ПРОМЫШЛЕННАЯ ГОРЕЛКА И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ СГОРАНИЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
INDUSTRIAL BURNER AND APPROPRIATE METHOD OF COMBUSTION FOR THERMAL FURNACE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к высокоскоростной горелке с обедненным и компактным пламенем, обеспечивающей получение очень низких выбросов NOx при одновременном подержании пламени, устойчивого к воздействию любой температуры камеры. Горелка обеспечивает внедрение способов сгорания, таких как разделение основного процесса сгорания на три ступени (ступенчатое нагнетание воздуха и топлива), рециркуляция топочных газов и обеднение некоторых реагентов.
Уровень техники
В последние годы потребность рынка в уменьшении расхода газа вынуждает изготовителей промышленных печей разрабатывать оборудование, принимая во внимание преимущество использования тепла топочных газов для нагрева воздуха горения с помощью теплообменников. Следовательно, возникла необходимость создания горелок, при эксплуатации которых используется поддерживающий горение воздух, предварительно нагретый до температуры примерно 400-550°С. В то же время законодательство, касающееся выбросов оксидов и диоксидов азота, устанавливают все более жесткие ограничения и вынуждает изготовителей выпускать горелки, соответствующие принятым ограничениям.
Однако известно, что образование NOx также увеличивается в зависимости от температуры воздуха горения. Чем выше температуры воздуха, тем больше увеличивается температура пламени, тем самым, генерируя образование термически образованных NOx. Для поддержания низкого уровня выбросов в горелках с низким уровнем NOx используются способы понижения температуры пламени, такие как ступенчатая оптимизация пламени, обеднение топочного газа и беспламенное сгорание.
Горелки, в которых используется способ ступенчатого нагнетания воздуха, функционируют за счет нагнетания воздуха в две различные зоны на различных расстояниях от горелки и создают два процесса сгорания, один с субстехиометрическим соотношением и другой со сверхстехиометрическим соотношением, который завершает основной процесс горения.
Вместе с тем, при использовании ступенчатого нагнетания топлива газ нагнетается в две различные зоны на различных расстояниях от горелки, в результате чего создаются два процесса сгорания со сверхстехиометрическим и субстехиометрическим соотношениями. Назначение обоих способов состоит в уменьшении температуры пламени, когда процентное содержание кислорода во время сгорания является высоким.
Недостатком горелок, при эксплуатации которых используются эти способы, является неустойчивость холодного пламени, т.е. при температуре ниже температуры самопроизвольного воспламенения, когда в два процесса сгорания подаются несбалансированные реагенты, один с избытком воздуха и другой с избытком газа. Способ стабилизации холодного пламени состоит в увеличении избытка воздуха для основного сгорания, так чтобы при первичном сгорании не было избытка газа, с последующим увеличением NOx (больше не наблюдается сгорания при субстехиометрическом соотношении) и расхода газа. Как только температура самопроизвольного воспламенения топлива в камере будет превышена, горелка больше не будет требовать избытка воздуха и будет функционировать при стехиометрическом соотношении с низким уровнем выбросов NOx.
Горелки, в которых используется беспламенное сгорание, имеют весьма низкий уровень выбросов NOx, но имеют значительное ограничение в отношении невозможности функционировать в беспламенном режиме ниже температуры самопроизвольного воспламенения топлива. Следовательно, даже в случае нагрева камеры такой же горелкой, эти горелки должны быть способны функционировать в стандартном режиме (беспламенном) и, соответственно, должны быть снабжены несколькими клапанами для регулирования впуска газа или воздуха в зависимости от типа эксплуатации.
Горелки, которые функционируют с помощью вышеуказанных способов сгорания, имеют значительные преимущества, когда температура ниже температуры или равна температуре самопроизвольного воспламенения топлива.
В процессах специальных типов, например, в печах для термообработки заготовок, температуры в зонах являются относительно низкими и значительно варьируются в зависимости от типа термообработки. При этих условиях горелки со ступенчатым горением и горелки с беспламенным сгоранием неспособны постоянно функционировать в режиме низких выбросов NOx и в них должен варьироваться избыток воздуха или рабочий режим (беспламенный - пламенный), соответственно, в зависимости от температуры камеры. Этот приводит к тому, что регулировочные клапаны в зонах и клапаны, которые управляют нагнетанием топлива (для беспламенных горелок), непрерывно функционируют во время эксплуатации печи.
Термические печи нагревают заготовки в свободной атмосфере посредством конвекции за счет высокой скорости топочных газов, которые охватывают заготовки, а не за счет лучевого воздействия, что имеет место для подогревательных печей. Таким образом, существует необходимость в применении горелок, которые способны обеспечивать высокую скорость, обеденное и компактное пламя, а не рассеянное пламя или объемное сгорание.
Следовательно, существует необходимость в создании горелки и разработке соответствующего процесса сгорания, который позволяет устранить вышеуказанные недостатки.
Сущность изобретения
Основная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить горелку, которая обеспечивает очень низкие выбросы NOx как на этапе холодного розжига, так и во время эксплуатации при надлежащей скорости, и которая также способна к обеспечению сгорания в свободной атмосфере, соответствующего процессу, выполняемому в термических печах для обработки заготовок.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить соответствующий процесс сгорания в свободной атмосфере для термических печей, который всегда позволяет получить очень низкие выбросы NOx.
