СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SOLID FUEL BURNING AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Настоящее изобретение относится к способу сжигания твердого топлива и к устройству для его осуществления. Более точно, изобретение относится к такому сжиганию в горелке с использованием окислителя с высокой концентрацией кислорода.
При обычном сжигании твердого топлива в промышленных горелках часто используют пневматическую систему, где используют транспортирующий газ для транспортирования твердого топлива от впуска к месту сжигания. Например, топливо может быть в форме порошка, например распыляемого угля, и ему можно сообщать движение транспортирующим газом. Часто транспортирующий газ представлен в виде воздуха или азота. Такие системы сжигания могут быть, например, использованы для нагревания промышленных печей.
Один недостаток такой установки заключается в том, что транспортирующий газ составляет существенную часть газового потока в горелке. Следовательно, должны быть нагреты большие количества балластного газа, например азота, что ведет к понижению эффективности.
X
Кроме того, желательно использование твердых видов топлива совместно с использованием кислородотопливных горелок, другими словами, таких устройств, в которых используют окислитель с большой концентрацией кислорода. Один недостаток такого сжигания заключается в том, что температура пламени локально становится очень высокой. В сочетании с большим количеством азота, присутствующим в зоне горения, это приводит в результате к высоким уровням выделения соединений типа NO в газообразных продуктах сгорания, что нежелательно по причинам, связанным, помимо прочего, с возможностями регулирования процессов и с охраной окружающей среды. В то же время было подтверждено, что очень сложно приспособить обычную горелку для твердого топлива таким образом, чтобы имело место разбавление топлива топочными газами с целью достижения так называемого беспламенного горения, т.е. горения с такой рассеянной зоной горения, чтобы видимое пламя по существу отсутствовало и, таким образом, достигались бы более низкие температуры горения.
X
Таким образом, было бы желательным создание способа эффективного сжигания твердого топлива, продукты горения которого содержали бы малые количества NO.
Настоящим изобретением решаются описанные выше проблемы.
Таким образом, изобретение относится к способу сжигания твердого топлива, в котором топливо подают с помощью непневматических питающих средств к впускному отверстию горелки, где горелка снабжена первым впуском для окислителя, через который окислитель понуждают к проходу через первый подающий трубопровод, и отличающийся тем, что первый впуск для окислителя выполнен в виде отверстия, окружающего впускное отверстие, и тем, что окислитель понуждают к выходу через отверстие со скоростью, составляющей, по меньшей мере, 100 м/с, через трубку горелки и через отверстие горелки в пространство горения таким образом, чтобы окислитель посредством эжекционного воздействия понуждал топливо к транспортированию его через трубку горелки и через отверстие горелки.
Кроме того, изобретение относится к устройству такого типа, по существу обладающему отличительными особенностями согласно п.13 формулы изобретения.
Изобретение ниже описано подробно со ссылками на приведенные в качестве примеров варианты исполнения изобретения и на прилагаемый чертеж (см. фиг.1), на котором схематически изображен вид горелки согласно настоящему изобретению.
На фиг.1 показана горелка 10, выполненная согласно настоящему изобретению, пригодная для осуществления способа согласно настоящему изобретению. Горелка 10 установлена в стенке промышленной печи 20 и направлена таким образом, чтобы пространство 18 сгорания, связанное с горелкой 10, было расположено в нагреваемом объеме 21 печи 20. Промышленную печь 20 можно использовать для нагревания различных материалов, например стекла, стали, цветных металлов и керамических материалов. Кроме того, можно использовать горелку согласно настоящему изобретению, например, для нагрева, генерирования электрического тока или в тепловых электростанциях, где тепло от горелки 10 используют, например, для обогрева муниципальных зданий и/или для преобразования тепла в электрическую энергию.
Питающее средство 11 в форме шнекового питателя или соответствующего устройства установлено для подачи предварительно определенного количества твердого топлива, например распыляемого угля, к впускному отверстию 11a, расположенному внутри горелки 10. Питающее средство 11 может быть также выполнено в других формах, но предпочтительно, чтобы топливо не подавали пневматически.
Подающая система 12 для подачи окислителя является разветвленной и содержит: первый подающий трубопровод 13, второй подающий трубопровод 14 и третий подающий трубопровод 15 для окислителя. Блок управления 19, являющийся обычным (сам по себе), установлен для управления подачей окислителя через подающую систему 12.
Первый подающий трубопровод 13 снабжен первым впуском 13a, выполненным в форме отверстия, которым окружено впускное отверстие 11a. Впускное отверстие 11a и отверстие 13a выходят в одну и ту же трубку 16 горелки. Другими словами, окислитель выходит из отверстия 13a, а топливо подают через впускное отверстие 11а и, следовательно, окислитель и топливо встречаются в трубке 16 горелки. Согласно предпочтительному варианту исполнения отверстие 13a окружает впускное отверстие 11а симметричным образом, предпочтительно в форме круглого симметричного, узкого отверстия, проходящего по периферии вдоль впускного отверстия 11а.
