Система сжигания с низким выбросом оксидов азота для грануляционных установок с подвижными колосниковыми решетками
NITROGEN OXIDES LOW EMISSION BURNING SYSTEM FOR GRANULATION PLANTS WITH MOBILE GRATE GRASSES

Настоящее изобретение относится к способу сжигания газообразного или жидкого топлива с использованием блока горелки. Топливо, холодный первичный воздух и подогретый воздух подают в предварительную камеру, где топливо и первичный воздух подают через по меньшей мере один питатель топлива и по меньшей мере один питатель первичного воздуха. В камеру сгорания подают подогретый воздух для горения. Изобретение также относится к блоку горелки для сжигания газообразного или жидкого топлива для нагрева промышленной печи.
В блоках горелки часто используют стандартные горелки, например, с обжиговыми печами грануляционных установок с подвижными колосниковыми решетками. Обычно используемые горелки стабилизируют пламя непосредственно на наконечнике горелки. Из-за высокой температуры воздуха при горении, которая обычно составляет вплоть до 1000°С, пламя внутри камеры сгорания очень горячее. Такое горячее пламя, обычно с максимальными температурами вплоть до 2000°С, приводит к выделению очень большого количества NOx и также может привести к термическим повреждениям стенки камеры сгорания. Обычно в грануляционных установках с подвижными колосниковыми решетками скорость потока подогретого воздуха для горения составляет от 15 до 25 м/с.
NOx являются одним из основных загрязнителей окружающей среды, поступающих из промышленных тепловых процессов. Хотя они и являются термодинамически нестабильными, разложение NOx кинетически затруднено, и их выбросы наносят вред окружающей среде в различных областях. Например, NOx способствуют образованию смога и кислотного дождя и ответственны за разрушение озонового слоя стратосферы. Вследствие этого, в настоящее время снижают разрешенные законом пределы выбросов NOx, или они уже снижены, что приводит к проблеме, заключающейся в том, что стандартные горелки, обычно используемые в промышленных печах, и в частности, в обжиговых печах грануляционных установок, могут запретить устанавливать в некоторых странах.
Что касается выбросов NOx, обжиговые печи производят большое количество NOx из-за высокой температуры воздуха для горения и печи. В частности, при температурах выше 1000°С начинается образование NOx, причем скорость образования NOx экспоненциально возрастает с повышением температуры. Следовательно, главной проблемой стандартных горелок и способов сжигания являются высокие температуры пламени, вызванные воспламенением неразбавленного топлива, что приводит к горячему пламени в зоне горения с максимальными температурами >1500°С.
Чтобы снизить выбросы NOx используют несколько способов, целью которых в основном является снижение максимальной температуры внутри пламени горелки, при поддержании или даже снижении средней температуры. Примеры таких способов включают ступенчатое сжигание воздуха и/или топлива, рециркуляцию отработанного газа, беспламенное окисление и впрыскивание воды.
В WO 01/07833 используют распространенный способ разбавления пламени рециркулируемыми отработанными газами. Эти отработанные газы служат в качестве инертной среды для процесса горения и по меньшей мере поглощают часть тепла, приводящего к высоким температурам внутри пламени горелки. Топливо и первичный воздух вводят через сопло и посредством этого вовлекают отработанный газ, направляемый перпендикулярно потоку топлива и первичного воздуха. Объединенную смесь газов подвергают расширению внутри камеры и затем вводят в печь через дроссельную заслонку.
В некоторых областях применения, в частности в процессе обжига грануляционной установки, отработанный газ имеет такое высокое содержание кислорода, что посредством рециркуляции не достигают требуемого эффекта разбавления пламени горелки, и следовательно, снижения образования NOx в достаточной степени.
В WO 2012/057685 А1, WO 2012/057686 А1 и WO 2012/057687 А1 описаны способы и устройства для окисления и спекания гранул. Чтобы снизить выбросы NOx, в камеру сгорания подают подогретый воздух для горения через два отдельных входа. В непосредственной близости от горелки вводят воздух для горения для воспламенения топлива, подаваемого через сопло. Ниже по потоку от этого воспламенения в камеру сгорания вводят вторую часть воздуха для горения с более высокой температурой от 500 до 1500°С. Благодаря такому ступенчатому сжиганию воздуха снижают выбросы NOx. Однако такое ступенчатое сжигание позволяет обеспечить только ограниченное снижение образования NOx.