Таким образом, настоящее изобретение предлагает решение вышеуказанных задач за счет создания промышленной горелки с низким уровнем выбросов NOx, которая по п.1, формулы изобретения, содержит:
- полый элемент, образующий продольную ось X;
- трубчатый элемент, расположенный внутри вышеуказанного полого элемента у его открытого конца;
- диффузор, расположенный внутри вышеуказанного трубчатого элемента у его первого конца внутри полого элемента для образования участка внутри вышеуказанного полого элемента;
- патрубок для подачи воздуха, поддерживающего горение, в вышеуказанный участок;
- трубу нагнетания горючего газа, расположенную внутри вышеуказанного полого элемента и соединенную с вышеуказанным диффузором;
в которой вышеуказанный диффузор снабжен
- первыми отверстиями для нагнетания первой порции горючего газа из вышеуказанной трубы нагнетания в первую зону сгорания, предусмотренную внутри вышеуказанного трубчатого элемента рядом с вышеуказанным диффузором;
- вторыми отверстиями для нагнетания первой порции воздуха, поддерживающего горение, в вышеуказанную первую зону сгорания;
- третьи отверстия для нагнетания второй порции воздуха, поддерживающего горение, во вторую зону сгорания, предусмотренную внутри вышеуказанного трубчатого элемента после первой зоны сгорания и сообщающуюся с последней, при этом вышеуказанная вторая порция воздуха, поддерживающего горение, пересекается с вышеуказанной первой зоной сгорания;
- трубой для нагнетания второй порции горючего газа из вышеуказанной трубы нагнетания в третью зону сгорания снаружи вышеуказанного трубчатого элемента, предусмотренную после второй зоны сгорания и сообщающуюся с последней, при этом вторая порция горючего газа пересекается с вышеуказанной второй зоной сгорания;
горелка также снабжена продольным каналом, образованным между наружным профилем вышеуказанного трубчатого элемента и внутренним профилем вышеуказанного открытого конца полого элемента для нагнетания третьей порции воздуха, поддерживающего горение, в вышеуказанную третью зону сгорания.
По второму аспекту настоящего изобретения предлагается процесс сгорания с низким уровнем выбросов NOx, обеспечиваемый за счет использования вышеуказанной горелки и печи, с которой вышеуказанная горелка взаимодействует посредством образования камеры сгорания, при этом процесс последовательно содержит следующие этапы сгорания по п.11 формулы изобретения:
1
- первичное сгорание, которое происходит за счет смешивания в первой зоне сгорания первой порции воздуха, поддерживающего горение и нагнетаемого через вторые отверстия, с первой порцией горючего газа, нагнетаемого через первые отверстия, в первом, по существу, стехиометрическом соотношении λ воздух/топливо, в результате чего образуются продукты первичного сгорания и первичный несгоревший газ;
2
- вторичное сгорание, которое происходит за счет смешивания во второй зоне сгорания второй порции воздуха, поддерживающего горение и нагнетаемого через третьи отверстия, с вышеуказанными продуктами первичного сгорания и вышеуказанным первичным несгоревшим газом с избытком воздуха, с целью получения второго сверхстехиометрического соотношения λ воздух/топливо, в результате чего образуются продукты вторичного сгорания и вторичный несгоревший воздух;
3
- третичное сгорание, которое происходит за счет смешивания в третьей зоне сгорания второй порции горючего газа, нагнетаемого через трубу с третьей порцией воздуха, поддерживающего горение и нагнетаемого через продольный канал, с вышеуказанным первичным и вторичным продуктами сгорания и вышеуказанным вторичным несгоревшим воздухом с избытком газа, так чтобы получить третье субстехиометрическое соотношение λ воздух/топливо для завершения полного сгорания в камере сгорания печи.
Горелка с низкими выбросами NOx по настоящему изобретению преимущественно обеспечивает высокоскоростное и компактное пламя, и принцип ее действия основан на ступенчатом сгорании воздуха и газа. Используемый способ сгорания именуется как «ступенчатое нагнетание топлива», объединенное с рециркуляцией топочных газов и обеднением пламени.
Воздух сгорания или воздух, поддерживающий горение, и горючий газ нагнетаются в различные зоны камеры сгорания через головку сгорания или диффузор для получения различных процессов сгорания, в которых указанное сочетание контролируется и ограничивается высоким процентным содержанием кислорода в процессе горения и высокотемпературным пламенем, возникающим в результате образования NOx, имеющих тепловую природу.
Преимущественно, горелка обеспечивает три основных последовательных процесса сгорания, именуемых как первичное сгорание, вторичное сгорание и третичное сгорание, соответственно. Эти три основных процесса сгорания выполняются на различных соответствующих расстояниях от головки сгорания и с соответствующими различными соотношениями компонентов топлива: первичное сгорание предусматривает соотношение компонентов топлива (воздух/топливо), близкое к стехиометрическому; вторичное сгорание обеспечивается посредством соотношения компонентов топлива со значительным избытком воздуха для получения сверхстехиометрического соотношения воздух/топливо; третье сгорание имеет соотношение компонентов топлива с избытком газа для получения субстехиометрического соотношения воздух/топливо с целью завершения полного сгорания.
Кроме того, горелка по изобретению обеспечивает, что первичное сгорание разбивается на подпроцессы первичного сгорания, в которых соотношение компонентов топлива поддерживается постоянным, но для которых первичный горючий газ и первичный воздух, поддерживающий горение, нагнетаются и смешиваются на различных расстояниях от головки сгорания. Таким образом, несмотря на то что соотношение компонентов топлива поддерживается неизменным, пламя обедняется, что, в частности, оказывает преимущественное влияние на уменьшение образования NOx.
