СПОСОБ И ГОРЕЛКА ДЛЯ ВВОДА ТОПЛИВА В ПЕЧЬ Российский патент 2001 года по МПК F23C1/02 F23C1/04 F23C1/08 

Изобретение относится к способу (далее упоминаемому как способ описываемого типа), предназначенному для ввода твердого, жидкого или газообразного топлива в зону горения печи, такой как вращающаяся печь для производства цементного клинкера или аналогичных продуктов, причем при данном способе топливо подводят через канал или каналы, а первичный воздух подводят, по меньшей мере, через два кольцевых канала, расположенных по существу концентрично относительно канала/ов для топлива и вокруг него/них, при этом часть воздуха в одном из воздушных каналов проходит по существу в осевом направлении, в то время как часть воздуха во втором из воздушных каналов представляет собой воздух, который имеет составляющую, вращающуюся вокруг центральной оси горелки, и осуществляют независимое регулирование количества первичного воздуха в двух частях. Изобретение также относится к горелке для реализации способа согласно изобретению.

Горелки, предназначенные для данной цели, хорошо известны. Первоначально они просто состояли из одной единственной трубы, через которую смесь измельченной в порошок угольной муки и воздуха вводили в зону горения печи. С течением времени были разработаны усовершенствованные конструкции горелок, которые включали в себя такие элементы, как дополнительные каналы для введения других видов жидкого или газообразного топлива. Кроме того, большинство современных горелок содержат один или несколько отдельных каналов для вдувания воздуха, так что только небольшое количество первичного воздуха вводится вместе с пылевидным углем. Путем придания вращательного движения некоторой части вводимого воздуха стало возможным в большей степени регулировать форму пламени в печи.

Пример горелки вышеупомянутого вида описан в Европейском патенте EP-B-0421903. Эта известная горелка содержит один или несколько каналов для ввода топлива, которые окружены двумя кольцевыми каналами для введения первичного воздуха. В отверстии кольцевого сопла самого внутреннего из этих воздушных каналов предусмотрены наклонные лопатки, которые придают вращательное движение воздуху. В самом наружном канале воздух подводится и подается под давлением по существу в осевом направлении. Регулировку площади сопла обоих каналов можно выполнить путем регулирования положения каналов в осевом направлении друг относительно друга, и также можно независимо регулировать части первичного воздуха в двух каналах. Следовательно, при данной горелке можно обеспечить изменение формы пламени при условии возможности регулирования расхода и скорости первичного воздуха, а также количества первичного воздуха, который подвергается вращению. Однако недостаток этой горелки заключается в том, что первичный воздух вводится через два отдельных кольцевых сопла, что приводит к сравнительно большой потере давления и менее эффективному смешиванию первичного воздуха с топливом в зоне горения.

Вторым примером горелки вышеупомянутого вида является горелка, описанная в заявке на Европейский патент EP-A-0650012. Эта известная горелка также содержит один или несколько каналов для ввода топлива, окруженных одним единственным каналом для первичного воздуха, из которого воздух проходит в кольцевое сопло. Непосредственно перед соплом воздух направляется через ряд гибких трубок, которые с помощью некоторого механизма могут быть отогнуты вбок, за счет чего вызывается вращательное движение воздуха. Таким образом, вращение воздуха и, следовательно, форму пламени можно изменять путем изменения угла отгиба трубок и путем изменения количества первичного воздуха. Преимущество подачи всего первичного воздуха только через одно сопло состоит в том, что при этом уменьшается потеря давления и обеспечивается более эффективное смешивание воздуха и топлива и, следовательно, более устойчивое пламя. Однако недостатком горелки данного типа является то, что система с гибкими трубками требует наличия сложного механизма регулирования, который также уязвим для поломок и разрушения в рабочей среде, для которой он предназначен.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа, а также горелки, с помощью которых можно обеспечить эффективное смешивание топлива и воздуха при минимальной потере давления и с помощью которых можно изменять форму пламени, в то же время конструкция имеет такую степень жесткости и прочности, что гарантируется рациональный срок службы, принимая во внимание высокие тепловые и механические нагрузки, действующие на горелку в зоне горения вращающейся печи.

