МНОГОРЕЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГОРЕНИЯ И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭТОГО УСТРОЙСТВА
MULTI-MODE DEVICE FOR REALISATION OF COMBUSTION AND METHOD OF THIS DEVICE USAGE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству для осуществления горения (камере сгорания) для достижения повышенных температур в промышленных плавильных печах для таких разных продуктов, как металлы, стекло, керамические материалы, среди других материалов, изготавливаемых или обрабатываемых в жидком или расплавленном состоянии.
Примеры стандартных устройств для осуществления горения описаны в Патентах США №№6524097, 7390189 и 7500849. Раскрытие предварительно заданных патентов и патентных публикаций включено в настоящий документ в виде ссылок.
В этой области техники существует необходимость в устройстве для осуществления горения, пригодном для многорежимного функционирования за счет использования множества окислителей и множества источников топлива.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение может решать проблемы, связанные с уровнем техники, путем обеспечения устройства для осуществления горения, способного функционировать при многих режимах, за счет использования множества источников окислителей и множества видов топлива. Устройство для осуществления горения или горелка способна функционировать с двумя источниками окислителя (воздух, кислород и их смеси) и двумя источниками топлива (жидкими, газообразными и их смесями) и любым сочетанием одного или другого, или обоих веществ, включая:
- кислород-газ, воздух-кислород-газ, воздух-газ
- кислород-жидкость, воздух-кислород-жидкость, воздух-жидкость
- кислород-газ-жидкость, воздух-кислород-газ-жидкость, воздух-газ-жидкость
2
Используемый в настоящем документе, термин «воздух» или «воздух для горения» означает атмосферный воздух, а также воздух, обедненный кислородом. Воздух, обедненный кислородом, может содержать более 0 и примерно менее 21 объемных процентов кислорода (например, от 10 до менее примерно 21 объемных процентов кислорода). В целях настоящего документа, термин «кислород» или O означает технически чистый кислород, генерируемый с помощью криогенной воздухоразделительной установки или процесса адсорбции. Концентрация кислорода в этом случае обычно составляет более 90% по объему.
Согласно одной особенности, изобретение относится к устройству для осуществления горения, предназначенному для продолжения горения в случае ограниченной или прекращенной доступности реально используемого окислителя или топлива для процесса горения. Согласно другой особенности изобретения, изобретенное устройство для осуществления горения позволяет регулировать характеристики пламени (например, высоты пламени) и количество подаваемого окислителя (например, при сочетании кислорода и воздуха), а также типа топлива (например, при сочетании газа и жидкости). В результате, изобретенное устройство обеспечивает следующие преимущества:
1) Функционирование в качестве основной горелки, либо в печи с использованием воздуха и топлива или кислорода и топлива,
2) Функционирование в качестве дублера или дополнения к кислороднотопливной печи для спекания в случае, когда первичная печь изнашивается или подвод кислорода заканчивается, или иссякает,
3) Разогрев всей кислородно-топливной печи из холодного состояния,
4) Эксплуатационная гибкость для функционирования (например, реверберационной печи для алюминия, стеклоплавильной печи, среди других печей, котлов и воздухонагревателей),
5) Больший охват пламени с плоской геометрией,
6) Повышенная яркость света и стабильность пламени в предкамере,
7) Поддержание нахождения пены внутри кислородно-топливной стеклоплавильной печи с улучшенным режимом кинетической энергии взаимодействия воздух-топливо или кислород-обогащенный воздух-топливо,
8) Низкий перепад давления для потока воздуха, что облегчает использование относительно недорогого вентилятора,
9) Гибкость рабочих режимов,
10) Возможность замены существующих кислородно-топливных горелок,
11) Наличие двух каналов, соединенных с предкамерой, предусматривает более стабильное горение, вплоть до достижения заданной интенсивности горения. Помимо этого, горение становится беспламенным (и может применяться безопасным образом, сразу после достижения температуры самовоспламенения топлива),
12) Возможность сжигать два топливных материала одновременно,
13) Широкий интервал импульсов окислителя,
14) Регулируемый рабочий переход, связанный с изменением режима работы от жидкого топлива до газообразного топлива, или наоборот,
15) Возможность перехода, связанного с изменением режима работы, при котором в качестве окислителя используется воздух, до режима с использованием кислорода в качестве окислителя, или наоборот,
16) Сниженные требования по избыточному давлению природного газа (ПГ),
17) Видимые и беспламенные режимы горения, среди прочих преимуществ, которые станут известными специалистам в данной области техники.
