования ступенчатого соотношения, чтобы оно было меньшим чем или равнялось приблизительно 40%.
Согласно еще одному варианту осуществления, топливо, выходящее из активного распределительного сопла имеет скорость активной струи, а окислитель, выходящий из ступенчатого сопла имеет скорость ступенчатой струи, причем контроллер запрограммирован для регулирования соотношения скорости ступенчатой струи и скорости активной струи, чтобы оно составляло по меньшей мере приблизительно 0,05 и менее чем 1. Предпочтительно, соотношение скорости ступенчатой струи и скорости активной струи регулируется таким образом, что оно составляет от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,4.
Согласно одному аспекту, поток первого окислителя через кольцевые сопла имеет концентрацию кислорода, которая равняется или является большей чем приблизительно 70%. Согласно еще одному аспекту, поток второго окислителя через ступенчатое сопло имеет концентрацию кислорода, которая равняется или является большей чем приблизительно 20,9%.
Согласно еще одному аспекту, активное распределительное сопло имеет скорость потока активной струи, а пассивное распределительное сопло имеет скорость потока пассивной струи, причем контроллер запрограммирован для регулирования соотношения скорости потока активной струи и скорости потока пассивной струи, чтобы оно составляло от приблизительно 5 до приблизительно 40. Предпочтительно контроллер запрограммирован для регулирования соотношения скорости потока активной струи и скорости потока пассивной струи, чтобы оно составляло от приблизительно 15 до приблизительно 25.
Согласно еще одному аспекту, горелочный элемент, имеющий пассивное распределительное сопло, имеет соотношение компонентов, составляющее от приблизительно 0,2 до приблизительно 1. Согласно еще одному аспекту, горелочный элемент, имеющий активное распределительное сопло, имеет соотношение компонентов, составляющее от приблизительно 1 до приблизительно 10. Соотношение компонентов представляет собой соотношение теоретического стехиометрического потока окислителя через кольцевое сопло и фактического потока окислителя через кольцевое сопло для сжигания топлива, протекающего через распределительное сопло.
Согласно еще одному варианту осуществления, датчик выполнен с возможностью выдачи сигнала в контроллер. Контроллер запрограммирован, чтобы регулировать каждый распределительное сопло, которое становится активным или пассивным в зависимости от сигнала. Датчик выбирается из группы, составляющей датчики температуры, датчики излучения, оптические датчики, камеры, датчики цвета, датчики проводимости, бесконтактные датчики, и их комбинации.
Согласно одному варианту осуществления, первый окислитель и второй окислитель имеют одинаковую концентрацию кислорода. Согласно еще одному варианту осуществления, первый окислитель и второй окислитель имеют различные концентрации кислорода.
Согласно одному варианту осуществления, ступенчатое сопло содержит завихряющую лопатку, чтобы придавать завихрение второму окислителю.
Предложен способ работы горелки в печи, при этом горелка имеет по меньшей мере одно ступенчатое сопло и по меньшей мере два горелочных элемента, и каждый из них включает распределительное сопло, окруженное кольцевым соплом. Способ включает протекание окислителя со скоростью ступенчатого потока через ступенчатое сопло, протекание окислителя со скоростью потока первого окислителя через каждое из кольцевых сопел, выбор по меньшей мере одного из распределительных сопел, чтобы оно было активным и по меньшей мере одного из распределительных сопел, чтобы оно было пассивным, протекание топлива со скоростью потока активной струи через активные распределительные сопла, и протекание топлива со скоростью потока пассивной струи через пассивные распределительные сопла, причем скорость потока активной струи является большей, чем средняя скорость потока топлива через распределительные сопла, и скорость потока пассивной струи является меньшей, чем средняя скорость потока топлива через распределительные сопла.
Способ может дополнительно включать измерение параметров в печи, повторный выбор распределительных сопел, которые являются активными, и распределительных сопел, которые являются пассивными, в зависимости от измеренного параметра, и периодический повтор этапов измерения и повторного выбора.
Предложен вариант осуществления горелки с мигрирующим нагревом. Горелка содержит по меньшей мере два горелочных элемента, каждый из которых имеет распределительное сопло для потока первой текучей среды, кольцевое сопло, окружающее распределительное сопло и предназначенное для потока второй текучей среды, и по меньшей мере одно ступенчатое сопло для потока третьей текучей среды. Горелка дополнительно содержит контроллер, запрограммированный для независимого регулирования потока первой текучей среды в каждое распределительное сопло, таким образом, что по меньшей мере одно из распределительных сопел является активным, а по меньшей мере одно из распределительных сопел является пассивным, и для регулирования ступенчатого соотношения, чтобы оно было меньшим чем или равнялось приблизительно 75%. Поток в активное распределительное сопло является большим, чем средний поток в распределительные сопла, а поток в пассивное распределительное сопло является меньшим, чем средний поток в распределительные сопла. Ступенчатое соотношение представляет собой соотношение потока третьей текучей среды и суммы потока второй текучей среды и потока третьей текучей среды. Согласно данному варианту осуществления, первая текучая среда содержит одно из топлива и кислорода, а вторая текучая среда и третья текучая среда содержат другое из топлива и кислорода, причем топливо и кислород представляют собой реагирующие вещества.
Ниже описаны другие аспекты настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет вид сбоку в перспективе горелки с мигрирующим нагревом согласно варианту осуществления.
Фиг. 2 схематически представляет регулирование горелки с мигрирующим нагревом согласно варианту осуществления.
