Способ ступенчатого сжигания жидкого топлива и окислителя в печи

Способ ступенчатого сжигания жидкого топлива и окислителя в печи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу ступенчатого сжигания жидкого топлива и окислителя в печи.

Эксплуатационные характеристики способа сжигания в промышленной печи должны соответствовать двум критериям:

- ограничению выброса атмосферных загрязнителей (NO_x, пыли и т.д.), количество которых должно быть ниже предела, установленного законодательством;

- регулированию температуры стенок печи и нагреваемой загрузки для того, чтобы одновременно соответствовать ограничениям в отношении качества продукта, подвергаемого сжиганию, и ограничениям в отношении потребления энергии.

Изменения в законодательстве, касающиеся выбросов атмосферных загрязнителей, особенно оксидов азота, привели к значительному развитию технологий сжигания. Первым способом сжигания, который ограничивает выброс NO_x, является колебательное сжигание (EP-A1-0524880), которое заключается в создании колебаний потока топлива и/или окислителя. При удалении от стехиометрии (отношения 1/1) локальная температура уменьшается, что приводит к сокращению NO_x. Другим решением является ступенчатое сжигание, при котором реагенты разбавляются в основных областях реакции: это дает возможность удаляться от стехиометрических соотношений и не допускать максимальных температур, благоприятных для образования NO_x (WO 02/081967).

Указанные публикации предшествующего уровня техники представляют собой решения, адаптированные в основном к сжиганию газообразного топлива. При двухфазном сжигании, в котором применяется жидкое топливо и газообразный окислитель, способ сжигания содержит дополнительные стадии распыления жидкости с последующим испарением жидких капель для того, чтобы топливо, которое становится газообразным, могло взаимодействовать с газообразным окислителем. Следовательно, на сжигание будут влиять различные дополнительные параметры, то есть, например, тип применяемого распылителя, за исключением случая инжектора с принудительным распылением, скорость потока распыляющего газа, которая будет влиять на размер капель и качество распыления. Не говоря уже о параметрах, напрямую связанных со стадией распыления, на способ сжигания будет влиять смешение реагентов, поскольку смешение влияет на условия сжигания и на образование загрязняющих выбросов. Таким образом, важным параметром является отношение протяженности участка испарения к протяженности участка смешения. Протяженность участка испарения представляет собой расстояние, необходимое для испарения капель жидкого топлива, оно зависит от размера капель, их скорости и природы жидкости. Протяженность участка смешения представляет собой расстояние, необходимое для того, чтобы реагенты, которые инжектируются по отдельности, смешивались в стехиометрическом отношении. Если протяженность участка испарения слишком большая по сравнению с протяженностью участка смешения, сжигание будет неполным; такое сжигание называется «неполным сжиганием» или «браш»-способом (brush). Однако, если протяженность участка испарения слишком короткая по сравнению с протяженностью участка смешения, чрезмерно быстрое смешение приводит к высоким уровням оксида азота; такой способ упоминается как способ «испарения». Следовательно, предпочтительно использовать промежуточный режим между двумя указанными способами (при отношении протяженность участка испарения/протяженность участка смешения, близком к 1).

В патенте EP-B1-0687853 описан способ ступенчатого сжигания жидкого топлива. Такой способ заключается в инжекции жидкого топлива в форме расходящегося конуса с углом распыления на внешней периферии менее 15°, и в инжекции окислителя в форме двух потоков, то есть первого потока и второго потока, при небольшой скорости первого потока, то есть менее 61 м/с. Такой способ имеет несколько недостатков. Во-первых, использование такого малого угла распыления означает использование большой скорости распыления газа, которая приводит к большим потерям напора и может уменьшать устойчивость горения пламени. Во-вторых, из-за малой величины угла распыления способ сжигания относится к типу «испарения» и не позволяет получить оптимальное уменьшение NO_x. И, наконец, такая малая величина угла распыления не позволяет плавно изменять геометрические параметры пламени. Однако такой способ в зависимости от загрузки можно применять для изменения геометрии пламени, чтобы, в частности, предотвращать образование локального перегрева.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ ступенчатого сжигания жидкого топлива, делающий возможным ограничение образования NO_x, тогда как пламя остается по-прежнему стабильным.

Другая задача состоит в том, чтобы обеспечить способ ступенчатого сжигания жидкого топлива, делающий возможным ограничение образования NO_x и имеющий высокий уровень перестраиваемости горелки.

