Горелка с изменяемым направлением и/или раствором факела и способ нагревания шихты с использованием этой горелки

Горелка с изменяемым направлением и/или раствором факела и способ нагревания шихты с использованием этой горелки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение касается горелки, позволяющей изменять направление и/или раствор факела, при этом упомянутая горелка содержит по меньшей мере один канал инжекции по меньшей мере одной основной или первичной струи и по меньшей мере один канал инжекции воздействующей или вторичной струи. Как правило, первичная струя является струей окислителя и/или топлива и/или предварительно полученной смеси окислитель-топливо.

Изобретение касается также использования упомянутой горелки для регулирования направления и/или раствора факела. Оно касается также способа нагревания шихты при помощи этой горелки, в котором изменяют направление и/или раствор факела.

Предшествующий уровень техники

В большинстве промышленных печей или котлов используют горелки, которые работают в режиме горения без предварительного смешивания, то есть в которых окислитель и топливо поступают до места горения раздельно. В этом случае смешивание топлива и окислителя происходит частично (стабилизация пламени в амбразуре горелки или в форкамере) или полностью внутри камеры сгорания. Такое смешивание регулируется проектировочными и рабочими параметрами горелки и определяет характеристики горелки (область работы, передача тепла нагреваемой шихте, выброс загрязнителей и т.д.). На практике при проектировании горелки определяют условия взаимодействия различных струй или потоков окислителя и топлива, применяемых в горелке. После реализации горелки изменять можно только рабочие условия. Это же относится к так называемым горелкам «с предварительным смешиванием», в которых смесь окислитель/топливо получают в горелке на входе камеры сгорания. В этом случае реагенты поступают только через одну трубку.

Эксплуатационные условия промышленных процессов горения могут меняться во времени. Это относится к цикличным процессам, однако может касаться и непрерывных процессов, при которых характеристики нагреваемой шихты могут меняться в зависимости от производственных нужд. Как правило, это касается любой производственной установки, подверженной старению или чувствительной к изменяющимся условиям окружающей ее среды.

Для адаптации характеристик горелки к изменяющимся рабочим условиям чаще всего оператор располагает двумя параметрами: рабочей мощностью горелки и уровнем избытка окислителя (избыточная стехиометрия кислорода).

Некоторые технологии горения позволяют работать в дискретных режимах при их очень ограниченном числе. Это, например, относится к так называемым горелкам «двойного импульса», которые используют две разные системы инжекции в зависимости от того, требуется ли работа горелки с низким или высоким импульсом. Эти два рабочих режима позволяют расширить область работы горелки или изменять длину факела для данной рабочей точки.

Однако изменение рабочей точки и/или рабочего режима часто оказывается недостаточным для оптимизации производительности горелок или процессов, использующих эти горелки, во всех условиях. Например, цикличная подача в плавильную печь твердого вещества при окружающей температуре вынуждает оператора (или систему регулирования) повысить мощность нагрева, чтобы максимально быстро обеспечить плавление (с целью повышения производительности), не ухудшая свойств расплавляемой шихты (качества продукта) и не перегревая печь (срок службы оборудования). Этот компромисс между производительностью и качеством и/или сроком службы зависит, в частности, от способности системы передавать энергию шихте, избегая локальных перегревов этой шихты или огнеупоров печи. Этот компромисс выражается в продолжительности плавки, сверх которой любой выигрыш в производительности будет теряться по причине ухудшения качества продукта или сокращения срока службы печи.

Из патента WO-А-9744618 известна горелка, содержащая центральную струю топлива, окруженную сначала множеством первичных струй окислителя, а затем множеством вторичных струй окислителя. Таким образом, во время работы можно изменять положение факела пламени.

Однако максимальное отклонение факела на практике ограничено значением примерно в 15° от центрального положения до крайнего положения (всего не более 30°) и не позволяет факелу пламени обрабатывать шихту сканированием на большой площади, и конструкция соответствующей горелки является относительно сложной, так как требует наличия множества отверстий для первичных струй окислителя и множества отверстий для вторичных струй окислителя.

Кроме того, свойства факела меняются в зависимости от его положения, так как свойства смеси меняются вместе с углом наклона (смесь, «внешняя» относительно блока горелки), что приводит к колебаниям выброса загрязнителей, качества радиационной передачи (яркость пламени) и длины факела (положение пика выделения тепла).