Фиг. 3 схематически представляет последовательность операций для горелки с мигрирующим нагревом согласно варианту осуществления на Фиг. 1.
Фиг. 4 схематически представляет вид сбоку, иллюстрирующий ориентации сопла горелки с мигрирующим нагревом согласно двум варианты осуществления.
Фиг. 5a-5e представляют виды сбоку горелок с мигрирующим нагревом согласно разнообразным вариантам осуществления. Фиг. 5a представляет горелку, имеющую центральное ступенчатое сопло, окруженное четырьмя горелочными элементами, наклоненными радиально наружу; Фиг. 5b представляет горелку, имеющую центральное ступенчатое сопло, окруженное четырьмя горелочными элементами, наклоненными тангенциально и расположенными на описанной окружности; Фиг. 5c представляет горелку, имеющую коллинеарную ориентацию чередующихся горелочных элементов и ступенчатых сопел, в которой все ступенчатые сопла, кроме центрального, наклонены наружу; Фиг. 5d представляет горелку, имеющую четыре коллинеарных горелочных элемента, расположенных рядом и по существу параллельно относительно большой оси щелевого ступенчатого сопла; и Фиг. 5e представляет пару образующих ориентированные плоское пламя горелочных элементов и пару коллинеарных ступенчатых сопел, расположенных рядом и по существу параллельно относительно большой оси каждого горелочного элемента.
Фиг. 6 представляет разнообразные возможные геометрические формы распределительного сопла в каждом горелочном элементе.
Фиг. 7 представляет вид в перспективе печи, иллюстрирующий две возможные ориентации установки горелки с мигрирующим нагревом.
x
Фиг. 8 представляет на сравнительном графике относительные уровни оксидов азота (NO), которые производят обычная кислородно-топливная горелка, обычная ступенчатая кислородно-топливная горелка и горелка с мигрирующим нагревом, работающие в светящемся и несветящемся режимах.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1 представляет горелку 10 с мигрирующим нагревом согласно одному вариант осуществления. Горелка 10 включает корпус 12, имеющий поверхность 14, причем, когда горелка 10 установлена в печи (например, как на Фиг. 7), поверхность 14 открывается к зоне горения в печи.
Горелка 10 включает множество горелочных элементов 20, ориентированных таким образом, чтобы определять описанную окружность (см. Фиг. 4), причем горелочные элементы 20 предпочтительно разнесены одинаковыми интервалами на описанной окружности. По меньшей мере одно ступенчатое сопло 30 располагается внутри описанной окружности. Для целей сравнения проиллюстрированы активная струя (A) и пассивная струя (P), которые представляют, что активная струя имеет большее пламя, чем пассивная струя.
Горелка 10, проиллюстрированная на Фиг. 1, имеет четыре горелочные элементы 20, разнесенные интервалами, составляющими приблизительно 90°. Однако следует понимать, что горелка 10 можно включать любой число n горелочных элементов 20, которое составляет два или более. Например, горелка 10 может иметь два горелочных элемента 20, занимающих диаметрально противоположные позиции, или, в качестве альтернативы, три горелочных элемента 20, разнесенные интервалами, составляющими приблизительно 120°, или пять или более горелочных элементов 20, разнесенных приблизительно одинаковыми интервалами. Кроме того, следует понимать, что для некоторых геометрических форм, конфигураций или эксплуатационных условий печи может оказаться необходимым наличие горелки 10, имеющей множество горелочных элементов 20, которые разнесены неравными интервалами на описанной окружности. В качестве следующей альтернативы, горелка 10 может иметь множество горелочных элементов 20, расположение которых определяет геометрическую форму, представляющую собой не круг, а, например, овал или неправильный многоугольник, в зависимости от геометрии и конфигурации печи.
Горелка 10 на Фиг. 1 имеет одно занимающее центральное положение ступенчатое сопло 30. Однако следует понимать, что может присутствовать множество ступенчатых сопел 30, причем ступенчатые сопла 30 могут иметь одинаковые размеры или различные размеры. Кроме того, в зависимости от геометрии печи, требуемых характеристик пламени, ориентации отдельных горелочных элементов 20 и других факторов, возможно расположение ступенчатого сопла (сопел) 30 вне центра описанной окружности, которую определяют горелочные элементы 20. Ступенчатое сопло 30 может иметь любую форму.
Каждый горелочный элемент 20 включает распределительное сопло 22, окруженное кольцевым соплом 24. Распределенный реагент поступает через распределительное сопло 22, в то время как ступенчатый реагент поступает через кольцевое сопло 24, причем один реагент представляет собой топливо, а другой реагент представляет собой окислитель. Часть ступенчатого реагента также поступает через ступенчатое сопло 30. Согласно одному варианту осуществления, топливо поступает через распределительное сопло 22 как распределенный реагент, в то время как окислитель поступает через кольцевое сопло 24 как ступенчатый реагент. Согласно еще одному варианту осуществления, окислитель представляет собой распределенный реагент, поступающий через распределительное сопло 22, а топливо представляет собой ступенчатый реагент, поступающий через кольцевое сопло 24. Соотношение ступенчатого реагента, поступающего через кольцевые сопла 24 и через ступенчатое сопло 30 можно регулировать, чтобы обеспечивать устойчивую работу горелки и/или регулировать свойства пламени, такие как профиль выделения тепла.
