СПОСОБ СТУПЕНЧАТОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕЙ АТМОСФЕРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАГРЕТЫХ РЕАГЕНТОВ
METHOD OF STAGED FUEL COMBUSTION IN OXYGEN-CONTAINING ATMOSPHERE BY USING PRE-HEATED REAGENTS

Изобретение относится к способу сжигания топлива при помощи кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, в соответствии с которым этот кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода предварительно подвергается нагреванию до температуры, составляющей по меньшей мере 300°С.
В настоящее время две основные проблемы, возникающие при определении размерных параметров горелок, предназначенных для промышленных печей, связаны с эффективностью передачи тепловой энергии к загрузке печи и снижением загрязняющих выбросов, в частности окислов азота. Одним из наиболее многообещающих способов решения двух этих проблем является ступенчатое сжигание топлива в кислородсодержащей атмосфере с использованием предварительно нагретых реагентов. Действительно, известно, что ступенчатый характер сжигания позволяет уменьшить выбросы загрязняющих веществ с общей химической формулой NOx и что предварительное нагревание реагентов позволяет реализовать выигрыш в энергии.
Сжигание топлива в кислородсодержащей атмосфере представляет собой сжигание с использованием насыщенного кислородом газа, имеющего концентрацию кислорода, превышающую его концентрацию в воздухе. Способ ступенчатого сжигания топлива состоит в разделении количества окислителя, необходимого для полного сгорания топлива, на по меньшей мере два потока этого окислителя, вводимых на различных расстояниях от потока сжигаемого топлива. Таким образом, первый поток окислителя вводится на весьма небольшом расстоянии от потока топлива. Этот первый поток окислителя, наиболее близкий к потоку топлива, называют первичным потоком. Он позволяет обеспечить частичное сгорание топлива при контролируемой температуре, которая дает возможность ограничить образование веществ с общей формулой NOx. Другие потоки окислителя вводятся на несколько большем расстоянии от потока топлива, чем первичный поток окислителя. Эти потоки окислителя позволяют завершить сжигание топлива, не вступая при этом в реакцию с первичным потоком окислителя. Эти потоки окислителя называют вторичными потоками.
Предварительное нагревание реагентов (кислородсодержащего газа и топлива) уже было предложено в различных схемах рекуперации тепловой энергии дымовых газов (патент US 6071116). Также в патенте WO 0079182 была описана горелка с впрыскиванием предварительно нагретых топлива и окислителя. Однако, в этих патентах не упоминается существования проблемы, связанной с использованием горячих реагентов. Тем не менее, использование этих горячих реагентов может привести к следующим неблагоприятным последствиям:
- повышение скорости пламени горения смеси реагентов. При этом фронт пламени стабилизируется рядом с выходными сечениями различных отверстий горелок, что увеличивает опасность нагревания и преждевременного разрушения инжекторов;
- повышение температуры пламени, что увеличивает радиационную передачу тепла к загрузке печи и к поверхности горелки;
- повышение уровней термического выделения химических соединений с общей формулой NOx вследствие повышения температуры пламени.
Техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы выбрать правила определения размерных параметров для горелки, использующей ступенчатое сжигание топлива в кислородсодержащей атмосфере и предварительно нагретые реагенты, для того, чтобы сохранить преимущества ступенчатого сжигания топлива в кислородсодержащей атмосфере, не подвергаясь при этом опасностям, связанным с использованием предварительно нагретых реагентов.
Для решения этой технической задачи предложен способ сжигания топлива при помощи кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, в соответствии с которым в камеру сгорания впрыскивают:
- струю топлива,
- и по меньшей мере две струи кислородсодержащего газа, а именно:
* первую или так называемую первичную струю кислородсодержащего газа, которая вводится через отверстие, имеющее диаметр D, и впрыскивается вокруг струи топлива в таком количестве, которое позволяет обеспечить первое неполное сгорание топлива, причем газы, образующиеся в результате этого первого сгорания, содержат по меньшей мере некоторую часть несгоревшего топлива,
* и вторую струю кислородсодержащего газа, которая вводится через отверстие, имеющее диаметр d и размещенное на некотором расстоянии l от отверстия введения первой или первичной струи кислородсодержащего газа, таким образом, чтобы она могла вступить в горение с той частью несгоревшего топлива, которая присутствует в газах, образовавшихся в результате упомянутого первого сгорания,
и в соответствии с которым:
- струя топлива открывается внутри струи первичного кислородсодержащего газа в некоторой точке, отстоящей в направлении назад от стенки камеры сгорания, причем упомянутая точка располагается на расстоянии r от этой стенки,
- кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода предварительно нагревают до температуры, составляющей по меньшей мере 300°С, при этом
- соотношение r/D имеет величину:
* либо находящуюся в диапазоне от 5 до 20, и предпочтительно в диапазоне от 7 до 15,
* либо находящуюся в диапазоне от 0,75 до 3,
- и соотношение l/d имеет величину, составляющую по меньшей мере 2, и предпочтительно составляющую по меньшей мере 10.