Задачей изобретения является разработка надежной и оптимальной горелки, позволяющей изменять направление и/или раствор факела в широком диапазоне, не прекращая при этом работы горелки или печи.

Раскрытие изобретения

Изобретение обеспечивает управление направлением и/или раствором факела за счет взаимодействия струи текучей среды (называемой первичной или основной струей) и по меньшей мере одной другой струи текучей среды (называемой вторичной или воздействующей струей), при этом взаимодействие между струями происходит внутри средств, подающих эту основную струю (трубка, амбразура и т.д.), до того, как упомянутая основная струя выходит из упомянутых средств.

Горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит канал для подачи первичной струи к основному выходному отверстию. Как правило, первичная струя является струей, содержащей топливо, окислитель или предварительно полученную смесь топливо-окислитель. Горелка содержит также по меньшей мере один вторичный трубопровод для инжекции вторичной струи. Текучая среда, инжектируемая во вторичной струе, может принадлежать или не принадлежать к той же категории, что и текучая среда первичной струи. Вторичная струя может быть, в частности, инертной струей, такой как водяной пар или продукты сгорания, такие как рециркулируемые дымы.

Упомянутый по меньшей мере один вторичный трубопровод выходит в канал первичной струи через вторичное отверстие, находящееся перед основным выходным отверстием. Вторичный трубопровод располагают относительно канала таким образом, чтобы в точке взаимодействия (центр инерции воображаемой поверхности, общей для двух потоков) между вторичной струей, выходящей из этого вторичного трубопровода (в дальнейшем называемой соответствующей вторичной струей), и первичной струей угол θ между осью соответствующей вторичной струи и плоскостью, перпендикулярной к оси первичной струи, превышал или был равен 0° и был меньше 90°, предпочтительно составлял от 0° до 80°, еще более предпочтительно составлял от 0° до 45°. Когда угол θ=0°, что является предпочтительным, ось соответствующей вторичной струи находится в плоскости, перпендикулярной к оси первичной струи.

Упомянутое по меньшей мере одно вторичное отверстие отстоит от основного отверстия на расстояние L, меньшее или равное десятикратному корню квадратному сечения s выходного основного отверстия, предпочтительно L≤5*√s, еще предпочтительнее - L≤3*√s.

В публикации «Proceedings of FEDSM'02 Joint US ASME-European Fluid Engineering Division Summer Meeting of July 14-18, 2002» и в статье «Experimental and numerical investigations of jet active control for combustion applications», V.Faivre и Th.Poinsot, Journal of Turbulence, том 5, № 1, март 2004 г., стр. 25, раскрыто использование специальной конфигурации четырех вторичных струй вокруг основной струи для стабилизации пламени за счет взаимодействия между вторичными струями и первичной струей. При этом отмечается более широкий угол дисперсии.

Согласно изобретению горелку оборудуют средствами для управления импульсом по меньшей мере одной вторичной струи.

Как будет детально описано ниже, за счет этого изобретение позволяет изменять направление и/или раствор факела, выходящего из горелки, путем изменения импульса по меньшей мере одной вторичной струи при помощи упомянутых средств.

Предпочтительно, чтобы средства управления импульсом по меньшей мере одной вторичной струи являлись средствами, позволяющими управлять соотношением между импульсом вторичной струи и импульсом первичной струи.

Таким образом, изобретение обеспечивает широкий диапазон изменения направления и/или раствора факела, не прибегая к механическим средствам, которые являются потенциальными источниками сбоев в работе, в частности в агрессивной среде, такой как высокотемпературные камеры сгорания и/или загрязненная или коррозионная атмосфера.

Средства управления обеспечивают, в частности, активное или динамичное управление импульсом упомянутой по меньшей мере одной вторичной струи, то есть они позволяют изменять импульс или импульсы, не прекращая работы горелки/не прерывая факел. Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает также динамичное изменение направления и/или раствора факела.

Предпочтительно, чтобы число вторичных струй, взаимодействующих с первичной струей для достижения необходимого эффекта на факеле, сводилось к минимуму, чтобы ограничить сложность и стоимость изготовления горелки, а также сложность и стоимость системы подачи регулирования потоков текучей среды, если управление вторичными струями происходит независимо. Например, только с одной вторичной струей можно получить однонаправленный эффект.