Благодаря геометрии головки сгорания или диффузора и конфигурации отверстий для нагнетания вторичного воздуха (частично поддерживающего вторичное горение и частично третичное горение) пламя, создаваемое горелкой, в частности, является обедненным и компактным. Отверстия вторичного воздуха преимущественно сконфигурированы таким образом, что они создают «завихренное» и компактное пламя.
Особым преимуществом процесса является то, что для эксплуатации горелки не требуется дифференцировать способ горения в зависимости от температуры камеры сгорания с целью уменьшения выбросов NOx. Фактически, горелка предназначена для эксплуатации при температуре, примерно равной температуре самопроизвольного воспламенения топлива; таким образом, отсутствует возможность использования способов горения, в которых в качестве основной прерогативы температура камеры всегда превышает температуру самопроизвольного воспламенения горючего вещества (беспламенное сгорание). Преимущественно по той же причине горелка по изобретению не требует двойного впуска для воздуха, поддерживающего горение, или горючего газа.
Кроме того, как известно, большинство беспламенных горелок, представленных на рынке, требуют более высокого давления горючего газа по сравнению с давлением для традиционных горелок, в то время как горелка по изобретению обеспечивает превосходные эксплуатационные характеристики при таких же давлениях воздуха и газа, как и для традиционных горелок.
Топливо и воздух, поддерживающий горение, нагнетаются в камеру сгорания с такой скоростью, при которой обеспечивается высокая рециркуляция сгоревших газов. В частности, скорости третичного воздуха и вторичного газа (топлива в третичном сгорании) являются критичными для обеспечения интенсивного смешивания со сгоревшими газами и, соответственно, уменьшения процентного содержания кислорода при сгорании.
Основная новизна горелки по изобретению состоит в том, что за счет одновременного использования «ступенчатого нагнетания топлива», интенсивного обеднения пламени и рециркуляции топочных газов выбросы NOx всегда остаются очень низкими при любой температуре камеры, и горелка может эксплуатироваться в рабочем диапазоне, в котором автоматически обеспечивается беспламенное сгорание.
Преимущественно, горелка по изобретению, предназначенная для термических печей и обработки заготовок в свободной атмосфере, может функционировать как при значительном избытке воздуха, так и при стехиометрическом соотношении, независимо от температуры камеры.
В частности, когда температура камеры превышает 800°С, за счет уменьшения избытка воздуха до λ<1,1 горелка автоматически входит в рабочий режим, в котором рециркуляция топочных газов (Kv=4) и низкое процентное содержание кислорода при горении обеспечивают горение с невидимым пламенем (фиг.6).
Предпочтительно управлять горелкой в режиме вкл./выкл. для постоянного обеспечения высокого коэффициента рециркуляции Kv топочных газов и, соответственно, для поддержания высоких скоростей воздуха и газа, т.е. эксплуатировать горелку согласно требуемой мощности нагрева печи при максимальной мощности или удерживая ее в выключенном состоянии. В любом случае горелка также способна к надлежащей эксплуатации, когда она пропорционально регулируется за счет увеличения или уменьшения мощности в зависимости от требований к процессу.
Принимая во внимание, что горелка по изобретению функционирует в диапазоне температур, включающих в себя температуру самопроизвольного воспламенения топлива, и управляется в режиме вкл./выкл., она снабжена устройствами обнаружения воспламенения и пламени с целью обеспечения выполнения полностью безопасных циклов воспламенения и останова. В частности, головка сгорания имеет два отверстия для размещения устройства розжига, например, электрода розжига или пилотной горелки, и устройства обнаружения пламени, например УФ-элемента или электрода обнаружения пламени, соответственно.
Принимая во внимание важность устойчивости горелки при розжиге и инициировании пламени с помощью устройства розжига, первичное горение имеет такое соотношение компонентов топлива, что пламя имеет очень устойчивый корень и имеет, в частности, спектр интенсивного излучения для обнаружения пламени устройством обнаружения пламени при любой температуре камеры, и не особо чувствительно к изменению соотношения компонентов топлива.
Преимущественно, горелка по изобретению не требует значительного избытка воздуха (при соотношении компонентов топлива λ>1,5) при температурах камеры ниже температуры самопроизвольного воспламенения топлива, что имеет место для большинства горелок, которые используют ступенчатое горение, и сразу же после холодного розжига может функционировать при соотношении компонентов топлива близким к стехиометрическому соотношению, таким образом, поддерживая низкий уровень выбросов NOx и предельно низкий уровень выбросов СО.
В итоге можно сказать, что горелка с низкими выбросами NOx с компактными обеденным и высокоскоростным пламенем по настоящему изобретению может функционировать в холодном состоянии без необходимости подачи значительного избытка воздуха, обеспечивает очень низкие выбросы NOx как холодном, так в горячем состоянии, без необходимости изменения способа сгорания (от пламенного к беспламенному) и имеет надлежащую устойчивость пламени при любой температуре камеры и любом соотношении компонентов топлива. Создаваемое пламя не рассеивается и является высокоскоростным, обедненным, компактным и прозрачным и особенно пригодно для применений, где требуется интенсивное сгорание для нагрева материала за счет конвекции, создаваемой в печи посредством высоких скоростей топочных газов.
Кроме того, обеспечивается гибкость горелки за счет возможности ее эксплуатации с соотношениями компонентов топлива, где λ=AR/At изменяется от 0,9 до 2 в зависимости от типа требуемого нагрева, где Ar - соотношение между фактическим расходом воздуха и расходом топлива и At - соотношение между теоретическим расходом воздуха и расходом топлива.
И, наконец, горелка по изобретению является очень компактной и снабжена отдельным впуском для воздуха, поддерживающего горение, и отдельным впуском для топлива.