Используемый здесь термин «топливо» означает любое содержащее углеводороды вещество, которое можно использовать в качестве топлива в реакции горения. Предпочтительно топливо представляет собой газообразное топливо, такое как природный газ, но топливо можно также представлять собой распыленное жидкое топливо или тонкодисперсное твердое топливо, которое содержит газ-носитель. Используемый здесь термин «окислитель» означает любое содержащее кислород вещество, которое может окислять топливо в реакции горения. Окислитель может представлять собой воздух, обедненный кислородом воздух (т.е. газ, содержащий менее чем приблизительно 20,9% кислорода), обогащенный кислородом воздух (т.е. газ, содержащий более чем приблизительно 20,9% кислорода) или по существу чистый кислород (т.е. газ, содержащий приблизительно 100% кислорода). Согласно предпочтительным вариантам осуществления, окислитель представляет собой обогащенный кислородом воздух, в котором концентрация кислорода составляет по меньшей мере приблизительно 26% по меньшей мере приблизительно 40% по меньшей мере приблизительно 70% или по меньшей мере приблизительно 98%.
x
Распределительное сопло 22 может иметь любую форму. На Фиг. 6 представлено подмножество возможных примерных форм, включающее щелевое сопло (Фиг. 6a), однощелевое сопло (Фиг. 6b), круглое сопло (Фиг. 6c) и многоструйное сопло (Фиг. 6d). С более подробным обсуждением возможных форм сопла можно ознакомиться в патенте США № 6866503, который во всей своей полноте включается в настоящий документ посредством ссылки. Например, для создания светящегося пламени, имеющего высокий уровень переноса излучения, можно использовать распределительное сопло 22, у которого коэффициент формы меньше чем 10, в то время как для создания несветящегося пламени, которое может иметь пониженное содержание NO, можно использовать распределительное сопло, у которого коэффициент формы составляет 10 или более. Светящийся режим может быть предпочтительным для операций плавления, в то время как несветящийся режим может быть предпочтительным для операций повторного нагревания. Следует отметить, что имеющее высокий коэффициент формы сопло может представлять собой многоструйное сопло. Как подробно описано в патенте США № 6866503, коэффициент формы σ определяется делением квадрата периметра P на удвоенную площадь поперечного сечения A, как описывает следующее уравнение:
2
σ=P/2A.
Фиг. 2 представляет упрощенную схему регулирования горелки 10, которая описана выше. Первая текучая среда F1 поступает в распределительные сопла 22 при суммарной скорости потока, которую регулирует регулирующий клапан 23. Поток первой текучей среды F1 в каждое распределительное сопло 22 регулируется отдельно. Согласно одному варианту осуществления, регулирующий клапан 26, расположенный выше по потоку относительно каждого распределительного сопла 22, осуществляет переключение между режимами высокой скорости потока и низкой скорости потока, которые используются, соответственно, для активного состояния и пассивного состояния горелочного элемента 20, содержащего данное распределительное сопло 22. Согласно альтернативному варианту осуществления, регулирующий клапан 26 располагается параллельно обводному каналу 27. Согласно данному варианту осуществления, регулирующий клапан 26 осуществляет переключение между открытым положением и закрытым положениям, которые также используются, соответственно, для активного состояния и пассивного состояния горелочного элемента 20, причем обводной канал 27 позволяет потоку, имеющему относительно небольшую величину, обходить регулирующий клапан 26, таким образом, что некоторое количество первой текучей среды F1 всегда поступает в распределительное сопло 22, даже в пассивном состоянии.
Эффект любой конструкции представляет собой регулирование скорости потока через распределительное сопло 22 между относительно повышенной скоростью потока в активном состоянии и относительно пониженной скоростью потока в пассивном состоянии. Например, скорость потока в активном состоянии может определяться как скорость потока, составляющая более чем средняя скорость потока в распределительные сопла 22, в то время как скорость потока в пассивном состоянии может определяться как скорость потока, составляющая менее чем средняя скорость потока в распределительные сопла 22. Средняя скорость потока определяется делением суммарной скорости потока первой текучей среды F1 на полное число n распределительных сопел 22/горелочных элементов 20. Можно использовать и другие соотношения между скоростью потока в активном состоянии и скоростью потока в пассивном состоянии, причем скорость потока в активном состоянии всегда составляет больше, чем скорость потока в пассивном состоянии.
Независимо от способа определения скоростей потока в активном и пассивном состоянии, скорость потока в пассивном состоянии должна быть больше нулевой. Скорость потока в пассивном состоянии должна быть достаточной для поддержания горения в каждом горелочном элементе 20, таким образом, чтобы обеспечивался механизм немедленного зажигания, когда горелочный элемент 20 переключается из пассивного состояния в активное состояние. Ненулевая скорость потока в пассивном состоянии также защищает распределительное сопло 22 от поступления инородных материалов. Согласно одному варианту осуществления, скорость потока в пассивном состоянии составляет не более чем половина скорости потока в активном состоянии. Согласно еще одному варианту осуществления, соотношение скорости потока в активном состоянии и скорости потока в пассивном состоянии составляет по меньшей мере приблизительно 5 и не более чем приблизительно 40. Согласно следующему варианту осуществления, соотношение скорости потока в активном состоянии и скорости потока в пассивном состоянии составляет по меньшей мере приблизительно 10 и не более чем приблизительно 25.