Среди терминов, используемых в настоящем описании, некоторые следует определить более точно в рамках настоящего изобретения, чтобы лучше ограничить их значение:

• Направление струи/факела определяют как нормальный единичный вектор в сечении канала текучей среды/факела, направленный в сторону потока, то есть от входа к выходу.

• «Толщина е» обозначает размер вторичного трубопровода в направлении потока первичной струи (по стрелке на фиг.1). В частном случае, показанном на этой фиг.1, е обозначает диаметр вторичного трубопровода 21 на уровне вторичного отверстия 31, поскольку в этом примере этот вторичный трубопровод 21 является цилиндрическим.

• «Раствор» струи/факела обозначает для струи/факела, выходящей(его) из цилиндрического канала, такого как канал 10 на фиг.1, угол между продольной осью канала и образующей поверхностью струи/факела на выходе канала. В отсутствие взаимодействия с вторичной струей образующая имеет наклон примерно от 10 до 15° по отношению к этой оси, причем согласно изобретению этот наклон может достигать 70° и больше (см. фиг.9А). В более широком понимании термин «раствор» обозначает угол между направлением потока в канале, когда сечение последнего не является круглым, и образующей.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием неограничительных вариантов его осуществления со ссылками на фигуры сопровождающих чертежей, в числе которых:

фиг.1 - принципиальная схема горелки (с предварительным смешиванием) в соответствии с настоящим изобретением для управления факелом при помощи взаимодействия струй;

фиг.2 - регулирование горелки в соответствии с настоящим изобретением, установленной на камере сгорания;

фиг.3А и В изображают горелку для управления направлением факела, при этом на фиг.3А показан вид в поперечном разрезе, а на фиг.3В - вид в продольном разрезе горелки, содержащей четыре вторичные струи, отстоящие соответственно на 90° относительно друг друга и направленные перпендикулярно к направлению первичной струи;

фиг.3С, D и Е - использование пластинки для трансформации сопла с параллельными первичной и вторичной(ыми) струями в горелку в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4А и В - виды в продольном и поперечном разрезе горелки, обеспечивающие управление раствором результирующей струи;

фиг.5 изображает использование горелки для изменения факела при помощи двух (результирующих) струй: струи топлива и струи окислителя;

фиг.6 - горелку типа «трубка в трубке», оборудованную амбразурой;

фиг.7А, В и С изображают горелку с раздельными струями;

фиг.8 изображает функцию плотности потока тепла факела в зависимости от расстояния до точки инжекции при разных углах наклона;

фиг.9А и В изображают варианты осуществления управления раствором факела;

фиг.10А и В - влияние параметра управления на отклонение факела и передачу тепла на шихту;

фиг.11 изображает угол раствора факела в зависимости от соотношения импульсов струй;

фиг.12 иллюстрирует пример применения системы в соответствии с настоящим изобретением для нагревания шихты с изменением наклона факела;

фиг.13 - использование изобретения для нагревания шихты с боковым перемещением факела;

фиг.14 - применение регулируемого раствора факела для вовлечения газов печи;

фиг.15 - уровень выбросов факела в зависимости от параметра управления;

фиг.16 - выполнение защиты горелки при помощи амбразуры;

фиг.17 - выполнение защиты горелки при помощи муфты.

В дальнейшем тексте описания одинаковые цифровые позиции будут использованы, с одной стороны, для обозначения первичной струи и канала, в котором она проходит, и, с другой стороны, для обозначения вторичной или воздействующей струи и соответствующего вторичного трубопровода, в котором проходит эта вторичная струя.

На фиг.1 показана принципиальная схема способа управления факелом в горелке в соответствии с настоящим изобретением.

Горелка содержит канал 10, который позволяет подавать первичную струю в выходное основное отверстие 11.

Первичная струя поступает по каналу 10 и вступает во взаимодействие с вторичной струей, выходящей из вторичного трубопровода 21, образуя на выходе выходного отверстия 11 факел 1 с направлением и/или раствором, отличающимися от направления и/или раствора факела в отсутствие вторичной струи.

