ГОРЕЛКА И СПОСОБ ДЛЯ ПОПЕРЕМЕННОГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ОКСИГОРЕНИЯ И ВОЗДУШНОГО ГОРЕНИЯ
BURNER AND METHOD FOR ALTERNATE REALISATION OF OXYGEN BURNING AND AIR BURNING

Настоящее изобретение относится к горелке и способу горения, которые могут попеременно использовать в качестве окислителя богатый кислородом газ или воздух.
2
x
При ужесточающихся экологических ограничениях, в особенности по величинам CO и NO, горение топлива с использованием кислорода или газа с высоким содержанием кислорода для сжигания ископаемого топлива становится возрастающе привлекательным. Однако обычные устройства для сжигания, использующие в качестве окислителя воздух, не всегда имеют геометрию и необходимые материалы для работы с кислородом или с газом с высоким содержанием кислорода. Это обстоит так, потому что отсутствие азотного балласта при высококислородном или полностью кислородном горении значительно видоизменяет режимы теплопередачи, концентрации веществ и условия давления в камере сгорания.
x
Для того чтобы работать с полностью кислородным горением на этих установках, одним предложенным решением является повторное инжектирование части топочного газа, полученного при указанном горении или при другом горении, для того, чтобы частично скомпенсировать отсутствие азота. Эта процедура служит для того, чтобы избежать большого образования NO вследствие как отсутствия азота, так и более низкой температуры пламени, чем при полностью кислородном горении. Однако повторное инжектирование топочного газа часто сводит к нулю преимущества оксигорения, такие как, в частности, более низкая доля несгоревших из тяжелых нефтяных остатков или снижение доли золы, и эти несгоревшие вещества и зола вызывают затем осложнения способов обработки выходящего топочного газа.
2
Это инжектирование топочного газа может быть осуществлено по существу двумя путями. Первое, смешением указанного топочного газа с кислородом перед его инжектированием в горелку так, чтобы разбавить окислитель, включающий примерно 21-27% кислорода и остаток, состоящий по существу из СО вместо азота. Одним достоинством, которое может быть найдено у этого решения в случае переоборудования воздушного бойлера, является возможность сохранения воздушных горелок с минимальными корректировками режима. Наоборот, предварительное смешение топочных газов с кислородом перед их инжектированием в горелку может вызвать проблемы безопасности. Чтобы избежать этих проблем, во второй альтернативе топочный газ может быть инжектирован отдельно или в определенное место в камере сгорания, или через горелку. В последнем случае топочный газ инжектируют с такой скоростью, чтобы удлинить пламя, которое может перегреть элементы камеры сгорания (противоположную стенку или трубы в случае бойлера). Чтобы избежать этой проблемы, скорость инжектирования топочного газа должна быть низкой, что имеет эффект увеличения размера горелки и создает проблему размещения, поскольку хорошо известно, что площади поверхности камеры сгорания должны быть максимизированы.
Упомянутые выше проблемы, поэтому, подразумевают необходимость улучшения способов и горелок оксигорения, обеспечивающих использование рецикла топочного газа.
Далее, практика показывает полезность использования горелок гибким образом, т.е. попеременно в оксигорении и в воздушном горении. В действительности, вследствие ограничений по доступности кислорода и проблем безопасности может быть полезно преобразовать оксигорение в воздушное горение без замены горелки. Подобным образом, для некоторых типов горения предпочтительно начинать горение с воздухом и затем переключаться на оксигорение по причинам безопасности.
Поэтому целью настоящего изобретения является предложить средство для осуществления оксигорения с рециклом топочного газа в устройстве для воздушного горения.
Следующая цель настоящего изобретения - предложить средство горения для попеременного осуществления оксигорения с рециклом топочного газа или воздушного горения.
Следующая цель настоящего изобретения - предложить средство горения для попеременного осуществления оксигорения с рециклом топочного газа или воздушного горения, где указанные горения продуцируют пламя, имеющее контролируемый размер.
