ГОРЕЛКА С ИЗМЕНЯЕМЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ И/ИЛИ РАСТВОРОМ ФАКЕЛА И СПОСОБ НАГРЕВАНИЯ ШИХТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТОЙ ГОРЕЛКИ
BURNER WITH VARIED DIRECTION AND/OR OPENING OF TORCH AND METHOD OF CHARGE HEATING WITH APPLICATION OF THIS BURNER

Область техники
Изобретение касается горелки, позволяющей изменять направление и/или раствор факела, при этом упомянутая горелка содержит по меньшей мере один канал инжекции по меньшей мере одной основной или первичной струи и по меньшей мере один канал инжекции воздействующей или вторичной струи. Как правило, первичная струя является струей окислителя и/или топлива и/или предварительно полученной смеси окислитель-топливо.
Изобретение касается также использования упомянутой горелки для регулирования направления и/или раствора факела. Оно касается также способа нагревания шихты при помощи этой горелки, в котором изменяют направление и/или раствор факела.
Предшествующий уровень техники
В большинстве промышленных печей или котлов используют горелки, которые работают в режиме горения без предварительного смешивания, то есть в которых окислитель и топливо поступают до места горения раздельно. В этом случае смешивание топлива и окислителя происходит частично (стабилизация пламени в амбразуре горелки или в форкамере) или полностью внутри камеры сгорания. Такое смешивание регулируется проектировочными и рабочими параметрами горелки и определяет характеристики горелки (область работы, передача тепла нагреваемой шихте, выброс загрязнителей и т.д.). На практике при проектировании горелки определяют условия взаимодействия различных струй или потоков окислителя и топлива, применяемых в горелке. После реализации горелки изменять можно только рабочие условия. Это же относится к так называемым горелкам «с предварительным смешиванием», в которых смесь окислитель/топливо получают в горелке на входе камеры сгорания. В этом случае реагенты поступают только через одну трубку.
Эксплуатационные условия промышленных процессов горения могут меняться во времени. Это относится к цикличным процессам, однако может касаться и непрерывных процессов, при которых характеристики нагреваемой шихты могут меняться в зависимости от производственных нужд. Как правило, это касается любой производственной установки, подверженной старению или чувствительной к изменяющимся условиям окружающей ее среды.
Для адаптации характеристик горелки к изменяющимся рабочим условиям чаще всего оператор располагает двумя параметрами: рабочей мощностью горелки и уровнем избытка окислителя (избыточная стехиометрия кислорода).
Некоторые технологии горения позволяют работать в дискретных режимах при их очень ограниченном числе. Это, например, относится к так называемым горелкам «двойного импульса», которые используют две разные системы инжекции в зависимости от того, требуется ли работа горелки с низким или высоким импульсом. Эти два рабочих режима позволяют расширить область работы горелки или изменять длину факела для данной рабочей точки.
Однако изменение рабочей точки и/или рабочего режима часто оказывается недостаточным для оптимизации производительности горелок или процессов, использующих эти горелки, во всех условиях. Например, цикличная подача в плавильную печь твердого вещества при окружающей температуре вынуждает оператора (или систему регулирования) повысить мощность нагрева, чтобы максимально быстро обеспечить плавление (с целью повышения производительности), не ухудшая свойств расплавляемой шихты (качества продукта) и не перегревая печь (срок службы оборудования). Этот компромисс между производительностью и качеством и/или сроком службы зависит, в частности, от способности системы передавать энергию шихте, избегая локальных перегревов этой шихты или огнеупоров печи. Этот компромисс выражается в продолжительности плавки, сверх которой любой выигрыш в производительности будет теряться по причине ухудшения качества продукта или сокращения срока службы печи.
Из патента WO-А-9744618 известна горелка, содержащая центральную струю топлива, окруженную сначала множеством первичных струй окислителя, а затем множеством вторичных струй окислителя. Таким образом, во время работы можно изменять положение факела пламени.
Однако максимальное отклонение факела на практике ограничено значением примерно в 15° от центрального положения до крайнего положения (всего не более 30°) и не позволяет факелу пламени обрабатывать шихту сканированием на большой площади, и конструкция соответствующей горелки является относительно сложной, так как требует наличия множества отверстий для первичных струй окислителя и множества отверстий для вторичных струй окислителя.
Кроме того, свойства факела меняются в зависимости от его положения, так как свойства смеси меняются вместе с углом наклона (смесь, «внешняя» относительно блока горелки), что приводит к колебаниям выброса загрязнителей, качества радиационной передачи (яркость пламени) и длины факела (положение пика выделения тепла).
Задачей изобретения является разработка надежной и оптимальной горелки, позволяющей изменять направление и/или раствор факела в широком диапазоне, не прекращая при этом работы горелки или печи.
Раскрытие изобретения
Изобретение обеспечивает управление направлением и/или раствором факела за счет взаимодействия струи текучей среды (называемой первичной или основной струей) и по меньшей мере одной другой струи текучей среды (называемой вторичной или воздействующей струей), при этом взаимодействие между струями происходит внутри средств, подающих эту основную струю (трубка, амбразура и т.д.), до того, как упомянутая основная струя выходит из упомянутых средств.
Горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит канал для подачи первичной струи к основному выходному отверстию. Как правило, первичная струя является струей, содержащей топливо, окислитель или предварительно полученную смесь топливо-окислитель. Горелка содержит также по меньшей мере один вторичный трубопровод для инжекции вторичной струи. Текучая среда, инжектируемая во вторичной струе, может принадлежать или не принадлежать к той же категории, что и текучая среда первичной струи. Вторичная струя может быть, в частности, инертной струей, такой как водяной пар или продукты сгорания, такие как рециркулируемые дымы.
Упомянутый по меньшей мере один вторичный трубопровод выходит в канал первичной струи через вторичное отверстие, находящееся перед основным выходным отверстием. Вторичный трубопровод располагают относительно канала таким образом, чтобы в точке взаимодействия (центр инерции воображаемой поверхности, общей для двух потоков) между вторичной струей, выходящей из этого вторичного трубопровода (в дальнейшем называемой соответствующей вторичной струей), и первичной струей угол θ между осью соответствующей вторичной струи и плоскостью, перпендикулярной к оси первичной струи, превышал или был равен 0° и был меньше 90°, предпочтительно составлял от 0° до 80°, еще более предпочтительно составлял от 0° до 45°. Когда угол θ=0°, что является предпочтительным, ось соответствующей вторичной струи находится в плоскости, перпендикулярной к оси первичной струи.
Упомянутое по меньшей мере одно вторичное отверстие отстоит от основного отверстия на расстояние L, меньшее или равное десятикратному корню квадратному сечения s выходного основного отверстия, предпочтительно L≤5*√s, еще предпочтительнее - L≤3*√s.
В публикации «Proceedings of FEDSM'02 Joint US ASME-European Fluid Engineering Division Summer Meeting of July 14-18, 2002» и в статье «Experimental and numerical investigations of jet active control for combustion applications», V.Faivre и Th.Poinsot, Journal of Turbulence, том 5, № 1, март 2004 г., стр. 25, раскрыто использование специальной конфигурации четырех вторичных струй вокруг основной струи для стабилизации пламени за счет взаимодействия между вторичными струями и первичной струей. При этом отмечается более широкий угол дисперсии.
Согласно изобретению горелку оборудуют средствами для управления импульсом по меньшей мере одной вторичной струи.
Как будет детально описано ниже, за счет этого изобретение позволяет изменять направление и/или раствор факела, выходящего из горелки, путем изменения импульса по меньшей мере одной вторичной струи при помощи упомянутых средств.
Предпочтительно, чтобы средства управления импульсом по меньшей мере одной вторичной струи являлись средствами, позволяющими управлять соотношением между импульсом вторичной струи и импульсом первичной струи.
Таким образом, изобретение обеспечивает широкий диапазон изменения направления и/или раствора факела, не прибегая к механическим средствам, которые являются потенциальными источниками сбоев в работе, в частности в агрессивной среде, такой как высокотемпературные камеры сгорания и/или загрязненная или коррозионная атмосфера.
Средства управления обеспечивают, в частности, активное или динамичное управление импульсом упомянутой по меньшей мере одной вторичной струи, то есть они позволяют изменять импульс или импульсы, не прекращая работы горелки/не прерывая факел. Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает также динамичное изменение направления и/или раствора факела.
Предпочтительно, чтобы число вторичных струй, взаимодействующих с первичной струей для достижения необходимого эффекта на факеле, сводилось к минимуму, чтобы ограничить сложность и стоимость изготовления горелки, а также сложность и стоимость системы подачи регулирования потоков текучей среды, если управление вторичными струями происходит независимо. Например, только с одной вторичной струей можно получить однонаправленный эффект.