По меньшей мере один вторичный трубопровод 21 для инжекции вторичной струи выходит в канал 10 через вторичное отверстие 31. Этот вторичный трубопровод 21 располагают относительно канала 10 таким образом, чтобы в точке взаимодействия между соответствующей вторичной струей и первичной струей угол θ между осью вторичной струи 21 и плоскостью, перпендикулярной к оси первичной струи 10, превышал или был равным 0° и был меньше 90° (θ=0° на фиг.1).

Вторичное отверстие 31 отстоит от основного отверстия 11 на расстояние L, при этом L меньше или равно 10×√s (s = сечение основного отверстия 11). Расстояние L позволяет влиять на воздействие вторичных струй на первичную струю с идентичными соответствующими импульсами. Например, чтобы достичь максимального эффекта направленности, это расстояние следует сводить к минимуму. Как правило, для кислородных горелок и для значений развиваемой мощности порядка мегаватта длина L будет меньше или равна 20 см, предпочтительно меньше или равна 10 см.

Горелка содержит средства для управления импульсом вторичных струй. Эти средства можно выбирать среди устройств управления массовым расходом, управления снижением напора, управления сечением канала, а также среди устройств регулирования температуры, регулирования химического состава и регулирования давления.

Эти средства предпочтительно могут быть средствами, позволяющими регулировать соотношение между импульсом вторичной струи и импульсом первичной струи.

Средства управления позволяют активировать или деактивировать вторичную струю или вторичные струи (поток или отсутствие потока рассматриваемой вторичной струи) таким образом, чтобы динамично изменять направление и/или раствор факела.

Предпочтительно, чтобы средства управления позволяли также динамично увеличивать и уменьшать (не нулевой) импульс вторичной струи или вторичных струй или увеличивать и уменьшать соотношение между импульсом вторичной струи и импульсом первичной струи.

Питание горелки топливом и окислителем можно осуществлять при помощи канала инжекции окислителя и по меньшей мере одного канала инжекции топлива, расположенных концентрично, или при помощи канала инжекции окислителя и по меньшей мере одного канала инжекции топлива, выполненных отдельно друг от друга и предпочтительно параллельно друг другу.

Предпочтительно горелка содержит блок 5 материала, такой как блок огнеупорного материала, в котором находится по меньшей мере часть канала 10, при этом выходное основное отверстие 11 расположено на одной из сторон или поверхностей блока: на передней стороне 6.

На фиг.1 вторичная струя поступает по вторичному трубопроводу 21, который проходит через блок 5, и предпочтительно эта вторичная струя выходит по существу перпендикулярно к первичной струе.

Взаимодействие между первичной струей и вторичной струей происходит на расстоянии L от передней стороны 6 блока, на которую выходит канал 10 первичной струи, при этом упомянутое расстояние L может меняться, как было указано выше.

Согласно варианту выполнения, позволяющему изменять направление факела и показанному на фиг.3А и 3В, горелка содержит по меньшей мере один вторичный трубопровод 321, 322, 323 и 324, который располагают по отношению к каналу 310 первичной струи таким образом, чтобы на уровне соответствующего вторичного отверстия 331, 332, 333 и 334 (то есть вторичного отверстия, через которое данный вторичный трубопровод выходит в основной канал) ось первичной струи и ось соответствующей вторичной струи пересекались или почти пересекались.

Такое расположение между каналом и вторичным трубопроводом позволяет менять угол между осью факела и осью первичной струи перед вторичным отверстием путем изменения импульса по меньшей мере одной соответствующей вторичной струи.

Если в отсутствие воздействующей струи факел, выходящий из выходного основного отверстия 311, является перпендикулярным к плоскости фиг.3А, инжекция струи через вторичный трубопровод 323 позволяет отклонить факел вправо на фиг.3А, то есть в том же направлении, что и направление потока струи, выходящей из 323. Если одновременно происходит инжекция вторичной струи через вторичный трубопровод 324, в зависимости от относительных количеств движения струй, выходящих из 323 и 324, можно получить факел, отклоняемый в направлении (в проекции на плоскость фиг.3А), которое может постоянно колебаться между направлениями струй, выходящих из 323 и 324 (вправо и вниз на фиг.3А).