В WO 2015/018438 А1 предложен блок горелки, содержащий камеру сгорания в которую подают топливо и первичный воздух. Перпендикулярно потоку топлива и воздуха в камеру сгорания вводят горячий воздух для горения. Топливо и/или первичный воздух вводят в камеру сгорания с высокими скоростями на выходе, составляющими по меньшей мере 150 м/с. Горячий воздух для горения захватывается потоком топлива и первичного воздуха и происходит смешивание топлива, первичного воздуха и воздуха для горения. В данной заявке количество первичного воздуха больше по сравнению со стандартными горелками. При этом необходимо повышенное давление подачи топлива и/или первичного воздуха, чтобы обеспечить высокие скорости на выходе.
Высокая скорость введения, описанная в WO 2015/018438 А1, является очень экономически выгодной и ее легко реализовать, в частности, на прежних установках. Однако, необходимо обеспечивать повышенное количество холодного первичного воздуха и все еще желательно дополнительно снизить образование NOx в целом, а также инвестиционные и эксплуатационные расходы.
Таким образом, в настоящем изобретении предложен способ и блок горелки для сжигания, в частности, для обжиговой печи, со сниженными выбросами NOx.
Данной цели достигают с помощью признаков независимых пунктов 1 и 5 формулы изобретения. Газообразное или жидкое топливо сжигают с использованием блока горелки, предпочтительно по п.п. 5 - 8 формулы изобретения. Топливо, холодный первичный воздух и подогретый воздух подают в предварительную камеру, где топливо, которое может находится в жидком или газообразном состоянии, подают через по меньшей мере один питатель топлива, а первичный воздух подают через по меньшей мере один питатель первичного воздуха. Ниже по потоку от предварительной камеры воздух для горения подают в камеру сгорания. В соответствии с изобретением, подогретый воздух и/или первичный воздух вводят параллельно топливу в предварительную камеру.
В соответствии с вышеуказанным изобретением, необходимое количество холодного первичного воздуха значительно снижают, благодаря предварительной камере. Реакция в предварительной камере протекает при гораздо более низкой температуре воздуха, что таким образом приводит к более низким максимальным температурам в пламени. Топливо частично расходуют, и оставшуюся часть разбавляют первичным воздухом, подогретым воздухом и/или подогретым воздухом для горения по достижении основной камеры сгорания, что таким образом приводит к менее интенсивной реакции горения в указанной основной камере сгорания.
В случае отсутствия реакции горения в предварительной камере из-за повышенного количества холодного первичного воздуха и/или низкой температуры подогретого воздуха, топливо смешивается с холодным воздухом и с подогретым воздухом и становится разбавленным в большом объеме. Это сильно замедляет основную реакцию, протекающую в основной камере сгорания. Вследствие этого, скорость реакции горения снижается, и также снижаются выбросы NOx. В соответствии с настоящим изобретением, суммарные выбросы NOx намного меньше по сравнению со ступенчатым сжиганием воздуха в предварительной камере сгорания.
Таким образом, преимущества настоящего изобретения заключаются в следующем:
1) благодаря использованию предварительной камеры, требуется меньше первичного воздуха, чем в случае горелки согласно WO 2015/018438 А1, поданной настоящим заявителем.
2) благодаря использованию горелки настоящего заявителя в предварительной камере, выбросы NOx меньше, чем при известном ступенчатом сжигании с предварительной камерой сгорания.