Среди терминов, используемых в настоящем описании, некоторые следует определить более точно в рамках настоящего изобретения, чтобы лучше ограничить их значение:
• Направление струи/факела определяют как нормальный единичный вектор в сечении канала текучей среды/факела, направленный в сторону потока, то есть от входа к выходу.
• «Толщина е» обозначает размер вторичного трубопровода в направлении потока первичной струи (по стрелке на фиг.1). В частном случае, показанном на этой фиг.1, е обозначает диаметр вторичного трубопровода 21 на уровне вторичного отверстия 31, поскольку в этом примере этот вторичный трубопровод 21 является цилиндрическим.
• «Раствор» струи/факела обозначает для струи/факела, выходящей(его) из цилиндрического канала, такого как канал 10 на фиг.1, угол между продольной осью канала и образующей поверхностью струи/факела на выходе канала. В отсутствие взаимодействия с вторичной струей образующая имеет наклон примерно от 10 до 15° по отношению к этой оси, причем согласно изобретению этот наклон может достигать 70° и больше (см. фиг.9А). В более широком понимании термин «раствор» обозначает угол между направлением потока в канале, когда сечение последнего не является круглым, и образующей.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием неограничительных вариантов его осуществления со ссылками на фигуры сопровождающих чертежей, в числе которых:
фиг.1 - принципиальная схема горелки (с предварительным смешиванием) в соответствии с настоящим изобретением для управления факелом при помощи взаимодействия струй;
фиг.2 - регулирование горелки в соответствии с настоящим изобретением, установленной на камере сгорания;
фиг.3А и В изображают горелку для управления направлением факела, при этом на фиг.3А показан вид в поперечном разрезе, а на фиг.3В - вид в продольном разрезе горелки, содержащей четыре вторичные струи, отстоящие соответственно на 90° относительно друг друга и направленные перпендикулярно к направлению первичной струи;
фиг.3С, D и Е - использование пластинки для трансформации сопла с параллельными первичной и вторичной(ыми) струями в горелку в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.4А и В - виды в продольном и поперечном разрезе горелки, обеспечивающие управление раствором результирующей струи;
фиг.5 изображает использование горелки для изменения факела при помощи двух (результирующих) струй: струи топлива и струи окислителя;
фиг.6 - горелку типа «трубка в трубке», оборудованную амбразурой;
фиг.7А, В и С изображают горелку с раздельными струями;
фиг.8 изображает функцию плотности потока тепла факела в зависимости от расстояния до точки инжекции при разных углах наклона;
фиг.9А и В изображают варианты осуществления управления раствором факела;
фиг.10А и В - влияние параметра управления на отклонение факела и передачу тепла на шихту;
фиг.11 изображает угол раствора факела в зависимости от соотношения импульсов струй;
фиг.12 иллюстрирует пример применения системы в соответствии с настоящим изобретением для нагревания шихты с изменением наклона факела;
фиг.13 - использование изобретения для нагревания шихты с боковым перемещением факела;
фиг.14 - применение регулируемого раствора факела для вовлечения газов печи;
фиг.15 - уровень выбросов факела в зависимости от параметра управления;
фиг.16 - выполнение защиты горелки при помощи амбразуры;
фиг.17 - выполнение защиты горелки при помощи муфты.
В дальнейшем тексте описания одинаковые цифровые позиции будут использованы, с одной стороны, для обозначения первичной струи и канала, в котором она проходит, и, с другой стороны, для обозначения вторичной или воздействующей струи и соответствующего вторичного трубопровода, в котором проходит эта вторичная струя.
На фиг.1 показана принципиальная схема способа управления факелом в горелке в соответствии с настоящим изобретением.
Горелка содержит канал 10, который позволяет подавать первичную струю в выходное основное отверстие 11.
Первичная струя поступает по каналу 10 и вступает во взаимодействие с вторичной струей, выходящей из вторичного трубопровода 21, образуя на выходе выходного отверстия 11 факел 1 с направлением и/или раствором, отличающимися от направления и/или раствора факела в отсутствие вторичной струи.
По меньшей мере один вторичный трубопровод 21 для инжекции вторичной струи выходит в канал 10 через вторичное отверстие 31. Этот вторичный трубопровод 21 располагают относительно канала 10 таким образом, чтобы в точке взаимодействия между соответствующей вторичной струей и первичной струей угол θ между осью вторичной струи 21 и плоскостью, перпендикулярной к оси первичной струи 10, превышал или был равным 0° и был меньше 90° (θ=0° на фиг.1).
Вторичное отверстие 31 отстоит от основного отверстия 11 на расстояние L, при этом L меньше или равно 10×√s (s = сечение основного отверстия 11). Расстояние L позволяет влиять на воздействие вторичных струй на первичную струю с идентичными соответствующими импульсами. Например, чтобы достичь максимального эффекта направленности, это расстояние следует сводить к минимуму. Как правило, для кислородных горелок и для значений развиваемой мощности порядка мегаватта длина L будет меньше или равна 20 см, предпочтительно меньше или равна 10 см.
Горелка содержит средства для управления импульсом вторичных струй. Эти средства можно выбирать среди устройств управления массовым расходом, управления снижением напора, управления сечением канала, а также среди устройств регулирования температуры, регулирования химического состава и регулирования давления.
Эти средства предпочтительно могут быть средствами, позволяющими регулировать соотношение между импульсом вторичной струи и импульсом первичной струи.
Средства управления позволяют активировать или деактивировать вторичную струю или вторичные струи (поток или отсутствие потока рассматриваемой вторичной струи) таким образом, чтобы динамично изменять направление и/или раствор факела.
Предпочтительно, чтобы средства управления позволяли также динамично увеличивать и уменьшать (не нулевой) импульс вторичной струи или вторичных струй или увеличивать и уменьшать соотношение между импульсом вторичной струи и импульсом первичной струи.
Питание горелки топливом и окислителем можно осуществлять при помощи канала инжекции окислителя и по меньшей мере одного канала инжекции топлива, расположенных концентрично, или при помощи канала инжекции окислителя и по меньшей мере одного канала инжекции топлива, выполненных отдельно друг от друга и предпочтительно параллельно друг другу.
Предпочтительно горелка содержит блок 5 материала, такой как блок огнеупорного материала, в котором находится по меньшей мере часть канала 10, при этом выходное основное отверстие 11 расположено на одной из сторон или поверхностей блока: на передней стороне 6.
На фиг.1 вторичная струя поступает по вторичному трубопроводу 21, который проходит через блок 5, и предпочтительно эта вторичная струя выходит по существу перпендикулярно к первичной струе.
Взаимодействие между первичной струей и вторичной струей происходит на расстоянии L от передней стороны 6 блока, на которую выходит канал 10 первичной струи, при этом упомянутое расстояние L может меняться, как было указано выше.
Согласно варианту выполнения, позволяющему изменять направление факела и показанному на фиг.3А и 3В, горелка содержит по меньшей мере один вторичный трубопровод 321, 322, 323 и 324, который располагают по отношению к каналу 310 первичной струи таким образом, чтобы на уровне соответствующего вторичного отверстия 331, 332, 333 и 334 (то есть вторичного отверстия, через которое данный вторичный трубопровод выходит в основной канал) ось первичной струи и ось соответствующей вторичной струи пересекались или почти пересекались.
Такое расположение между каналом и вторичным трубопроводом позволяет менять угол между осью факела и осью первичной струи перед вторичным отверстием путем изменения импульса по меньшей мере одной соответствующей вторичной струи.
Если в отсутствие воздействующей струи факел, выходящий из выходного основного отверстия 311, является перпендикулярным к плоскости фиг.3А, инжекция струи через вторичный трубопровод 323 позволяет отклонить факел вправо на фиг.3А, то есть в том же направлении, что и направление потока струи, выходящей из 323. Если одновременно происходит инжекция вторичной струи через вторичный трубопровод 324, в зависимости от относительных количеств движения струй, выходящих из 323 и 324, можно получить факел, отклоняемый в направлении (в проекции на плоскость фиг.3А), которое может постоянно колебаться между направлениями струй, выходящих из 323 и 324 (вправо и вниз на фиг.3А).
Предпочтительно горелка содержит по меньшей мере два вторичных трубопровода, которые располагают по отношению к каналу 310 таким образом, чтобы, с одной стороны, два соответствующих вторичных отверстия находились в одном сечении канала 310, и чтобы, с другой стороны, на уровне этих вторичных отверстий оси соответствующих вторичных струй пересекались или почти пересекались с осью первичной струи. В этом случае два соответствующих вторичных отверстия могут находиться по обе стороны от оси первичной струи (справа и слева в случае отверстий 331 и 333, внизу и вверху в случае отверстий 332 и 334), при этом два вторичных отверстия и ось первичной струи предпочтительно находятся в одной плоскости (горизонтальной в случае отверстий 331 и 333, вертикальной в случае отверстий 332 и 334).
