СПОСОБ СЖИГАНИЯ НИЗКОСОРТНОГО ТОПЛИВА
METHOD FOR COMBUSTION OF LOW-GRADE FUEL

Настоящее изобретение относится к способу и системе предварительного нагрева для сжигания низкосортного топлива, используя промышленную горелку. Более конкретно, изобретение относится к такому сжиганию для нагрева промышленной печи.
На заводах, на которых используются промышленные печи для производства стали и других металлов, часто производятся различные низкосортные, газообразные топлива, как побочные продукты. Один пример представляет собой, так называемый, колошниковый газ из доменных печей, которые используют для производства стали. Другой пример представляет собой отходящий газ из конвертеров. Такое низкосортное топливо обычно содержит смесь веществ, которые могут содержать, например, углеводороды, газообразный азот, газообразный кислород, газообразный водород, моноокись углерода, двуокись углерода и пары воды. Поскольку плотность энергии в таких топливах часто ограничена, они обычно используются для низкотемпературной обработки, такой как нагрев или обработки электроэнергии. В качестве альтернативы, они могут смешиваться с топливами, которые являются более энергетически плотными. Они также могут быть бесполезно сожжены в атмосферу.
Поскольку такое низкосортное топливо часто производится в избытке, например, на сталелитейном заводе и поэтому оно является сравнительно дешевым, было бы желательно обеспечить возможность его использования в большей степени также при высокотемпературной обработке, такой как нагрев печей для стальных материалов, где обычно используют топливо более высокого сорта.
Кроме того, использование низкосортного топлива, которое обычно присутствует как побочный продукт другой производственной обработки, вместо использования обычного, подаваемого извне ископаемого топлива, уменьшило бы выбросы углерода заводом.
Для того чтобы обеспечить возможность использования низкосортного топлива в таких вариантах применения, например, было предложено в шведском патенте 553,731 переключать подачу топлива и окислителя в существующих воздушных горелках, и одновременно использовать низкосортное топливо.
В заявке на патент США № 12/440,520 описан способ использования остаточного тепла от нагрева печи путем использования части продуктов сгорания для предварительного нагрева топлива, в то время как другая часть продуктов сгорания используется для предварительного нагрева окислителя.
В JP 57198913, с другой стороны, описана горелка, в которой используется тепловая энергия в продуктах сгорания, путем предварительного нагрева низкосортного топлива и/или воздуха в теплообменнике.
В настоящем изобретении предложено дополнение или альтернатива для представленных выше предложений эксплуатации низкосортного топлива при нагреве печей. Кроме того, в изобретении решается проблема предварительного нагрева окислителя, используя продукты сгорания, также, когда продукты сгорания, покидающие зону сгорания, являются очень горячими. Обычно такой предварительный нагрев представлял собой проблему, поскольку горячие продукты сгорания представляют собой опасность в случае неисправности оборудования предварительного нагрева и их непосредственного контакта с окислителем.
3
Следовательно, изобретение относится к способу для сжигания топлива, используя, по меньшей мере, одну промышленную горелку, причем в эту горелку подают низкосортное, газообразное топливо с низкой теплотворной способностью (LHV) 8 МДж/Нм или меньше и окислитель, и этот способ отличается тем, что продукты сгорания, получаемые в результате сгорания топлива с окислителем, вначале подают на первый этап теплового обмена, на котором тепловая энергия передается от продуктов сгорания топливу, которое, таким образом, предварительно нагревается, и тем, что охлажденные таким образом продукты сгорания после того пропускают через второй этап теплообмена, на котором тепловую энергию передают из охлажденных продуктов сгорания окислителю, который, таким образом, также предварительно нагревается.