В настоящем изобретении в основном устраняют возмущения потока внутри предварительной камеры. Однако наблюдают специфическое предварительное смешивание внутри предварительной камеры. Благодаря параллельному введению, вызываемое сдвигом вихревое движение возникает только во внешней оболочке каждого вводимого потока (топлива, так же как первичного и/или подогретого воздуха), тогда как центральная часть потока остается в неизменном виде в предварительной камере. На своем пути через предварительную камеру и камеру сгорания в прилегающую печь, например, грануляционной установки или Steel Belt Sintering (SBS™), смешивание распространяется дальше в основную зону потоков. Поскольку смешивание топлива и воздуха необходимо для реакции горения, эта реакция замедляется в соответствии с изобретением, так что снижается максимальная температура пламени и образование NOx.
Воспламенение предварительно смешанных потоков, как описано выше, достигается внутри камеры сгорания, в которую подают горячий воздух для горения. В зависимости от таких параметров, как размеры горелки и предварительной камеры, а также температура и поток первичного воздуха и подогретого воздуха, смесь топливо/воздух частично взаимодействует в предварительной камере. Подогретый воздух для горения захватывается потоками (топлива, первичного и подогретого воздуха), подаваемыми параллельно в предварительную камеру.
В соответствии с изобретением, параллельное введение обеспечивают в тех случаях, когда траектории соответствующих потоков, вводимых в предварительную камеру, отклоняются друг от друга менее чем на 10°, предпочтительно менее чем на 5°, более предпочтительно менее чем на 3°. Траектории указанных потоков в основном определяются формой и ориентацией соответствующих входов. Простейшей и предпочтительной формой для такого входа является круглое отверстие прямой трубки, которая оказывает небольшое влияние на траекторию вводимого потока или не даже оказывает совсем. Это является отличием от более распространенного способа введения топлива и/или воздуха, включающего использование завихрителя, приводящего к более широкому распространению потока, которое в основном имеет конусовидную форму. Для круглого отверстия прямой трубки, траекторию потока, направляемого через указанную трубку и отверстие, можно определить как перпендикуляр к площади, ограниченной радиальной наружной стенкой круглого отверстия. В этой связи также предпочтительно, чтобы траектории далее были направлены к камере сгорания.
В предпочтительном воплощении изобретения топливо и/или первичный воздух вводят в предварительную камеру со скоростью на выходе более 250 м/с, предпочтительно более 300 м/с. Особенно предпочтительно скорость на выходе подогретого воздуха составляет менее 100 м/с. В соответствии с изобретением, газообразное топливо непрерывно смешивают с первичным воздухом и подогретым воздухом. Этот процесс смешивания не имеет ступеней и характеризуется двумя важными признаками. Смешивание по изобретению позволяет доставлять сильно разбавленное, частично прореагировавшее газообразное топливо в высокоактивные зоны горения в камере сгорания. Кроме того, в случае, когда первичный воздух вводят в цилиндр, окружающий топливо, смешивание по изобретению защищает газообразное топливо, выходящее из выхода топливного сопла, от контакта с высокотемпературным воздухом для горения, и таким образом избегают прямой и бурной реакции в камере сгорания.
Предпочтительно подогретый воздух имеет температуру от 25 до 800°С, в частности от 200 до 700°С и предпочтительно от 400 до 600°С. Топливо и первичный воздух нагреваются подогретым воздухом до такой степени, что, в зависимости от типа топлива, может происходить самовоспламенение топлива внутри предварительной камеры и может устанавливаться первая зона горения в предварительной камере. Захват горячего воздуха для горения позволяет обеспечить самовоспламенение и полное сгорание топливно-воздушной смеси внутри камеры сгорания.
Первичный воздух является относительно холодным, в частности первичный воздух имеет температуру менее 150°С, предпочтительно менее 100°С и наиболее предпочтительно от 20°С до 100°С.