Вторая текучая среда F2 поступает в кольцевые сопла 24. Регулирующий клапан 28 регулирует суммарную скорость потока второй текучей среды F2 в кольцевые сопла 24, и коллектор 29 распределяет поток приблизительно на равные части по n кольцевым соплам 24. Третья текучая среда F3 поступает в ступенчатое сопло 30, и скорость потока третьей текучей среды F3 регулируется регулирующим клапаном 32. Ступенчатое сопло 30 может включать завихряющую лопатку или другой механизм (не представленный на чертеже) для создания завихрения в третьей текучей среде F3, которая выходит через ступенчатое сопло 30. Завихрение, придаваемое третьей текучей среде F3, приводит к тому, что струя этой текучей среды разбивается, что может способствовать увлечение струи третьей текучей среды F3 активной струей (струями). Однако интенсивное завихрение не является необходимым, поскольку оно могло бы преобладать в структуре потока и изменять форму пламени.
Вторая текучая среда F2 и третья текучая среда F3 содержат реагент одинакового типа, который представляет собой топливо или окислитель. Например, когда первая текучая среда F1 представляет собой топливо, каждая из второй текучей среды F2 и третьей текучей среды F3 представляет собой окислитель, а когда первая текучая среда F1 представляет собой окислитель, каждая из второй текучей среды F2 и третьей текучей среды F3 представляет собой топливо. Согласно одному варианту осуществления, вторая текучая среда F2 и третья текучая среда F3 представляют собой различные текучие среды, т.е. каждая из них содержит одинаковый (топливо или окислитель), но в различных концентрациях. В этом случае регулирующий клапан 28 и регулирующий клапан 32 должны представлять собой отдельные клапаны, которые регулируют две текучие среды F2 и F3. Согласно альтернативному варианту осуществления (не представленному на чертеже), когда вторая текучая среда F2 и третья текучая среда F3 представляют собой одинаковые текучие среды, содержащие в одинаковой концентрации один и тот же реагент, ступенчатый клапан можно использовать вместо регулирующего клапана 28 и регулирующего клапана 32, чтобы распределять часть потока приблизительно в равных долях по n кольцевых соплам 24 и оставшуюся часть потока в ступенчатое сопло 30.
Согласно проиллюстрированному варианту осуществления, скорость потока второй текучей среды F2 в каждое из кольцевых сопел 24 не регулируется независимо. В результате этого каждое кольцевое сопло 24 всегда обеспечивает приблизительно среднюю скорость потока второй текучей среды F2, когда регулирующий клапан 28 является открытым. Средняя скорость потока определяется делением суммарной скорости потока второй текучей среды F2 на полное число n кольцевых сопел 24/горелочных элементов 20. В качестве альтернативы, скорость потока второй текучей среды F2 в каждое кольцевое сопло 24 можно регулировать независимо.
Согласно проиллюстрированному варианту осуществления, поскольку скорость потока второй текучей среды F2 в каждое кольцевое сопло 24 является приблизительно одинаковой, каждый горелочный элемент 20 работает при отклонении в любую сторону от стехиометрического состава в зависимости от того, является ли горелочный элемент 20 активным или пассивным в данное время. Когда горелочный элемент 20 находится в активном состоянии, этот горелочный элемент 20 работает при отклонении от стехиометрического состава и иногда при значительном отклонении от стехиометрического состава в одном направлении, а когда горелочный элемент 20 находится в пассивном состоянии, этот горелочный элемент 20 работает при отклонении от стехиометрического состава и иногда при значительном отклонении от стехиометрического состава в противоположном направлении. Например, когда первая текучая среда F1 представляет собой топливо, и вторая текучая среда F2 представляет собой окислитель, горелочный элемент 20 в активном состоянии будет сжигать обогащенную топливом смесь, а горелочный элемент 20 в пассивном состоянии будет сжигать обедненную топливом смесь, В качестве альтернативы, когда первая текучая среда F1 представляет собой окислитель, и вторая текучая среда F2 представляет собой топливо, горелочный элемент 20 в активном состоянии будет сжигать обедненную топливом смесь, а горелочный элемент 20 в пассивном состоянии будет сжигать обогащенную топливом смесь. Однако поскольку суммарный поток топлива и окислителя регулируют регулирующие клапаны 23 и 28 (а также ступенчатый регулирующий клапан 32), суммарная стехиометрия горелки 10 сохраняется постоянной, независимо от того, находятся ли и в каком числе горелочные элементов 20 в активном состоянии и в пассивном состоянии.
Стехиометрический состав смеси, которую сжигает каждый горелочный элемент 20, может характеризовать соотношение компонентов. Для данной скорости потока топлива соотношение компонентов определяется как соотношение теоретического стехиометрического потока кислорода и фактического потока кислорода. В случае окислителя, в котором содержание кислорода составляет 100%, поток кислорода равняется потоку окислителя. В случае окислителя, в котором процентное содержание X кислорода меньше чем 100%, поток кислорода в потоке окислителя определяется делением скорости потока окислителя на процентное содержание X кислорода; например, для обеспечения 100 стандартных кубических футов кислорода в час при использовании окислителя, содержащего 40% кислорода, требуется 250 стандартных кубических футов окислителя в час.
Далее рассматривается вариант осуществления, согласно которому первая текучая среда F1 представляет собой топливо, а вторая текучая среда F2 и третья текучая среда F3 представляют собой окислители. Когда горелочный элемент 20 находится в пассивном состоянии, соотношение компонентов меньше чем приблизительно 1 и предпочтительно по меньшей мере приблизительно 0,2. Это означает, что пассивный горелочный элемент 20 сжигает обедненную топливом смесь, причем для осуществления горения требуется пятикратное количество кислорода. С другой стороны, когда горелочный элемент 20 находится в активном состоянии, соотношение компонентов является большим чем приблизительно 1 и предпочтительно не более чем приблизительно 10. Это означает, что активный горелочный элемент 20 сжигает обогащенную топливом смесь, и для осуществления горения требуется лишь 10% кислорода.