Предпочтительно горелка содержит по меньшей мере два вторичных трубопровода, которые располагают по отношению к каналу 310 таким образом, чтобы, с одной стороны, два соответствующих вторичных отверстия находились в одном сечении канала 310, и чтобы, с другой стороны, на уровне этих вторичных отверстий оси соответствующих вторичных струй пересекались или почти пересекались с осью первичной струи. В этом случае два соответствующих вторичных отверстия могут находиться по обе стороны от оси первичной струи (справа и слева в случае отверстий 331 и 333, внизу и вверху в случае отверстий 332 и 334), при этом два вторичных отверстия и ось первичной струи предпочтительно находятся в одной плоскости (горизонтальной в случае отверстий 331 и 333, вертикальной в случае отверстий 332 и 334).

Согласно другой предпочтительной конфигурации на уровне двух соответствующих вторичных отверстий плоскость, образованная осью первичной струи и одним из двух соответствующих вторичных отверстий, перпендикулярна к плоскости, образованной осью первичной струи и другим из двух соответствующих вторичных отверстий. Например, горизонтальная плоскость, образованная осью канала 310 и вторичным отверстием 331, перпендикулярна к вертикальной плоскости, образованной этой осью и вторичным отверстием 332.

Эти два варианта выполнения можно комбинировать. В этом случае, как показано на фиг.3А и 3В, горелка содержит по меньшей мере четыре вторичных трубопровода 321, 322, 323 и 324, которые располагают по отношению к каналу 310 таким образом, что:

(1) четыре соответствующих вторичных отверстия 331, 332, 333 и 334 находятся в одном поперечном сечении канала 310 и

(2) два из этих соответствующих вторичных отверстий 331 и 333 образуют первую плоскость с осью первичной струи и находятся по обе стороны от этой струи, два других вторичных отверстия 332 и 334 образуют вторую плоскость с осью первичной струи, при этом предпочтительно первая плоскость является перпендикулярной ко второй плоскости.

Такое расположение позволяет менять направление факела в первой и во второй плоскости (например, в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости) и, по выбору, в сторону одного или другого из двух вторичных отверстий, находящихся в каждой плоскости (например, влево и вправо в горизонтальной плоскости и вверх и вниз в вертикальной плоскости), и, как было указано выше, в любом промежуточном направлении.

На уровне четырех соответствующих вторичных отверстий 331-334 оси четырех соответствующих вторичных струй предпочтительно находятся в одной плоскости, перпендикулярной к оси первичной струи 310.

Изобретение позволяет также осуществлять взаимодействие между первичной струей и одной или несколькими вторичными струями таким образом, чтобы создавать, сохранять или усиливать вращение струи текучей среды, полученной в результате этого взаимодействия, и, следовательно, факела вокруг его оси. Такое взаимодействие позволяет менять раствор факела.

Как показано на фиг.4А и 4В, горелка может быть оборудована по меньшей мере одним вторичным трубопроводом 421-424, который располагают по отношению к каналу 410 первичной струи таким образом, чтобы на уровне соответствующего вторичного отверстия 431-434 ось соответствующей вторичной струи 421-424 не была компланарной или по существу компланарной с осью первичной струи 410, при этом упомянутый по меньшей мере один вторичный трубопровод 421-424 предпочтительно выходит тангенциально в канал 410 первичной струи. Таким образом, взаимодействие между первичной струей и вторичной струей придает первичной струе вращательный импульс.

Горелка может содержать два вторичных трубопровода 421 и 422, расположенных по отношению к каналу 410 первичной струи таким образом, чтобы на уровне двух соответствующих вторичных отверстий 431, 432 оси двух соответствующих вторичных струй не являлись компланарными с осью первичной струи 410, при этом обе вторичные струи ориентированы в одном направлении вращения вокруг оси первичной струи. Таким образом, обе вторичные струи способствуют вращательному импульсу, придаваемому факелу.

Предпочтительно, оба вторичных отверстия находятся в одном поперечном сечении канала 410/в одной плоскости, перпендикулярной к оси первичной струи. Они могут находиться по обе стороны от оси первичной струи (отверстия 431 и 433 или 432 и 434). Они могут быть также расположены таким образом, чтобы плоскость, образованная осью первичной струи и одним из вторичных отверстий 431, была перпендикулярной к плоскости, образованной осью первичной струи и другим из двух вторичных отверстий 432.