Особенно предпочтительно, когда температура подогретого воздуха выше температуры воспламенения топливно-воздушной смеси внутри предварительной камеры. Тем не менее, воспламенения пламени избегают благодаря размерам и установочным параметрам расхода потока и/или температуры. Это может объясняться специальным предварительным смешиванием, достигаемым в данном изобретении. Благодаря тому факту, что смешиваются только небольшой объем топлива, первичного воздуха и подогретого воздуха, высокие температуры подогретого газа не вызывают воспламенения смеси. Хотя это не до конца понятно, это можно объяснить тем, что реакция в предварительной камере протекает с разбавленным топливом. Разбавления достигают с помощью избыточного количества относительно холодного первичного воздуха. Холодный первичный воздух защищает топливо и в то же время разбавляет топливо благодаря смешиванию ниже по потоку. Также в предварительную камеру добавляют подогретый воздух, а именно, сначала поступает холодный воздух, а затем подогретый воздух подают в смесь топлива, разбавленного холодным воздухом, что приводит в конечном итоге к реакции (горению). Поскольку топливо сильно разбавлено и технологический воздух является относительно холодным (например, 600°С), можно ожидать, что данная реакция будет протекать относительно умеренным образом.
Наиболее предпочтительно подогретый воздух имеет температуру более 400°С, предпочтительно более 450°С и наиболее предпочтительно более 500°С. Данные температуры являются энергетически благоприятными, но их не применяли в известных способах, поскольку такие высокие температуры подогретого воздуха в общем повышают количество образующихся NOx. В связи с изобретением было установлено, что параллельное введение топлива, первичного воздуха и/или подогретого воздуха позволяет применять более высокие температуры подогретого воздуха без увеличения выбросов NOx.
В еще одном предпочтительном воплощении подогретый воздух для горения имеет температуру более 750°С, предпочтительно более 800°С и наиболее предпочтительно от 900 до 1000°С, и концентрацию кислорода от 17 до 25 об. %, предпочтительно от 18 до 22 об. % наиболее предпочтительно приблизительно 21 об. %. Указанные температура и содержание кислорода дают особенное преимущество для воспламенения смеси топлива, первичного воздуха и подогретого воздуха внутри камеры сгорания.
воздух горения
воздуха
воздуха, стех.
В соответствии с предпочтительным воплощением, так называемый коэффициент избытка воздуха для подогретого воздуха для горения (λ) составляет от 2 до 6, предпочтительно от 3 до 5 и наиболее предпочтительно приблизительно 4. Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение массового расхода воздуха (m) к минимальному массовому расходу воздуха, необходимому для полного (стехиометрического) сгорания (m); в данном случае величины относятся к массе подогретого воздуха для горения. Таким образом, по меньшей мере двойное количество кислорода, требующегося для протекания реакции с топливом нацело, вводят с подогретым воздухом для горения.
Большое количество избыточного воздуха для горения позволяет обеспечить полное сгорание топлива внутри камеры сгорания и прилегающей печи. Более того, высокое содержание воздуха поддерживают внутри печи, что является особенно важным для обжиговых печей.
первичного воздуха
первичного воздуха
Предпочтительно коэффициент избытка воздуха для первичного воздуха (λ) составляет от 0,1 до 0,6, предпочтительно от 0,2 до 0,4. Коэффициент избытка воздуха для первичного воздуха определяют с использованием массы первичного воздуха вместо предварительно нагретого воздуха для горения, как описано выше. Таким образом, λ представляет собой отношение массового расхода первичного воздуха к минимальному массовому расходу первичного воздуха, необходимому для полного (стехиометрического) сгорания. Низкие коэффициенты избытка воздуха (т.е. менее 0,6) позволяют обеспечить очень энергетически экономичный процесс горения, поскольку первичный воздух обычно не нагревают предварительно, и он должен нагреваться посредством реакции горения. Фактически это предполагают в известных способах, где первичный воздух служит в качестве теплопоглотителя, чтобы предотвратить высокие максимальные температуры, приводящие к высоким выбросам NOx. В соответствии с изобретением, количество вводимого первичного воздуха снижают.
В альтернативном воплощении коэффициент избытка воздуха внутри предварительной камеры составляет от 0,6 до 1,5, предпочтительно от 0,1 до 1,2. Преимущество этого состоит в том, что выбросы NOx можно снизить до очень низкой величины, почти до нуля.