3
Изобретение также относится к системе для предварительного нагрева низкосортного, газообразного топлива с низкой теплотворной способностью (LHV) 8 МДж/Нм или меньше и окислителя и подачи упомянутого предварительно подогретого низкосортного топлива и упомянутого подогретого окислителя, по меньшей мере, в одну промышленную горелку, используя которую топливо сжигают с окислителем для получения горячих продуктов сгорания, и эта система, отличающаяся тем, что система содержит первое теплообменное устройство, выполненное с возможностью передачи тепла от горячих продуктов сгорания топливу, которое, таким образом, предварительно нагревается, и что система также содержит второй теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепловой энергии от продуктов сгорания, которые были охлаждены на первом этапе теплообмена, окислителю, который, таким образом, также предварительно подогревается.
В дальнейшем изобретение будет описано подробно со ссылкой на представленные как примеры варианты осуществления изобретения и на приложенные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан упрощенный вид системы предварительного нагрева в соответствии с настоящим изобретением; и
на фиг. 2 показан упрощенный вид компоновки теплообменника в соответствии с изобретением.
На фиг. 1 показана промышленная печь 110, работающая в соответствии с настоящим изобретением, используя систему 100 предварительного нагрева, также в соответствии с изобретением. Предпочтительно, промышленная печь 110 представляет собой нагревательную печь для металлического материала, предпочтительно стали, и, предпочтительно, она выполнена с возможностью поддержания температуры нагрева в атмосфере печи, по меньшей мере, приблизительно 1000°C, такой, которая используется для повторного отжига стальных продуктов, более предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 1200°C, например, для повторного нагрева стальных продуктов перед горячей прокаткой.
Для нагрева печи 110 используется, по меньшей мере, одна промышленная горелка 115, которая (или которые) установлена в стенке печи. Каждая горелка 115 содержит, по меньшей мере, одно из отверстия подачи для топлива и отверстия подачи для окислителя.
Окислитель может представлять собой воздух, но предпочтительно, чтобы содержание кислорода в окислителе было выше, чем в воздухе. Следовательно, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления окислитель содержит, по меньшей мере, 50% масс. кислорода, более предпочтительно, по меньшей мере 85% масс. кислорода. Еще более предпочтительно, окислитель содержит, по меньшей мере, 95% кислорода, такого как промышленный чистый кислород. Сгорание с окислителем, содержащим высокие уровни кислорода в комбинации с низкосортным топливом, позволяет получить, в частности, экономически эффективный нагрев. Кроме того, предварительный нагрев представленного типа позволяет использовать продукты сгорания для предварительного нагрева даже таких типов окислителя с высоким содержанием кислорода, не создавая особого риска в отношении безопасности.
В соответствии с изобретением, в горелку или горелки 115 подают газообразное низкосортное топливо, такое как колошниковый газ из доменной печи.
В Таблице 1 представлено сравнение типичных соотношений разных составляющих между, с одной стороны, топливом среднего сорта, таким как коксовый газ, и, с другой стороны, низкосортным топливом, таким как колошниковый газ из доменной печи и отходящий газ из конвертера. Все значения представлены в процентном содержании по объему.
<b>Таблица 1</b>
N<sub>2</sub>
O<sub>2</sub>
H<sub>2</sub>
CO
CO<sub>2</sub>
CH<sub>4</sub>
C<sub>m</sub>H<sub>n</sub>
H<sub>2</sub>O
Коксовый газ
3,5
0,55
60
7,5
2,35
23,5
2,4
0,2
Колошниковый газ
52,5
0,55
2,3
23,5
20
-
-
1,15
Конвертерный газ
17,2
0,1
2,5
64,5
15,6
-
-
0,1
В Таблице 2 представлено сравнение низких значений теплотворной способности (LHV) для коксового газа, колошникового газ из доменной печи и отходящего газа из конвертера.