В независимых пунктах формулы изобретения приводится описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные характеристики и преимущества изобретения станут понятными из подробного описания предпочтительного, но неисключительного варианта выполнения горелки, приведенного в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 - первый вид в перспективе горелки по изобретению;
фиг.2 - второй вид в перспективе горелки из фиг.1;
фиг.3 - вид спереди торца горелки из фиг.1;
фиг.4 - схематичный вид сверху в разрезе горелки из фиг.1;
фиг.5 - разрез по линии А-А из фиг.3;
фиг.6 - график температура - коэффициент рециркуляции Kv топливных газов, где зоны идентифицированы различной конфигурацией пламени;
фиг.7 - вариант вида спереди торца горелки из фиг.1; фиг.7а - разрез по линии А-А из фиг.7;
фиг.8 - график выбросы NOx - температура, где указаны средние значения выбросов для различных конфигураций горелки из фиг.1.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения
Со ссылкой на фигуры показан предпочтительный вариант горелки, в целом обозначенной поз.1 и служащей для получения процесса сгорания с очень низким уровнем выбросов NOx и высокоскоростным пламенем за счет использования одновременного сочетания способов «ступенчатого нагнетания топлива», рециркуляции топочных газов и обеднения пламени.
Горелка 1 имеет продольную ось X и содержит:
- основной металлический корпус, по существу, цилиндрической формы, содержащий первый продольный полый элемент 2, соединенный и сообщающийся со вторым продольным трубчатым элементом 5 или трубой направления пламени;
- патрубок 3 подачи воздуха, поддерживающего горение;
- патрубок 4 подачи горючего газа;
- соединительный фланец 6 для соединения горелки с броневой плитой печи;
- соединительный фланец 10 первого продольного полого элемента 2 на соединительном фланце 6;
- цилиндрический трубчатый элемент 7, предпочтительно изготовленный из карбида кремния или другого пригодного материала и установленный в трубе 5 направления пламени на ее переднем конце (фиг.4 и 5);
- головку сгорания или диффузор 13, по существу, плоской или круглой формы, для прохождения горючего газа и воздуха, поддерживающего горение, в камеру сгорания печи; вышеуказанный диффузор 13 установлен в вышеуказанном цилиндрическом трубчатом элементе 7 и, по существу, ограничивает стакан, дном которого является диффузор 13 (фиг.5);
- трубу 14 подачи горючего газа;
- кожух устройства 11 розжига горелки с электродом 16 или пилотной горелки, установленный в первом продольном полом элементе 2;
- направляющую трубу 12 для размещения устройства обнаружения пламени.
Патрубок 3 подачи воздуха, поддерживающего горение, соединен с трубами системы подачи с помощью фланца 8, который может иметь, к примеру, круглую или квадратную форму. Перед нагнетанием в камеру сгорания воздух, проходящий через патрубок 3, проходит через участок 26 в полом элементе 2 цилиндрической формы и через участок 27 в трубе 5 направления пламени.
Головка сгорания или диффузор 13, например, плоской цилиндрической формы, снабжена отверстиями 18 для прохождения первой порции воздуха, поддерживающего горение и носящего название первичный воздух, и отверстиями 19 для прохождения второй порции воздуха, поддерживающего горение и носящего название вторичный воздух, в камеру печи.
Диффузор 13, предпочтительно, не необязательно изготавливаемый из металла, также снабжен отверстиями 17 для прохождения первой порции горючего газа, носящего название первичный газ, и центральным отверстием для прохождения трубы 15 для нагнетания второй порции горючего газа, носящего название вторичный газ, в камеру печи. Как отверстия 17, так и труба 15 сообщаются с трубой 14 подачи. В предпочтительном варианте на фиг.4 и 5 труба 15 неразъемно соединена с диффузором 13.
И, наконец, диффузор 13 снабжен отверстием 16' для размещения устройства розжига с электродом 16 или пилотной горелки и отверстием 12' для размещения устройства обнаружения пламени с электродом или с УФ-элементом, которое соединяется с трубой 12.
На вышеуказанном переднем конце труба 5 направления пламени имеет сужающуюся секцию (фиг.4), в результате чего образуется канал 25 кольцевой формы между трубчатым элементом 7 и трубой 5 для нагнетания третьей порции воздуха, поддерживающего горение и носящего название третичный воздух, в камеру печи. Вышеуказанный третичный воздух также вытекает из отверстий 21, образованных на краю 7' стакана, т.е. на кольцевом выступе на переднем конце трубчатого элемента 7. Канал 25 кольцевой формы должен иметь соответствующее минимальное сечение на краю 7', которое способствует рециркуляции топочных газов, определяемой третичным воздухом, выходящим из отверстий 21.
Как подробно описано ниже, головка сгорания или диффузор 13 направляет воздух, поддерживающий горение, в две различные зоны 22 и 23 камеры сгорания, при этом обе вышеуказанные зоны 22 и 23 расположены внутри так называемого стакана (фиг.5), и трубчатый элемент 7 и труба 5 направления пламени направляют воздух, поддерживающий горение, в третью зону 24 в камере сгорания, расположенную после зон 22 и 23.
Задняя стенка полого цилиндрического элемента 2 снабжена отверстиями для прохождения трубы 14 подачи горючего газа и для размещения устройства 11 розжига и устройства обнаружения пламени.
Патрубок 4 подачи горючего газа обеспечивает сообщение системы подачи и трубы 14 подачи через фланец 9. Как подробно описано ниже, горючий газ направляется в камеру сгорания через головку сгорания 13 и зону 22 и через трубу 15 и зоны 23 и 24.