Согласно варианту выполнения горелка содержит по меньшей мере четыре вторичных трубопровода 421-424, которые расположены по отношению к каналу 410 первичной струи таким образом, чтобы на уровне соответствующих вторичных отверстий 431-434 оси соответствующих вторичных струй не были по существу компланарными с осью первичной струи. Два из двух соответствующих вторичных отверстий 431 и 433 являются по существу компланарными с осью первичной струи 410 в первой плоскости и находятся по обе стороны от оси первичной струи. Два других соответствующих вторичных отверстия 432 и 434 являются по существу компланарными с осью первичной струи 410 во второй плоскости и тоже находятся по обе стороны от оси первичной струи, при этом четыре соответствующие вторичные струи ориентированы в одинаковом направлении вращения вокруг оси первичной струи. Первая и вторая плоскости могут быть, в частности, перпендикулярными между собой. Предпочтительно также, чтобы четыре соответствующие вторичные отверстия находились в одном поперечном сечении канала 410.

Для придания первичной струе импульса вращения, а также для изменения раствора факела предпочтительно убеждаются, что на уровне вторичного отверстия, где взаимодействуют первичная струя и соответствующая вторичная струя, с одной стороны, ось вторичной струи принадлежит к плоскости, перпендикулярной в этом месте к оси первичной струи, и, с другой стороны, угол между осью вторичной струи и касательной к вторичному отверстию (или, точнее, к воображаемой поверхности канала первичной струи на уровне вторичного отверстия) в этой плоскости составляет от 0 до 90°, предпочтительно от 0 до 45°.

На фиг.4А и 4B показан пример выполнения, предназначенный для управления раствором факела. Первичная струя (которая проходит слева направо в канале 410 на фиг.4А) встречает вторичные струи, выходящие из вторичных трубопроводов 421, 422, 423 и 424 (показанных на фиг.4B, где представлен поперечный разрез по плоскости А-А фиг.4А). Эти вторичные струи воздействуют на первичную струю в направлении, тангенциальном к каналу 410, позволяя, таким образом, в зависимости от импульсов этих различных струй, более или менее значительно «раскрывать» факел. Этот эффект раствора в основном связан с тем, что вторичные струи и первичная струя имеют оси, которые не пересекаются, хотя и происходит физическое взаимодействие между струями. Это приводит к вращению результирующей струи и, следовательно, факела вокруг его оси.

Можно также в одной горелке комбинировать вариант выполнения, позволяющий изменять направление факела, с любым из описанных выше вариантов выполнения, позволяющих создавать, сохранять или усиливать вращение результирующей струи и изменять, таким образом, раствор факела.

Таким образом, для достижения одновременно эффекта по направлению и по вращению следует комбинировать описанные выше варианты. Для получения динамичного изменения эффектов направленности и вращения можно, например, предусмотреть несколько систем инжекции вторичных струй.

Предусматривая раздельные вторичные трубопроводы со средствами регулирования импульса вторичной струи, такими как вентили подачи, можно, таким образом, непрерывно или периодически менять форму и направление результирующей струи путем простого приведения в действие упомянутых средств регулирования (вентилей).

Чтобы вторичная струя действовала максимально эффективно на первичную струю, воздействующую струю следует инжектировать по существу перпендикулярно к направлению основной струи.

Для оптимальной работы горелка должна содержать по меньшей мере один вторичный трубопровод 21, расположенный по отношению к каналу 10 первичной струи таким образом, чтобы на уровне соответствующего вторичного отверстия 31 этот трубопровод имел толщину е и высоту l, где l≥0,5×e и предпочтительно 0,5×e≤l≤5,0×e (см. фиг.1). Минимальная высота, превышающая или равная 0,5×е, позволяет получить оптимальное взаимодействие между соответствующей вторичной струей и первичной струей.