Для этой цели изобретение относится к способу сжигания, по меньшей мере, одного топлива с использованием по меньшей мере одного окислителя и по меньшей мере одного в основном инертного газа, при котором:
- топливо и окислитель инжектируют таким образом, чтобы создать пламя;
- в основном инертный газ инжектируют в виде двух струй таким образом, чтобы:
- первая струя окружала пламя, созданное топливом и окислителем, и указанная первая струя имела расходящуюся закрутку по отношению к указанному пламени;
- вторая струя окружала первую струю в основном инертного газа, и указанная вторая струя имела сходящуюся закрутку по отношению к пламени, созданному топливом и окислителем.
Изобретение далее относится к горелке, пригодной для осуществления указанного способа и включающей:
- по меньшей мере, одно средство для инжектирования топлива и, по меньшей мере, одно средство для инжектирования окислителя, где указанные средства размещены друг относительно друга таким образом, что окислитель и топливо способны образовать пламя;
- два средства для инжектирования в основном инертного газа, где:
- первое средство для инжектирования в основном инертного газа пригодно для инжектирования части в основном инертного газа в виде струи, окружающей пламя, образованное окислителем и первым топливом, где указанное первое средство для инжектирования в основном инертного газа включает средство, пригодное для расходящейся закрутки проходящего через него потока в основном инертного газа;
- второе средство для инжектирования в основном инертного газа пригодно для инжектирования части в основном инертного газа в виде струи, окружающей струю в основном инертного газа, продуцированную первым средством для инжектирования в основном инертного газа, где указанное второе средство для инжектирования в основном инертного газа включает средство, пригодное для сходящейся закрутки проходящего через него потока в основном инертного газа.
Другие характерные признаки и преимущества изобретения будут ясны при чтении подробного описания, которое следует далее. Осуществления изобретения предложены в качестве неограничительных примеров, иллюстрированных чертежом, который является схематическим изображением горелки согласно изобретению.
Изобретение поэтому относится к способу сжигания, по меньшей мере, одного топлива, по меньшей мере, одного окислителя и, по меньшей мере, одного в основном инертного газа, в котором:
- топливо и окислитель инжектируют таким образом, чтобы создать пламя;
- в основном инертный газ инжектируют в виде двух струй таким образом, что:
- первая струя окружает пламя, созданное топливом и окислителем, и указанная первая струя имеет расходящуюся закрутку по отношению к указанному пламени;
- вторая струя окружает первую струю в основном инертного газа, и указанная вторая струя имеет сходящуюся закрутку по отношению к пламени, созданному топливом.
2
2
2
Способ согласно изобретению осуществляет основное сжигание топлива окислителем. Топливо может быть жидким или газообразным топливом любого типа. Если это газ, топливо может быть природным газом, рудничным газом, коксовым газом, газом шахтных печей, газом нефтепереработки или сингазом. Если это жидкость, топливо может быть выбрано из котельного топлива коммунально-хозяйственного назначения, мазута, асфальта, остатков нефтепереработки, сырой нефти. Способ может относиться к сжиганию множества типов топлива, например, природного газа и дистиллатных топлив. Эти топлива разного типа инжектируют таким образом, чтобы образовать пламя с окислителем. Инжектирование топлива или топлив и окислителя может быть сделано любым способом, известным специалистам, для того, чтобы продуцировать пламя. Согласно способу по изобретению инжектируют также в основном инертный газ. В контексте настоящего изобретения "в основном инертный газ" означает газ или газовую смесь, в которых мольный состав включает самое большее 50% кислорода. Как правило, в основном инертный газ включает в себя, по меньшей мере, одно из следующих соединений: CO, N, HO, Ar, предпочтительно в мольном количестве, по меньшей мере, 50%. Тип в основном инертного газа может быть идентичным или отличающимся от типа окислителя в соответствии с тем, является ли режим работы способа воздушным горением или оксигорением. Независимо от режима работы в основном инертный газ инжектируют в виде двух струй. Первая струя окружает пламя, созданное топливом и окислителем, а вторая струя окружает указанную первую струю в основном инертного газа. Впоследствии вторая струя окружает также пламя, созданное топливом и окислителем, но помещается на большем расстоянии от пламени, чем вторая струя в основном инертного газа; в заявке сделано упоминание первой струи в основном инертного газа как внутренней периферической струи и сделано упоминание второй струи в основном инертного газа как внешней периферической струи. В контексте настоящего изобретения "окружает" означает тот факт, что эти струи в основном инертного газа окружают центральное пламя топлива и окислителя. Согласно предпочтительному осуществлению струи в основном инертного газа имеют форму колец, центрированных на пламени топлива и окислителя.
