МАТРИЧНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ОБЪЕМА ГОРЕНИЯ
MATRIX FOR REDUCED COMBUSTION VOLUME

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в общем относится к сжиганию ископаемого топлива, а в частности - к новому и полезному способу и аппарату для сжигания газообразного топлива в парогенерирующем котле.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Горелки для сжигания ископаемого топлива преобразуют энергию, хранимую в ископаемом топливе, в тепловую энергию путем сжигания ископаемого топлива в присутствии окислителя. При использовании в производстве электроэнергии тепловая энергия может передаваться воде для получения водяного пара для приведения в действие турбин, генерирующих электрическую энергию. При использовании не в производстве электроэнергии тепловая энергия может передаваться любому числу потенциальных объектов или процессов.
Стандартные парогененирующие котлы, в общем, содержат одну или более горелок, одну или более точек впрыска топлива, одну или более точек впрыска окислителя и средство для обеспечения движения впрыскиваемых топлива и окислителя в пламенной печи. При воспламенении смеси окислителя и топлива (фиг.1) образуется наружная зона 4 пламени горения, содержащая факел 3 и область 2 смешивания окислителя и топлива, образуемую между факелом и горелкой 1.
На фиг.2 и фиг.3 приведены схематические представления стандартных парогенерирующих котлов, использующих одну и множество горелок, соответственно. Внутренние стенки содержат множество парогенерирующих труб 6, гидродинамически соединенных с пучком труб котла (не показано). Тепловая энергия, генерируемая в наружной зоне 4 пламени горения, радиационно нагревает трубы 6, которые, в свою очередь, проводят тепловую энергию к воде в трубах 6 для генерирования пара.
Во многих парогенерирующих котлах длина и ширина наружной зоны 4 пламени горения играют существенную роль в конструкции пламенной печи 5. Например, в FM-котлах пламенная печь 5 предпочтительно получена достаточно большой для предотвращения чрезмерного контактного взаимодействия наружной зоны 4 пламени горения со стенками 10 топочной камеры. Также известный как наброс факела (на стенку топки), показанный на фиг.3, чрезмерный факел 3, входящий в контактное взаимодействие со стенкой 10 топочной камеры, может в результате привести к неполному сгоранию, ведущему к более высоким выбросам СО и других побочных продуктов сгорания в окружающую среду, или преждевременное разрушение, приводящее к дорогостоящим ремонтам и простоям котла. В соответствии с этим пламенные печи 5, в общем, конструируют для вмещения данной наружной зоны 4 пламени горения с минимизацией возможности наброса факела.
Стандартные горелки, в общем, используют механизмы управления потоком для регулирования аксиальной и радиальной протяженности наружной зоны 4 пламени горения. Радиальная протяженность наружной зоны 4 пламени горения, в общем, является функцией завихрения и естественного расширения топлива, окислителя и факела. Некоторые стандартные конструкции горелок используют механизмы управления потоком для ограничения естественного радиального расширения наружной зоны 4 пламени горения, приводя в результате к получению более длинного и узкого факела. Силы сдвига, создаваемые механизмами управления потоком, также могут быть использованы для влияния расширение смеси окислителя и топлива перед горением, оказывая в соответствии с этим влияние на выбросы, например СО и NOx, в окружающую среду.
Доступность окислителя и топлива и их способность к смешиванию перед сжиганием влияет на длину наружной зоны 4 пламени горения в пламенной печи 5. Более длинные факелы, в общем, получают в результате недостаточной подачи окислителя или неадекватного перемешивания окислителя и топлива в наружной зоне 4 пламени горения. Более короткие факелы, в общем, являются результатом достаточной подачи окислителя и адекватного перемешивания окислители и топлива в наружной зоне 4 пламени горения. На длину факела может также оказать влияние скорость, с которой потоки топлива и/или окислителя входят в наружную зону 4 пламени горения. Чрезмерные скорости или кратковременные прерывания потоков топлива и/или окислителя могут побудить факел 3 горелки потерять воспламенение. Такая потеря воспламенения является особенно нежелательной, так как это может в результате привести к накоплению топлива, чувствительному к сильному взрыву при повторном воспламенении.