В способе в соответствии с предлагаемым изобретением используется сжигание, при котором окислитель представляет собой кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода, то есть газ, представляющий концентрацию кислорода, более высокую, чем в воздухе: здесь речь может идти о воздухе, обогащенном кислородом, или же о чистом кислороде. Предпочтительным образом концентрация кислорода в этом кислородсодержащем газе составляет по меньшей мере 70% по объему.
В способе в соответствии с предлагаемым изобретением используется сжигание, при котором по меньшей мере кислородсодержащий газ подвергается предварительному нагреванию до температуры, составляющей по меньшей мере 300°С. Это предварительное нагревание может осуществляться любым известным из существующего уровня техники и подходящим в данном случае способом. Предпочтительно использовать предварительное нагревание при помощи регенератора, позволяющего использовать тепловую энергию дымовых газов сгорания. Топливо также может подвергаться предварительному нагреванию, предпочтительно до температуры, составляющей по меньшей мере 300°С.
В способе в соответствии с предлагаемым изобретением используется ступенчатое сжигание, в котором кислородсодержащий газ разделяется на два потока, которые вводятся в камеру сгорания на различных расстояниях от струи топлива. При этом первичная струя упомянутого газа вводится в контакт со струей топлива и окружает эту струю. Отверстие инжектора, обеспечивающего введение первичной струи газа в камеру сгорания, имеет диаметр D. Конец этого инжектора введения первичной струи газа открывается непосредственно в камеру сгорания. Вместе с тем конец инжектора подачи топлива не открывается непосредственно в камеру сгорания, но располагается с некоторым отступлением в направлении назад от стенки камеры сгорания, то есть конец инжектора топлива открывается внутри и в середине инжектора первичной струи кислородсодержащего газа в точке, отстоящей в направлении назад от стенки камеры сгорания и располагающейся на расстоянии r от упомянутой стенки. Диаметр инжектора подачи топлива обычно определяется таким образом, чтобы сформировать стабильное пламя. Обычно вводят от 2 до 20% общего количества кислородсодержащего газа, необходимого для сжигания топлива, посредством первичной струи этого газа. Дополнительное количество кислородсодержащего газа вводится посредством вторичной струи при помощи инжектора, конец которого открывается непосредственно в камеру сгорания и выходное отверстие которого имеет диаметр d. Этот инжектор вторичной струи кислородсодержащего газа размещается на расстоянии l от отверстия выхода струи первичного кислородсодержащего газа, причем это расстояние l измеряется между наиболее близкими друг к другу кромками выходных отверстий инжектора первичной струи кислородсодержащего газа и инжектора вторичной струи кислородсодержащего газа.
Предпочтительно исключить использование способа ступенчатого сжигания топлива в кислородсодержащей атмосфере с отведением в направлении назад инжектора впрыскивания топлива внутри инжектора впрыскивания струи первичного кислородсодержащего газа с таким определением размерных параметров, при котором соотношение r/D было бы заключено в диапазоне от 3 до 5. Определение размерных параметров, соответственно r и D, является критическим, поскольку эти параметры оказывают влияние на объем полости, создаваемой отведением назад инжектора топлива внутри инжектора первичного потока кислородсодержащего газа. Путем выбора оптимальных значений упомянутых размерных параметров предлагаемое изобретение позволяет, с одной стороны, не допустить того, чтобы пламя предварительного смешивания, распространяющееся в этой полости, приводило к повреждениям концов топливных инжекторов и инжекторов первичной струи кислородсодержащего газа, а с другой стороны, позволяет не допустить того, чтобы тепловое излучение, исходящее от камеры сгорания, приводило к повреждению конца топливного инжектора.
Предпочтительно также, чтобы соотношение l/d имело величину, составляющую по меньшей мере 2, и предпочтительно составляющую по меньшей мере 10.
Обычно отверстия, через которые впрыскиваются реагенты, представляют собой круглое поперечное сечение. Однако предлагаемое изобретение также охватывает случаи, когда поперечное сечение этих отверстий имеет форму, отличающуюся от круглой. В этих случаях упомянутые выше диаметры d и D соответствуют гидравлическим диаметрам упомянутых поперечных сечений, не являющихся круглыми, причем этот гидравлический диаметр определяется как отношение четырехкратной величины площади поверхности упомянутого поперечного сечения к величине периметра поперечного сечения этого отверстия.
На чертеже представлена схема, которая позволяет проиллюстрировать различные элементы определения размерных параметров для осуществления способа в соответствии с предлагаемым изобретением (r, d, D, l). Топливо 1 вводится посредством инжектора 7, размещенного внутри инжектора 6 подачи первичного кислородсодержащего газа 2. Конец инжектора подачи топлива располагается на некотором расстоянии r в направлении назад от стенки 4 камеры сгорания. Конец инжектора 6 подачи первичного кислородсодержащего газа 2 имеет диаметр D. Вторичный кислородсодержащий газ 3 вводится через инжектор 5, конец которого имеет диаметр d. Расстояние между кромками концов инжекторов 5 и 6 подачи кислородсодержащего газа имеет величину l.
При использовании описанного выше способа имеется возможность применять предварительное нагревание реагентов, участвующих в сжигании топлива, при осуществлении способа ступенчатого сжигания топлива в кислородсодержащей атмосфере, без опасности преждевременного разрушения инжекторов для подачи реагентов и без увеличения выбросов веществ с общей формулой NOx.