<b>Таблица 2</b>
LHV (МДж/Нм<sup>3</sup>)
LHV (МДж/кг)
Коксовый газ
17,9
34
Колошниковый газ
3,2
2,4
Конвертерный газ
8,0
6,0
3
3
3
3
3
В соответствии с изобретением в горелку или горелки 115 подают газообразное топливо, LHV которого равна или ниже чем 8 МДж/Нм. Однако, предпочтительно, чтобы газообразное топливо имело LHV не более чем 6 МДж/Нм, более предпочтительно не более чем 4 МДж/Нм. Топливо может содержать определенные добавки другого топлива более высокого сорта, если только LHV общей смеси не превышает упомянутые пределы в отношении МДж/Нм. В частности, топливо с более низкой LHV лучше работает в комбинации с окислителями, содержащими высокие уровни кислорода. Предпочтительный пример топлива представляет собой смесь колошникового газа и конвертерного отходящего газа, оба из которых получаются в локальной установке для обработки стали, содержащей доменную печь и конвертер. По причинам стоимости, предпочтительно, не примешивать какое-либо высокосортное топливо перед сжиганием, в частности, не примешивать какое-либо топливо, которое само имеют LHV более чем 8 МДж/Hм, такое как в случае, например, коксового газа.
В горелку или горелки 115 подают через трубопроводы 113 низкосортное топливо из средства 111 подачи топлива, которое принимает низкосортное топливо из источника такого низкосортного топлива. На фиг. 1 показан упрощенный пример доменной печи 120, из которой колошниковый газ подают через этап 121 очистки газа и систему трубопроводов в средство 111 подачи. Однако следует понимать, что источник низкосортного топлива может представлять собой источник конвертерного отходящего газа или любой другой соответствующий источник низкосортного топлива, как представлено в качестве примера выше.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления низкосортное топливо содержит, по меньшей мере, 50% масс. колошникового газа, получаемого во время работы доменной печи 120. Кроме того, предпочтительно, чтобы доменная печь 120 локально находилась на том же промышленном предприятии, что и печь 110, и, следовательно, также горелка или горелки 115. Таким образом, завод в целом может быть сделан более энергетически эффективным.
Окислитель подают в горелку или горелки 115 через трубопроводы 114 из средства 112 подачи окислителя, в которое подают окислитель из источника 130 окислителя, такого как обычный источник промышленно чистого кислорода, или обычное средство для обогащенного кислородом воздуха.
Как топливо, так и окислитель проходят через систему 100 предварительного нагрева прежде, чем они достигнут средства 111 и 112 соответственно.
Газообразные продукты сгорания, получаемые в результате сгорания в горелке или горелках 115 и в печи 110 топлива с окислителем, выходят из печи 110 через дымоход 116 и затем поступают в систему трубопроводов, как показано на фиг. 1.
В соответствии с изобретением упомянутые продукты сгорания вначале подают через первый этап 150 теплообмена, на котором тепловую энергию передают от упомянутых продуктов сгорания топливу, которое, таким образом, предварительно нагревается. После этого охлажденные таким образом продукты сгорания подают через второй этап 151 теплообмена, на котором тепловую энергию передают от охлажденных продуктов сгорания окислителю, который, таким образом, также предварительно нагревается.
Другими словами, низкосортное топливо и окислитель предварительно последовательно нагревают одно за другим. Это означает, что окислитель предварительно нагревают, используя тепловую энергию тех же продуктов сгорания, которые предварительно нагревают низкосортное топливо, но после того, как продукты сгорания уже были охлаждены в определенной степени в результате предварительного нагрева низкосортного топлива. Таким образом, содержание тепловой энергии продуктов сгорания из печи 110 может быть использоваться более полно, одновременно сводя к минимуму любые риски взрыва и т.п., связанные с предварительным нагревом окислителя, в частности, в случае использования окислителя с высоким содержанием кислорода.
После выполнения этапов 150 и 151 продукты сгорания, предпочтительно, подают на этап 140 очистки или обработки, предназначенной для обработки охлажденных продуктов сгорания.
Конечно, во время прохода продуктов сгорания через этапы 150, 151, продукты сгорания никогда не входят в прямой физический контакт ни с низкосортным топливом, ни с окислителем, которые должны быть предварительно нагреты. Вместо этого, устанавливается только тепловой контакт.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления второй этап теплообмена содержит металлический теплообменник типа рекуператора, другими словами, теплообменник, который не является регенератором, но теплообменник, в котором тепловую энергию передают из одной среды в другую, скорее, прямо, а не опосредованно, другими словами, без какого-либо промежуточного нагрева некоторой другой среды перед последующим нагревом низкосортного топлива или окислителя. Предпочтительные теплообменники, используемые на этапах 150, 151, представляют собой теплообменники со встречным потоком или с поперечным потоком.