В отличие от стандартных устройств, изобретенное устройство и способы обеспечивают следующие преимущества, по сравнению со стандартными горелками:
- Лучшее покрытие пламенем с плоской геометрией
- Лучшая яркость света и стабильность пламени в предкамере сгорания
- Низкий перепад давления для потока воздуха, облегчающий использование недорогого вентилятора
- Максимальная гибкость рабочих режимов
- Дублирование существующих горелок (например, кислородно-топливных горелок, серийно выпускаемых компанией Air Products, Allentown, Пенсильвания, в качестве кислородно-топливных горелок Cleanfire HRi™
- Очень быстрая замена кислородно-топливных горелок изобретенным устройством, и наоборот (например, кислородно-топливных горелок, серийно выпускаемых компанией Air Products, Allentown, Пенсильвания, в качестве кислородно-топливных горелок Cleanfire HRi™)
- Наличие двух каналов с предкамерой сгорания, обеспечивает более стабильное горение, вплоть до достижения заданного расхода теплоты. Помимо этого, горение становится беспламенным (его можно использовать сразу после достижения температуры самовоспламенения топлива)
- Возможность сжигать два топлива одновременно
- Широкий интервал импульсов окислителя
- Плавный рабочий переход при изменении рабочего режима от жидкого топлива к газообразному топливу или наоборот
- Плавный рабочий переход при изменении рабочего режима от воздуха, используемого в качестве окислителя, до кислорода, используемого в качестве окислителя
Одна особенность изобретения относится к устройству для осуществления горения, содержащему огнеупорный блок, имеющий, по меньшей мере, два канала, крепежную плиту для горелки, корпус горелки, вход для впуска воздуха в зону горения, вход для кислорода, вход для жидкого топлива и вход для газообразного топлива.
Другая особенность изобретения относится к способу для использования устройства для осуществления горения, в котором к устройству для осуществления горения подают, по меньшей мере, один окислитель и, по меньшей мере, один топливный материал.
Еще одна особенность изобретения относится к комплекту для конструирования или ремонта устройства для осуществления горения, содержащего огнеупорный блок, масляную фурму, масляную заглушку, кислородную заглушку, заглушку для природного газа, соединительный узел для воздуха, соединительную заглушку для воздуха, форсунку для аспирационного воздуха, прокладки и быстросоединяемые фитинги.
Таким образом, предлагается устройство для осуществления горения, содержащее огнеупорный блок, имеющий, по меньшей мере, два канала, включая верхний канал и нижний канал, плиту для крепления горелки, и корпус горелки, причем корпус горелки имеет вход для воздуха для горения, вход для кислорода, вход для жидкого топлива и вход для газообразного топлива;
причем корпус горелки выполнен с возможностью смешения воздуха, подаваемого на упомянутый вход для воздуха, и кислорода, подаваемого на упомянутый вход для кислорода, для образования окислителя и для направления окислителя на оба из упомянутых, по меньшей мере, двух каналов в огнеупорном блоке; и
причем корпус горелки выполнен с возможностью направления жидкого топлива к одному из упомянутых, по меньшей мере, двух каналов и газообразного топлива к другому из упомянутых, по меньшей мере, двух каналов.
Предпочтительно устройство для осуществления горения дополнительно содержит подвод воздуха для горения, и причем подвод воздуха для горения можно регулировать относительно корпуса горелки.
Предпочтительно устройство для осуществления горения дополнительно содержит подвод воздуха для горения, соединенный с возможностью отсоединения с входом для воздуха для горения, подвод кислорода, соединенный с возможностью отсоединения с входом для кислорода, подвод жидкого топлива, соединенный с возможностью отсоединения с входом для жидкого топлива, и подвод для газообразного топлива, соединенный с возможностью отсоединения с входом для газообразного топлива.
Предпочтительно вход для жидкого топлива находится в сообщении по текучей среде с фурмой, расположенной внутри одном из верхнего канала и нижнего канала, образованного в огнеупорном блоке.
Предпочтительно устройство для осуществления горения дополнительно содержит вход для распыляющего газа, предназначенный для введения воздуха в жидкое топливо.
Предпочтительно воздух подают на вход для воздуха для горения с помощью вентилятора или нагнетателя.
Предпочтительно подвод для газообразного топлива находится в сообщении по текучей среде с форсункой, расположенной в другом из верхнего канала и нижнего канала, образованном в огнеупорном блоке.
Предпочтительно по меньшей мере, один из: входа для кислорода и входа для воздуха находится в сообщении по текучей среде с верхним и нижним каналами.
Предпочтительно устройство для осуществления горения дополнительно содержит содержащее диффузор.
Предпочтительно дополнительный кислород подают на вход для газообразного топлива.
Предпочтительно каналы обладают в основном прямоугольное поперечное сечение.
Согласно изобретению также предлагается способ для осуществления горения газообразного и жидкого топлив, с использованием вышеуказанного устройства, в котором осуществляют горение с участием кислорода и воздуха, или с участием кислорода и воздуха, обедненного кислородом.
Кроме того, согласно изобретению предлагается способ для осуществления горения, по меньшей мере, одного из: газообразного или жидкого топлив, с использованием вышеуказанного устройства.
Предпочтительно осуществляют горение, по меньшей мере, одного топлива и, по меньшей мере, одного источника окислителя, выбранного из группы, состоящей из кислорода, воздуха и воздуха, обедненного кислородом.
Предпочтительно используют тепло, генерируемое при упомянутом горении, для нагрева печи.
Предпочтительно упомянутая печь представляет собой стеклоплавильную печь, и устройство установлено в последней позиции зажигания печи.
Предпочтительно упомянутое тепло не является первичным источником тепла для печи.
Предпочтительно дополнительно чередуют жидкое и газообразное топливо.
Предпочтительно чередуют воздух и кислород.
Предпочтительно используют жидкое и газообразное топливо, воздух и кислород, или используют жидкое и газообразное топливо, а также воздух, обедненный кислородом, и кислород.
Предпочтительно используют жидкие топлива, газообразные топлива, а также воздух или воздух, обедненный кислородом.
Предпочтительно используют жидкие топлива, газообразные топлива, и кислород.