Изобретение также относится к блоку горелки для сжигания газообразного и жидкого топлива для нагрева промышленной печи, предпочтительно в соответствии со способом, описанным выше. Блок горелки включает предварительную камеру, по меньшей мере один вход для воздуха для подачи подогретого воздуха в предварительную камеру, по меньшей мере один питатель топлива и по меньшей мере один питатель первичного воздуха для подачи топлива/первичного воздуха в предварительную камеру. Рядом и ниже по потоку от предварительной камеры расположена камера сгорания, содержащая по меньшей мере один вход для воздуха для горения для подачи подогретого воздуха для горения в камеру сгорания. Рядом с предварительной камерой, предпочтительно в одной плоскости, расположены отверстия входа для первичного воздуха и входа(ов) для топлива и/или первичного воздуха в предварительную камеру, в частности, перпендикулярно направлению потока подогретого воздуха, топлива и/или первичного воздуха. В соответствии с изобретением, вход для подачи подогретого воздуха в предварительную камеру распложен рядом со входами для топлива и/или первичного воздуха, так что подогретый воздух вводят в основном параллельно топливу и/или первичному воздуху в предварительную камеру. В предложенном блоке горелки могут быть использованы все признаки, описанные выше в связи со способом по изобретению. Соответственно, ссылки сделаны на аспекты, описанные выше, которые также действительны для блока горелки и далее подробно не описаны.
В соответствии с предпочтительным воплощением, вход для подонагретого воздуха включает полость, обрамляющую вход для топлива и/или первичного воздуха. Особенно предпочтительно указанная полость является круглой и расположена по окружности относительно отверстий для топлива и/или первичного воздуха. Другими словами, вход для предварительно нагретого воздуха обычно расположен с радиально-внешней стороны входов топлива и/или первичного воздуха.
Дополнительно или в качестве альтернативного воплощения вход для предварительно нагретого воздуха может включать множество отверстий, расположенных рядом со входом для топлива и/или первичного воздуха. Данные отверстия могут быть расположены на эллипсе или круге, где в середине эллипса/круга обеспечен вход для топлива и/или первичного воздуха. Это влияет на смешивание топлива и воздуха внутри предварительной камеры. Поэтому отношение смешанного топлива и воздуха можно регулировать посредством количества отверстий входа для предварительно нагретого воздуха и их определенного расположения.
Также предпочтительно отверстия входных каналов для топлива, первичного воздуха и/или подогретого воздуха, и/или соответствующие входные каналы сами по себе расположены перпендикулярно стенке предварительной камеры, принимающей указанные входные каналы и указанные отверстия. Особенно предпочтительно отверстия расположены на одном уровне с внутренней стороной указанной стенки предварительной камеры. Это позволяет обеспечить параллельное введение потоков в соответствии с изобретением.
В предпочтительном воплощении диаметр предварительной камеры меньше, чем длина предварительной камеры. Более предпочтительно отношение диаметра предварительной камеры к длине предварительной камеры составляет от 0,4 до 0,7, наиболее предпочтительно от 0,5 до 0,6. Благодаря параллельному введению топлива, первичного воздуха и/или подогретого воздуха, смешивание происходит главным образом вдоль траекторий течения потоков, вводимых в предварительную камеру. Следовательно, именно длина предварительной камеры также определяет степень смешивания в предварительной камере. Это происходит благодаря тому факту, что отношение скоростей различных потоков приводит к образованию больших сдвиговых слоев между ними и, следовательно, к смешиванию. В отличие от известного уровня техники, предварительная камера в соответствии с изобретением может быть сконструирована более компактно, поскольку параллельные потоки не сталкиваются со стенками предварительной камеры. Это позволяет снизить стоимость конструирования. Тем не менее, способ и блок горелки в соответствии с настоящим изобретением совместимы с устройствами известного уровня техники и могут быть встроены в существующие установки или печи.
Другие признаки, преимущества и возможные области применения изобретения также могут быть понятны из последующего описания типичного воплощения и чертежей. Все признаки, описанные и/или представленные, составляют предмет изобретения сами по себе или в любых сочетаниях, независимо от их включения в пункты формулы изобретения или отсылки на них.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
На Фиг. 1 схематически представлено поперечное сечение блока горелки в соответствии с изобретением.