Ступенчатое соотношение определяется как соотношение величины потока реагента через ступенчатое сопло 30 и суммарной величины потока данного реагента через кольцевые сопла 24 и ступенчатое сопло 30. Например, когда вторая текучая среда F2 и третья текучая среда F3 представляют собой окислители, ступенчатое соотношение представляет собой результат деления скорость потока кислорода через ступенчатое сопло 30 на суммарную скорость потока кислорода через ступенчатое сопло 30 и кольцевые сопла 24. Если вторая текучая среда F2 и третья текучая среда F3 представляют собой одинаковые текучие среды (т.е. имеющие одинаковую концентрацию кислорода), то ступенчатое соотношение представляет собой просто результат деления скорости потока третьей текучей среды F3 на сумму скорости второй текучей среды F2 и скорости потока третьей текучей среды F3. Однако если вторая текучая среда F2 и третья текучая среда F3 представляют собой различные текучие среды (т.е. имеющие различные концентрации кислорода X2 и X3, соответственно), то ступенчатое соотношение вычисляется с учетом этих различных концентраций как X3F3/(X2F2+X3F3), что является понятным для специалиста в данной области техники.
Горелка 10 предпочтительно работает при соотношении ступеней, которое равняется или меньше чем приблизительно 75%. Например, когда окислитель поступает ступенчатым образом, т.е. когда вторая текучая среда F2 и третья текучая среда F3 представляют собой окислители по меньшей мере приблизительно 25% кислорода в горелку 10 поступает через кольцевые сопла 24, и не более чем приблизительно 75% кислорода поступает через ступенчатое сопло 30. Предпочтительнее горелка 10 работает при соотношении ступеней, которое равняется или меньше чем приблизительно 40%. Кроме того, как обсуждается выше, вследствие активной или пассивной работы каждого из горелочных элементов 20, один или несколько горелочных элементов 20 одновременно работают в активном режиме, используя избыток первой текучей среды F1 по сравнению со стехиометрическим составом, и один или несколько горелочных элементов 20, которые в это время работают в пассивном режиме, используют избыток второй текучей среды F2 по сравнению со стехиометрическим составом, и в результате обеспечивается некоторое ступенчатое соотношение даже без учета третьей текучей среды F3, поступающей через ступенчатое сопло 30.
Первая текучая среда F1, выходящая из активного распределительного сопла 22, имеет скорость активной струи, которую определяют скорость потока первой текучей среды F1 и площадь поперечного сечения распределительного сопла 22. Вторая текучая среда F2, выходящая из кольцевого сопла 24, имеет скорость кольцевой струи, которую определяют скорость потока второй текучей среды F2 и площадь поперечного сечения кольцевого сопла 24. Аналогичным образом, третья текучая среда F3, выходящая из ступенчатого сопла 30, имеет скорость ступенчатой струи, которую определяют скорость потока третьей текучей среды F3 и площадь поперечного сечения ступенчатого сопла 30. Скорость активной струи предпочтительно является большим, чем скорость кольцевой струи. Кроме того, для оптимальной эксплуатации горелки 10 скорость ступенчатой струи 5 должна составлять не более чем скорость активной струи, составляя более чем или равняясь приблизительно 0,05 скорости активной струи. Согласно одному варианту осуществления, соотношение скорости ступенчатой струи и скорости активной струи меньше чем или равняется приблизительно 0,4. Согласно еще одному варианту осуществления, соотношение скорости ступенчатой струи и скорости активной струи является большим чем или равняется приблизительно 0,1.
Согласно одному примерному варианту осуществления, исследованному при вертикальной ориентации пламени (установка на своде печи), скорость струи первой текучей среды F1 через активное распределительное сопло 22 составляла по меньшей мере приблизительно 250 футов в секунду (76,2 м/с) и предпочтительно по меньшей мере приблизительно 300 футов в секунду (91,4 м/с), и скорость через пассивное распределительное сопло 22 составляла приблизительно 20% скорости активной струи. Для горизонтальной ориентации пламени скорость активной струи может быть значительно ниже, поскольку уменьшается необходимость устранения гидростатического эффекта для предотвращения перегрева блока горелок.
Все регулирующие клапаны 23, 26, 28 и 32 соединяет и регулирует контроллер 100, который специально программируется или конфигурируется, чтобы управлять горелкой 10. Контроллер 100 может включать обычные электронные компоненты, такие как центральный процессор (CPU), оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), устройства ввода/вывода (I/O), и программирование или конфигурирование контроллера 100 можно осуществлять посредством сочетания одного или нескольких средств, включая аппаратное обеспечение, программное обеспечение, встроенное программное обеспечение и любые другие средства, которые известны в настоящее время или будут разработаны впоследствии в целях программирования рабочих инструкций, вводимых в контроллер.