Ответственными частями горелки, которые определяют надлежащее протекание процесса сгорания, являются труба 5 направления пламени, головка 13 сгорания и трубчатый элемент 7.
Труба 5 направления пламени служит для направления части воздуха горения через участок 27 и через головку 13 сгорания и другой части через кольцевой канал 25, ограничиваемый трубой 5 направления пламени и трубчатым элементом 7.
Головка 7 сгорания является основным элементом для направления воздуха и топлива в камеру сгорания с различных расстояний с различными скоростями и под различными углами.
Размеры трубчатого элемента 7 определяют скорость пламени, образуемого при первичном и вторичном сгорании, и определяют скорость выпуска третичного воздуха.
Преимущественно, разделение воздуха, поддерживающего горение, и горючего газа выполняется посредством расчета нагрузочных потерь и определения размеров отверстий 17, 18, 19 головки 13 сгорания, секции 20 канала трубки 15, кольцевого канала 25 между трубчатым элементом 7 и трубой 5 направления пламени, и отверстиями 21 кольцевого выступа 7'. Таким образом, различные впуски воздуха и газа не должны в обязательном порядке обеспечивать получение раздельных или взаимосвязанных клапанов или дополнительных блокирующих клапанов в линиях подачи.
Как указано выше, воздух, поддерживающий горение, проходит через различные группы отверстий, предусмотренных в головке сгорания или диффузоре 13; первичный воздух нагнетается в камеру через отверстия 18, в то время как вторичный воздух нагнетается через отверстия 19. Последняя часть воздуха, поддерживающего горение, третичный воздух, отклоняется трубчатым элементом 7 к наружной стороне горелки и нагнетается в камеру через кольцевой канал 25 и через отверстия 21 на краю или кольцевом выступе 7' трубчатого элемента 7.
Горючий газ проходит на участок 28 внутри трубы 14 подачи газа и нагнетается в камеру сгорания через головку 13 сгорания и трубку 15. В частности, первая часть газа, носящая название первичный газ, нагнетается с помощью отверстий 17 головки 13 сгорания, в то время как вторая часть газа, носящая название вторичный газ, нагнетается с помощью трубки 15 через вышеуказанную головку 13 сгорания.
Преимущественно, воздух, поддерживающий горение, и горючий газ смешиваются в трех различных основных зонах и создают три последовательных процесса горения, отличающихся тремя различными соотношениями компонентов топлива, обеспечивая устойчивое пламя и, тем самым, препятствуя сочетанию высокого процентного содержания кислорода и высокой температуры пламени. Это техническое решение уменьшает загрязняющие выбросы NOx также благодаря интенсивной рециркуляции топочных газов.
Первичный воздух, выходящий из отверстий 18, имеющих соответствующие размеры и наклоненных относительно продольной оси горелки, направляется на заданном расстоянии от головки 13 сгорания в первичную зону 22. Количество отверстий 18 предпочтительно находится в диапазоне от четырех до восьми. В двух вариантах на фиг.3 и фиг.7 предусмотрено восемь отверстий 18.
Первичный горючий газ, выходящий из отверстий 17, имеющих соответствующие размеры и наклоненных относительно продольной оси горелки, направляется на заданном расстоянии от головки 13 сгорания в первичную зону 22. Количество отверстий 17 предпочтительно находится в диапазоне от двух до четырех. В двух вариантах на фиг.3 и фиг.7 предусмотрено четыре отверстия 18.
Первичное сгорание осуществляется посредством смешивания в первичной зоне 22 первичного воздуха, поддерживающего горение, и горючего газа, по существу, в стехиометрическом соотношении и получения продуктов первичного сгорания и несгоревшего газа.
Предпочтительно, для обеднения пламени и значительного уменьшения выбросов NOx наклон части отверстий 18 отличается от наклона остальных отверстий 18 для нагнетания первичного воздуха, по меньшей мере, в две различные подзоны первичного сгорания в вышеуказанной первичной зоне 22. Аналогично, наклон части отверстий 17 отличается от наклона остальных отверстий 17 для нагнетания первичного горючего газа, по меньшей мере, в две различные подзоны первичного сгорания в той же самой первичной зоне 22.
Таким образом, в пределах первичного сгорания имеется возможность, в зависимости от наклона, количества и расположения отверстий 17 и 18, получить некоторое количество подпроцессов первичного сгорания в диапазоне от двух до четырех, при этом корень пламени каждого из подпроцессов сгорания будет находиться на различном расстоянии от головки 13 сгорания относительно других подпроцессов сгорания.
Подпроцессы первичного сгорания, возникающие в результате различного наклона отверстий 18 и 17, имеют одинаковое соотношение компонентов топлива и отличаются только различным расстоянием от головки 13, которая дает начало этим подпроцессам. Соотношение компонентов топлива обеспечивает надлежащую устойчивость пламени горелки, правильный розжиг и обнаружение пламени. Преимущественно, благодаря, по существу, стехиометрическому соотношению состава при первичном сгорании обеспечивается устойчивость горелки, фиксация пламени и высокий сигнал обнаружения пламени.
Вторичный воздух нагнетается при заданной скорости в камеру сгорания через отверстия 19, проходит через первичную зону 22 и достигает вторичной зоны 23, где он используется во вторичном сгорании. Отверстия 19 имеют такой угол, при котором форма пламени, выходящего из трубы 5 направления пламени, является компактной и узкой, и отверстия 19 предпочтительно являются спиральными, т.е. вихревыми, и позволяют получать более компактное пламя уменьшенной длины. Вторичное сгорание осуществляется за счет смешивания во вторичной зоне 23 только первой порции вышеуказанного вторичного воздуха с продуктами сгорания, образовавшимися при первичном сгорании, и с несгоревшим газом также, полученным также после первичного сгорания. Вторичное сгорание преимущественно имеет соотношение компонентов топлива, отличающееся значительным избытком воздуха.