Предпочтительно используют жидкие топлива, воздух и кислород, или воздух, обедненный кислородом, и кислород.
Предпочтительно используют газообразные топлива, воздух и кислород, или воздух, обедненный кислородом, и кислород.
Предпочтительно окислитель содержит воздух, и в котором подают воздух к входу для воздуха для горения, с использованием, по меньшей мере, одного элемента из группы, состоящей из вентилятора, нагнетателя и компрессора.
Предпочтительно высокоскоростной поток газа вводят во входной конец одного из огнеупорных каналов.
Предпочтительно высокоскоростной поток газа содержит воздух, который объединяют с жидким топливом перед его введением в огнеупорный канал.
Предпочтительно высокоскоростной поток газа содержит воздух, и жидкое топливо не подают на вход для жидкого топлива.
Согласно изобретению также предлагается комплект для ремонта вышеуказанного устройства для осуществления горения, содержащий огнеупорный блок, масляную фурму, масляную заглушку, кислородную заглушку, заглушку для природного газа, соединительный узел для воздуха, соединительную заглушку для воздуха, фурму для аспирационного воздуха, прокладки и быстросоединяемые фитинги.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой перспективное изображение одной особенности изобретенного устройства для осуществления горения,
Фиг.2 представляет собой разрез изображения, проиллюстрированного на Фиг.1,
Фиг.3 представляет собой перспективное изображение особенности, проиллюстрированной на Фиг.1, которое показывает устройство со стороны, противоположной пламени (или стороны снаружи печи),
Фиг.4 представляет собой перспективное изображение особенности, проиллюстрированной на Фиг.3, которое показывает соединение между входом для подачи воздуха в зону горения и корпусом устройства,
Фиг.5 представляет собой графическое отображение функционирования устройства, на котором показано соотношение между потоком воздуха и давлением,
Фиг.6 представляет собой графическое отображение функционирования устройства, на котором показано соотношение между скоростью верхнего потока окислителя и расстоянием,
Фиг.7 представляет собой графическое отображение функционирования устройства, на котором показано соотношение между давлением и потоком для топлива - природного газа,
Фиг.8 представляет собой графическое отображение функционирования устройства, на котором показано соотношение между скоростью топлива - природного газа и расстояния,
Фиг.9 представляет собой графическое отображение функционирования устройства, на котором показано соотношение между давлением и потоком воздуха,
Фиг.10 представляет собой графическое отображение функционирования устройства, на котором показано соотношение между скоростью верхнего окислителя, содержащего кислород, и расстоянием,
Фиг.11 представляет собой графическое отображение функционирования устройства в ходе горения, на котором показано соотношение между высотой пламени и расходом тепла природного газа,
Фиг.12 представляет собой графическое отображение функционирования устройства в ходе горения, на котором показано соотношение между высотой пламени и расходом тепла масла.
По возможности, одинаковые ссылочные позиции будут использованы на всех чертежах для отображения одинаковых элементов. Чертежи не приведены в масштабе, а взаимная ориентация компонентов на чертежах приведена лишь в иллюстративных целях.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к устройству для осуществления горения и способу использования такого устройства. Устройство может быть установлено в желаемом местоположении печи, и может работать таким образом, чтобы можно было управляемо изменять характеристики пламени, вырабатываемого устройством, а также количество кислорода и тип сжигаемого топлива (например, изобретение позволяет использовать диапазон объемов кислорода, а также смесь или диапазон видов топлива - от жидких до газообразных). Способ по изобретению можно осуществлять, выбирая количество кислорода, участвующего в горении, которое может варьироваться от кислорода воздуха до количества кислорода, содержащегося в обедненном воздухе (например, воздуха, обедненного кислородом), и все варианты среди них. Способ по изобретению также можно осуществлять, выбирая концентрацию кислорода, в сочетании с типом сжигаемого топлива, которое может варьироваться от газообразного топлива до жидкого и до смесей газообразного и жидкого топлива и всех вариантов среди них.
Изобретенное устройство для осуществления горения содержит огнеупорный блок, крепежную плиту для горелки, корпус горелки, вход для впуска воздуха в зону горения, вход для кислорода, вход для жидкого топлива и вход для газообразного топлива. Устройство для осуществления горения также может содержать запирающийся фиксатор таким образом, чтобы устройство для осуществления горения можно было бы быстро удалять для замены или ремонта. Ориентацию подвода воздуха для горения относительно входа для впуска воздуха в зону горения можно изменять для размещения соседнего оборудования. В зависимости от режима работы, один или более входов для окислителя и/или один или более входов для топлива можно блокировать (например, в случае, когда окислитель или топливо не используются).
Огнеупорный блок обычно содержит материалы, используемые для природного газа или нефтяных форсунок, как описано в Патенте США №739018 9. Притом что можно использовать любой подходящий огнеупорный материал, примеры подходящих материалов включают в себя отлитый из расплава композит оксида алюминия, кремния и циркония.
Как проиллюстрировано на Фиг.1 и 2, огнеупорный блок 5 образует два канала или прохода 6 и 7 для потока текучей среды (например, для подачи окислителя и топлива можно использовать верхний и нижний канал). Жидкое топливо и первичный окислитель можно подавать в верхний канал 6. Поэтапно, вторичный окислитель и газообразное топливо можно подавать в нижний канал 7, при использовании горелочного блока 5 в сочетании с газовой или масляной горелкой. В качестве альтернативы, подача или подвод жидкого и газообразного топлива может быть обратимым.