На Фиг. 2 схематически представлены входы для топлива, первичного воздуха и предварительно нагретого воздуха на виде, перпендикулярном траекториям потоков,
На Фиг. 3 представлены траектории течения и завихрения, возникающие во внешней оболочке потоков, вводимых в предварительную камеру.
На Фиг. 1 блок 1 горелки в соответствии с предпочтительным воплощением изобретения показан в поперечном сечении. Блок 1 горелки содержит предварительную камеру 2, камеру 3 сгорания и входные каналы для топлива 4, первичного воздуха 5 и подогретого воздуха 6. Эти входные каналы включают соответствующие входы для топлива 4а, первичного воздуха 5а и подогретого воздуха 6а.
Камера 3 сгорания расположена рядом и ниже по потоку от предварительной камеры 2 и как таковая соединена с печью 7, которая расположена ниже по потоку от камеры 3 сгорания. Кроме того, обеспечен вход для воздуха для горения, т.е. опускная труба 8, в качестве входа в камеру 3 сгорания для введения воздуха для горения. Предварительная камера как таковая имеет длину 2а и диаметр 2b, где длина 2а больше, чем диаметр 2b. Таким образом, предварительная камера по этому изобретению меньше, чем стандартная камера предварительного сгорания.
В воплощении, представленном на Фиг. 1, входной канал 4 для топлива окружен входным каналом 5 для первичного воздуха, который в свою очередь окружен входным каналом 6 для подогретого воздуха. Соответствующие входные отверстия расположены на одном уровне с внутренней стороной стенки предварительной камеры 2 с. Кроме того, входы 4а, 5а и 6а расположены перпендикулярно стенке 2 с предварительной камеры. Входы 4а, 5а и/или 6а могут быть выполнены в виде сопла. Предпочтительное воплощение не включает дополнительный завихритель для топлива, первичного воздуха и/или подогретого воздуха, поскольку это противоречит техническому эффекту настоящего изобретения.
С целью иллюстрации, предпочтительное расположение каналов 4, 5 и 6 также представлено на Фиг. 2. На Фиг. 1 траектории топлива, первичного воздуха и подогретого воздуха параллельны при введении в предварительную камеру 2. Концентрическое расположение, как показано на Фиг. 1 и 2, представляет собой один способ для обеспечения параллельных траекторий. Альтернативно, входные каналы 4, 5 и 6 могут обеспечивать ввод топлива, первичного воздуха и подогретого воздуха через входы 4а, 5а и 6а, расположенные в различных местах на стенке 2 с предварительной камеры.
На Фиг. 3 представлены траектории течения внутри предварительной камеры двух потоков 11. Они в основном параллельны и смешивание возникает в основном во внешней оболочке 12 потоков благодаря небольшим завихрениям 13 (завихрения в данной области очень большие из-за высокого сдвига между медленным подогретым воздухом и быстрым газом/первичным воздухом) в данной области, как показано на Фиг. 3. Следовательно, можно уменьшить образование NOx по следующим причинам: обычно большое количество холодного воздуха частично смешивается с газом/жидкостью и разбавляет среду горения. Подогретый воздух смешивается с уже разбавленной смесью, и это приводит к более разбавленной смеси. Температура подогрева является относительно низкой, так что реакция разбавленной смеси задерживается. Задержку еще более увеличивают благодаря очень высокой скорости струи, которая позволяет избежать стабильной реакции в первичной области сразу за выходом из сопла. Каждая задержка приводит к еще большему смешиванию и разбавлению.
Перечень условных обозначений
1 блок горелки
2 предварительная камера
2а длина предварительной камеры
2b диаметр предварительной камеры
2с стенка предварительной камеры
3 камера сгорания
4 входная трубка для топлива
4а вход для топлива
5 входная трубка для первичного воздуха
5а вход для первичного воздуха
6 входной канал для предварительно нагретого воздуха
6а вход для предварительно нагретого воздуха
7 печь
8 опускная труба
11 потоки топлива, первичного воздуха и/или предварительно нагретого воздуха
12 внешняя(ие) оболочка(и) потоков топлива, первичного воздуха и/или предварительно нагретого воздуха
13 завихрения