Поставленная задача достигается посредством способа сжигания жидкого топлива и окислителя, при котором инжектируют, по меньшей мере, одну струю жидкого топлива в распыленной форме и, по меньшей мере, одну струю окислителя; струя окислителя состоит из струи первого окислителя и струи второго окислителя; струю первого окислителя инжектируют вблизи струи жидкого топлива, чтобы добиться первого неполного сжигания; образующиеся при первом сжигании газы, все еще содержат, по меньшей мере, часть топлива; тогда как струю второго окислителя инжектируют на расстоянии l₂ от струи жидкого топлива, которое больше, чем расстояние между струей жидкого топлива и струей первого окислителя, ближе всего расположенной к струе жидкого топлива, чтобы подвергать сжиганию часть топлива, присутствующую в образующихся при первом сжигании газах;

причем струю первого окислителя разделяют, по меньшей мере, на две первых струи:

- по меньшей мере, на первую по счету экранированную первую струю, которую инжектируют коаксиально вокруг струи жидкого топлива в распыленной форме; и

- по меньшей мере, на вторую по счету окисляющую первую струю, инжектируемую на расстоянии l₁ от струи распыляемого жидкого топлива.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения станут очевидными после прочтения следующего описания. Варианты и способы осуществления изобретения приводятся в виде не ограничивающих примеров, проиллюстрированных на фиг.1 и 2, которые представляют собой схематическое изображение устройства для осуществления способа согласно изобретению.

Таким образом, изобретение относится к способу сжигания жидкого топлива и окислителя, при котором инжектируют, по меньшей мере, одну струю жидкого топлива в распыленной форме, и, по меньшей мере, одну струю окислителя; струя окислителя состоит из струи первого окислителя и струи второго окислителя; струю первого окислителя инжектируют вблизи струи жидкого топлива, чтобы добиться первого неполного сжигания; образующиеся при таком первом сжигании газы все еще содержат, по меньшей мере, часть топлива; тогда как струю второго окислителя инжектируют на расстоянии l₂ от струи жидкого топлива, которое больше, чем расстояние между струей жидкого топлива и струей первого окислителя, ближе всего расположенной к струе жидкого топлива, чтобы подвергать сжиганию часть топлива, присутствующую в газах, образующихся при первом сжигании;

причем струю первого окислителя разделяют, по меньшей мере, на две первых струи:

- по меньшей мере, на первую по счету экранированную первую струю, которую инжектируют коаксиально вокруг струи жидкого топлива в распыленной форме; и

- по меньшей мере, на вторую по счету окисляющую первую струю, инжектируемую на расстоянии l₁ от струи жидкого топлива.

Один из существенных признаков способа согласно изобретению состоит в том, что он относится к способу сжигания жидкого топлива, которое в распыленной форме эжектируют из сопла горелки. Такую струю жидкого топлива в распыленной форме можно получать любым способом распыления, таким как эжекция жидкого топлива под давлением или смешение топлива с распыляющим газом до его эжекции или во время эжекции. Таким образом, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения струю жидкого топлива в распыленной форме можно получать с помощью коаксиальной инжекции струи распыляющего газа вокруг струи жидкого топлива. Распыляющий газ можно выбрать из газа-окислителя, такого как воздух или кислород, или инертного газа, такого как азот, или водяного пара. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения весовая скорость струи распыляющего газа предпочтительно составляет от 5 до 40%, еще более предпочтительно от 15 до 30% весовой скорости струи жидкого топлива.

Согласно другому существенному признаку изобретения, струю первого окислителя разделяют, по меньшей мере, на две струи, по меньшей мере, одна из которых представляет собой экранированную первую окисляющую струю. Такую экранированную первую окисляющую струю инжектируют коаксиально вокруг струи жидкого топлива в распыленной форме. Вторую по счету первую окисляющую струю инжектируют на расстоянии l₁ от струи распыляемого жидкого топлива. Предпочтительно, если указанное расстояние l₁ между второй по счету первой окисляющей струей и струей жидкого топлива составляет от 1,5 D_G до l₂/2, где D_G представляет собой диаметр круга с такой же площадью, как площадь инжектора, через который инжектируется экранированная первая окисляющая струя.

Например, величина D_G может составлять от 30 до 60 мм.