Согласно особенности изобретения, при использовании устройства в качестве кислородно-топливной горелки, верхний канал 6, образованный в огнеупорном блоке 5, является местоположением трубки для вдувания масла (масляной фурмы) (если используется), и в верхний канал 6 подается приблизительно 70% потока окислителя. Газообразное топливо (если используется) и сбалансированный окислитель подают в нижний канал 7. В качестве альтернативы, подача или подвод жидкого и газообразного топлива может быть обратимым.
Плита для крепления горелки 8 может представлять собой плиту для крепления горелки, описанную в вышеупомянутых патентах, и обычно она бывает изготовлена из нержавеющей стали. Плиту для крепления горелки 8 прикрепляют к огнеупорному блоку 5 с помощью любого стандартного средства, например с использованием комплекта болта с Т-образной головкой и гайки (не показаны). Корпус горелки 2 прикрепляют к плите для крепления горелки 8 с использованием съемных запирающихся фиксаторов 9. Применение запирающихся фиксаторов 9 имеет преимущество, состоящее в том, что позволяет осуществлять быстрое переключение между различными типами горелок, в зависимости от режима работы, выбираемого оператором (например, крепежную плиту не нужно заменять для каждой горелки, а соединение горелки с крепежной плитой просто изготовлено из четырех запирающихся фиксаторов). Плита для крепления горелки 8 имеет верхнее и нижнее отверстия 10 и 11, находящиеся в сообщении по текучей среде с верхним и нижним отверстиями огнеупорного блока 5 и, в свою очередь, соответственно, с каналами 6 и 7.
Корпус горелки 2 обычно изготавливают из нержавеющей стали. Корпус горелки 2 имеет множество входных соединительных отверстий: вход 12 для кислорода; вход 13 для газообразного топлива, вход 14 для жидкого топлива, вход 15 для распыляемого газа (например, для ситуации, при которой используют распылитель для жидкого топлива, работающий с распыляемым газом) и вход для воздуха 1.
Вход 12 для кислорода может быть расположен в любом подходящем местоположении (например, вход для кислорода может быть расположен на расстоянии 2,5 дюймов ниже местоположения, описанного в Патенте США №'189). Обратимся теперь к Фиг.2 и 3, где обычно последние несколько футов канала для подачи окислителя (например, через входы 1 и 12) и канала топливоподачи (например, через входы 13 и 14) к горелке изготавливают в виде относительно гибкого шланга (не показан). Близость подводящих трубопроводов для воздуха, кислорода, газа, жидкого топлива и распыляемого газа, когда он используется, к горелке согласно изобретению и применение гибкого шланга обычно означает, что для соединения с устройством согласно изобретению или отсоединения от него не требуется никакого специального оборудования.
Согласно другой особенности изобретения, подводящие трубопроводы, которые не используются, могут быть закрыты колпачком или заглушены, а если впоследствии возникнет такое желание, - и отсоединены или отключены. Например, в случае, когда в качестве единственного окислителя используется воздух или воздух, обедненный кислородом, подвод кислорода может быть перекрыт или заглушен. Аналогично, каждый вход к горелке, когда он не соединен с подводящим трубопроводом для топлива, распыляемого газа или окислителя, должен быть заглушен. Например, в случае, когда в качестве единственного окислителя используется воздух или воздух, обедненный кислородом, а подводящий трубопровод для кислорода отсоединен от горелки, вход 12 для кислорода должен быть закрыт или заглушен.
Обратимся теперь к Фиг.1, 2, 3 и 4, где вход для воздуха для горения или вход 1 обедненного кислородом воздуха расположен наверху корпуса горелки 2. Как правило, воздух для горения или воздух, обедненный кислородом, подают к горелке с использованием высокообъемного вентилятора или нагнетателя низкого давления. По желанию, давление или объем воздуха для горения можно повышать с использованием компрессора (например, серийно выпускаемого компрессора - не показан). Подключение подвода воздуха для сгорания, как показано на Фиг.2, 3 и 4, предусматривает наличие гибкого шланга для воздуха, такого как спирально-навивной трубопроводный шланг 3, соединяемый с подводом воздуха для горения со стандартным зажимом для шланга (не показан). Размер входа для воздуха 1 и подводящего трубопроводного шланга 3 зависит от размера горелки, но он, как правило, спроектирован таким образом, чтобы он был, насколько возможно, большим, для минимизации перепада давления, но диаметр скруглен до наиболее распространенного размера шланга воздуховода.