В частности, предпочтительно использовать металлические теплообменники, в которых металлическое разделительное средство используется для поддержания продуктов сгорания, постоянно отделенными от низкосортного топлива и окислителя соответственно. Предпочтительные металлические материалы для такого средства содержат нержавеющую сталь.
В частности, предпочтительно, чтобы на втором этапе 151 теплообмена окислитель подавали по одной или нескольким металлическим трубам через камеру, через которую установлен поток продуктов из камеры сгорания, и эти трубы расположены так, что они отделяют окислитель от продуктов сгорания и передают тепло от продуктов сгорания в камере окислителю в упомянутых трубах.
Это представлено на фиг. 2, на которой первый этап 201 теплообмена, соответствующий первому этапу 150 теплообмена, как показано на фиг. 1, и содержащий вход 200 для горячих продуктов сгорания, последовательно соединен через трубопровод 202 со вторым этапом 203 теплообмена, который соответствует второму этапу 151 теплообмена на фиг. 1 и содержит выход 204 для охлажденных продуктов сгорания. Через первый этап 201 теплообмена трубки 212 теплообмена продолжаются внутри камеры внутри этапа 201 от входа 210 для низкосортного топлива до выхода 211 для предварительно нагретого низкосортного топлива. Аналогично, на этапе 203, трубки 222 теплообмена работают внутри камеры на этапе 203, от входа 220 для окислителя до выхода 221 для предварительно нагретого окислителя.
Предпочтительно, чтобы металлический материал разделительного средства, установленный для отделения окислителя от газа сгорания, то есть трубы 222 на фиг. 2, был изготовлен из металлического материала, который является в большей степени устойчивым к воздействию кислот, чем металлический материал соответствующего разделительного средства, установленного для того, чтобы всегда поддержать низкосортное топливо отделенным от газа сгорания, то есть трубы 212 на фиг. 2. Примеры соответствующих материалов для упомянутого разделительного средства на втором этапе теплообмена содержат достаточно устойчивые нержавеющие стали таких типов, которые устойчивы к воздействию кислот.
Кроме того, предпочтительно, чтобы только упомянутое средство разделения на этапе 151 теплообмена, следовательно, только трубы 222 на фиг. 2, были изготовлены из такой нержавеющей стали, устойчивой к кислотам, и чтобы остальная часть этапа 150, 151 теплообмена была построена из других, в меньшей степени устойчивых к кислотам нержавеющих сталей и/или неметаллического материала.
На фиг. 1, кроме того, иллюстрируется устройство 152 подачи окружающего воздуха, например, в форме обычного вентилятора с соответствующими трубопроводами, предпочтительно, работающего в совместно с и управляемого устройством 159 управления, которое сообщается (например, по проводам) с устройством 152 подачи воздуха.
Устройство 152 выполнено с возможностью подачи окружающего воздуха в поток продуктов сгорания перед первым этапом 150 теплообмена для охлаждения продуктов сгорания перед подачей на этап 150. Такая подача происходит через клапан 153 управления, которым может управлять устройство 159 управления, для управления потоком.
Кроме того, устройство 152 выполнено с возможностью управления температурой продуктов сгорания, протекающих на этапе 150, на основе измеренной температуры продуктов сгорания перед этапом 150 и/или измеренной температуры низкосортного топлива после этапа 150. Такие температуры измеряют, используя соответствующие датчики 155 и 156 температуры соответственно.