Согласно изобретению внутренняя периферическая струя имеет расходящуюся закрутку по отношению к пламени от топлива и окислителя. В контексте настоящего изобретения закрутка струи означает движение струи с кручением вокруг себя. Внутренняя периферическая струя поэтому является струей, крутящейся вокруг себя самой. Поскольку указанная струя окружает пламя топлива и окислителя, указанная внутренняя периферическая струя является также крутящейся относительно указанного пламени. Согласно изобретению эта закрутка является расходящейся, т.е. во внутренней периферической струе в основном инертный газ, как он введен, движется вдаль от пламени топлива и окислителя.
Согласно изобретению внешняя периферическая струя имеет сходящуюся закрутку по отношению к пламени от топлива и окислителя. Подобно внутренней периферической струе внешняя периферическая струя также является крутящейся относительно указанного пламени. Согласно изобретению эта закрутка является сходящейся, т.е. во внешней периферической струе в основном инертный газ, как он введен, движется вдаль от пламени топлива и окислителя.
Будь то для внутренней периферической струи или для внешней периферической струи, коэффициент закрутки каждой из этих струй в основном инертного газа предпочтительно имеет значение между 0,26 и 1,73. Коэффициент закрутки S определяют следующим образом: S=It/Ia, где It и Ia представляют, соответственно, тангенциальные и осевые пульсации закрученного в струе газа.
Способ согласно изобретению служит для регулирования длины пламени путем изменения отношения скорости потока периферической струи к скорости потока внутренней струи.
первому осуществлению
2
2
3
Способ согласно изобретению может быть осуществлен и для метода оксигорения, и для метода воздушного горения. Согласно первому осуществлению способа он относится к оксигорению, которое означает, что одним из двух окислителей является кислородсодержащий газ. В контексте настоящего изобретения "кислородсодержащий газ" означает газ, имеющий содержание кислорода выше 80%, предпочтительно выше 90%. Согласно этому  окислителем является кислородсодержащий газ, а в основном инертный газ состоит из топочных газов от горения. Топочные газы от горения обычно включают главным образом, если не исключительно, СО. Эти газы могут также включать НО. Предпочтительно, в основном инертный газ состоит, по меньшей мере частично, из газов, отходящих от горения по настоящему изобретению, которые возвращают в цикл во время осуществления способа сжигания. В этом случае топочные газы рециркулируют извне камеры сгорания, в которой осуществляется настоящий способ. Они могут быть обработаны до того, как возвращаются в цикл. Как правило, по меньшей мере, 4 см топочных газов рециркулируют во время способа согласно изобретению. Согласно этому первому осуществлению предпочтительно, чтобы расход в основном инертного газа, инжектируемого в первую струю в основном инертного газа, насчитывал от 50 до 97% от общего расхода инжектируемого в основном инертного газа. Такое распределение в основном инертного газа между внутренней и внешней периферическими струями служит для того, чтобы избежать прироста горячих газов в камере сгорания. Далее, отходящие газы сгорания, инжектируемые в виде внутренней и внешней периферических струй, не нарушают пламя, исходящее от сгорания топлива и кислородсодержащего газа, а создают коридор вблизи от кромки горелки, который защищает стенки камеры сгорания от избыточно интенсивного излучения. На расстоянии от кромки горелки газы, испускаемые горением и инжектированные в виде внутренней и внешней периферических струй, и горячие газы, исходящие от реального сгорания по способу, смешиваются, образуя только одну однородную смесь. Согласно первому осуществлению газы, исходящие от горения, могут также быть инжектированы в, по меньшей мере, одну точку камеры сгорания, которая отличается от точек инжектирования внутренней и внешней периферических струй.