Один вариант воплощения, показанный на Фиг.3 и 4, предусматривает более быстрое соединение подводящего трубопровода для воздуха для горения с корпусом горелки через коленчатый патрубок 16, таким как коленчатый патрубок со скосом под 45°, расположенный наверху горелки. Использование коленчатого патрубка 16 способствует минимизации требований по высоте над горелкой, для соединения с подводящим трубопроводом для воздуха для горения или воздухом, обедненным кислородом. Между коленчатым патрубком 16 и трубопроводным шлангом 3 для воздуха для горения или воздуха обедненного кислородом можно использовать переходный патрубок 16A. Переходный патрубок 16A может быть постоянно соединен с концом трубопроводного шланга 3, и он предусмотрен для применения быстрого соединения с коленчатым патрубком 16 через распространенное соединительное устройство, такое как фитинг, зажимаемый эксцентриком, быстросоединяемый фитинг, крючок, или другое устройство (не показано). Скругление до наиболее подходящего размера воздуховодного шланга можно осуществлять путем изменения диаметра переходного патрубка 16A. То есть, соединение переходного патрубка 16A с коленчатым патрубком горелки 16 осуществляют с помощью двух стандартных запирающихся фиксаторов (не показаны). В дополнение, коленчатый патрубок может быть сконструирован таким образом, чтобы в нем было вдвое больше отверстий или щелей 17, поскольку в горелке есть крепежи или штифты 18. Это может позволить плоскости входа для воздуха быть расположенной параллельно, или под углом 30, 60 или 90° в обе стороны к плоскости входа для топлива 14. В качестве альтернативы, отверстия могут быть прорезаны таким образом, чтобы плоскость входа для воздуха могла быть расположена под любым углом к плоскости входа для топлива.
Обратимся к Фиг.1 и 2, где жидкое топливо или масло
(например, нагревающее масло (печное топливо) #2 или тяжелое масло #6) подают через вход 14 для топливного масла к масляной фурме 19, расположенной в верхнем канале 6, образованном в огнеупорном блоке 5. Для случая, когда используют форсунку для жидкого топлива, работающую с распыляемым газом, распыляемый газ подают через вход 15, расположенный выше входа 14 для масла (иначе он может попасть на соединение с газообразным топливом). При желании, расположение масляной фурмы 19 можно отрегулировать относительно огнеупорного блока 5 за счет скольжения масляной фурмы 19 дальше в канал 6 в блоке 5 или из него. Если масло не используется, то соединение заглушают. В качестве альтернативы, узел 19 масляной фурмы можно удалить и заменить заглушкой. В качестве альтернативы, узел 19 масляной фурмы можно удалить и заменить фурмой и форсуночным узлом, спроектированным для подачи потока сжатого воздуха рядом с выходом из канала 6, который спроектирован для нагнетания подачи сжатого воздуха к горелке. Это является желательным, поскольку вентиляторы или нагнетатели низкого давления обычно пользуются преимуществами в индустрии, благодаря их низкой стоимости, но из-за низкого давления подачи количество воздуха для горения или воздуха, обедненного кислородом, который можно подавать в пространство камеры сгорания, может быть ограниченным, что, в свою очередь, может ограничивать тепловую мощность, генерируемую горелкой. Добавление потока сжатого воздуха, как описано в настоящем документе, имеет эффект повышения максимальной тепловой мощности, подаваемой к печи из горелки. Если масло не используется, а фурма 19 остается на месте, то является полезным продолжать пропускать распыляемый газ через фурму 19 для предотвращения перегрева фурмы. При использовании любой подходящей масляной фурмы, примерная масляная фурма, используемая в данной горелке, может содержать фурму, обладающую в основном круговым сечением, такую как описана в Патенте США номер 750084 9, включенном в настоящий документ в виде ссылки.
2
2
2
Обратимся теперь к Фиг.1, 2 и 3, где кислород, если он используется, попадает во входное отверстие 12, и поток разбивается в «Y» 20. Разделенный поток O попадает в корпус горелки 2 через два отверстия. Поток O, как только он оказывается внутри горелки, равномерно распределяется по диффузорному листу 21. Это способствует обеспечению относительно равномерному распределению скорости потока через плоскость выходного сечения верхнего канала 6 и кольцевого поточного пространства, окружающего форсунку 22 для газообразного топлива в нижнем канале 7, а также способствует смешиванию O с воздухом для горения (если он используется), выходящим из входа 1. Притом, что форсунка 22 для газообразного топлива может иметь любую подходящую конфигурацию, форсунка для газообразного топлива, как правило, будет обладать прямоугольным поперечным сечением.
Обратимся теперь к Фиг.1, 2, 3 и 4, где воздух для горения, если он используется, попадает в горелку через входной патрубок 1. При добавлении кислорода (например, через вход 12), воздух будет смешиваться с кислородом, поскольку он вытекает из отверстий диффузорного листа 21. Окислитель затем вытекает из форсунки 28 для первичного окислителя и течет по кольцевому пространству между топливной форсункой 22 и нижним каналом 7, через плиту для крепления горелки 8 на нижнем отверстии 11. В одном варианте воплощения приблизительно 70% потока окислителя направлено к верхнему каналу или отверстию 6, образованному в огнеупорном блоке 5, и уравновешено нижним отверстием или каналом 7. Распределение потока можно отрегулировать путем использования устройства (не показано) для частичного блокирования одного или другого, или обоих отверстий. Преимущество этого состоит в том, что его можно использовать для изменения характеристик пламени. Одним возможным недостатком этого расположения является то, что оно может уменьшить область, пригодную для пропускания потока, и повысить требования к давлению окислителя, подаваемого к горелке.
В нижнем канале 7 возникает практически равномерно распределенный поток, поскольку окислитель течет вокруг форсунки для природного газа 22, поскольку обычно происходит существенное снижение площади поперечного сечения потока, поскольку окислительный газ или газы текут из входных отверстий 1 и 12 в кольцевое пространство между каналом 7 и топливной форсункой 22, при попадании в нижнее отверстие 7. Однако, для верхнего канала 6 поток обычно перераспределяется перед выходом из форсунки для окислителя 28. Это достигается за счет использования стержней 23 для распределения потока, равномерно расставленных по ширине форсунки 28 для окислителя (например, показанной на Фиг.1, где масляная фурма 19 проходит между двумя стержнями 23 для распределения потока), и которая может опираться на выступ 24, что способствует поддержанию ее центрального местоположения относительно верхнего отверстия и форсунки 28.