Согласно другой предпочтительной конфигурации на уровне двух соответствующих вторичных отверстий плоскость, образованная осью первичной струи и одним из двух соответствующих вторичных отверстий, перпендикулярна к плоскости, образованной осью первичной струи и другим из двух соответствующих вторичных отверстий. Например, горизонтальная плоскость, образованная осью канала 310 и вторичным отверстием 331, перпендикулярна к вертикальной плоскости, образованной этой осью и вторичным отверстием 332.
Эти два варианта выполнения можно комбинировать. В этом случае, как показано на фиг.3А и 3В, горелка содержит по меньшей мере четыре вторичных трубопровода 321, 322, 323 и 324, которые располагают по отношению к каналу 310 таким образом, что:
(1) четыре соответствующих вторичных отверстия 331, 332, 333 и 334 находятся в одном поперечном сечении канала 310 и
(2) два из этих соответствующих вторичных отверстий 331 и 333 образуют первую плоскость с осью первичной струи и находятся по обе стороны от этой струи, два других вторичных отверстия 332 и 334 образуют вторую плоскость с осью первичной струи, при этом предпочтительно первая плоскость является перпендикулярной ко второй плоскости.
Такое расположение позволяет менять направление факела в первой и во второй плоскости (например, в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости) и, по выбору, в сторону одного или другого из двух вторичных отверстий, находящихся в каждой плоскости (например, влево и вправо в горизонтальной плоскости и вверх и вниз в вертикальной плоскости), и, как было указано выше, в любом промежуточном направлении.
На уровне четырех соответствующих вторичных отверстий 331-334 оси четырех соответствующих вторичных струй предпочтительно находятся в одной плоскости, перпендикулярной к оси первичной струи 310.
Изобретение позволяет также осуществлять взаимодействие между первичной струей и одной или несколькими вторичными струями таким образом, чтобы создавать, сохранять или усиливать вращение струи текучей среды, полученной в результате этого взаимодействия, и, следовательно, факела вокруг его оси. Такое взаимодействие позволяет менять раствор факела.
Как показано на фиг.4А и 4В, горелка может быть оборудована по меньшей мере одним вторичным трубопроводом 421-424, который располагают по отношению к каналу 410 первичной струи таким образом, чтобы на уровне соответствующего вторичного отверстия 431-434 ось соответствующей вторичной струи 421-424 не была компланарной или по существу компланарной с осью первичной струи 410, при этом упомянутый по меньшей мере один вторичный трубопровод 421-424 предпочтительно выходит тангенциально в канал 410 первичной струи. Таким образом, взаимодействие между первичной струей и вторичной струей придает первичной струе вращательный импульс.
Горелка может содержать два вторичных трубопровода 421 и 422, расположенных по отношению к каналу 410 первичной струи таким образом, чтобы на уровне двух соответствующих вторичных отверстий 431, 432 оси двух соответствующих вторичных струй не являлись компланарными с осью первичной струи 410, при этом обе вторичные струи ориентированы в одном направлении вращения вокруг оси первичной струи. Таким образом, обе вторичные струи способствуют вращательному импульсу, придаваемому факелу.
Предпочтительно, оба вторичных отверстия находятся в одном поперечном сечении канала 410/в одной плоскости, перпендикулярной к оси первичной струи. Они могут находиться по обе стороны от оси первичной струи (отверстия 431 и 433 или 432 и 434). Они могут быть также расположены таким образом, чтобы плоскость, образованная осью первичной струи и одним из вторичных отверстий 431, была перпендикулярной к плоскости, образованной осью первичной струи и другим из двух вторичных отверстий 432.
Согласно варианту выполнения горелка содержит по меньшей мере четыре вторичных трубопровода 421-424, которые расположены по отношению к каналу 410 первичной струи таким образом, чтобы на уровне соответствующих вторичных отверстий 431-434 оси соответствующих вторичных струй не были по существу компланарными с осью первичной струи. Два из двух соответствующих вторичных отверстий 431 и 433 являются по существу компланарными с осью первичной струи 410 в первой плоскости и находятся по обе стороны от оси первичной струи. Два других соответствующих вторичных отверстия 432 и 434 являются по существу компланарными с осью первичной струи 410 во второй плоскости и тоже находятся по обе стороны от оси первичной струи, при этом четыре соответствующие вторичные струи ориентированы в одинаковом направлении вращения вокруг оси первичной струи. Первая и вторая плоскости могут быть, в частности, перпендикулярными между собой. Предпочтительно также, чтобы четыре соответствующие вторичные отверстия находились в одном поперечном сечении канала 410.
Для придания первичной струе импульса вращения, а также для изменения раствора факела предпочтительно убеждаются, что на уровне вторичного отверстия, где взаимодействуют первичная струя и соответствующая вторичная струя, с одной стороны, ось вторичной струи принадлежит к плоскости, перпендикулярной в этом месте к оси первичной струи, и, с другой стороны, угол между осью вторичной струи и касательной к вторичному отверстию (или, точнее, к воображаемой поверхности канала первичной струи на уровне вторичного отверстия) в этой плоскости составляет от 0 до 90°, предпочтительно от 0 до 45°.
На фиг.4А и 4B показан пример выполнения, предназначенный для управления раствором факела. Первичная струя (которая проходит слева направо в канале 410 на фиг.4А) встречает вторичные струи, выходящие из вторичных трубопроводов 421, 422, 423 и 424 (показанных на фиг.4B, где представлен поперечный разрез по плоскости А-А фиг.4А). Эти вторичные струи воздействуют на первичную струю в направлении, тангенциальном к каналу 410, позволяя, таким образом, в зависимости от импульсов этих различных струй, более или менее значительно «раскрывать» факел. Этот эффект раствора в основном связан с тем, что вторичные струи и первичная струя имеют оси, которые не пересекаются, хотя и происходит физическое взаимодействие между струями. Это приводит к вращению результирующей струи и, следовательно, факела вокруг его оси.
Можно также в одной горелке комбинировать вариант выполнения, позволяющий изменять направление факела, с любым из описанных выше вариантов выполнения, позволяющих создавать, сохранять или усиливать вращение результирующей струи и изменять, таким образом, раствор факела.
Таким образом, для достижения одновременно эффекта по направлению и по вращению следует комбинировать описанные выше варианты. Для получения динамичного изменения эффектов направленности и вращения можно, например, предусмотреть несколько систем инжекции вторичных струй.
Предусматривая раздельные вторичные трубопроводы со средствами регулирования импульса вторичной струи, такими как вентили подачи, можно, таким образом, непрерывно или периодически менять форму и направление результирующей струи путем простого приведения в действие упомянутых средств регулирования (вентилей).
Чтобы вторичная струя действовала максимально эффективно на первичную струю, воздействующую струю следует инжектировать по существу перпендикулярно к направлению основной струи.
Для оптимальной работы горелка должна содержать по меньшей мере один вторичный трубопровод 21, расположенный по отношению к каналу 10 первичной струи таким образом, чтобы на уровне соответствующего вторичного отверстия 31 этот трубопровод имел толщину е и высоту l, где l≥0,5×e и предпочтительно 0,5×e≤l≤5,0×e (см. фиг.1). Минимальная высота, превышающая или равная 0,5×е, позволяет получить оптимальное взаимодействие между соответствующей вторичной струей и первичной струей.
Например, чтобы на практике получить такую вторичную струю, при которой в точке взаимодействия между этой вторичной струей и первичной струей угол θ между осью вторичной струи и плоскостью, перпендикулярной к оси первичной струи, равен 0°, предпочтительно перед соответствующим вторичным отверстием вторичный трубопровод должен иметь направление, по существу перпендикулярное к оси первичной струи на длине l, которая предпочтительно должна составлять от 0,5 до 5-кратного значения толщины е (размер в направлении потока основной текучей среды) упомянутого трубопровода (е является диаметром трубопровода, если он имеет цилиндрическую форму). Длина l может также превышать 5е, но это не приводит к существенному дополнительному эффекту воздействия вторичной струи на первичную струю. Например, для горелки с инжекцией газообразных углеводородов в условиях окружающей среды и с инжекцией кислорода получают не менее l=5 мм для горелки на 100 кВт и l=50 мм для горелки на 10 МВт.