В соответствии с дополнительным или альтернативным вариантом осуществления то же или другое устройство 152 подачи окружающего воздуха (только одно такое устройство показано на фиг. 1) установлено для подачи окружающего воздуха в поток продуктов сгорания после первого этапа 150 теплообмена, но перед вторым этапом 151 теплообмена, предпочтительно, через клапан 154 управления, которым также может управлять устройство 159 управления, для охлаждения продуктов сгорания перед подачей на этап 151. В этом случае устройство 152 выполнено с возможностью управления температурой продуктов сгорания, протекающих на второй этап теплообмена, на основе измеренной температуры продуктов сгорания перед этапом 151 и/или измеренной температуры окислителя после этапа 151. Такую температуру измеряют, используя соответствующие датчики 157 и 158 температуры соответственно.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления устройство 159 управления выполнено с возможностью считывать подаваемые значения температуры из, по меньшей мере, двух, предпочтительно, по меньшей мере, трех датчиков 155-158 температуры соответственно, расположенных для измерения температуры газов сгорания перед этапом 150 и между этапами 150, 151; температуры низкосортного топлива после этапа 150; и температуры окислителя после этапа 151. На основе этих значений измерения устройство 159 управления затем выполнено с возможностью управления устройством 152 подачи для подачи достаточного количества окружающего воздуха в продукты сгорания перед первым этапом 150 теплообмена, для поддержания температуры продуктов сгорания, протекающих на второй этап 151, на уровне или ниже заданной наивысшей допустимой температуры. Такое управление может быть основано на соответствующем алгоритме управления, например, который учитывает эмпирически и/или теоретически определенные параметры, относящиеся к охлаждению продуктов сгорания, когда они протекают через первый этап 150 теплообмена. Алгоритм управления также может быть основан, например, на потоке низкосортного топлива через этап 150.
Окружающий воздух может иметь приблизительно комнатную температуру, но должен быть, по меньшей мере, холоднее, чем газы сгорания, с которыми он смешивается.
Как описано выше, продукты сгорания могут иметь температуру приблизительно 1000°C, когда они выходят из дымохода 116.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления температура продуктов сгорания на входе в первый этап 150 теплообмена после возможного смешивания с окружающим воздухом составляет, по меньшей мере, 800°C. Аналогично, температура продуктов сгорания на входе на второй этап 151 теплообмена после охлаждения на этапе 150 и возможного дополнительного смешивания с окружающим воздухом не превышает 400°C. Это позволяет эффективно выполнять предварительный нагрев при одновременной минимизации опасности.
В результате предварительного нагрева низкосортного топлива и после этого, используя уже частично охлажденные продукты сгорания, предварительного нагрева окислителя, достигается ряд преимуществ.
Во-первых, во многих вариантах применения большая часть энергии, содержащейся в горячих продуктах сгорания, может быть передана топливу и окислителю, чем это возможно, когда выполняют только обмен тепловой энергией на одном этапе для топлива и/или окислителя.
Во-вторых, плотность горячих продуктов сгорания снижается, когда их охлаждают топливом на первом этапе 150 теплообмена, в результате чего на втором этапе 151 теплообмена передача тепловой энергии окислителю может быть установлена в меньшей степени. Это, в свою очередь, приводит к возможности построения более эффективной по затратам установки.
В-третьих, возможно выполнять предварительный нагрев даже окислителя с высоким содержанием кислорода без риска в отношении безопасности.
Выше были описаны предпочтительные варианты осуществления. Однако для специалиста в данной области техники очевидно, что множество модификаций могут быть выполнены для описанных вариантов осуществления без выхода за пределы основной идеи изобретения.
Например, следует понимать, что этапы 150, 201 теплового обмена могут быть соответствующего или другого типа, чем этапы 151, 203 теплообмена, если только поддерживаются описанные здесь принципы.
Следует также понимать, что горелки 115, в которые подают предварительно подогретое низкосортное топливо и предварительно подогретый окислитель, могут быть заменены другими горелками, также нагревающими ту же печь 110, такими как обычные горелки с окислителем-топливом. Однако, предпочтительно, чтобы горелки 115 составляли единственный источник тепла в печи 110.
Таким образом, изобретение не следует ограничивать описанными вариантами осуществления, но оно может изменяться в пределах объема приложенной формулы изобретения.