Департамент энергии США сформулировал, что существует давно назревшая необходимость в уменьшении размера и массы парогенерирующих котлов, например промышленных котлов. Стандартные парогенерирующие котлы созданы для вмещения размера генерируемой наружной зоны 4 пламени горения. В соответствии с этим существует давно назревшая необходимость в разработке наружной зоны 4 пламени горения, способной к генерированию достаточной тепловой энергии для производства пара в значительно меньшем объеме, обеспечивая в соответствии с этим возможность получения меньших, более легких и более компактных конструкций парогененирующих котлов.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение решает вышеупомянутые проблемы и обеспечивает получение парогенерирующего котла, способного к сжиганию жидкого топлива, газообразного топлива, или любых их комбинаций.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение получения компактного парогенерирующего котла.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение получения парогенерирующего котла с более широкой в радиальном направлении и более короткой в аксиальном направлении наружной зоной 4 пламени горения, чем у стандартных парогенерирующих котлов.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение получения парогенерирующего котла с низким выбросом газообразных NOx и СО в окружающую среду.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение получения парогенерирующего котла, способного к пассивному поддержанию постоянного источника воспламенения.
Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности получения средств для конструирования парогенерирующего котла уменьшенного размера и массы по сравнению с размерами и массой стандартного парогенерирующего котла.
Настоящее изобретение относится к парогенерирующему котлу. Парогенерирующий котел, соответствующий настоящему изобретению, содержит множество паровых труб, экономайзер, расположенный за этим множеством паровых труб, и пламенную печь, расположенную перед множество паровых труб, содержащую впуск окислителя, предназначенный для подачи окислителя, впуск топлива, предназначенный для подачи топлива, множество паровых труб, присоединенных к стенке пламенной печи, причем паровые трубы гидродинамически соединены с паросборником, расположенным за пламенной печью, и матрицу для пассивного смешивания окислителя и топлива.
При этом матрица может рассеивать в радиальном направлении наружную зону пламени горения, получаемую воспламенением топлива и окислителя,
матрица может содержать слой сферических элементов, сферические элементы могут быть керамическими или металлическими, матрица содержит первое поперечное сечение, имеющее открытую область для газообразного потока, второе поперечное сечение, имеющее открытую область для газообразного потока, причем открытая область для газообразного потока через первое поперечное сечение больше открытой области для газообразного потока через второе поперечное сечение, матрица дополнительно содержит третье поперечное сечение, а открытая область для газообразного потока через площадь третьего поперечного сечения по существу равна открытой области для газообразного потока через первое поперечное сечение, матрица дополнительно содержит третье поперечное сечение, а открытая область для газообразного потока через площадь третьего поперечного сечения по существу равна открытой области для газообразного потока через второе поперечное сечение, наружная зона пламени горения выступает из матрицы за вход впрыскиваемого топлива, матрица содержит тепловой резервуар, способный поддерживать воспламенение топлива и окислителя, впуск топлива расположен в матрице, впуск окислителя расположен в матрице. Кроме того, котел может содержать
перфорированную пластину, расположенную перед матрицей, а воздухоподогреватель может быть расположен за экономайзером.
По второму варианту выполнения парогенерирующий котел, содержит множество паровых труб, экономайзер, расположенный за этим множеством паровых труб, и пламенную печь, расположенную перед множество паровых труб, содержащую первый впуск окислителя, предназначенный для подачи первого окислителя, второй впуск окислителя, предназначенный для подачи второго окислителя, впуск топлива, предназначенный для подачи топлива, множество паровых труб, присоединенных к стенке пламенной печи, причем паровые трубы гидродинамически соединены с паросборником, расположенным за пламенной печью, а также первую матрицу для пассивного смешивания первого окислителя и топлива, и вторую матрицу, расположенную за первой матрицей для пассивного смешивания второго окислителя и топлива.
Кроме того, котел дополнительно содержит межкаскадную охлаждающую трубу, расположенную между первой матрицей и второй матрицей, перфорированную пластину, расположенную перед первой матрицей, воздухоподогреватель, расположенный за экономайзером, воспламенитель, расположенный между первой матрицей и второй матрицей, сканер, расположенный между первой и второй матрицами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На сопроводительных чертежах, образующих часть этого описания, аналогичными ссылочными номерами указаны подобные или соответствующие детали, где
Фиг.1 - схематическое представление наружной зоны пламени горения.
Фиг.2 - схематическое представление стандартного промышленного котла, использующего одну горелку.
Фиг.3 - схематическое представление стандартного промышленного котла, использующего более одной горелки.
Фиг.4 - схематическое представление нежелательной наружной зоны пламени горения, в которой имеет место чрезмерный контакт факела вдоль длины и ширины пламенной печи.