Горелка может содержать амбразуру или форкамеру сгорания (например, из керамики), расположенную на конце канала, при этом по меньшей мере один вторичный трубопровод, по меньшей мере частично, расположен внутри амбразуры/форкамеры.
Канал первичной струи может быть выполнен полностью или, по меньшей мере, частично в виде первичного трубопровода для инжекции первичной струи. Этот первичный трубопровод выходит в первичное отверстие.
Это первичное отверстие может совпадать с выходным основным отверстием канала.
Когда, как показано на фиг.3С, 3D и 3Е и на фиг.6, первичный трубопровод 308, 608 заканчивается до выходного основного отверстия 311, 611, первичное отверстие 309, 609 расположено перед основным отверстием 311, 611. В этом случае по меньшей мере одно вторичное отверстие 334, 632, 634 может находиться между первичным отверстием 309, 609 первичного трубопровода 308, 608 и основным отверстием 311, 611 канала.
На фиг.6 показан, в частности, пример выполнения изобретения в горелке типа трубки в трубке, содержащей форкамеру, которая связана с горелкой внутри керамической амбразуры и в которой происходит стабилизация пламени (что описано, например, в патентных заявках № US-А-5772427 и US-А-5620316, поданных на имя заявителя, и коммерчески используется заявителем под товарным знаком ALGLASS). На фиг.6 блок амбразуры 605 содержит полость 671 (или форкамеру), в которую выходит двойная трубка.
Таким образом, канал 610 первичной струи представляет собой первичный трубопровод 608, выходящий первичным отверстием 609 в полость 671, которая выходит наружу через выходное основное отверстие 611, расположенное на передней стороне амбразуры за первичным отверстием 609.
В амбразуре (блоке) 605 горелки выполнены несколько вторичных трубопроводов 622, 624, выходящих по существу перпендикулярно к оси симметрии Х-Х горелки в канал 610 и, в частности, в полость, соответственно, через вторичные отверстия 632 и 634, расположенные на расстоянии L от выходного основного отверстия 611.
Собственно двойная трубка схематично состоит из центральной трубки инжекции топлива (предпочтительно), охваченной керамической трубкой, в которую нагнетают окислитель, при этом обе текучие среды смешиваются в полости 671.
В этом примере выполнения перед вторичными отверстиями 632, 634 происходит смешивание окислителя и топлива (и, в случае необходимости, продуктов сгорания), инжектируемых коаксиально через трубки. Направление и/или раствор факела регулируют затем за счет действия и, в частности, управляемым импульсом по меньшей мере одной воздействующей струи 622, 624.
Для оптимальной работы горелки в соответствии с настоящим изобретением канал первичной струи должен содержать на уровне упомянутого по меньшей мере одного вторичного отверстия не перекрытый или, по меньшей мере, по существу не перекрытый канал текучей среды в продолжении упомянутого по меньшей мере одного соответствующего вторичного трубопровода, чтобы обеспечивать эффективное взаимодействие между упомянутой по меньшей мере одной соответствующей вторичной струей и первичной струей. Как правило, поперечное сечение канала первичной струи должно ограничивать не перекрытый или, по меньшей мере, по существу не перекрытый канал текучей среды на уровне упомянутого по меньшей мере одного вторичного отверстия. Это показано на фиг.6, где центральная трубка, подающая топливо, заканчивается на уровне первичного отверстия, то есть намного впереди вторичных отверстий.
На фиг.3С, D и Е показан другой вариант выполнения горелки, в котором первичный трубопровод 308 заканчивается перед выходным основным отверстием 311.
На фиг.3С показана версия выполнения, аналогичная фиг.3В, но в которой в сопле 345 располагают два параллельных канала (первичный трубопровод 308 и вторичный трубопровод 324), при этом оба канала 308 и 324 выходят на переднюю сторону сопла. На этой передней стороне устанавливают пластинку 342, которая позволяет направлять вторичную струю вторичного трубопровода 324 в сторону первичной струи, выходящей из первичного трубопровода 308, и, в частности, перпендикулярно или по существу перпендикулярно к первичной струе. Таким образом, можно отклонять факел, например, в направлении, показанном на фиг.3С стрелкой 344. (Направление 344 факела будет зависеть от соотношения импульсов первичной и вторичной струй). Таким образом, изменяя импульс вторичной трубы при помощи средств управления, можно получить переменное направление факела, позволяющее обрабатывать факелом всю поверхность, такую как поверхность нагреваемой жидкой ванны.
На фиг.3D в разборе показано сопло 345, на котором крепят пластинку 342 (при помощи средств, не показанных на этой фигуре), в данном случае в виде полой боковой цилиндрической части 350, которую прижимают к концу сопла 345, тогда как отверстие 346 в пластинке располагается в месте выхода первичного трубопровода 308.
На фиг.3Е показано дно (внутренняя часть) этой пластинки 342, внутренняя сторона 349 которого содержит полость 347, в которую поступает вторичная струя, выходящая из вторичного трубопровода 324, затем встречает по существу перпендикулярно первичную струю, выходящую из первичного трубопровода 308 через щель 348 над выходным основным отверстием 346. Факел 344 (фиг.3С), выходящий из этого отверстия 346, отклоняется, таким образом, вниз (по отношению к фиг.3С, D и Е).
Следует отметить, что возможность использования пластинки для придания требуемого направления одной или нескольким вторичным струям до соответствующих точек их взаимодействия с первичной струей не ограничивается вторичными струями, направляемыми таким образом, чтобы менять направление факела, но может также применяться для описанных выше вторичных струй, позволяющих изменять раствор факела.
Изобретение касается также способа для динамичного или активного управления характеристиками системы сгорания или горелки при помощи одной или нескольких вторичных струй, воздействующих на первичную струю для изменения потока струи и получения факела, направление и/или раствор которого можно менять в зависимости от характеристик (в частности, направления и количества движения) первичных и/или вторичных струй. Этот способ можно использовать для регулирования в закрытом или открытом контуре характеристик системы сгорания путем применения инжекций струй текучей среды (жидкой, газообразной или твердодисперсной).
На фиг.2 показан способ регулирования характеристик горелки 210 в соответствии с настоящим изобретением, установленной на топке 212.
Датчики 214, 216 и 217 измеряют соответственно величины, характеризующие продукты сгорания, рабочие условия горения или топки и работу горелки. Данные этих измерений передаются по линиям 218, 219 и 220 на контроллер 215. Этот контроллер, в зависимости от заданных значений, определяемых характеристическими величинами, определяет рабочие параметры вторичных струй таким образом, чтобы поддерживать характеристические величины в их заданных значениях, и при помощи линии 221 передает эти параметры на органы 211 управления горелкой.
Предпочтительно горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит средства для управления импульсами первичной и/или вторичных струй или средства для управления соотношением импульсов первичной и вторичной(ых) струи (струй). Это соотношение является функцией соотношения сечения канала первичной струи и сечений вторичных трубопроводов, отношения значений расхода во вторичных трубопроводах к расходу результирующей струи, питающей факел, и соотношений плотностей текучих сред первичной струи и вторичной струи или вторичных струй. (В следующих разделах при рассмотрении одного из этих соотношений два других будут считаться постоянными).
Чем больше увеличивается соотношение сечения канала и сечения вторичного трубопровода на уровне соответствующего вторичного отверстия, тем больше (при постоянных соответствующих значениях расхода) соответствующая вторичная струя воздействует на первичную струю. Предпочтительно соотношение сечений выбирают в пределах от 5 до 50 и еще предпочтительнее - от 15 до 30.
Отношение расхода всех вторичных струй к общему расходу должно колебаться от 0 (отсутствие вторичных струй) до 0,5 и предпочтительно от 0 до 0,3, еще предпочтительнее - от 0 до 0,15; при этом, чем больше это соотношение расходов, тем значительнее будет отклонение и/или раствор факела.
Отношение плотности каждой текучей среды, входящей в состав вторичных струй, к плотности текучей среды первичной среды позволяет управлять воздействием вторичных струй. Чем меньше значение этого соотношения, тем существеннее воздействие вторичной струи на первичную струю при постоянном расходе. Из практических соображений во вторичных струях и в первичной струе часто используют одинаковую текучую среду (соотношение равно единице). Для увеличения (при постоянном массовом расходе) воздействия вторичных струй используют текучую среду с меньшей объемной массой, чем у текучей среды первичной струи. Текучую среду во вторичных струях выбирают в зависимости от предусматриваемого применения. Например, для управления отклонением воздушной струи можно использовать смесь воздуха и гелия (меньшей плотности) или для управления вовлечением продуктов сгорания в факел, топливом которого является пропан, для управления основной струей топлива и/или окислителя вторичной струей водяного пара. Как правило, отношение плотности (или объемной массы) более плотной текучей среды к менее плотной текучей среде может колебаться от 1 до 20, предпочтительно от 1 до 10 и еще предпочтительнее - от 1 до 5.