второму осуществлению
Согласно  изобретения способ является способом воздушного горения, который означает, что обоими окислителями является воздух (или ни одним окислителем не является кислородсодержащий газ). Согласно этому второму осуществлению окислителем является воздух, и в основном инертным газом также является воздух. Предпочтительно используют очищенный от масла воздух, поскольку этот воздух поступает в средство для инжектирования, которое может также служить для инжектирования кислородсодержащего газа в режиме оксигорения; поэтому указанное средство для инжектирования не должно содержать жировых веществ в случае инжектирования кислородсодержащего газа. Предпочтительно, расход воздуха, инжектируемого в качестве окислителя, составляет от 5 до 30% от суммарного количества инжектируемого по этому способу воздуха. Предпочтительно также, чтобы расход воздуха, инжектируемого в первую струю в основном инертного газа, составлял от 4 до 25% от суммарного расхода инжектируемого по этому способу воздуха. Предпочтительно, суммарный расход инжектируемого в этом способе воздуха может соответствовать количеству воздуха, необходимого для сгорания топлива. Это распределение расхода воздуха во внутреннюю и внешнюю периферические струи служит для того, чтобы заставить воздух сойтись с топливом таким образом, чтобы присоединить пламя к кромке горелки и укоротить его так, чтобы предотвратить перегрев стенок камеры сгорания.
третьему осуществлению
Согласно  изобретения окислителем является кислородсодержащий газ, и в основном инертным газом является воздух. Это третье осуществление особенно полезно для запуска способа горения.
Изобретение относится также к горелке, включающей:
- по меньшей мере, одно средство для инжектирования топлива и, по меньшей мере, одно средство для инжектирования окислителя, где указанные средства размещены друг относительно друга таким образом, что окислитель и топливо способны образовать пламя;
- два средства для инжектирования в основном инертного газа, где:
· первое средство для инжектирования в основном инертного газа пригодно для инжектирования части в основном инертного газа в виде струи, окружающей пламя, образованное окислителем и первым топливом, и указанное первое средство для инжектирования в основном инертного газа включает средство, пригодное для расходящейся закрутки проходящего через него потока в основном инертного газа;
· второе средство для инжектирования в основном инертного газа пригодно для инжектирования части в основном инертного газа в виде струи, окружающей струю в основном инертного газа, продуцированную первым средством для инжектирования в основном инертного газа, и указанное второе средство для инжектирования в основном инертного газа включает средство, пригодное для сходящейся закрутки проходящего через него потока в основном инертного газа.
Поэтому горелка согласно изобретению содержит первую центральную часть, включающую, по меньшей мере, одно средство для инжектирования топлива и, по меньшей мере, одно средство для инжектирования окислителя. Эти два средства инжектирования должны быть расположены по отношению друг к другу таким образом, чтобы окислитель и топливо были способны продуцировать пламя при работе горелки. Так, средства для инжектирования топлива и окислителя могут быть коаксиальными трубами или отдельными трубами. Для того чтобы образовать пламя, может быть использован любой известный способ инжектирования топлива и окислителя.