Как описано выше, по меньшей мере одна из текучих сред F1, F2 и F3 должна представлять собой или содержать топливо, и по меньшей мере одна из текучих сред F1, F2 и F3 должна представлять собой окислитель или содержать кислород. Топливо может представлять собой газообразное топливо, жидкое топливо или тонкодисперсное твердое топливо в газообразном носителе. Согласно одному варианту осуществления, F1 представляет собой топливо, а F2 и F3 представляют собой окислители. В этом случае F2 и F3 могут представлять собой один и тот же окислитель, или F2 и F3 могут представлять собой различные окислители. Например, согласно одному предпочтительному варианту осуществления, F1 представляет собой газообразное топливо, такое как природный газ, F2 представляет собой окислитель, в котором концентрация кислорода равняется или является большим чем приблизительно 70%, и F3 представляет собой окислитель, в котором концентрация кислорода равняется или является большим чем приблизительно 20,9%. Согласно другому аналогичному варианту осуществления, F1 представляет собой газообразное топливо, такое как природный газ, F2 представляет собой окислитель, в котором концентрация кислорода является большей, чем в воздухе, а F3 представляет собой воздух.
Согласно альтернативному варианту осуществления, F1 представляет собой окислитель, а F2 и F3 представляют собой топливо. В этом случае F1 имеет концентрацию кислорода, которая равняется или является большим чем приблизительно 26%, предпочтительно равняется или является большим чем приблизительно 40% и предпочтительнее равняется или является большим чем приблизительно 70%.
Фиг. 3 представляет одну возможную технологическую последовательность для работы горелки 10 согласно варианту осуществления, проиллюстрированному на Фиг. 1. Для целей обсуждения четыре горелочных элемента 20 обозначены буквами a, b, c и d. Как представлено на чертеже, в данный момент только один горелочный элемент 20 является активным, в то время как остальные горелочные элементы 20 являются пассивными, и каждый горелочный элемент 20 последовательно переключается в активное состояние, когда предшествующий активный горелочный элемент 20 возвращается в пассивное состояние.
В частности, согласно проиллюстрированному варианту осуществления, горелочный элемент 20a является активным, в то время как горелочные элементы 20b, 20c и 20d являются пассивными. Другими словами, в каждое из кольцевых сопел 24 в каждом горелочном элементе 20 поступает приблизительно равный поток второй текучей среды F2, и только в распределительное сопло 22 в активном горелочном элементе 20a поступает больший поток первой текучей среды F1, в то время как в распределительные сопла 22 других пассивных горелочных элементов 20b, 20c и 20d поступает меньший поток первой текучей среды F1. В результате этого возникает относительно длинное проникающее пламя, выходящее из активного горелочного элемента 20a, и относительно короткое (запальное) пламя, выходящее из пассивных горелочных элементов 20b, 20c и 20d. Кроме того, согласно проиллюстрированному варианту осуществления, представлено, что когда горелочный элемент 20b становится активным, горелочный элемент 20a возвращается в пассивное состояние, а горелочные элементы 20c и 20d остаются пассивными. Далее, когда горелочный элемент 20c становится активным, горелочный элемент 20b возвращается в пассивное состояние, а горелочные элементы 20c и 20a остаются пассивными. Наконец, когда горелочный элемент 20d становится активным, горелочный элемент 20d возвращается в пассивное состояние, а горелочные элементы 20a и 20b остаются пассивными.
Последовательность, которая представлена на Фиг. 3 и описана выше, представляет собой только одну из фактически неограниченного числа вариаций. Согласно одному неограничительному примеру, единовременно один горелочный элемент 20 является активным, и повторяется последовательность, такая как a-b-c-d, или a-b-d-c, или a-c-b-d, или a-c-d-b. Согласно другому неограничительному примеру, единовременно один горелочный элемент 20 является активным при случайной последовательности. Согласно следующему неограничительному примеру, единовременно один горелочный элемент 20 является активным, но периоды активного состояния каждого из них являются одинаковыми или различными.
Кроме того, согласно другим примерам, единовременно являются активными несколько горелочных элементов 20. Например, для горелки 10, имеющей три или более горелочных элементов 20, два горелочных элемента 20 могут быть активными, а остальные являются пассивными. В общем случае, для горелки 10, имеющей n горелочных элементов, любое число горелочных элементов от 1 до n-1 могут быть активными, а остальные являются пассивными.
Каждый горелочный элемент 20 можно переключать из пассивного состояния в активное на основании предварительно запрограммированной временной последовательности, согласно предварительно определенному алгоритму, согласно случайной последовательности или в зависимости от условий печи. Один или несколько датчиков 110 можно установить в печи для измерения любого параметра, который может иметь отношение к определению точек, в которых требуется увеличение или уменьшение теплоты горения. Например, датчик может представлять собой температурный датчик, таким образом, что когда температурный датчик показывает температуру ниже заданного порогового уровня, горелочный элемент 20, предназначенный для нагревания печи в области данного температурного датчика может переходить в активное состояние с увеличенной частотой или на более продолжительные периоды времени. С другой стороны, если температурный датчик определяет, что части печи или загруженного в нее материала получает недостаточное количество тепла, один или несколько горелочных элементов 20, расположенных вблизи данной части печи или наклоненных по направлению к данной части загруженного в нее материала, можно переключать в активное состояние, в то время как горелочные элементы 20 в частях печи, получающих избыточное тепло, можно переключать в пассивное состояние.