Инжекционное сечение канала и/или вторичных трубопроводов может иметь разную геометрическую форму, в частности круглую, квадратную, прямоугольную, треугольную, вытянутую, лепестковую и т.д. Геометрическая форма этих инжекционных сечений влияет на развитие нестабильности результирующей струи/факела. Например, струя на выходе форсунки треугольной формы будет более нестабильной, чем струя, выходящая из форсунки круглой формы, при этом данная нестабильность способствует смешиванию результирующей струи с окружающей средой. Точно так же форсунка вытянутой формы будет способствовать несимметричному развитию струи вблизи форсунки в отличие от форсунки круглой или квадратной формы.
Что касается физико-химических свойств текучей среды, используемой для получения вторичных струй, то их можно выбирать для управления некоторыми свойствами результирующего потока. Например, можно менять реактивность смеси основных струй топлива (например, природного газа), окислителя (например, воздуха) при помощи использования кислорода (или другого окислителя) и/или водорода (или другого горючего вещества).
Если непосредственно перед точкой взаимодействия первичной и вторичной(ых) струй конец канала первичного топлива оборудовать соплом, содержащим сходящийся/расходящийся элемент (называемый в литературе также соплом Лаваля), можно на выходе расходящегося элемента (что само по себе известно) получить первичную струю текучей среды и результирующую струю, например сверхзвуковую кислородную струю, которая в этом случае будет иметь переменное направление (в случае необходимости, переменный раствор, но с потерей сверхзвуковой скорости, что позволяет чередовать сверхзвуковые и дозвуковые скорости в некоторых процессах). Сопло Лаваля можно также располагать на результирующей струе перед выходным основным отверстием.
Согласно варианту способа используют по меньшей мере две вторичные струи таким образом, чтобы получить изменение направления факела в одной плоскости (например, влево и вправо или вверх и вниз). Можно также использовать по меньшей мере две вторичные струи, чтобы получить изменение направления факела по меньшей мере в двух пересекающихся плоскостях. Эти два варианта, взятые отдельно или в комбинации, позволяют обрабатывать сканированием по меньшей мере часть поверхности, такой как поверхность шихты.
При использовании вторичной струи, ось которой не пересекается или почти не пересекается с осью первичной струи, раствор факела над шихтой может меняться просто или в комбинации со сканирующей обработкой.
Предпочтительно предусматривают средства для управления количеством движения первичной струи и/или по меньшей мере одной вторичной струи.
Следует отметить, что хотя описанные выше горелка и способ были представлены для варианта применения только с одной первичной струей, которая взаимодействует с одной или несколькими вторичными струями, очевидно, что настоящее изобретение касается также такой горелки для создания одного или нескольких факелов с переменными раствором и/или направлением при помощи множества первичных струй, которые взаимодействуют с одной или несколькими вторичными струями.
На фиг.5 показано, как горелка в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить переменный факел при помощи двух первичных струй: первичной струи топлива и первичной струи окислителя. Каждая первичная струя взаимодействует с одной или несколькими вторичными струями. Благодаря этому взаимодействию две результирующие струи, выходящие из горелки, и, следовательно, факел имеют переменное направление и/или раствор.
На фиг.5А схематично показана результирующая струя 61 топлива, над которой находится результирующая струя 62 окислителя в ситуации, при которой ни одна из этих струй не управляется при помощи взаимодействия с одной или несколькими вторичными струями. На фиг.5B показаны эти же результирующие струи, но в ситуации, когда они управляются или отклоняются противоположно друг другу (сходящиеся струи). Струя 60 отклоняется вниз вторичной струей 62, тогда как струя 61 отклоняется вторичной струей 63, направленной снизу вверх (в отличие от 61). На фиг.5С показаны результирующие струи в ситуации, когда эти струи управляются или отклоняются в одном направлении (вверх на фиг.5c): вторичные струи 63 и 65 действуют снизу вверх соответственно на основные струи 61 и 60, что приводит к получению результирующих струй, направленных вверх. Эти три примера позволяют получать факелы с существенно отличающимися направлением и морфологией (длина, уплощение и т.д.). Факел 64 будет очень широким в средней горизонтальной плоскости двух струй, тогда как факел 67 будет сильно отклонен вверх.
Согласно изобретению в точке взаимодействия между вторичной струей и первичной струей ось вторичной струи образует с плоскостью, перпендикулярной к оси первичной струи, угол, меньший 90° и предпочтительно равный 0°. Вместе с тем, как показано на фиг.3С и D, из соображения габаритов каналы, питающие эти струи, чаще всего являются по существу параллельными. Чтобы перенаправить вторичный поток на уровне зоны взаимодействия двух потоков, на конце горелки с параллельными каналами можно закрепить концевую деталь, в дальнейшем называемую инжекционной пластинкой, функцией которой является трансформация направления вторичной струи, первоначально параллельной первичной струе, во вторичную струю, воздействующую на первичную струю, при этом ось упомянутой вторичной струи предпочтительно находится в плоскости, перпендикулярной к оси первичной струи.
Вместе с тем, использование горелки для высокотемпературных процессов (Т>1000°С) может привести к перегреву и разрушению инжекционной пластинки.
Для разрешения этой проблемы при определении размеров инжекционной пластинки стараются уменьшить фронтальную поверхность горелки, подвергающуюся действию излучения в высокотемпературной камере. Для этого необходимо уменьшить соотношение l/e.
Можно также использовать одно из двух решений, показанных на фиг.16 и 17. Согласно первому решению (фиг.16) горелку 500 помещают внутри огнеупорной детали 501, геометрическая форма которой и относительное положение горелка/амбразура позволяют защитить горелку от слишком сильного излучения. Положение или степень заглубления горелки в амбразуру должны быть достаточными для ее защиты от излучения, но при этом не должны ограничивать амплитуды направленности факела. Для этого можно изменить геометрию амбразуры, убрав ее часть по линии 160, показанной на фиг.16 пунктиром, под углом α.
Предпочтительно соотношение R/d должно находиться в пределах от 0,3 до 3, тогда как угол α должен находиться в интервале 0°, 60°.
Второе решение состоит в установке огнеупорной детали типа муфты непосредственно на наконечнике горелки (где находится выходное основное отверстие), как показано на фиг.17. Это решение позволяет отказаться от использования амбразуры сложной геометрической формы. Размеры муфты определяют таким образом, чтобы они не ограничивали амплитуды направленности форсунки. Это, в частности, означает, что толщина f муфты должна быть незначительной (меньше диаметра основной струи) или что материал для выполнения этой муфты должен обладать очень низкой теплопроводностью. Например, предпочтительно использовать глинозем.
Изобретение касается также способа нагревания шихты при помощи горелки, в котором изменяют направление (и/или раствор) факела по отношению к шихте. Как было указано выше, изобретение позволяет, в частности, использовать одну или по меньшей мере две вторичные струи таким образом, чтобы получить изменение направления факела в плоскости (например, влево и вправо или вверх и вниз). Можно также использовать по меньшей мере две вторичные струи таким образом, чтобы получить изменение направления по меньшей мере в двух пересекающихся плоскостях. Эти два варианта, взятые отдельно или в комбинации, позволяют обрабатывать сканированием по меньшей мере часть поверхности шихты.
Согласно варианту выполнения нагревание шихты производят таким образом, чтобы в первой фазе направлять факел в сторону шихты и во второй фазе направлять факел по существу параллельно шихте.
В частности, во время первой фазы угол инжекции факела может составлять примерно от 90° до 5°, как правило, примерно от 90° до 10°. Во время второй фазы угол инжекции факела обычно составляет примерно от 5° до 0°.
Предпочтительно угол инжекции факела во время первой фазы составляет от 5° до 75°, и предпочтительнее от 25° до 45°.
На фиг.8 показаны три профиля потока тепла, передаваемого факелом шихте под углом наклона факела к шихте в зависимости от расстояния до точки инжекции реагентов факела. Отмечается очень сильное увеличение потока тепла, передаваемого шихте, при увеличении наклона факела. Для нулевого наклона (α=0 - см. фиг.12) тепловой поток является по существу постоянным по всей длине факела; при наклоне в 15° передаваемый поток увеличивается очень быстро, затем медленнее, начиная от точки А, тогда как при наклоне факела в 30° передаваемый поток увеличивается исключительно быстро до точки В, затем медленнее по существу до точки А, начиная от которой передача тепла уменьшается.