Фиг.5 - вариант осуществления настоящего изобретения, в котором матрица, модернизированный вариант, в пламенной печи существующего парогенерирующего котла.
Фиг.6 - иллюстрация варианта осуществления настоящего изобретения, в котором топливо и окислитель вводят перед матрицей.
Фиг.7 - иллюстрация варианта осуществления настоящего изобретения, в котором топливо и окислитель вводят в боковые поверхности матрицы.
Фиг.8 - иллюстрация варианта осуществления настоящего изобретения, в котором топливо и окислитель вводят переднюю и боковую поверхность (боковые поверхности) матрицы.
Фиг.9 - предпочтительный вариант осуществления матрицы, соответствующего настоящему изобретению, где иллюстрируются поперечного сечения матрицы.
Фиг.10 - графическое представление варианта осуществления настоящего изобретения, где матричные средства используют для облегчения ступенчатого сжигания.
Фиг.11 - графическое представление варианта осуществления ступенчатого сжигания, соответствующего настоящему изобретению, в котором межкаскадное охлаждение используют в котле со ступенчатым сжиганием и двумя матрицами.
Фиг.12 - графическая иллюстрация альтернативного варианта осуществления матрицы, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.13 - графическая иллюстрация другого альтернативного варианта осуществления матрицы, соответствующего настоящему изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении используется комбинация элементов для улучшения конструкции стандартных нефтяных и газовых парогенерирующих котлов. Стандартные нефтяные и газовые парогенерирующие котлы включают в себя, но без ограничения, FM, High Capacity FM, PFM, PFI, PFT, SPB и RB, которые описаны в главе 27 книги («Водяной пар, его производство и использование») Steam/its Generation & Use, 41th Edition, Kitto and Stutz, Eds., © 2005 The Babcock & Wilcox Company, текст которой во всем его полноте включен в эту заявки в качестве ссылки. С целью объяснения сущности настоящего изобретения в этой заявке приведены схематические представления FM-котла. Однако, как очевидно квалифицированному специалисту в этой области техники, схематические представления FM-котлов приведены в этой заявке только в качестве примера, а не для ограничения настоящего изобретения вариантами осуществления FM-котлов.
На фиг.2 и фиг.3 приведены схематические представления FM-котлов, соответствующих предшествующему уровню техники. В FM-котле огнеупорный экран 20 отделяет пламенную печь 5 от пучка труб котла (не показан). Наружная зона 4 пламени горения расположена внутри пламенной печи 5. Топливо и окислитель подают к горелке 1, генерирующей при поджигании наружную зону 4 пламени горения.
Внутренние стенки 10 пламенной печи содержат серию труб 6, гидродинамически соединенных с паросборником 7, производящим водяной пар, используемый для технологического процесса получения электрической энергии. Коническая рассеивающая конфигурация наружной зоны 4 пламени горения в результате приводит к значительному неиспользуемому объему пламенной печи вдоль боковой поверхности наружной зоны 4 пламени горения по мере ее увеличения в размерах.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение неиспользуемого объема пламенной печи. Настоящее изобретение обеспечивает матрицу 8, размещаемую либо в факеле, либо перед факелом наружной зоны пламени горения. На фиг.5 иллюстрируется модернизированный вариант осуществления настоящего изобретения. Матрица 8 размещена в пламенной печи 5 за горелкой 1. Топливо и окислитель входят в матрицу 8, причем конструкция поперечного сечения матрицы 8 обеспечивает средства для пассивного перемешивания газообразных потоков и радиального рассеивания результирующей наружной зоны 9 пламени горения.
К матрице 8 подают, по меньшей мере, один поток газообразного топлива и, по меньшей мере, один поток газообразного окислителя или их комбинации. Газообразные потоки могут входить в матрицу 8 с любой стороны. На фиг.6 иллюстрируется предпочтительный вариант осуществления, где поток 12 топлива и поток 11 окислителя вводят перед матрицей 8. В альтернативном варианте, как показано на фиг.7 и фиг.8, газообразные потоки 11,12 могут входить в матрицу 8 только из боковой поверхности (боковых поверхностей) или из комбинации передней и боковой поверхности (боковых поверхностей) матрицы 8.