Например, чтобы на практике получить такую вторичную струю, при которой в точке взаимодействия между этой вторичной струей и первичной струей угол θ между осью вторичной струи и плоскостью, перпендикулярной к оси первичной струи, равен 0°, предпочтительно перед соответствующим вторичным отверстием вторичный трубопровод должен иметь направление, по существу перпендикулярное к оси первичной струи на длине l, которая предпочтительно должна составлять от 0,5 до 5-кратного значения толщины е (размер в направлении потока основной текучей среды) упомянутого трубопровода (е является диаметром трубопровода, если он имеет цилиндрическую форму). Длина l может также превышать 5е, но это не приводит к существенному дополнительному эффекту воздействия вторичной струи на первичную струю. Например, для горелки с инжекцией газообразных углеводородов в условиях окружающей среды и с инжекцией кислорода получают не менее l=5 мм для горелки на 100 кВт и l=50 мм для горелки на 10 МВт.

Горелка может содержать амбразуру или форкамеру сгорания (например, из керамики), расположенную на конце канала, при этом по меньшей мере один вторичный трубопровод, по меньшей мере частично, расположен внутри амбразуры/форкамеры.

Канал первичной струи может быть выполнен полностью или, по меньшей мере, частично в виде первичного трубопровода для инжекции первичной струи. Этот первичный трубопровод выходит в первичное отверстие.

Это первичное отверстие может совпадать с выходным основным отверстием канала.

Когда, как показано на фиг.3С, 3D и 3Е и на фиг.6, первичный трубопровод 308, 608 заканчивается до выходного основного отверстия 311, 611, первичное отверстие 309, 609 расположено перед основным отверстием 311, 611. В этом случае по меньшей мере одно вторичное отверстие 334, 632, 634 может находиться между первичным отверстием 309, 609 первичного трубопровода 308, 608 и основным отверстием 311, 611 канала.

На фиг.6 показан, в частности, пример выполнения изобретения в горелке типа трубки в трубке, содержащей форкамеру, которая связана с горелкой внутри керамической амбразуры и в которой происходит стабилизация пламени (что описано, например, в патентных заявках № US-А-5772427 и US-А-5620316, поданных на имя заявителя, и коммерчески используется заявителем под товарным знаком ALGLASS). На фиг.6 блок амбразуры 605 содержит полость 671 (или форкамеру), в которую выходит двойная трубка.

Таким образом, канал 610 первичной струи представляет собой первичный трубопровод 608, выходящий первичным отверстием 609 в полость 671, которая выходит наружу через выходное основное отверстие 611, расположенное на передней стороне амбразуры за первичным отверстием 609.

В амбразуре (блоке) 605 горелки выполнены несколько вторичных трубопроводов 622, 624, выходящих по существу перпендикулярно к оси симметрии Х-Х горелки в канал 610 и, в частности, в полость, соответственно, через вторичные отверстия 632 и 634, расположенные на расстоянии L от выходного основного отверстия 611.

Собственно двойная трубка схематично состоит из центральной трубки инжекции топлива (предпочтительно), охваченной керамической трубкой, в которую нагнетают окислитель, при этом обе текучие среды смешиваются в полости 671.

В этом примере выполнения перед вторичными отверстиями 632, 634 происходит смешивание окислителя и топлива (и, в случае необходимости, продуктов сгорания), инжектируемых коаксиально через трубки. Направление и/или раствор факела регулируют затем за счет действия и, в частности, управляемым импульсом по меньшей мере одной воздействующей струи 622, 624.

Для оптимальной работы горелки в соответствии с настоящим изобретением канал первичной струи должен содержать на уровне упомянутого по меньшей мере одного вторичного отверстия не перекрытый или, по меньшей мере, по существу не перекрытый канал текучей среды в продолжении упомянутого по меньшей мере одного соответствующего вторичного трубопровода, чтобы обеспечивать эффективное взаимодействие между упомянутой по меньшей мере одной соответствующей вторичной струей и первичной струей. Как правило, поперечное сечение канала первичной струи должно ограничивать не перекрытый или, по меньшей мере, по существу не перекрытый канал текучей среды на уровне упомянутого по меньшей мере одного вторичного отверстия. Это показано на фиг.6, где центральная трубка, подающая топливо, заканчивается на уровне первичного отверстия, то есть намного впереди вторичных отверстий.

На фиг.3С, D и Е показан другой вариант выполнения горелки, в котором первичный трубопровод 308 заканчивается перед выходным основным отверстием 311.