На фиг.9А и В показан угол раствора факела в зависимости от отношения расхода вторичных (воздействующих) струй к расходу первичной струи (основной струи).
На фиг.9А кривые С1 и С2 показывают соответственно угол раствора в зависимости от отношения расхода воздействующие струи/основная струя. С1 относится к конфигурации CONF1, в которой воздействующие струи перпендикулярны к основной струе и выходят на расстоянии h от выходного основного отверстия, а С2 соответствует конфигурации, идентичной CONF1, но с расстоянием 2×h вместо h между вторичными отверстиями и выходным основным отверстием. Эти две кривые показывают, что раствор факела больше, когда точка встречи воздействующих струй и основной струи находится ближе к выходному основному отверстию.
На фиг.9B показаны изменения угла раствора в зависимости от соотношения расходов воздействующих струй и основной струи: кривая С3 соответствует конфигурации CONF3 с воздействующими струями, действующими на основную струю под углом 90° (то есть в плоскости, перпендикулярной к оси основной струи: θ=0°) на расстоянии 2×h от выходного основного отверстия (аналогично CONF2), тогда как кривая С4 соответствует конфигурации CONF4, идентичной конфигурации CONF3, за исключением угла наклона α воздействующих струй, который равен 45°, по отношению к оси основной струи (то есть угол θ между осью воздействующих струй и плоскостью, перпендикулярной к оси основной струи, =90°-α=45°). Отмечается, что когда воздействующие струи перпендикулярны к основной струе (CONF3: θ=0°), при всех прочих равных показателях получают раствор факела больший, чем когда угол наклона α воздействующих струй является меньшим (в данном случае 45°)(CONF4: θ=45°).
На фиг.9 показан угол отклонения (в градусах) в зависимости от соотношения расхода воздействующих струй и расхода основной струи в процентном выражении. На фиг.10А показаны четыре кривые, для которых, при всех прочих равных показателях, расход основной струи соответственно равен 200 л/мин, 150 л/мин, 100 л/мин и 50 л/мин. Отмечается, что эти четыре кривые почти совпадают, что свидетельствует о том, что отклонение факела не зависит от расхода основной струи.
На фиг.10В показана передача тепла шихте: тепловой поток, создаваемый горелкой в соответствии с настоящим изобретением, в которой меняют отношение расхода воздействующих струй к расходу основной струи (показанное здесь тоже в процентах к расходу основного потока) как для струи топлива, так и для струи окислителя (горелка с раздельной инжекцией). Каждая струя первоначально нагнетается параллельно над шихтой и постепенно отклоняется в направлении шихты, что повышает передачу тепла шихте.
На фиг.11 показана кривая угла раствора факела в зависимости от соотношения импульса струй.
2
Эта кривая соответствует совокупности экспериментальных данных, полученных для управления раствором. Измеренный угол раствора приводится в зависимости от физического параметра J, который является соотношением специфических импульсов воздействующих струй и основной струи. Это соотношение записывают как произведение соотношения объемных масс (отношение воздействующей текучей среды к основной текучей среде) и соотношения квадрата скорости воздействующих струй и квадрата скорости основной струи. Для всех экспериментов применяли одинаковую основную текучую среду, тогда как для воздействующих струй использовали разную текучую среду. Эти текучие среды в основном отличаются своей объемной массой (от самой высокой до самой низкой: СО, воздух, смесь воздух-гелий). Отмечается, что все экспериментальные точки (независимо от применяемых расходов и текучих сред) выстраиваются по прямой линии. Это показывает, что физический параметр, управляющий раствором, является указанным выше соотношением специфических импульсов.
Примеры
Следующие примеры помогают лучше понять изобретение и его использование.
На фиг.7 более детально показана горелка с раздельной инжекцией разных текучих сред.
Горелка 101 с раздельной инжекцией содержит верхний ряд форсунок 112 для инжекции кислорода в виде струй и форсунок 125 для инжекции природного газа (топлива) в виде струй, при этом все форсунки находятся в огнеупорной массе 121 (фиг.7С).
Металлическая (как правило) часть 102 горелки 101 находится в правой части фиг.7А и продолжена трубками 107 и 109 инжекции кислорода, с одной стороны, и трубками 207 и 209 инжекции природного газа, с другой стороны, слева на фиг.7А.
На этой фигуре показаны два независимых источника 104 и 106 питания кислородом (или любым окислителем), питающие соответственно камеры 103 и 105, соединенные соответственно с трубками 109 и 107, при этом кислород проходит по трубкам 110 и 108.
Конец 111 трубок показан в увеличенном виде на фиг.7В, на которой поясняется взаимодействие основной 108 и воздействующей 110 струй. На конце трубок 107 и 109 находится канал 127, продолжающий канал 110 прохождения воздействующей струи. Стенка 109 продолжена стенками 113, имеющими наклон вверх, горизонтальной стенкой 114 и вертикальной (на фигуре) стенкой 115, тогда как центральный объем 126 позволяет ограничить канал 127, сначала имеющий наклон вверх, затем горизонтальный и вертикальный (то есть образующий угол 90° по отношению к каналу 108 газового потока и выходящий в него через отверстие 120). Вертикальная часть канала 127 имеет высоту L, определенную выше и обеспечивающую ортогональность струй 110 и 108 на уровне 120 (разумеется, если выбрать угол пересечения струй, отличный от 90°, канал 127 будет иметь требуемый наклон и длину L, остающуюся в определенных выше пределах). Металлическая часть горелки заканчивается стенкой 123, в данном случае вертикальной, проходящей по краю канала 127, при этом металлическая часть подвержена тепловому излучению от камеры сгорания во время использования. Для обеспечения длительного срока службы этого конца инжекционных трубок можно предусмотреть защитный элемент, например из глинозема, выдерживающий высокие температуры и, например, насаживаемый на этот металлический конец для его защиты и содержащий отверстие, равное отверстию 112 (фиг.7С).
Система питания топливом 204, 206, 203, 205 аналогична описанной выше системе питания окислителем с основным каналом 207, воздействующим каналом 209, ограничивающими основную струю топлива 208 и воздействующие струи топлива 210, и все находится в цилиндрическом отверстии 222 амбразуры 221 (аналогичной отверстию 122 для окислителя). Концы 124 и 125 аналогичны 123 и 112. Предусмотрена такая же система инжекции воздействующей струи топлива на конце 207 и 209, как показано на фиг.7В, с размерами, определяемыми в зависимости от характеристик топлива.
Вместе с тем, предпочтительно иметь только одну струю на форсунку, воздействующую на текучую среду с самым высоким импульсом (как правило, окислитель в случае горелки), при этом отклоненная таким образом струя вызывает, в свою очередь, отклонение другой струи снаружи горелки. В этом случае струю (или ряд струй) с наиболее высоким импульсом следует расположить над струей с менее высоким импульсом таким образом, чтобы в отсутствие действия воздействующей струи на струю наиболее высокого импульса горелка производила факел, в основном направленный горизонтально, тогда как если воздействующая струя (действующая вверху и внизу на основную струю с большим количеством движения) действует на основную струю, то последняя, как было указано выше, направляется вниз (постепенно, соответственно соотношению импульсов) и увлекает за собой вторую струю меньшего импульса (в данном случае топлива), образуя факел, который может, таким образом, переходить из горизонтального положения в положение с наклоном в направлении нагреваемой шихты, находящейся под факелом горелки. Добавление воздействующей струи по обе стороны от основной струи под углом 90° (или любым другим углом от 0° до 180°) от упомянутой воздействующей струи, показанной на фиг.7А (то есть на горизонтали на уровне 123 на фиг.7С, перпендикулярно к А-А), позволяет перемещать факел на нагреваемой шихте слева направо или справа налево, покрывая, таким образом, по существу всю предназначенную для нагревания поверхность.
Согласно изобретению воздействующая струя образует с основной струей угол, который имеет значение больше нуля. Из соображения габаритов оба канала, в которых проходят эти струи, чаще всего питаются коаксиальной системой питания (параллельные каналы - см. фиг.7).
Изобретение иллюстрируется ниже для случая горелки, предназначенной для нагревания любой шихты, которая может быть металлической шихтой или любой другой шихтой, которую необходимо расплавить и/или довести до высокой температуры, затем поддерживать при этой температуре, например, шихтой черного или цветного металла, твердых материалов для производства стекла, для производства цемента, или, наоборот, шихтой, которую необходимо осушить из состояния жидкой ванны.