На фиг.9 иллюстрируется предпочтительный вариант осуществления матрицы 8, соответствующей настоящему изобретению. В этом варианте осуществления аппарат для сжигания представляет собой матрицу 8, содержащую, по меньшей мере, один слой сфер. Сферы могут быть расположены в матрице 8 в произвольном или определенном порядке. Сферы могут быть по природе полыми, сплошными, или пористыми, или любой их комбинацией. Сферы могут изменяться по размеру или быть по существу одного размера. Сферы предпочтительно содержат высокотемпературный металл или керамику, способную выдерживать крайне высокие температуры, воздействию которых может подвергаться матрица 8 во время сжигания ископаемого топлива, однако могут быть использованы сферы, содержащие любой известный материал.
Как показано на фиг.9, для схематического представления изменений в открытой области для прохождения газообразного потока через матрицу 8 идентифицировано четыре плоскости поперечного сечения матрицы. Плоскость 1 имеет приблизительно 46 процентов открытой области, плоскость 2 - приблизительно 31 процент открытой области, плоскость 3 - приблизительно 9 процентов открытой области и плоскость 4 - приблизительно 58 процентов открытой области.
Задачей настоящего изобретения является улучшенное смешивание газообразных потоков. Улучшенного смешивания достигают в присутствии матрицы 8, содержащей, по меньшей мере, две плоскости поперечного сечения, имеющие разные проценты открытой области, так, чтобы первая плоскость поперечного сечения имела больший процент открытой области для газообразного потока, чем вторая плоскость поперечного сечения. Плоскость 1 и плоскость 2, иллюстрируемые на фиг.9, являются плоскостями двух поперечных сечений, имеющими разные проценты открытой области для газообразного потока. Когда газообразные потоки проходят между этими двумя плоскостями, сталкиваются с перепадом давления, побуждающим газообразные потоки сжиматься или расширяться, создающим в соответствии с этим сдвигающее усилие и смешивание газообразных потоков. Лучшее перемешивание, обеспечиваемое посредством матрицы 8, минимизирует величину образования СО и избыточного воздуха, необходимого для полного сгорания.
Другая задача настоящего изобретения заключается в необходимости рассеивания наружной зоны пламени горения в радиальном направлении. Радиальное рассеивание получают в присутствии матрицы 8, содержащей, по меньшей мере, две плоскости поперечного сечения, имеющие разные проценты открытой области, причем эти две плоскости взяты из разных осей, а первая плоскость поперечного сечения имеет более высокий процент открытой области для газообразного потока, чем вторая плоскость поперечного сечения. Плоскость 3 и плоскость 4, иллюстрируемые на фиг.9, являются плоскостями поперечных сечений разных осей, имеющими разные проценты открытой области для газообразного потока. Когда газообразные потоки приближаются к плоскости 3, то сталкиваются с сопротивлением, возникающим вследствие относительно малой открытой области для прохождения газообразного потока через плоскость 3, побуждающим часть газа изменять ее вектор по направлению к плоскости меньшего сопротивления прохождению потока, например плоскости 4, подавляя в соответствии с этим в аксиальном направлении и рассеивая наружную зону пламени горения в радиальном направлении.
Настоящее изобретение обеспечивает аппарат для сжигания, который обеспечивает возможность получения улучшенной конструкции парогенерирующего котла при сохранении подобной тепловой мощности. На фиг.5 приведено схематическое представление настоящего изобретения, внедренного в порядке модернизации в стандартный FM-котел. Настоящее изобретение в радиальном направлении расширяет наружную зону 4 пламени горения, приводя в результате к более короткой наружной зоне 9 пламени горения. В случаях модернизации стандартных котлов в неиспользуемом объеме сжигания может быть размещено дополнительное парогенерирующее оборудование, максимизируя в соответствии с этим потенциал производства энергии.
Преимуществом уменьшения глубины пламенной печи является обеспечение возможности разработки новых компактных конструкций котлов без уменьшения их тепловой мощности. Пламенные печи 5 в парогенерирующих котлах, в общем, конструируют для вмещения данной наружной зоны 4 пламени горения при минимизации риска наброса факела на стенку топки. Укорачивание наружной зоны 4 пламени горения обеспечивает возможность значительного уменьшения глубины печи при любой данной тепловой мощности. Использование настоящего изобретения уменьшает размер котла и, следовательно, массу, так как более короткие котлы используют значительно меньше сырья для получения стенок котла и труб 6.