В другом предпочтительном варианте исполнения отверстие 13a окружает впускное отверстие 11а, но не является круглым симметричным, таким образом, что отверстие 13a шире или больше около нижерасположенной части впускного отверстия 11а, чем около его верхней части. Это позволяет пропускать больший объем окислителя в единицу времени через отверстие 13a в более низкой части впускного отверстия 11а, что, в свою очередь, позволяет поддерживать более низкую скорость подачи топлива и при том же направлении получающегося в результате пламени в печи 20.
Отверстие 13a может окружать впускное отверстие 11а полностью; альтернативно может окружать впускное отверстие 11а в форме ряда каналов, щелей и т.п. таким образом, чтобы отверстие 13a не полностью окружало впускное отверстие 11а.
Трубка 16 горелки проходит вперед к отверстию 17 горелки, обращенному к пространству 18 сгорания. Согласно очень предпочтительному варианту исполнения длина трубки 16 горелки приблизительно в 4-6 раз больше внутреннего диаметра впускного отверстия 11а, предпочтительно - приблизительно в 5 раз больше. Было подтверждено, что такое соотношение обеспечивает очень привлекательные характеристики горения горелки 10.
Окислитель выходит через отверстие 13a с высокой скоростью, предпочтительно составляющей, по меньшей мере, 100 м/с, но более предпочтительно - со скоростью, по меньшей мере, равной скорости звука. Этим создают эжекционный эффект, благодаря чему окислитель несет твердое топливо. Затем смесь окислителя и топлива, где топливо рассеивается и транспортируется выходящим окислителем, движется вдоль трубки 16 горелки до отверстия 17 горелки и выходит из него.
По направлению к концу трубки 16 горелки выполнена конструкция 16a, где внутренний диаметр трубки 16 горелки постепенно уменьшается к отверстию 17 горелки и где он на 2-30% меньше, чем около отверстия 13a. Размеры впускного отверстия 11а, отверстия 13a, трубки 16 горелки и конструкции 16a приспосабливают для конкретного применения, особенно - с точки зрения мощности горелки 10. Более конкретно, размеры конструкции 16a выполнены таким образом, чтобы достигалась специальная, финальная скорость, с которой смесь окислителя и топлива выходит из отверстия 17. Эта скорость зависит, помимо прочего, от геометрии пространства 18 сгорания и от желаемых характеристик горения, и их выбирают, основываясь на настоящих условиях и целях.
Таким образом, твердое топливо транспортируют до пространства 18 сгорания без необходимости в использовании отдельного, инертного транспортирующего газа. Вместо этого используют сам окислитель в качестве транспортирующего газа. Следовательно, нет необходимости в нагреве какого-либо балластного материала, что позволяет повысить эффективность горелки 10.
Кроме того, согласно предпочтительному варианту исполнения количество окислителя, которое выходит в единицу времени через отверстие 13a, меньше стехиометрического значения относительно количества топлива, которое понуждают к подаче вплоть до впускного отверстия 11а. Другими словами, количество топливной смеси, проходящей через трубку 16 горелки, меньше стехиометрического значения.
X
При приближении смеси к пространству 18 сгорания она может воспламеняться уже в трубке 16 горелки под воздействием лучистой энергии из пространства 18 сгорания. Однако такая реакция горения ведет, помимо прочего, к образованию CO и за счет образования NO, по описанной выше причине, заключающейся в значении, меньшем стехиометрического, и благодаря тому факту, что не подают дополнительное количество азота (газа) в качестве транспортирующего газа.
Согласно предпочтительному варианту исполнения дополнительный окислитель пропускают через второй подающий трубопровод 14 и выпускают через один или несколько других впусков 14a для окислителя. Этот или эти другие впуски 14a обращены к пространству 18 сгорания и расположены в непосредственной близости к отверстию 17 горелки. Выражение «в непосредственной близости к отверстию 17 горелки» в данном случае означает, что впуск или впуски 14a и впускное отверстие 17 горелки расположены так близко друг к другу, что топливная смесь и дополнительный окислитель смешиваются по существу мгновенно с образованием единого, объединенного пламени в пространстве 18 сгорания.
Количество дополнительного окислителя, подаваемого через впуск или впуски 14a, выбирают таким образом, чтобы общее количество подаваемого окислителя и количество подаваемого топлива достигали стехиометрического равновесия.
X
В пламени, получаемом таким образом в пространстве 18 сгорания, топливо, которое еще не потреблено в топливной смеси, выходящей из трубки 16 горелки, потребляется, но при этом также потребляются не полностью окисленные соединения, например CO. Такое горение может иметь место при сравнительно низкой, управляемой температуре, так как возникает определенная рециркуляция газов атмосферы печи в пламени благодаря окислителю, дополнительно подаваемому через впуски 14a. Это ведет к увеличению размера пламени, и оно становится более рассеянным, благодаря чему понижается максимальная температура горения и, таким образом, также снижается количество образующихся соединений NO.