Горелка включает вторую периферическую часть, состоящую из двух средств для инжектирования в основном инертного газа. Две части горелки могут быть смежными или разделенными перегородкой. Предпочтительно, средство, пригодное для сходящейся закрутки потоков в основном инертного газа, проходящих через первое средство инжектирования или второе средство инжектирования, заставляет указанные потоки закручиваться с коэффициентом закрутки между 0,26 и 1,73. Указанным средством, пригодным для расходящейся или сходящейся закрутки, обычно является дефлектор.
Согласно конкретному осуществлению изобретения горелка является такой, что:
- первое средство для инжектирования в основном инертного газа включает две коаксиальные трубы, центрированные вокруг средства для инжектирования топлива и средства для инжектирования окислителя, где пространство между двумя трубами дает возможность прохода части в основном инертного газа и включает средство, пригодное для расходящейся закрутки потока проходящего через него в основном инертного газа;
- второе средство для подачи в основном инертного газа включает две коаксиальные трубы, центрированные вокруг двух коаксиальных труб первого средства для инжектирования в основном инертного газа, где пространство между двумя трубами второго средства для инжектирования в основном инертного газа дает возможность прохода части в основном инертного газа и включает средство для сходящейся закрутки проходящего через него потока в основном инертного газа.
Согласно этому конкретному осуществлению горелка может также включать два средства для инжектирования окислителя, где указанные средства являются коаксиальными трубами, и средство для инжектирования топлива может быть металлическим кольцом с просверленными, по меньшей мере, по одной окружности отверстиями, причем указанное металлическое кольцо коаксиально трубам инжектирования окислителя и расположено между указанными трубами. Горелка затем состоит из четырех коаксиальных труб и металлического кольца с просверленными отверстиями, расположенными по кольцу, причем указанное кольцо помещено между самой маленькой трубой и трубой, имеющей ближайший больший диаметр.
Согласно изобретению горелка может включать два разных средства для инжектирования топлива для инжектирования различных топлив.
Изобретение относится также к способу превращения воздушно-топливной горелки, включающей, по меньшей мере, одно средство для инжектирования топлива и, по меньшей мере, одно средство для инжектирования воздуха, где указанные средства расположены относительно друг друга таким образом, что воздух и первое топливо способны продуцировать пламя в кислородно-топливную горелку. Указанный способ преобразования заключается в дополнении указанной горелки двумя средствами для подачи окислителя, где:
- первое средство для инжектирования окислителя является пригодным для инжектирования части окислителя в виде струи, окружающей воздушно-топливную горелку, и указанное первое средство для инжектирования окислителя включает средство, пригодное для расходящейся закрутки проходящего через него потока окислителя;
- второе средство для инжектирования окислителя является пригодным для подачи части в основном инертного газа в виде струи, окружающей воздушно-топливную горелку, и указанное второе средство для инжектирования окислителя включает средство, пригодное для расходящейся закрутки проходящего через него потока окислителя.
Поэтому воздушно-топливную горелку можно преобразовать в кислородно-топливную горелку для сжигания того же топлива с кислородсодержащим газом. Изменение заключается в добавлении к воздушно-топливной горелке двух средств для инжектирования окислителя. Эти средства инжектирования должны быть расположены таким образом, чтобы сделать возможным инжектирование первой струи окислителя в форме, окружающей воздушно-топливную горелку, и инжектирование второй струи окислителя в форме, окружающей первую струю окислителя и, следовательно, воздушно-топливную горелку. Далее, эти два средства инжектирования должны быть оборудованы средствами для возбуждения вихревого движения, где ближайшая к пламени струя имеет расходящуюся закрутку, а вторая струя имеет сходящуюся закрутку.