Первичное и вторичное сгорания берут начало в трубчатом элементе 7 в зонах 22 и 23, соответственно, и, таким образом, назначение размеров трубчатого элемента 7 является важным фактором определения скорости распространения пламени, предпочтительно составляющей 30-40 м/с. Преимущественно, соотношение длины трубчатого элемента 7 и внутреннего диаметра трубчатого элемента 7 находится в диапазоне 0,95-1,05.
И, наконец, третичный воздух нагнетается при заданной скорости в камеру сгорания через кольцевой канал 25, предусмотренный между трубой 5 направления пламени и трубчатым элементом 7, и через отверстия 21 кольцевого выступа 7' трубчатого элемента 7 в так называемой третичной зоне 24 после вторичной зоны 23, где он используется в третичном сгорании.
Вторичный горючий газ нагнетается при заданной скорости в камеру сгорания через трубу 15, пересекает вторичную зону 23 и достигает третичной зоны 24, где он используется в третичном сгорании.
Третичное сгорание осуществляется за счет смешивания в третичной зоне 24 всего вторичного газа, выходящего из трубы 15 с продуктами сгорания, образующимися при первичном и вторичном сгораниях, со второй порцией вторичного воздуха, выходящего из отверстия 19, т.е. с несгоревшим воздухом от вторичного сгорания, и со всем третичным воздухом для получения значительного избытка газа. Третичный воздух позволяет завершить процесс полного сгорания в камере сгорания.
Преимущественно, скорости нагнетания третичного воздуха и вторичного газа и геометрия отверстий 21 должны обеспечивать образование завихрений, способных захватывать несгоревшие в камере газы (т.е. создавать так называемую рециркуляцию топочных газов) и уменьшать процентное содержание кислорода при сгорании и, соответственно, уменьшать выбросы NOx.
выбросы
горючий
газ
воздух
горения
Преимущественно, для работы горелки не требуются давления воздуха и газа выше давлений, используемых для традиционных горелок (500-700 даПа), что имеет место в случае беспламенных горелок. Нагнетание воздуха и нагнетание дифференцируемого газа в три зоны 22, 23, 24 и в две зоны 22 и 24, соответственно, обеднение пламени первичного сгорания, по меньшей мере, в двух подпроцессах сгорания, и скорость нагнетания третичного воздуха и вторичного газа, создающих значительную рециркуляцию топочных газов, обеспечивают сгорание с особо обедненным пламенем и особо низким уровнем выбросов NOx. Кроме того, в особых условиях, например, когда температура камеры превышает 800°С и соотношение компонентов топлива соответствует λ<1,1, рециркуляция топочных газов делает пламя невидимым и позволяет получить характеристику рабочего диапазона беспламенных горелок с коэффициентом рециркуляции Kv=[m/(m+m)] примерно равным 4, где m - расход.
Основное преимущество горелки по настоящему изобретению состоит в том, что во время эксплуатации горелка обеспечивает низкие выбросы NOx от момента холодного розжига до максимальной температуры эксплуатации без потребности, когда температура камеры является низкой, в значительном избытке воздуха для увеличения устойчивости пламени, что имеет место для большинства горелок, в которых используются способы ступенчатого сгорания. Устойчивость холодного пламени обеспечивается за счет того, что первичное сгорание происходит, фактически, в стехиометрическом соотношении.
Длина пламени варьируется согласно геометрии и углу и наклону отверстий 19 и 21; чем большее количество «вихревых» отверстий расположено под углом, тем короче будет пламя.
Розжиг горелок выполняется с помощью электрода 16, т.е. запальника, для которого в головке 13 сгорания выполнено специальное отверстие 16'. Обнаружение пламени обеспечивается с помощью УФ-элемента или с помощью того же электрода 16 розжига или другого электрода. УФ-элемент соединен с трубой 12 и сообщается с пламенем через специальное отверстие 12' в головке 13 сгорания.