Матрица 8, соответствующая настоящему изобретению, может быть размещена в любом месте в наружной зоне 4 пламени горения. Матрицу 8 предпочтительно размещают в зоне 2 смешивания, а глубина будет достаточной для обеспечения возможности начала горения в матрице 8 и факелах горения 3 для выхода из матрицы 8 ниже по технологической цепочке от того места, где вводят топливо и окислитель. В этом варианте осуществления ширина факела максимальна, когда воспламенение сжигаемого потока создает усилия расширения, дающие возможность дополнительного радиального расширения в матрице 8.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является пассивное поддержание постоянного источника воспламенения. В этом варианте осуществления матрица 8 получена из материала, способного сохранять тепловую энергию. Если факел вследствие чрезмерных скоростей или флуктуации в потоке топлива и/или в потоке окислителя утратит воспламенение, то тепловая энергия, сохраняемая в элементах матрицы, обеспечит достаточный тепловой резервуар для поддержания воспламенения, предотвращая в соответствии с этим нежелательные ситуации, связанные с задержанным повторным воспламенением.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения в парогенерирующем котле может быть использовано более одной матрицы 8. На фиг.10 приведено графическое представление варианта осуществления настоящего изобретения, в котором для облегчения ступенчатого сжигания используют две матрицы. В этом варианте осуществления вторая матрица 14 расположена за первой матрицей 8. Первая матрица 8 обеспечивается с потоком 18 топлива и достехиометрическим окислителем 17 для подавления генерирования нежелательных побочных продуктов горения, например NOx. Второй поток 13 окислителя, обеспечивающий достаточно кислорода для горения оставшегося топлива, предусматривается за первой матрицей 8 и перед второй матрицей 14.
На фиг.11 иллюстрируется альтернативный двухматричный вариант осуществления ступенчатого сжигания, соответствующий настоящему изобретению. В этом варианте осуществления охлаждающие трубы 15 размещены между двумя матрицами 8 и 14 для регулирования температуры факела и образования термической NOx. Перфорированная пластина 150 также может быть размещена перед первой матрицей 8, выполняя функцию пламегасителя и/или предварительного распределителя достохиометрического окислителя 17.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения датчик 16 может быть размещен в пламенной печи для наблюдения процесса горения в пламенной печи 5.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения воспламенитель 160 может быть размещен в пламенной печи для предварительного нагрева матрицы 8 или воспламенения топлива и окислителя.
На фиг.12 приведено графическое представление другого варианта осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления матрица 8 содержит произвольный или упорядоченный блок волокон или чередующихся частиц. Между волокнами и частицами находятся серии внутреннего канала, имеющие поперечные сечения изменяющейся открытой области для газообразного потока, обеспечивающие средства для пассивного смешивания и радиального рассеивания газообразных потоков топлива и окислителя в матрице 8. Разрез по линии А-А обеспечивает поперечное сечение, соответствующее настоящему изобретению.
На фиг.13 приведено графическое представление другого варианта осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления матрица 8 содержит спеченные или плотно пригнанные плитки с отверстиями 19 Вентури. Показано увеличенное сечение, сделанное по линии В-В, этого варианта осуществления, где размеры поперечного сечения отверстий 19 Вентури показаны изменяющимися по толщине матрицы 8.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения окислитель и топливо могут подаваться в матрицу 8 во множестве потоков.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения матрица 8 может содержать несферические элементы или комбинацию сферических и несферических элементов, расположенных упорядоченно или неупорядоченно.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения сферы или альтернативно профилированные элементы могут быть покрыты любым числом химических субстратов, известных квалифицированным специалистам в этой области техники для изменения химии топлива, улучшения горения и уменьшения выбросов загрязняющих агентов в окружающую среду.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения сама матрица 8 может быть прямоугольной, круглой или любой другой геометрической формы. В общем, элементы матрицы 8, соответствующие настоящему изобретению, удерживаются присоединенными посредством соответствующего аппарата для предотвращения движения между сферами. Примерами соответствующего аппарата, но без ограничения, являются проволочные рамы и/или химическое или механическое соединение элементов матрицы 8 между собой.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения множество матриц может быть размещено параллельно в котле. В таком варианте осуществления может одновременно сжигаться множество видов топлива, обеспечивая в соответствии с этим гибкость технологического процесса сжигания топлива в зависимости от конструкций котла.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения для создания перепада давления через матрицу 8 для стимулирования или ограничения газообразного потока через нее может быть использован сжатый воздух или рециркуляционный вентилятор.