На фиг.3С показана версия выполнения, аналогичная фиг.3В, но в которой в сопле 345 располагают два параллельных канала (первичный трубопровод 308 и вторичный трубопровод 324), при этом оба канала 308 и 324 выходят на переднюю сторону сопла. На этой передней стороне устанавливают пластинку 342, которая позволяет направлять вторичную струю вторичного трубопровода 324 в сторону первичной струи, выходящей из первичного трубопровода 308, и, в частности, перпендикулярно или по существу перпендикулярно к первичной струе. Таким образом, можно отклонять факел, например, в направлении, показанном на фиг.3С стрелкой 344. (Направление 344 факела будет зависеть от соотношения импульсов первичной и вторичной струй). Таким образом, изменяя импульс вторичной трубы при помощи средств управления, можно получить переменное направление факела, позволяющее обрабатывать факелом всю поверхность, такую как поверхность нагреваемой жидкой ванны.

На фиг.3D в разборе показано сопло 345, на котором крепят пластинку 342 (при помощи средств, не показанных на этой фигуре), в данном случае в виде полой боковой цилиндрической части 350, которую прижимают к концу сопла 345, тогда как отверстие 346 в пластинке располагается в месте выхода первичного трубопровода 308.

На фиг.3Е показано дно (внутренняя часть) этой пластинки 342, внутренняя сторона 349 которого содержит полость 347, в которую поступает вторичная струя, выходящая из вторичного трубопровода 324, затем встречает по существу перпендикулярно первичную струю, выходящую из первичного трубопровода 308 через щель 348 над выходным основным отверстием 346. Факел 344 (фиг.3С), выходящий из этого отверстия 346, отклоняется, таким образом, вниз (по отношению к фиг.3С, D и Е).

Следует отметить, что возможность использования пластинки для придания требуемого направления одной или нескольким вторичным струям до соответствующих точек их взаимодействия с первичной струей не ограничивается вторичными струями, направляемыми таким образом, чтобы менять направление факела, но может также применяться для описанных выше вторичных струй, позволяющих изменять раствор факела.

Изобретение касается также способа для динамичного или активного управления характеристиками системы сгорания или горелки при помощи одной или нескольких вторичных струй, воздействующих на первичную струю для изменения потока струи и получения факела, направление и/или раствор которого можно менять в зависимости от характеристик (в частности, направления и количества движения) первичных и/или вторичных струй. Этот способ можно использовать для регулирования в закрытом или открытом контуре характеристик системы сгорания путем применения инжекций струй текучей среды (жидкой, газообразной или твердодисперсной).

На фиг.2 показан способ регулирования характеристик горелки 210 в соответствии с настоящим изобретением, установленной на топке 212.

Датчики 214, 216 и 217 измеряют соответственно величины, характеризующие продукты сгорания, рабочие условия горения или топки и работу горелки. Данные этих измерений передаются по линиям 218, 219 и 220 на контроллер 215. Этот контроллер, в зависимости от заданных значений, определяемых характеристическими величинами, определяет рабочие параметры вторичных струй таким образом, чтобы поддерживать характеристические величины в их заданных значениях, и при помощи линии 221 передает эти параметры на органы 211 управления горелкой.

Предпочтительно горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит средства для управления импульсами первичной и/или вторичных струй или средства для управления соотношением импульсов первичной и вторичной(ых) струи (струй). Это соотношение является функцией соотношения сечения канала первичной струи и сечений вторичных трубопроводов, отношения значений расхода во вторичных трубопроводах к расходу результирующей струи, питающей факел, и соотношений плотностей текучих сред первичной струи и вторичной струи или вторичных струй. (В следующих разделах при рассмотрении одного из этих соотношений два других будут считаться постоянными).

Чем больше увеличивается соотношение сечения канала и сечения вторичного трубопровода на уровне соответствующего вторичного отверстия, тем больше (при постоянных соответствующих значениях расхода) соответствующая вторичная струя воздействует на первичную струю. Предпочтительно соотношение сечений выбирают в пределах от 5 до 50 и еще предпочтительнее - от 15 до 30.

Отношение расхода всех вторичных струй к общему расходу должно колебаться от 0 (отсутствие вторичных струй) до 0,5 и предпочтительно от 0 до 0,3, еще предпочтительнее - от 0 до 0,15; при этом, чем больше это соотношение расход