Расстояние l₂ между струей второго окислителя и струей топлива может составлять от 8D₂ до 40D₂, где D₂ представляет собой диаметр круга с такой же площадью, как площадь инжектора, через который инжектируется второй окислитель. Указанный диаметр D₂ может составлять от 10 до 60 мм.

Диаметр круга с такой же площадью, как площадь инжектора, через который инжектируется вторая струя первого окислителя, то есть D₁, может составлять от 15 до 70 мм. Предпочтительно, если диаметр D₁ больше, чем диаметр D₂.

Согласно варианту осуществления изобретения струя второго окислителя и струя первого окислителя, расположенная на расстоянии l₁ от струи жидкого топлива, состоят из множества струй. Таким образом, струя первого окислителя, расположенная на расстоянии l₁ от струи жидкого топлива, может состоять из двух идентичных струй, расположенных на одинаковом расстоянии l₁ от струи жидкого топлива, трех струй, лежащих по существу в одной плоскости; и струя второго окислителя может состоять из двух идентичных струй, расположенных на одинаковом расстоянии l₂ от струи жидкого топлива, трех струй, лежащих по существу в одной плоскости, предпочтительно, из пяти струй, лежащих по существу в одной плоскости.

Количество второго окислителя обычно составляет не более 90%, предпочтительно от 10 до 90%, от суммарного количества инжектируемого окислителя. Более предпочтительно, если количество второго окислителя составляет от 50 до 90%, или даже от 60 до 80% от суммарного количества инжектируемого окислителя; количество первого окислителя (которое соответствует как экранированному окислителю, так и второй струе первого окислителя) составляет от 10 до 50%, или даже от 20 до 40% от суммарного количества окислителя.

Предпочтительно, если весовая скорость экранированной первой струи первого окислителя составляет от 10 до 20% от весовой скорости суммарной струи окислителя (первый окислитель+второй окислитель).

Первый окислитель и второй окислитель могут иметь одинаковый состав; в таком случае, в частности, существует преимущество, состоящее в использовании только одного источника окислителя с разделением окислителя между разными точками инжекции первого или второго окислителя. Однако предпочтительно, если концентрация кислорода в первом окислителе выше, чем концентрация кислорода во втором окислителе.

Состав окислителя может варьироваться в зависимости от условий или результатов, которые требуется получить. В общем случае окислитель может состоять из газовой смеси, содержащей:

- от 5 до 100 об.%, предпочтительно от 30 до 100 об.% кислорода;

- от 0 до 95 об.%, предпочтительно от 0 до 90 об.% CO₂;

- от 0 до 80 об.%, предпочтительно от 0 до 70 об.% N₂; и

- от 0 до 90 об.% Ar.

Смесь также может содержать другие составляющие, в частности, водяной пар и/или NO_x, и/или SO_x. В общем случае за счет воздуха обеспечивается от 0 до 90 об.% суммарного количества кислорода в потоке окислителя; соотношение обеспечивается с помощью воздуха, обогащенного кислородом, или с помощью по существу чистого кислорода. Предпочтительно, если воздух составляет от 15 до 40 об.% суммарного количества окислителя, и в частности, от 15 до 40 об.% кислорода в окислителе.

Согласно предпочтительному способу осуществления скорости инжекции второй струи первого окислителя и струи второго окислителя меньше или равны 200 м/с, а когда способ согласно изобретению осуществляют для сжигания стекловидной загрузки, скорости инжекции второй струи первого окислителя и струи второго окислителя предпочтительно меньше или равны 100 м/с. Кроме того, предпочтительно, если скорость струи второго окислителя будет больше, чем скорость второй струи первого окислителя.

На фиг.1 показан частичный схематический вид (вид сверху) агрегата для сжигания, относящегося к примеру осуществления способа согласно изобретению, а на фиг.2 показан соответствующий схематический вид сечения. Агрегат для сжигания помещен в огнеупорный блок 1 с тремя цилиндрическими отверстиями 2, 3 и 4, в которые вдвигаются три блока 21, 31 и 41 соответственно.

Блок 21 содержит:

- канал (или инжектор) 211, который проходит до точки 22. Через этот канал 211 подают жидкое топливо 212;

- канал (или инжектор) 221, который проходит до точки 22 и расположен концентрично вокруг канала 211, через который инжектируют жидкое топливо 212. Через этот канал 221 подают распыляющий газ 222; и

- канал (или инжектор) 231, который проходит до точки 22 и расположен концентрично вокруг канала 221, через который инжектируют распыляющий газ 222. Указанный канал в точке 22 имеет диаметр D_G. По нему подают экранированный первый окислитель 232.