Изобретение относится также к способу преобразования способа воздушного сжигания топлива, в котором топливо и воздух инжектируют таким образом, чтобы создать пламя, в способ оксигорения, в котором:
- воздух заменяют кислородсодержащим газом, и
- отходящие газы горения инжектируют в форме двух струй таким образом, что;
- первая струя окружает пламя, созданное топливом и кислородсодержащим газом, и указанная первая струя имеет расходящуюся закрутку по отношению к указанному пламени;
- вторая струя окружает первую газовую струю, исходящую от горения, и указанная вторая струя имеет сходящуюся закрутку по отношению к пламени, созданному топливом и кислородсодержащим газом.
Благодаря этому возможно преобразовать способ воздушного горения, осуществляемый воздушно-топливным горением, в способ оксигорения, осуществляемый сжиганием того же самого топлива с кислородсодержащим газом. Преобразование заключается в замене воздуха кислородсодержащим газом в исходном способе и в инжектировании газов, исходящих от горения, в дополнение к указанному оксигорению. Газы, исходящие от горения, могут быть газами, исходящими от оксигорения, которые были рециркулированы, или могут исходить от другого горения. Эти газы, исходящие от горения, должны быть введены в способе оксигорения в форме двух струй, где обе окружают пламя, созданное топливом и кислородсодержащим газом, причем вторая струя сама окружает первую струю. Далее, первая струя, которая является ближайшей к кислородно-топливному пламени, должна иметь эффект расходящейся закрутки по отношению к пламени, создаваемому топливом и кислородсодержащим газом.
Чертеж показывает торцевую часть горелки согласно изобретению. Она включает первую центральную часть, состоящую из
- средство (1) инжектирования топлива, которое представляет собой трубу;
- средство (2) инжектирования окислителя, которое включает две трубы 21 и 22; труба 21 помещена в центре трубы инжектирования топлива 1, а другая труба 22 - вокруг той же трубы инжектирования топлива 1.
Горелка также включает вторую часть, которой является средство для инжектирования в основном инертного газа: оно включает три коаксиальные трубы 22, 31, 32, центрированные по первой центральной части, где самая малая труба соответствует трубе 22 для инжектирования топлива 1. Пространство между самой большой трубой 32 и промежуточной трубой 31 содержит средство 4 (ребра), пригодное для расходящейся закрутки проходящего через него потока в основном инертного газа. Пространство между промежуточной трубой 31 и самой малой трубой 22 содержит средство 5 (ребра), пригодное для сходящейся закрутки проходящего через него потока в основном инертного газа.
Одним из преимуществ изобретения является то, что оно служит для модификации горелки, обычно работающей с воздухом, таким образом, что она работает с кислородсодержащим газом и кислородсодержащими топочными газами. Это обеспечивается дополнением воздушной горелки, соответствующей первой части горелки согласно изобретению, второй частью горелки согласно изобретению, пригодной для инжектирования рецикловых топочных газов. Кислородсодержащий газ затем инжектируют в первую часть горелки и топочные газы инжектируют во вторую часть.
Одним преимуществом горелки согласно изобретению является то, что она может работать исключительно с воздухом в качестве окислителя, законсервировав в то же время поток топлива, используемый для оксигорения. Эта полностью воздушная производственная необходимость может потребоваться для продолжения работы в ситуациях, когда прервана подача кислорода в горелку.
3
Преимуществом горелки и способа горения согласно изобретению является то, что они создают пламя, имеющее контролируемый размер, что является полезным в замкнутых сосудах, таких как камеры сгорания бойлеров, в которых прямой контакт избыточно длинного пламени с неизолированными стальными трубами является губительным. В последнем случае геометрия пламени, созданного горелкой согласно изобретению, дает возможность равномерного распределения теплового потока на все внутренние поверхности бойлера; бойлер, оборудованный этой горелкой, работающей при оксигорении, может выдержать плотность энергии до 0,600 МВт/м в зависимости от доли рециркулируемого топочного газа.
Следующим преимуществом горелки и способа горения согласно изобретению, работающим с кислородсодержащим газом, является то, что они создают пламя, имеющее высокую температуру ядра, тем самым значительно снижая количество несгоревших веществ.