Кроме того, предпочтительно, чтобы дополнительный окислитель выходил через впуск или впуски 14a со скоростью, по меньшей мере, равной скорости звука. Это ведет к рециркуляции, сильно увеличивающейся в пространстве 18 сгорания, и к достижению преимуществ, указанных выше.
Согласно еще одному предпочтительному варианту исполнения дополнительный окислитель подают через третий подающий трубопровод 15 и выпускают через один или несколько третьих впусков 15a для окислителя, обращенных к пространству 18 сгорания и расположенных на расстоянии от отверстия 17 горелки.
Выражение «на расстоянии от отверстия 17 горелки» здесь обозначает, что впуск или впуски 15a и отверстие 17 горелки расположены на таком расстоянии друг от друга, что дополнительный окислитель, выпускаемый из впуска или впусков 15a, не мгновенно смешивается с топливной смесью, выпускаемой через отверстие 17 горелки, но что эти два или большее число потоков смешиваются только на некотором расстоянии в пространстве 18 сгорания, если смотреть в направлении от отверстия 17 горелки.
В определенных применениях предпочтительно, чтобы впуск или впуски 15а были расположены по существу параллельно продольной оси трубки 16 горелки.
В других случаях применения, особенно в тех случаях, когда горелка 10 является сравнительно большой, а пространство 21 печи сравнительно ограниченным, предпочтительно, чтобы впуск или впуски 15а были расположены таким образом, чтобы дополнительный окислитель поступал в пространство 18 сгорания под углом относительно направления, в котором выпускают топливную смесь из отверстия 17, таким образом, чтобы потоки имели общую точку пересечения, находящуюся на некотором расстоянии от отверстия 17.
Согласно предпочтительному варианту исполнения впуск или впуски 15а располагают таким образом и направляют под таким углом относительно продольной оси трубки 16 горелки, чтобы получалось единое, соединенное пламя в пространстве 18 сгорания.
X
Кроме того, предпочтительно, чтобы дополнительный окислитель выходил через впуск или впуски 15а со скоростью, по меньшей мере, равной скорости звука. Это ведет к рециркуляции, сильно увеличивающейся в пространстве 18 сгорания, в применимых случаях в точке и вокруг нее, в которой встречаются потоки топливной смеси и дополнительного окислителя. Вследствие этого пламя становится даже еще более рассеянным, с более низкими верхними значениями температуры, и таким образом можно получать беспламенное горение, такое, при котором, помимо прочего, образуется меньшее количество соединений NO. К тому же, тепло от реакции горения распределяется более равномерно в пространстве 18 сгорания.
Можно также направлять дополнительный поток окислителя через сочетание из одного или нескольких впусков 14а, расположенных в непосредственной близости к отверстию 17 горелки, в то время как один или несколько впусков 15а расположены на расстоянии от отверстия 17 горелки, до тех пор, пока общее количество подаваемого окислителя по существу находится в стехиометрическом равновесии с подаваемым топливом. Соотношение между количеством окислителя в потоках окислителя, подаваемых через впуски 14а, 15a, взаимное геометрическое расположение впусков, их соответствующие углы наклона, их соответствующие скорости подачи и т.д. определяют в каждом случае в зависимости от конкретных условий и целей.
В случае если желательно организовать пламя меньших размеров и более определенное, то целесообразно использовать в основном впуск или впуски 14а. Если, с другой стороны, желательно организовать беспламенное горение, то целесообразно использовать в основном впуск или впуски 15а.
Можно также присоединить подающие трубопроводы 13, 14, 15 к одной или нескольким подающим системам, посредством чего можно подавать различные типы окислителей через отверстие 13a и дополнительные впуски 14а, 15a, соответственно. В этом случае блок управления 19 может быть выполнен таким образом, чтобы можно было управлять подачей окислителя к различным подающим трубопроводам 13, 14, 15; в альтернативном варианте исполнения можно параллельно использовать несколько различных блоков управления 19.
X
При использовании горелки 10 согласно настоящему изобретению можно использовать газ с более высоким содержанием кислорода, чем, например, воздух, применяемый в качестве окислителя, без достижения при этом слишком высоких локальных температур горения. Таким образом, предпочтительно, чтобы окислитель содержал, по меньшей мере, 80 масс.% кислорода, более предпочтительно, по меньшей мере, 95 масс.% кислорода. Это способствует повышению эффективности горелки 10. Несмотря на это количество образующихся соединений NO, о чем было упомянуто выше, не увеличивается, так как температуру горения удерживают с помощью рециркуляции в пространстве 18 сгорания, как это описано выше.
Выше описаны предпочтительные варианты исполнения. Однако для специалиста в данной области, очевидно, что может быть выполнено множество модификаций в описанных вариантах исполнения без отступления от идеи изобретения. Таким образом, изобретение не следует ограничивать описанными вариантами исполнения, его можно варьировать в рамках прилагаемой формулы изобретения.