Изобретение можно, в частности, использовать для инструмента обработки стали в электродуговой печи, например, следующим образом: как правило, этот тип инструмента создает факел (обычно дозвуковой), который позволяет нагреть металл, заставить его плавиться, в частности, в начале плавки. Этот факел, как было указано в настоящей заявке, может менять направление за счет воздействия на каждую основную струю (окислитель, топливо, предварительно полученная смесь) или по меньшей мере на одну основную струю воздействующей струей, которая заставляет его менять направление и/или раствор таким образом, чтобы этот факел можно было перемещать на шихте без использования сложных механических средств, которые меняют направление корпуса горелки. Эти инструменты часто оборудуют также насадками для инжекции порошкообразного угля, как правило, нагнетаемого в насадок при помощи газа-носителя. Оборудуя этот насадок трубопроводом инжекции вторичной струи, например газа, идентичного «газу-носителю» порошкообразного угля, можно менять направление (а также раствор струи, как и для любой текучей среды) струи порошкообразного угля (или распыленного жидкого топлива), чтобы способствовать быстрой встрече струи распыленного топлива с факелом или, наоборот, удалить эту струю от факела.
Нижеследующие примеры относятся к управлению передачей тепла горелкой в соответствии с настоящим изобретением в направлении шихты, например, металлической шихты в процессе плавки шихты.
Печь для выплавки алюминия, как правило, оборудуют одной или несколькими горелками на одной ли нескольких боковых стенках, окружающих плавильную ванну печи, расположенными над поверхностью металла, когда он находится в полностью расплавленном (жидком) состоянии. Ось факела, если она является горизонтальной, находится на высоте, составляющей от 10 до 100 см по отношению к поверхности металла, предпочтительно от 40 до 80 см.
Пример 1.
Случай твердого материала в печи
Горелки в соответствии с настоящим изобретением применяют, чтобы менять наклон факела. (Под наклоном следует понимать угол факела по отношению к горизонтали). Если наклон является нулевым, факел направлен горизонтально. Если наклон не равен нулю, факел имеет наклон под горизонталью и направлен к поду плавильной ванны печи.
Горелки инжектируют каждую струю текучей среды в камеру печи, однако этот тип горелки можно использовать только для текучей среды (окислителя или топлива) более сильного импульса, когда она взаимодействует со струей менее сильного импульса, чтобы получить требуемое отклонение факела, как правило, для топлива в случае горелки, работающей на смеси воздух/газообразное топливо или кислород/газообразное топливо.
В первой части цикла плавки алюминия, когда металл в основном находится в твердом состоянии, регулируют направление факела, чтобы он имел не нулевой наклон (ось факела под углом от 5° до 75°, предпочтительно от 25° до 45°). Это регулирование позволяет существенно улучшить тепловую передачу горелки и, следовательно, сократить время плавки (что было пояснено со ссылками на фиг.10).
Когда большинство металлических блоков расплавлено, направление факела регулируют таким образом, чтобы получить нулевой угол наклона. Следовательно, факел оказывается параллельным поверхности жидкого металла. Это регулирование позволяет продолжить передачу энергии на шихту и завершить плавку металла или осуществить его рафинирование, ограничивая нагрев уже расплавленного металла и, следовательно, его окисление факелом или продуктами сгорания.
Между описанными выше крайними положениями факела (прямой наклон и нулевой наклон) во время первой части цикла можно также производить промежуточное регулирование, при котором наклон факела составляет от 5° до 30°, предпочтительно от 10° до 25°, чтобы достичь компромисса между покрыванием шихты печи факелом (площадь проекции факела на ванну) и интенсивностью теплопередачи. На фиг.12 показаны крайние положения факела по отношению к шихте.
На фиг.12А показан вид сверху печи для выплавки алюминия, оборудованной двумя горелками в соответствии с настоящим изобретением, создающими два факела, расположенные над ванной металла.
Вытяжная труба печи обеспечивает удаление дымов, выделяемых факелами.
На фиг.12B и 12С показан вид сбоку этой же печи на уровне факела.
На фиг.12B факел имеет наклон под углом α по отношению к горизонтали, предпочтительно когда на металлической ванне еще присутствует твердый металл, тогда как на фиг.12С факел имеет нулевой наклон (α=0).
Между крайними положениями факела (прямой наклон и нулевой наклон) во время первой части цикла можно также периодически менять угол наклона факела. Например, оператор может менять наклон от 0° до 45°, а затем вернуться к 0°.
Предпочтительно горелкой управляют при помощи блока управления, позволяющего периодически модулировать соотношение управления, то есть соотношение основной и воздействующей(их) струй, и, следовательно, наклон факела на ванне. Командный сигнал блока управления может быть синусоидальным, треугольным, квадратным и т.д. с переменной частотой от 0,05 Гц до 100 Гц, предпочтительно треугольным с частотой от 0,1 до 10 Гц. Периодическое изменение положения факела позволяет гомогенизировать теплопередачу внутри печи и, таким образом, быстрее расплавлять твердые элементы.
Пример 2
. Гомогенизация передачи тепла на шихту
Горелки в соответствии с настоящим изобретением используют для того, чтобы по мере необходимости можно было менять направление факела в горизонтальной плоскости в зависимости от соотношения управления каждой горелки, как показано на фиг.13.
Каждую струю текучей среды инжектируют в камеру печи через горелку в соответствии с настоящим изобретением, но для струй, находящихся в одной горизонтальной плоскости или в двух горизонтальных плоскостях, находящихся близко друг от друга (на расстоянии от одного до двух диаметров струи), эти форсунки можно использовать только для периферических струй, если они могут взаимодействовать с другими отклоняемыми струями.
Изменение горизонтального направления можно производить в двух направлениях, влево и вправо, либо воздействуя на каждую основную струю двумя боковыми воздействующими струями, либо воздействуя на каждую периферическую основную струю только одной воздействующей струей, которая может действовать на основную струю в горизонтальном направлении, но в две противоположные друг другу стороны. Можно также смещать ось основной форсунки таким образом, чтобы при нулевом соотношении управления факел естественным образом отклонялся (вправо или влево) по отношению к оси Х-Х' горелки на фиг.13, и в этом случае менять направление факела, постепенно увеличивая соотношение управления системы управления (то есть, получая струю по оси Х-Х' с не равным нулю соотношением управления).
Использование одной или нескольких горелок с регулируемым направлением факела позволяет увеличивать покрывание шихты путем перемещения факела в горизонтальной плоскости.
(Использованное выше выражение «соотношение управления» определяют как соотношение значений расхода воздействующей струи и основной струи, учитывая, что импульсом струи текучей среды можно управлять простым изменением степени открытия вентиля, при этом, при всех прочих равных, увеличение степени открытия вентиля пропорционально повышению расхода струи).
Если соотношения управления горелки(лок) равны нулю, направление факела находится в естественной оси горелки, и факел покрывает участок шихты. Когда соотношение управления не равно нулю, положение факела отклоняется, и факел покрывает другой участок шихты.
На фиг.13 показан пример горизонтального перемещения факела над шихтой; каждой основной струе 130, 132 (окислитель или топливо) соответствует воздействующая струя 131, 133; на фиг.13А соотношение управления CR струи 130 равно нулю, то есть в канал 131 не нагнетается никакая текучая среда; соотношение управления CR струи 132 является положительным, что означает, что, поскольку 133 действует снизу вверх на фиг.13А, воздействующая струя 133 отклоняет основную струю 132 вверх на фигуре, то есть влево по отношению к оси Х-Х' горелки.
На фиг.13B, поскольку соотношения управления двух основных струй 130 и 132 равны нулю (CR=0), действие воздействующих струй отсутствует, и факел распространяется вдоль оси Х-Х'.
На фиг.13С, в отличие от фиг.13А, соотношение управления CR струи 130 и 132 является положительным, что приводит к отклонению факела вниз на фигуре (вправо, если смотреть сверху), при этом основная струя 132 и воздействующая струя 133 имеют нулевое соотношение управления (струя 133 отсутствует).
Таким образом, каждая горелка может обрабатывать больший участок шихты, способствуя гомогенизации теплопередачи и позволяя ограничить возможное образование горячих точек, если в ванне находятся огнеупорные материалы (например, остатки, содержащие глинозем, рециркулируемые или образующиеся при окислении расплавляемого металла), и, в целом, способствуя теплопередаче, позволяющей ускорить процесс плавки с постоянной мощностью или сократить потребление энергии при постоянном времени плавки.
Пример 3
. факел с переменным наклоном к шихте, обрабатывающий шихту сбоку
Пример 4
. Регулирование в замкнутом контуре
Этот пример выполнения изобретения позволяет управлять одновременно горизонтальным и вертикальным перемещением факела в зависимости, например, от рабочих параметров печи, измеряемых различными датчиками, установленными на печи, и, в частности, датчиками теплового потока, температуры или, в случае необходимости, химического состава (например, лазерный диод типа TDL).