Температурные датчики могут представлять собой контактные датчики, такие как термопары или резистивные температурные датчики (RTD), расположенный в стенках печи, или бесконтактные датчики, такие как инфракрасные датчики, датчики излучения, оптические датчики, камеры, датчики цвета или другие датчики, имеющиеся в данной отрасли. Можно также использовать датчики и других типов, которые показывают уровень плавления или нагревания в печи, в том числе, но не ограничиваясь этим, датчики зазора (например, чтобы определять близость загруженного твердого материала, который подлежит плавлению) или датчики проводимости (например, чтобы определять повышенную проводимость жидкости по сравнению с плохо соединенными друг с другом кусками твердых материалов).
Горелка 10, которая описана в настоящем документе, предоставляет ряд преимуществ. Поскольку тепло можно предпочтительно направлять в определенные точки в течение более или менее продолжительных периодов времени, можно обнаруживать и устранять холодные зоны печи и в результате этого обеспечивать более равномерное нагревание и плавление. В частности, для вертикально направленного пламени (которое создают установленные на своде печи горелки, направленные вниз), как представлено на Фиг. 7, работа горелки, у которой не все горелочные элементы 20 находятся в активном состоянии, сокращает или устраняет опасность сильного пламени, и в результате этого предотвращается перегрев блока горелок и свода печи. Горение обогащенной топливом смеси, образующейся в результате использования активного горелочного элемента 20, где кислород проходит через кольцевое сопло 24 в значительно меньшей степени, чем стехиометрический кислород, требуемый для топлива, протекающего через распределительное сопло 22, создает неокислительную атмосферу вблизи ванны с расплавом, что способствует защите загруженного в печь материала от нежелательного окисления. Кроме того, активация горелочных элементов 20 в периодическом циклическом режиме можно использовать для создания вихревого режима нагревания, в котором увеличивается продолжительность пребывания в печи газообразных продуктов горения, увеличивается скорость теплопередачи и улучшается равномерность нагревания, как описывает, например, патентная заявка США № 2013/00954437. Кроме того, селективную активацию горелочных элементов 20 и изменение ступенчатого соотношения можно использовать для регулирования положения максимального теплового потока, образующегося в реакциях горения, и для регулирования покрытия пламенем в зависимости от разнообразных геометрических форм печи, условий и уровней загруженного в печь материала.
Разнообразные возможные конфигурации горелки включают конфигурации, представленные на Фиг. 5. Согласно варианту осуществления типа, представленного на Фиг. 5a, один или несколько горелочных элементов 20 могут наклоняться радиально наружу под углом α от описанной окружности, которую образуют горелочные элементы 20, или от оси, которую определяет ступенчатое сопло 30. Хотя проиллюстрированный вариант осуществления представляет, что все четыре горелочные элементы 20 наклонены радиально наружу под одинаковым углом α, следует понимать, что все горелочные элементы 20 могут наклоняться под различными углами β в зависимости от геометрии печи и требуемых эксплуатационных характеристик горелки 10. Угол α может равняться или является большим чем приблизительно 0°, и он предпочтительно равняется или меньше чем приблизительно 60°. Предпочтительнее, угол α составляет по меньшей мере приблизительно 10° и не более чем приблизительно 40°.
Согласно варианту осуществления типа, представленного на Фиг. 5b, один или несколько горелочных элементов 20 могут наклоняться тангенциально к описанной окружности под углом β, чтобы создавать завихрение. Хотя проиллюстрированный вариант осуществления представляет, что все четыре горелочных элемента 20 наклонены тангенциально под одинаковым углом β, следует понимать, что каждый горелочный элемент 20 может наклоняться под собственным углом β в зависимости от геометрии печи и требуемых эксплуатационных характеристик горелки 10. Угол β может равняется или составлять более чем приблизительно 0°, и предпочтительно он равняется или меньше чем приблизительно 60°. Предпочтительнее, угол β составляет по меньшей мере приблизительно 10° и не более чем приблизительно 40°.
Согласно варианту осуществления типа, представленного на Фиг. 5c, множество горелочных элементов 20 располагаются, в общем, коллинеарно по отношению друг к другу, определяя линию, имеющую средняя точка и концы. Хотя представлены четыре горелочных элемента 20, данный вариант осуществления является применимым к конфигурации, которую составляют по меньшей мере два горелочных элемента 20 и вплоть до такого числа горелочных элементов 20, которые могут потребоваться для конкретной печи. Ступенчатое сопло 30 располагается между каждой парой смежных горелочных элементов 20, таким образом, что горелочные элементы 20 и ступенчатые сопла 30 чередуются. Например, в конфигурации с двумя горелочными элементами 20 присутствует одно ступенчатое сопло 30, расположенное между двумя горелочными элементами 20, а в конфигурации с тремя горелочными элементами 20 присутствуют два ступенчатых сопла 30, причем каждое из них располагается между парой смежных горелочных элементов 20. Все горелочные элементы 20 могут быть ориентированы перпендикулярно к лицевой поверхности 14 горелки, или некоторые или все из горелочных элементов 20 могут наклоняться наружу под углом γ, который меньше чем или равняется приблизительно 45°, от средней точки линии к одному из концов линии. Аналогичным образом, ступенчатые сопла 30 могут быть ориентированы перпендикулярно к лицевой поверхности 14 горелки, или некоторые или все из ступенчатых сопел 30 могут наклоняться в одном или другом направлении вдоль линии. Согласно проиллюстрированному варианту осуществления, центральное ступенчатое сопло 30 ориентировано перпендикулярно к лицевой поверхности 14 горелки, и ряд, включающий три коллинеарных элемента (горелочный элемент 20, ступенчатое сопло 30 и еще один горелочный элемент 20), располагается диаметрально к одной стороне и наклоняется от центрального ступенчатого сопла 30 к соответствующим концам линии.