Газообразное топливо, если оно используется, попадает в горелку за счет соединения с входом 13 для газообразного топлива. Газообразное топливо попадает в переходную область 25 между круговым и плоским пламенем (как показано на Фиг.2) и попадает в форсунку 22 для плоского пламени. Форсунка 22 выступает внутрь огнеупорного блока 5, но не простирается внутрь огнеупорного блока 5 также далеко, как масляная фурма или форсунка 19 для эмульсии. Из-за особенности конструкции газовой форсунки 22, перепад давления через переходной патрон между круговым и плоским переходным участком 25 минимален, при одновременном обеспечении практически равномерного распределения потока по поверхности форсунки 22. Если газообразное топливо не используется, подводящий трубопровод для газообразного топлива можно отсоединить, а подводящий трубопровод для дополнительного окислителя может быть соединен (не обязательно) с форсункой для газообразного топлива.
После попадания в верхнее отверстие огнеупорного блока 5, перераспределенные окислительные газы текут вдоль верхнего канала 6 для окислителя. При использовании фурмы 19 для жидкого топлива, окислительные газы смешиваются с жидким топливом и сжигают его. Для случая, когда горение происходит на воздухе или воздухе, обедненном кислородом, а печь находится ниже точки воспламенения топлива, рекомендуется поддерживать стабильное пусковое пламя, т.е. пламя должно быть связано с зажигательным устройством. Когда печь работает выше точки самовоспламенения топлива, наличие пускового пламени не требуется. Поскольку концентрация кислорода повышается, расстояние между наконечником 26 форсунки для распыляемого топлива и точкой возникновения видимого горения обычно становится короче, до того, как пламя закрепится на относительно высоких уровнях обогащения кислородом. Окислительные газы и струя жидкого топлива (если они есть) попадают в печь, и в результате происходит горение.
Если вместо масляной фурмы 19 используется форсунка для сжатого воздуха, или используется какая-либо другая форсунка для подачи высокоскоростной струи газа, это будет способствовать снижению требований по давлению окислительных газов, текущих по верхнему огнеупорному каналу 6, если воспользоваться преимуществом эффекта Вентури и вдувать дополнительный окислительный газ в верхний огнеупорный канал горелки.
Равномерное распределение потока газов в каждом из огнеупорных каналов является важным, поскольку это способствует предотвращению образования участков перегрева на внутренней поверхности огнеупорных каналов. Это может быть вызвано избыточным перемешиванием газообразного топлива и окислителя внутри огнеупорного канала, что может привести к отражению факела пламени внутри огнеупорного блока. Это также способствует равномерному распределению пламени: как пламени от жидкого топлива из верхнего канала, так и пламени от газообразного топлива из нижнего канала.
Согласно одной особенности изобретения, доля потока окислителя в одном огнеупорном канале не эквивалентна доле потока окислителя в другом огнеупорном канале. Притом, что отношение потоков окислителя в каналах может изменяться, нормальный поток окислителя по каналу, относящемуся к фурме для жидкого топлива или масла, будет зависеть от имеющегося давления нагнетания окислителя и имеющейся площади поперечного сечения потока окислителя в горелке и каналах, связанных с масляной фурмой и форсункой для газового топлива. Согласно этой особенности, примерно 5-95 процентов окислителя течет по каналу, относящемуся к масляной фурме (например, примерно 70%).
В нижнем огнеупорном канале 7 окислительные газы поддерживают отдельно от газообразного топлива с помощью уплощенной топливной форсунки 22. В некоторой точке вдоль огнеупорного канала 7, где топливная форсунка 22 заканчивается, топливо и окислитель входят в контакт, и между центральным потоком топлива и кольцевым потоком окислителя, в области 27 предкамеры нижнего огнеупорного канала 7 образуется лист пламени. За исключением очень высоких скоростей окислителя, когда пламя либо отрывается от кончика топливной форсунки 22, либо в основном невидимо для невооруженного глаза, пламя закрепляется внутри предкамеры 27, что способствует стабилизации пламени в основном, когда используется воздух для горения, а температура печи находится ниже температуры самовоспламенения топлива.
Согласно другой особенности изобретения, контролируется сдвиговое соотношение (или отношение скоростей) между окислителем и топливом. Как проиллюстрировано в Таблице 1 ниже, типичные сдвиговые соотношения контролируют, во избежание возникновения существенных различий в соотношениях (например, обычно является желательным сдвиговое соотношение примерно 0,8-4,0). Например, если разница в соотношениях составляет примерно более 4 и менее 0,8, то может возникнуть избыточное смешивание топлива и окислителя в предкамере, генерируя, таким образом, слишком много тепла, и недостаточное количество сажи для светящегося (ярко-желтого) пламени.