Предпочтительно, через цилиндрический блок 31 проходит канал (или инжектор) 32, выходное отверстие которого находится в точке 33 на блоке. Этот канал (или инжектор) 32 имеет диаметр в точке 33, равный D₁, а центр канала 32 расположен на расстоянии l₁ от центра канала 211. Через канал 32 подают первый окислитель 34, который отличается от экранированного первого окислителя.

Предпочтительно, через цилиндрический блок 41 проходит канал (или инжектор) 42, выходное отверстие которого находится в точке 43 блока. Этот канал (или инжектор) 42 имеет диаметр в точке 43, равный D₂, а центр канала 42 расположен на расстоянии l₂ от центра канала 211. Через канал 42 подают второй окислитель 44.

При эксплуатации этой системы для первого окислителя 34 и 232 и второго окислителя 44 можно применять один и тот же источник окислителя, диаметры соответствующих каналов 32, 231 и 42 выбирают так, чтобы в зависимости от типа требуемого сжигания установить скорости инжекции, отличающиеся друг от друга или идентичные друг другу.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения концы каналов для инжектируемых окислителей находятся в задней части огнеупорного впускного канала.

При осуществлении способа согласно изобретению жидкое топливо можно подвергать сжиганию, тогда как образование NO_x по-прежнему ограничено. Кроме того, способ согласно изобретению имеет преимущество, состоящее в возможности регулирования стабильности пламени и перестраиваемости теплового режима. Это связано с тем, что в зависимости от природы загрузки и геометрии печи, предпочтительно можно применять пламя небольшого или большого объема, или регулировать теплопередачу в определенных точках печи, или делать температуру свода печи однородной и т.д. Согласно изобретению такая перестраиваемость достигается путем регулирования распределения суммарного потока окислителя между струей второго окислителя (кислорода) и струями первого окислителя, и предпочтительно между струей второго окислителя (кислорода) и второй струей первого окислителя, которая отличается от экранированной струи первого окислителя. Такое регулирование, при котором распределяется суммарный поток окислителя, также называется разделением по ступеням.

ПРИМЕР

Применяли горелку с конфигурацией, показанной на фиг.1 и 2, которая дополнительно содержит:

- второй инжектор для первого окислителя, расположенный на расстоянии l₁ от струи жидкого топлива 211, и симметричный с первым инжектором 31 для первого окислителя относительно инжектора топлива 211; и

- второй инжектор для второго окислителя, расположенный на расстоянии l₂ от инжектора 211 жидкого топлива, и симметричный с первым инжектором для второго окислителя 42 относительно инжектора топлива 211.

Все пять струй лежали в одной плоскости. Мощность горелки составляла 2 МВт. Горелку помещали в печь, имеющую длину 6 м и поперечное сечение от 1,5 м до 2 м. Отношение l₂/D₂ составляло 14,6, отношение l₁/D_G составляло 2, и отношение l₁/l₂ составляло 0,26.

Инжектируемое топливо представляло собой котельное топливо следующего состава:

87,9 мас.% C;

10,02 мас.% H;

0,67 мас.% O;

0,39 мас.% N; и

0,98 мас.% S.

Его динамическая вязкость составляла 39 мм²/с при 100°C, его плотность составляла 980 кг/м³ и его низшая теплотворная способность составляла 9631 ккал/кг.

Распыляющий газ представлял собой либо кислород, либо воздух.

При осуществлении способа согласно изобретению геометрию пламени можно изменять путем регулирования распределения суммарного потока окислителя между несколькими первыми и вторыми инжекторами. Таким образом, пламя большого объема получали путем инжекции 75% суммарного потока окислителя через инжекторы для второго окислителя. Аналогично объем пламени можно уменьшать путем изменения процентного соотношения во время инжекции. Таким образом, в зависимости от природы загрузки и места нахождения горелки в печи способ согласно изобретению можно применять для регулирования объема пламени.