Ниже приводятся некоторые параметры процесса сгорания, которые обеспечивают эффективное сгорание, и некоторые расчетные данные касательно горелки по настоящему изобретению:
- средняя скорость нагнетания первичного воздуха, поддерживающего горение, через отверстия 18 может составлять 70-120 м/с с предварительно подогретым воздухом при температуре 400°С, предпочтительно, 100-120 м/с;
- средняя скорость нагнетания вторичного воздуха, поддерживающего горение, через отверстия 19 может составлять 70-120 м/с при температуре предварительно подогретого воздуха 400°С, предпочтительно, 80-100 м/с;
- средняя скорость нагнетания третичного воздуха, поддерживающего горение, через отверстия 21 и кольцевой канал 25 может составлять 70-120 м/с с предварительно подогретым воздухом при температуре 400°С, предпочтительно, 110-120 м/с;
- количественное распределение воздуха по различным ступеням сгорания составляет: 5-40% для первичного воздуха, 5-60% для вторичного воздуха, 5-60% для третичного воздуха, предпочтительно, оптимальное распределение составляет: 15-20% для первичного воздуха, 30-35% для вторичного воздуха, 50-55% для третичного воздуха;
- давление воздуха, поддерживающего горение, на входе в патрубок 3 может составлять 45-70 мбар в зависимости от скорости нагнетания воздуха и геометрии отверстий;
- средняя скорость нагнетания первичного горючего газа через отверстия 17 может составлять 60-110 м/с при температуре газа, равной окружающей температуре, предпочтительно, 80-100 м/с;
- средняя скорость нагнетания вторичного горючего газа через трубу 15 в секции 20 канала может составлять 60-110 м/с при температуре газа, равной окружающей температуре, предпочтительно, 90 - 110 м/с;
1
- соотношение компонентов топлива λ в процессе первичного сгорания или подпроцессах первичного сгорания (генерируемых посредством расхода первичного воздуха и расхода первичного газа) может составлять 0,85-1,05;
2
- соотношение компонентов топлива λ в процессе вторичного сгорания (генерируемого посредством расхода вторичного воздуха и расхода первичного несгоревшего газа) может составлять 2,5-2,7, что свидетельствует об избытке воздуха;
3
- соотношение компонентов топлива λв процессе третичного сгорания (генерируемого посредством расхода третичного воздуха и расхода вторичного газа) может составлять 0,55-0,7, что свидетельствует об избытке газа;
- давление горючего газа, поступающего в патрубок 4, может составлять 45-70 мбар в зависимости от скорости нагнетания газа и геометрии отверстий;
- количество отверстий 18 для нагнетания первичного воздуха, имеющих круглое сечение, может составлять от 4 до 8;
- количество отверстий 19 для нагнетания вторичного воздуха, предпочтительно имеющих прямоугольное сечение и расположенных на краю головки 13 сгорания, может составлять от 10 до 14, предпочтительно 12, как на фиг.3;
- количество отверстий 21 для нагнетания третичного воздуха может составлять от 4 до 8, и эти отверстия 21 могут иметь круглую или прямоугольную форму или форму части отверстий круглого или полуэллиптического сечения, если они получены на краю вышеуказанного кольцевого выступа 7' трубчатого элемента 7;
- количество отверстий 17 для нагнетания первичного газа, имеющих круглое сечение, может составлять от 2 до 4;
- труба 15 вторичного газа имеет переменную длину 50-80 мм, предпочтительно длину 60-70 мм. Соотношение длины трубы 15 и длины трубчатого элемента 7 равно примерно 2/3;
- отверстия 18 расположены, по существу, по окружности, имеющей диаметр, равный примерно 2/3 наружного диаметра головки сгорания или диффузора 13;
- отверстия 17 расположены, по существу, по окружности, имеющей диаметр, равный примерно 1/3 наружного диаметра головки сгорания 13;
- отверстия 19 расположены, по существу, по окружности, имеющей диаметр, равный наружному диаметру головки сгорания 13;
- отверстия 19 для нагнетания вторичного воздуха имеют правосторонний угол и обеспечивают вихревой поток или завихрение; предпочтительно, угол закрутки может составлять 10-15°, и наклон относительно оси X горелки составляет 0-5°;
- отверстия 21 расположены, по существу, по окружности, имеющей диаметр, равный наружному диаметру трубчатого элемента 7;
- отверстия 21 третичного воздуха имеют наклон относительно оси X горелки, который может составлять от -5° до 5°; предпочтительно, наклон равен 0° для получения узкого и компактного пламени;
- соотношение внутреннего диаметра трубчатого элемента 7 и длины трубчатого элемента равно примерно 1 для увеличения рециркуляции топочных газов;
- соотношение наружного диаметра и внутреннего диаметра трубчатого элемента 7 может составлять 1,2-1,4;
- материалом трубчатого элемента 7 предпочтительно является карбид кремния или другой материал, пригодный для высокотемпературных применений;
- труба 5 направления пламени имеет секцию, которая уменьшается к концу и образует кольцевой канал 25 с наружным профилем трубчатого элемента 7;
- материалом трубы 5 направления пламени предпочтительно является карбид кремния или другой материал, пригодный для высокотемпературных применений;
- преимущественно, процесс первичного сгорания, разбитый на подпроцессы сгорания, происходит с обеднением пламени в трубчатом элементе 7 в первичной зоне 22;
- преимущественно, вторичное сгорание происходит в трубчатом элементе 7 во вторичной зоне 23;
- преимущественно, третичное сгорание начинается и завершается в третичной зоне 24 снаружи трубчатого элемента 7 и трубы 5 направления пламени с целью легкой рециркуляции продуктов предыдущих процессов сгорания.
Со ссылкой на вид спереди горелки на фиг.3 и фиг.7 наклон относительно оси X отверстий 18 для прохождения первичного воздуха может составлять 10-30°, при этом вышеуказанные отверстия 18 имеют собственные сходящиеся оси относительно оси X горелки. Предпочтительно, половина отверстий 18 имеет отличающийся наклон по отношению к другой половине. Четыре отверстия 18 рядом с отверстиями 16' и 12', которые образуют кожух электрода и УФ-элемента, соответственно, имеют предпочтительный наклон 25°, при этом оставшиеся четыре отверстия 18 предпочтительно имеют наклон 15°.
Наклон относительно оси X отверстий 17 первичного газа может составлять от 0° до -15°; предпочтительно, половина отверстий 17 имеет отличающийся наклон по отношению к другой половине. Предпочтительно, половина отверстий 17 имеет наклон 0°, т.е. они параллельны продольной оси X горелки; другая половина отверстий 17 имеет наклон - 10°, т.е. они имеют собственные расходящиеся оси относительно вышеуказанной оси X. Еще более предпочтительно количество отверстий 17 равно четырем.