Таблица 1
Сопоставление сдвигового соотношения
ПГ: окислитель с горелкой HRi
Конфигурация
Мин/Макс
Соотношение сдвигового потока
Горелка согласно изобретению с O<sub>2</sub> и природным газом
Максимальный сдвиг
4,03
HRi™ с широко открытым ступенчатым клапаном
Максимальный сдвиг
4,04
Горелка согласно изобретению с воздухом и природным газом
Минимальный сдвиг
0,85
HRi™ с закрытым ступенчатым клапаном
Минимальный сдвиг
0,83
Согласно другой особенности изобретения, изобретение относится к комплекту, который содержит компоненты для поддержания или ремонта устройства для осуществления горения согласно изобретению. Комплект может содержать огнеупорный блок, масляную фурму, масляную заглушку, кислородную заглушку, заглушку для природного газа, соединительный узел для воздуха, соединительную заглушку для воздуха, фурму для аспирационного воздуха, прокладки и быстросоединяемые фитинги. Прокладки могут быть изготовлены из любого подходящего материала, такого как огнеупорная бумага для горелки, предназначенная для крепежной плиты и областей контакта между крепежной плитой и огнеупорным блоком, и полимерные материалы, предназначенные для деталей, соединяющих подводящие трубопроводы для окислителя и топлива с горелкой, что необходимо для выполнения требований по совместимости материалов. Быстросоединяемые фитинги могут содержать, среди прочих подходящих фитингов и соединителей, пружинные зажимы, эксцентриковые зажимы, гидравлические соединения и крючки.
Следующие Примеры приведены для иллюстрации некоторых особенностей изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие объем каких-либо прилагаемых ниже пунктов формулы изобретения.
ПРИМЕРЫ
Обратимся теперь к Фиг.5-12. Эти Фигуры содержат графические отображения данных, иллюстрирующих, как изобретенное устройство может функционировать.
Фиг.5, 6, 7, 8, 9 и 10 представляют собой результаты испытаний, которые были проведены в отсутствии устройства зажигания и при условиях окружающей среды, с использованием воздуха для получения характеристик перепада давления и профилей скоростей.
Обратимся теперь к Фиг.5 и 7. Данные, показанные на Фиг.5 и 7, представляют собой результат исследования, которое было проведено с использованием устройства, проиллюстрированного на Фиг.1, и показывает соотношение между перепадом давления через устройства и потоком. В случае Фиг.5 перепад давления измерен, исходя из давления на входе для воздуха для горения (например, вход 1, показанный на Фиг.1) и атмосферного давления, окружающего устройство. В случае Фиг.7 перепад давления измерен между давлением на входе для газообразного топлива (например, вход 13, показанный на Фиг.1) и атмосферным давлением, окружающим устройство. Стандартный способ с использованием серийно выпускаемой трубки Вентури (модель 2300, Ламбда-Сквер, Нью-Йорк) и измерения давлений и температур газов был использован для определения потока окислителя на Фиг.5, с использованием такого способа, как тот, который был описан в Руководстве химика-технолога под авторством Перри (Perry's Chemical Engineers' Handbook) (Perry, R.H.; Green, D.W. (1997). Работа Perry's Chemical Engineers' Handbook (7th Edition). Применительно к Фиг.5 работа McGraw-Hill. Pp 10-13 & 10-14) была использована для измерения потока окислителя. Данные, показанные на Фиг.7, были получены таким же образом, что и на Фиг.5, за исключением того, что поток газообразного топлива был измерен в соответствии со стандартными способами (с использованием либо диафрагменного расходомера, либо вихревого расходомера с телом обтекания) и с использованием серийно выпускаемого устройства для измерений в потоке.
2
Был измерен перепад давления примерно 0-35 дюймов столба воды для потока воздуха для горения примерно 0-170000 scfh (стандартных кубических футов в час) (стандартные условия - 70 F и 14,7 фунт/дюйм) и перепад давления примерно 0-29 дюймов столба воды для потока газообразного топлива примерно 0-20000 scfh. Перепад давления примерно 0-35 дюймов столба воды является желательным для того, чтобы можно было снабжать горелку воздухом или воздухом, обедненным кислородом с использованием относительно недорогого вентилятора (например, вентилятора, который может генерировать потоки воздуха с крупным объемным расходом при относительно низком давлении нагнетания). Перепад давления газообразного топлива примерно 0-29 дюймов водяного столба является желательным для снижения требуемого давления нагнетания газообразного топлива, подаваемого к горелке. Это является полезным, поскольку в некоторых регионах мира давление нагнетания газообразного топлива на горелке составляет только 1 или 2 фунта на квадратный дюйм.
Обратимся теперь к Фиг.6 и 8. Эти Фигуры представляют собой, соответственно, графическое отображение функционирования устройства согласно Фиг.1, которое показывает соотношение между скоростью верхнего потока окислителя и расстоянием через поверхность сечения верхнего отверстия, и соотношение между скоростью природного газа в форсунке для природного газа и расстоянием через плоскость выходного отверстия форсунки. Эти Фигуры иллюстрируют, что имеет место относительно равномерный поток вещества, что приводит к более контролируемому и равномерному горению. Разброс скорости на верхнем отверстии примерно -0,2-0,2 является желательным для создания симметричного плоского пламени и предотвращения сдвига избыточной скорости (за пределами диапазона 0,5-5, а предпочтительно, 0,8-4), что приводит к образованию места перегрева внутри предкамеры из-за избыточного перемешивания топлива и окислителя внутри предкамеры сгорания, а разброс скорости примерно -0,2-0,2 на форсунке для газообразного топлива является желательным по тем же причинам, что были изложены выше для окислителя. Данные, показанные на Фиг.6 и Фиг.8, были получены с использованием трубки Пито и проволочного термоанемометра в соответствии со стандартными способами.