Согласно варианту осуществления типа, представленного на Фиг. 5d, множество горелочных элементов 20 располагаются коллинеарно по отношению друг к другу, определяя линию, имеющую среднюю точку и концы. Хотя представлены четыре горелочных элемента 20, данная конфигурация применяется к конфигурации, содержащей по меньшей мере два горелочных элемента 20 и вплоть до такого числа горелочных элементов 20, которые могут потребоваться для конкретной печи. Продолговатое или обычно прямоугольное ступенчатое сопло 30, имеющее большую ось, превышающую по длине малую ось по меньшей мере в 1,5 раза, располагается рядом и отделяется фиксированным промежутком от горелочных элементов 20, причем большая ось является по существу параллельной линии, определенной горелочными элементами 20. Все горелочные элементы 20 могут быть ориентированными перпендикулярно к лицевой поверхности 14 горелки, или некоторые или все из горелочных элементов 20 могут наклоняться наружу под углом γ, который меньше чем или равняется приблизительно 45°, от средней точки линии к одному из концов линии.
Согласно варианту осуществления типа, представленного на Фиг. 5e, каждый горелочный элемент 20 имеет конфигурацию плоского пламени, в которой распределительное сопло 22 и кольцевое сопло 24 одновременно имеют продолговатую или обычно прямоугольную конфигурацию, имеющую большую ось, превышающую по длине малую ось по меньшей мере в 1,5 раза. Этот тип горелки с плоским пламенем подробно описывает, например, патент США № 5611682. По меньшей мере два ступенчатых сопла 30 располагаются рядом и на расстоянии от горелочного элемента 20, причем они ориентированы, в общем коллинеарно, определяя линию, которая проходит по существу параллельно относительно большой оси горелочного элемента 20. В этой конфигурации используются по меньшей мере два горелочных элемента 20.
В любой из конфигураций, описанных выше и представленных на Фиг. 5, может быть осуществлена мигрирующая схема работы, аналогичная той, которая описана выше для конфигурации на Фиг. 1. В частности, в любой данный момент по меньшей мере один горелочный элемент 20 работает в активном состоянии, в которой поток текучей среды через активное распределительное сопло 22 является большим, чем средний поток текучей среды через все распределительные сопла 22, в то время как по меньшей мере одна горелка 20 работает в пассивном состоянии, в котором поток текучей среды через пассивное распределительное сопло 22 меньше, чем средний поток текучей среды через все распределительные сопла 22.
Как представлено на Фиг. 7, одну или несколько горелок 10 можно установить в свод печи 200 (вертикальная установка) или в боковую стенку печи 200 (горизонтальная установка). В вертикальной установке горелочные элементы 20 предпочтительно образуют конфигурацию, такую как на Фиг. 5a или Фиг. 5b, обеспечивая оптимальный тепловой поток в загруженный в печь материал и одновременно предотвращая перегрев блока горелок. Например, как обсуждается выше, горелочные элементы 20 могут быть ориентированы под углом радиально наружу от описанной окружности, которая окружает ступенчатое сопло 30 (Фиг. 5a). В качестве альтернативы, горелочные элементы 20 могут ориентироваться в вихревой конфигурации (наклоняться тангенциально относительно описанной окружности) (Фиг. 5b). В горизонтальной установке горелочные элементы 20 могут располагаться в любой конфигурации и, в частности, они могут располагаться, как представляет любой из Фиг. 5c-5e, в зависимости от геометрии печи.
x
x
x
x
x
x
Как представляют данные на Фиг. 8, горелка 10 производит уменьшенные выбросы NO по сравнению с обычными кислородно-топливными горелками. Следует отметить, что масштаб на Фиг. 8 является относительным и нормированным на максимальный уровень NO обычной кислородно-топливной горелки. Когда горелка 10 работает мигрирующим образом, как описано в настоящем документе, в светящемся режиме (т.е. используя с распределительное сопло 22 с низким коэффициентом формы), максимальные выбросы NO составляют лишь приблизительно 40% от уровня выбросов обычной кислородно-топливной горелки. Когда горелка 10 работает мигрирующим образом, как описано в настоящем документе, в несветящемся режиме (т.е. используя с распределительное сопло 22 с высоким коэффициентом формы), максимальные выбросы NO оказываются еще меньше, составляя лишь приблизительно 35% от уровня выбросов обычной кислородно-топливной горелки. В обоих случаях горелка 10 работала, используя топливо в качестве распределенной текучей среды и окислитель в качестве ступенчатой текучей среды. Без ограничения теорией, считается, что этот неожиданный результат получается вследствие ступенчатого характера горения, производимого горелкой 10, и при этом образуются первая обогащенная топливом зона пламени, в которой присутствует низкий уровень NO вследствие ограниченного наличия кислорода, и вторая обедненная топливом зона пламени, в которой присутствует низкий уровень NO вследствие низкой температуры горения.
Объем настоящего изобретения не должен ограничиваться конкретными аспектами или вариантами осуществления, которые описаны в примерах, приведенных в качестве иллюстраций некоторых аспектов настоящего изобретения, и любые варианты осуществления, которые представляют собой функциональные эквиваленты, находятся в рамках объема настоящего изобретения. Разнообразные модификации настоящего изобретения, дополняющие варианты, которые представлены и описаны в настоящем документе, являются очевидными для специалистов в данной области техники и охватываются объемом приложенной формулы изобретения.