В первом варианте диффузора 13, показанном на фиг.3, два отверстия 17, расположенные симметрично напротив друг друга относительно середины секции выпуска трубы 15, имеют наклон 0° относительно оси X, в то время как два других отверстия 17, симметрично расположенные напротив друг друга относительно трубы 15, имеют наклон - 10° относительно оси X. Секции выпуска отверстий 17 предпочтительно расположены, если рассматривать их попарно, таким образом, что они образуют прямые линии М, N, которые пересекаются под углом 45° с воображаемой линией Y, которая соединяет наружные секции отверстий 16' и 12'.
Во втором варианте диффузора 13, показанном на фиг.7, четыре отверстия 17 расположены вокруг оси X в положении, повернутом на 45° относительно положения, занимаемого ими на фиг.3. Первая пара отверстий 17, расположенных симметрично напротив друг друга относительно середины наружной секции трубы 15, в общем, соосно с осью X, имеет оси, параллельные оси X. Секции выпуска отверстий 17 расположены двумя парами, при этом вышеуказанная первая пара предпочтительно образует прямую линию М', по существу, параллельную воображаемой линии Y, которая соединяет наружные секции отверстий 16' и 12'. Наружные секции второй пары отверстий 17 расположены относительно оси X горелки таким образом, что они образуют вторую прямую линию N', которая пересекает ось трубы 15 и образует, по существу, угол 90° с воображаемой линией Y, которая соединяет секции выпуска отверстий 16' и 12', или наоборот. Продольные оси второй пары отверстий 17 имеют собственную ось, наклоненную на - 10° относительно оси X в направлении расхождения относительно оси трубы 15.
Преимущественно, способ, с помощью которого выбираются наклоны отверстий 17 и 18 относительно оси X и расположение отверстий 17 первичного газа относительно линии Y, обеспечивает получение группы подпроцессов первичного сгорания в количестве от двух до четырех.
В первом предпочтительном варианте на фиг.3 первичный воздух, выходящий из отверстий 18, наклоненных под углом 25° относительно оси X, смешивается с первичным газом, выходящим из отверстий 17, наклоненных под углом - 10°, на участке внутри первичной зоны 22 на некотором расстоянии от головки 13 сгорания, равном примерно 1/3 длины трубы 15; первичный воздух, выходящий из отверстий 18, наклоненных под углом 25°, смешивается с первичным газом, выходящим из отверстий 17, наклоненных под углом 0° на участке внутри первичной зоны 22 и на некотором расстоянии от головки 13 сгорания, равном примерно 2/5 длины трубы 15; первичный воздух, выходящий из отверстий 18, наклоненных под углом 15°, смешивается с первичным газом, выходящим из отверстий 17, наклоненных под углом - 10°, на участке внутри первичной зоны 22 на некотором расстоянии от головки 13 сгорания, равном примерно 3/5 длины трубы 15; первичный воздух, выходящий из отверстий 18, наклоненных под углом 15°, смешивается с первичным газом, выходящим из отверстий 17, наклоненных под углом 0° на участке на краю первичной зоны 22 и на некотором расстоянии от головки 13 сгорания, равном примерно длине трубы 15. Таким образом, по первому варианту предусматриваются четыре подпроцесса первичного сгорания.
По второму предпочтительному варианту на фиг.7 первичный воздух, выходящий из отверстий 18, наклоненных под углом 25°, смешивается с первичным газом, выходящим из отверстий 17, наклоненных под углом - 10°, на участке внутри первичной зоны 22 и на некотором расстоянии от головки 13 сгорания, равном примерно 2/5 длины трубы 15; первичный воздух, выходящий из отверстий 18, наклоненных под углом 15°, смешивается с первичным газом, выходящим из отверстий 17, наклоненных под углом - 10° на участке внутри первичной зоны 22 и на некотором расстоянии от головки 13 сгорания, равном примерно 3/5 длины трубы 15. Таким образом, по этому второму варианту предусматриваются два подпроцесса первичного сгорания в направлении головки сгорания по отношению к варианту на фиг.3.
На фиг.8 показаны средние значения выбросов NOx горелки, полученные с помощью двух вариантов на фиг.3 и фиг.7, при этом они оба пригодны для эксплуатации при термообработке, где требуемая температура печи должна примерно равняться температуре самопроизвольного воспламенения топлива:
- по первому варианту на фиг.3 четыре подпроцесса первичного сгорания определяют надлежащую устойчивость холодного пламени, среднюю устойчивость горячего пламени и надлежащий уровень выбросов NOx;
- по второму варианту на фиг.7 два подпроцесса первичного сгорания определяют надлежащую устойчивость холодного пламени, надлежащую устойчивость горячего пламени и средний уровень выбросов NOx.
Процесс по изобретению позволяет свести к минимуму загрязняющие выбросы в рабочем диапазоне, как с учетом мощности горелки, так и рабочей температуры печи, и температуры воздуха, поддерживающего горение, и избытка кислорода в камере и т.д.
Для выполнения процесса по изобретению могут быть предусмотрены средства обработки и устройство управления процессом, объединенные с вышеописанной горелкой. Вышеуказанная горелка, имеющая высокую гибкость при любых условиях эксплуатации, преимущественно имеет низкую стоимость изготовления и отличается особо низкими уровнями выбросов по первому варианту эксплуатации, что позволяет получить, в частности, результаты, представляющие интерес в промышленном аспекте во всех рабочих диапазонах стандартных печей для термообработки. Таким образом, горелка по изобретению также обеспечивает низкий уровень выбросов во время колебаний рабочих температур печи в течение некоторого периода времени в районе температуры самопроизвольного воспламенения горючего газа.
Описанные здесь варианты выполнения не ограничивают содержание применения, которое распространяется на все варианты изобретения, определенные в формуле изобретения.