- Контур регулирования, датчик которого является устройством измерения, позволяющим получить изображение теплопередачи на шихту или окисления алюминиевой ванны, при этом указанная информация позволяет уменьшать или увеличивать передачу тепла на шихту путем воздействия на расход воздействующей струи, как было указано выше.
- Контур регулирования положения факела, основанный на измерении температуры ванны, когда по меньшей мере часть ванны находится в твердом состоянии. Пока температура ванны меньше значения Тс, находящегося в пределах от 650 до 750°С, например для алюминия, факел должен оставаться с не равным нулю наклоном на ванне для обеспечения максимальной теплопередачи. При приближении к значению Тс факел постепенно поднимают, отводя его от ванны, и максимально удаляют при достижении заданного значения, чтобы ограничить возможность окисления шихты. После этого наклон факела регулируют таким образом, чтобы сохранять температуру в заданном значении.
- Контур регулирования положения факела, основанный на измерении теплового потока:
Этот тепловой поток можно оценивать через разность температур, измеряемую между двумя термопарами, погруженными в ванну на две разные глубины, но на одной образующей, перпендикулярной к поду печи.
Тепловой поток можно также определять на основании расчетных значений теплопередачи через под печи, опять-таки при помощи измерения разности температуры внутри печи. Учитывая более высокую жаропрочность пода, выполненного из огнеупорных материалов, можно легко получить значительный температурный градиент.
Тепловой поток можно также отслеживать при помощи измерителя теплового потока, установленного, например, на своде плавильной камеры. Действительно, при всех прочих равных любое уменьшение потока, ощущаемое сводом и отслеживаемое измерителем теплового потока, соответствует, по меньшей мере частично, увеличению теплового потока, передаваемого на шихту. (При этом абсолютное значение теплового потока, передаваемого на шихту (или потери на стенках), представляет меньший интерес, чем изменение по времени соответствующего ему сигнала).
Плавление шихты начинается при факеле с прямым наклоном в сторону шихты, и этот наклон сохраняют, пока поток, передаваемый на шихту, остается большим. Как только этот поток уменьшается, что соответствует повышению температуры шихты и уменьшению ее способности к теплопоглощению, факел постепенно поднимают, удаляя его от ванны, чтобы ограничить возможность окисления или перегрева шихты.
- Контур регулирования положения факела, основанный на измерении состава дымов на выходе печи или внутри печи, например, перед коллектором дымов печи, над ванной, между наклонным факелом и алюминиевой ванной и т.д., для обнаружения одного или нескольких веществ, свидетельствующих об окислении алюминиевой ванны, таких как СО:
а. Состав дымов можно измерить известным способом путем отбора с последующим анализом (классические анализаторы, TDL или другие), или на месте адсорбционным методом (лазерный диод или другой прибор), или при помощи электрохимического зонда.
b. Плавление начинается при факеле с прямым наклоном на шихте, и этот наклон сохраняют, пока показатель или показатели окисления остаются стабильными и в небольшом количестве. Как только концентрация показателя или показателей увеличивается, факел постепенно поднимают, отводя его от ванны, чтобы ограничить концентрацию показателя или показателей и, следовательно, окисление шихты, воздействуя на основную струю при помощи воздействующей струи, как было указано выше.
с. Кроме того, положение факела можно регулировать, чтобы достичь заданного значения, а затем поддерживать точное заданное значение концентрации показателя окисления. Действительно, можно зафиксировать порог концентрации, который не следует превышать, и постоянно корректировать с этой целью наклон факела.
Необходимо отметить, что во всех случаях, если шихта состоит, по меньшей мере частично, из холодного твердого вещества, можно направлять факел прямо на шихту, так как, пока температура остается умеренной, например, меньше 600°С для алюминия, степень окисления остается низкой. Когда шихта становится в основном жидкой, применяют регулирование, чтобы избежать повышения температуры металла и его окисления. В случае использования изобретения для нагревания материала, отличного от алюминия, например для нагревания ванной стекла и т.д., применяют эти же принципы для температур и критериев, которые отличаются от одного материала к другому, но при этом сами принципы остаются такими же и хорошо известны специалистам.
Пример 5
. Контроль выбросов
Все первичные технологии сокращения выбросов оксидов азота в промышленных горелках или топках используют локальные свойства потоков текучих сред или факела для ограничения их образования. В частности, их целью является снижение температуры или концентрации реагентов (топлива, кислорода) или сокращение времени нахождения реагентов в факеле и/или в продуктах сгорания. Одна из этих технологий состоит в нагнетании достаточного количества газообразных продуктов сгорания в реагенты или в факел для снижения температуры, концентрации реагентов или для сокращения времени нахождения. Для этого размеры горелки выбирают таким образом, чтобы получать струи топлива и/или окислителя с высокой скоростью (сильным импульсом) и достаточно удаленные, чтобы получить максимальную степень подачи или рециркуляции газообразных продуктов сгорания, совместимую с нормальной стабилизацией пламени. Предел стабилизации обнаруживается при появлении несгоревших веществ в продуктах сгорания, таких как моноксид углерода в случае углеводородов. В некоторых условиях можно получить режим горения «без пламени», исключительно способствующий сокращению выбросов.
Ограничение этой технологии или этих технологий горения состоит в том, что степень вовлечения газообразных продуктов сгорания определяется размерами горелки и рабочими условиями. Следовательно, характеристики, касающиеся этих выбросов, могут существенно ухудшаться при отклонении от этих условий, а также при смене топлива или когда собственные потоки печи или топки в значительной степени участвуют в свойствах факелов.
Изобретение позволяет адаптировать во время работы свойства факелов и, в частности, степень рециркуляции газообразных продуктов сгорания, что в любом случае позволяет свести к минимуму выбросы загрязняющих веществ и, в конечном счете, оптимизировать производительность горелок.
Пример 6
. Горелка с предварительным смешиванием, содержащая форсунку, расположенную в печи
Используют описанные выше воздействующие струи для изменения во время работы угла раствора основной струи текучей среды (или нескольких струй). В этом случае основная струя является предварительно полученной газовой смесью топлива и окислителя. Раствор струи определяет уровень увлечения ею окружающей среды, и он может быть измерен углом между осью струи и касательной к границе между струей и окружающей средой. (Эту границу можно определить как место в струе, где концентрация нагнетаемой текучей среды становится нулевой).
Раствор струи управляется соотношением между расходом воздействующей струи и общим расходом результирующей струи. Когда это соотношение управления равно нулю, измеряют уровень выброса N1 (фиг.15). По сути дела это соотношение управления является соотношением импульсов, что было пояснено выше.
После этого увеличивают параметр управления таким образом, чтобы повысить вовлечение газообразных продуктов сгорания в струю и разбавить, таким образом, нагнетаемую горючую смесь. Это разбавление приводит, с одной стороны, к снижению температуры и, с другой стороны, к концентрации реагентов в факеле. Таким образом, выбросы NOx сокращаются, достигая уровня N2 (фиг.15). Если продолжить уменьшать значение параметра управления, температура и концентрация реагентов становятся слишком низкими, чтобы обеспечивать хорошую стабилизацию факела: в продуктах сгорания появляются несгоревшие вещества. В этом случае оксиды азота находятся на уровне N3, а выбросы несгоревших веществ на слишком высоком уровне l3. Поэтому параметр управления уменьшают до получения оптимального уровня выбросов N0 и 10 (пересечение кривых NOx и несгоревших веществ на фиг.15). Этот оптимум можно получить вручную (пассивное управление) или предпочтительно при помощи устройства активного управления. Это устройство содержит датчики для измерения выбросов оксидов азота и несгоревших веществ, автомат, использующий описанную выше логическую схему управления, и органы управления расходом основной струи и воздействующей(их) струи (струй) по меньшей мере одной форсунки. Автомат определяет значение параметра управления, которое сводит к минимуму выбросы оксидов азота и несгоревших веществ. Активное управление становится необходимым, когда число оптимизируемых параметров больше двух или равно двум. Например, можно одновременно минимизировать выбросы загрязнителей путем увеличения степени разбавления факела газообразными продуктами сгорания и довести до максимума передачу тепла на шихту путем наклона факела в направлении шихты.
Пример 7
. Горелка без предварительного смешивания
Если применяют технологию горения без предварительного смешивания, то управление можно производить как на топливе, так и на окислителе, а также на том и другом аналогично примеру 5.
В случае необходимости можно комбинировать эффекты раствора (вовлечение окружающей среды) и отклонения струй (расходящиеся струи топлива и окислителя), в частности с целью увеличения влияния разбавления факела и максимального снижения выбросов.