Фиг.9 представляет собой графическое отображение работы устройства согласно Фиг.1, которая показывает соотношение между давлением и скоростью потока воздуха (используемым в качестве аналогичного флюида вместо кислорода) на входе отверстия для кислорода. Данные, показанные на Фиг.9, были получены таким же образом, что и на Фиг.5, за исключением того, что скорость потока была измерена с помощью серийно выпускаемого расходомера. Давление окислителя примерно 0-225 дюймов столба воды при скорости потока примерно 0-40000 scfh является желательным для получения системы подачи кислорода с низким давлением (например, кислорода, подаваемого из воздухоразделительной установки), без использования устройства для повышения давления (например, вентилятора или насоса, что добавляет стоимость и эксплуатационные расходы воздухоразделительной установке).
Фиг.10 представляет собой графическое отображение работы устройства согласно Фиг.1, которое показывает соотношение между скоростью потока верхнего окислителя, содержащего кислород, и расстоянием поперек выходной поверхности первичного отверстия. Данные, показанные на Фиг.10, были получены таким же образом, что и на Фиг.6. Перепад скорости примерно -0,2-0,2 является желательным для создания симметричного плоского пламени и предотвращения избыточного сдвига скорости, что приводит к образованию участка перегрева внутри предкамеры из-за избыточного смешивания топлива и окислителя внутри предкамеры сгорания.
2
Фиг.11 представляет графическое отображение работы устройства в ходе горения, которое показывает соотношение между высотой пламени и расходом теплоты природного газа. Ссылка на процентное содержание (%) на подрисуночной подписи графика относится к количеству стехиометрического кислорода, требуемому для горения, которое обеспечивается воздухом или кислородом (например, 15% означает, что 15% требуемого кислорода обеспечивается O, а 85% обеспечивается воздухом, при общей концентрации кислорода 32,85%). Фиг.11 иллюстрирует, как способ, согласно изобретению, может быть осуществлен с использованием меняющихся количеств топлива для достижения желаемой высоты пламени и расхода тепла. Высота пламени примерно 0-20 футов и расход тепла примерно 0-15 MMBTU/ч являются желательными для получения расплавленных материалов в промышленных плавильных печах, для поддержания температуры внутри промышленных плавильных печей и/или для предотвращения переноса пены, накипи и других нежелательных частиц расплавленного материала близко к выходу печи (например, в стеклоплавильной печи эти частицы могут вызывать понижение качества стекла, например, избыточные пузырьки в конечном стеклянном продукте). В дополнение, высоту пламени можно снизить для предотвращения отражения факела пламени от противоположной боковой стенки печи. Отражение пламени может нанести ущерб огнеупорности печи. Фиг.11 также иллюстрирует, как изобретенный метод может быть осуществлен при указанном диапазоне концентраций окислительного кислорода. Объемная концентрация кислородного окислителя примерно 10-100% является желательной с точки зрения гибкости рабочего режима, с учетом использования воздуха, обедненного кислородом (менее примерно 21% кислорода), воздуха (примерно 21% кислорода), воздуха, обогащенного кислородом (примерно 21-90% кислорода) и кислорода, полученного из установки для разделения воздуха, или подаваемого (примерно 90-100%). Упоминание «отрыва» пламени указывает на то, что корень или основание пламени был сдвинут на расстояние от поверхности огнеупорного блока (например, существует визуальный зазор между пламенем и блоком). Упоминание «беспламенного» горения означает, что горение возникает без пламени, то есть без визуального обнаружения.
2
Фиг.12 представляет собой графическое отображение функционирование устройства согласно Фиг.1 в ходе горения, которое показывает соотношение между высотой видимого пламени и расходом тепла масла. Было использовано печное масло номер 2. Упоминание процентного соотношения кислород - масло относится к количеству стехиометрического кислорода, требуемого для горения, который подается за счет воздуха или газообразного кислорода (например, 15% означает, что 15% требуемого кислорода подается за счет O, а 85% - за счет воздуха). Высота пламени примерно 0-20 футов и расход тепла примерно 0-15 MMBTU/ч является желательными для получения расплавленных материалов в промышленных плавильных печах, для поддержания температуры внутри плавильной печи, и/или для предотвращения переноса пены, накипи и других нежелательных частиц расплавленного материала близко к выходу печи (например, эти частицы могут вызывать понижение качества стекла, например, избыточные пузырьки в конечном стеклянном продукте). В дополнение, высоту пламени можно снизить для предотвращения отражения факела пламени от противоположной боковой стенки печи. Отражение пламени может нанести ущерб огнеупорности печи.
Притом, что изобретение было описано применительно к предпочтительному варианту воплощения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть сделаны различные изменения, и различные элементы могут быть заменены их эквивалентами, без отступления от объема изобретения. В дополнение, многие модификации могут быть сделаны для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения, без отступления от его основного объема. Поэтому, предполагается не то, что изобретение будет ограничено конкретным способом воплощения, раскрытым в качестве наилучшего способа, предусмотренного для осуществления этого изобретения, а то, что изобретение будет включать в себя все варианты воплощения, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.