На фиг.3 показана мощность, передаваемая топке печи пламенем, как функция расстояния от горелки для различных долей суммарного потока окислителя, инжектируемых через вторые инжекторы (50, 65 и 75% суммарного потока окислителя, инжектируемые через вторые инжекторы). Можно видеть, что значительное разделение по ступеням (инжекция большего количества окислителя через вторые инжекторы, чем через первые инжекторы) уменьшает мощность вблизи горелки и увеличивает передачу вдали от инжекторов. Таким образом, во время осуществления способа согласно изобретению можно изменять профиль теплопередачи. Это является одним из преимуществ способа согласно изобретению, поскольку этот способ можно адаптировать для различных типов геометрии печи. В случае примеров, показанных на фиг.3, распыляющий газ представлял собой кислород.

На фиг.4 показана температура свода печи вдоль продольной оси печи как функция расстояния от горелки для различных долей суммарного потока окислителя, инжектируемых через вторые инжекторы (50, 65 и 75% суммарного потока окислителя, инжектируемых через вторые инжекторы). Можно видеть, что значительное разделение по ступеням улучшает равномерность температуры свода. В случае примеров, показанных на фиг.4, распыляющий газ представлял собой воздух.

На фиг.5 показано количество выбросов NO_x как функция доли суммарного окислителя, инжектируемой через вторые инжекторы (разделение по ступеням) и типа распыляющего газа, то есть кислорода и воздуха. С помощью неокрашенных ромбов обозначена кривая, соответствующая применению в качестве распыляющего газа кислорода, и с помощью черных квадратов обозначена кривая, соответствующая применению в качестве распыляющего газа воздуха. Можно видеть, что при значительном разделении по ступеням выброс NO_x составляет 200 ч/млн., если распыляющий газ представляет собой кислород, и 300 ч/млн., если распыляющий газ представляет собой воздух.

1. Способ ступенчатого сжигания жидкого топлива и окислителя, при котором инжектируют, по меньшей мере, одну струю жидкого топлива в распыленной форме и, по меньшей мере, одну струю окислителя, причем струя окислителя состоит из струи первого окислителя и струи второго окислителя, струю первого окислителя инжектируют вблизи струи жидкого топлива, чтобы добиться первого неполного сжигания, образующиеся при таком первом сжигании газы все еще содержат, по меньшей мере, часть топлива, тогда как струю второго окислителя инжектируют на расстоянии l₂ от струи жидкого топлива, которое больше расстояния между струей жидкого топлива и струей первого окислителя, ближе всего расположенной к струе жидкого топлива, для того, чтобы подвергать сжиганию часть топлива, присутствующую в газах, образующихся при первом сжигании, отличающийся тем, что струю первого окислителя разделяют, по меньшей мере, на две первых струи: по меньшей мере, на первую по счету экранированную первую струю, которую инжектируют коаксиально вокруг струи жидкого топлива в распыленной форме, и по меньшей мере, на вторую по счету окисляющую первую струю, инжектируемую на расстоянии l₁ от струи жидкого топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что струю жидкого топлива в распыленной форме получают путем коаксиальной инжекции струи распыляющего газа вокруг струи жидкого топлива.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что распыляющий газ выбран из газа-окислителя, такого как воздух или кислород, или инертного газа, такого как азот, или водяной пар.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что весовая скорость струи распыляющего газа составляет от 5 до 40% весовой скорости струи жидкого топлива.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние l₂ между струей второго окислителя и струей топлива составляет от 8D₂ до 40D₂, где D₂ представляет собой диаметр круга с такой же площадью, как площадь инжектора, через который инжектируют второй окислитель.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние l₁ между второй по счету струей первого окислителя и струей жидкого топлива составляет от 1,5 D_G до l₂/2, где D_G представляет собой диаметр круга с такой же площадью, как площадь инжектора, через который инжектируют первую по счету экранированную струю первого окислителя.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметр круга с такой же площадью, как площадь инжектора, через который инжектируют второй окислитель, то есть D₂, составляет от 10 до 60 мм.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметр круга с такой же площадью, как площадь инжектора, через который инжектируют вторую по счету струю первого окислителя, то есть D₁ составляет от 15 до 70 мм.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что суммарное количество второго окислителя составляет от 50 до 90% суммарного количества инжектируемого окислителя.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорости инжекции второй по счету струи первого окислителя и струи второго окислителя меньше или равны 200 м/с.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что его используют для сжигания стекловидной загрузки, при этом скорости инжекции второй по счету струи первого окислителя и струи второго окислителя меньше или равны 100 м/с.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что весовая скорость первой по счету экранированной струи первого окислителя составляет от 10 до 20% весовой скорости суммарной струи первого и второго окислителей.