Это достигается с помощью способа описанного выше типа, отличающегося тем, что две части первичного воздуха смешивают при более низкой скорости в собирающем канале в один смешанный поток первичного воздуха, который впоследствии ускоряют до желательной, более высокой скорости выпуска.

Изобретение также включает в себя горелку, предназначенную для ввода твердого, жидкого или газообразного топлива в зону горения печи, такой как вращающаяся печь для производства цементного клинкера или аналогичных продуктов, содержащую канал или каналы для подвода топлива и, по меньшей мере, два кольцевых канала, расположенных по существу концентрично относительно канала/ов для топлива и вокруг него/них и предназначенных для подвода первичного воздуха, причем воздушные каналы расположены таким образом, чтобы заставить часть воздуха в одном из этих воздушных каналов проходить в осевом направлении, а часть воздуха во втором воздушном канале проходить с вращением вокруг центральной оси горелки, и средства для независимого регулирования количества первичного воздуха в данных частях, и отличающуюся тем, что каналы для первичного воздуха выходят в общий кольцевой собирающий канал, предназначенный для подвода смешанного первичного воздуха к кольцевому соплу, причем площадь сечения потока в собирающем канале постепенно уменьшается в осевом направлении движения воздуха.

Следовательно, разработан способ, а также горелка, с помощью которых можно гарантировать эффективное смешивание топлива и воздуха с обеспечением эксплуатационной надежности при минимальной потере давления, и с помощью которых можно отрегулировать форму пламени до желательной оптимальной формы. Это осуществляется благодаря тому, что два подпотока первичного воздуха перед введением их в печь смешивают при сравнительно низкой скорости в один воздушный поток, который впоследствии при сравнительно высокой скорости вводят через одно сопло благодаря тому, что степень вращения первичного воздуха можно изменять путем изменения взаимосвязанных количеств воздуха в двух первичных воздушных потоках, и благодаря тому, что все необходимые средства регулирования могут быть установлены вне зоны горения печи с возможностью обеспечения легкого доступа к ним. В результате те части горелки, которые подвергаются тепловым нагрузкам, конструктивно могут быть выполнены простыми и прочными. Предпочтительно, чтобы площадь проходного сечения собирающего канала от места, где первичные потоки воздуха смешиваются, до сопла уменьшалась в 5-12 раз с тем, чтобы скорость смешанного потока первичного воздуха увеличивалась в соответствующее число раз.

В особо предпочтительном варианте осуществления горелки согласно изобретению, который особенно пригоден для применения во вращающейся печи для производства цемента, предпочтительно, чтобы каналы для первичного воздуха и средства регулирования были расположены таким образом, чтобы осевая скорость потока в каналах для первичного воздуха находилась в диапазоне от 20 до 25 м/с, а собирающий канал был расположен таким образом, чтобы смешанный поток первичного воздуха ускорялся до скорости потока от 160 до 200 м/с.

Конфигурация собирающего канала может быть выполнена любой, реализуемой на практике и обеспечивающей ускорение потока, соответствующее указанному выше. Однако предпочтительно, чтобы канал был выполнен из двух концентричных кольцевых элементов, из которых самый наружный имеет форму усеченного конуса, который суживается в направлении потока с углом наклона α от 30 до 60^o относительно центральной оси горелки, в то время как самый внутренний кольцевой элемент по существу параллелен центральной оси горелки. Однако могут быть предусмотрены другие конфигурации собирающего канала. Таким образом, самый внутренний кольцевой элемент также может иметь форму усеченного конуса, который суживается в направлении потока. Однако в данном случае внутренний кольцевой элемент должен быть выполнен с углом наклона, который значительно меньше угла наклона самого наружного кольцевого элемента.

Воздух во втором воздушном канале можно заставить вращаться вокруг центральной оси горелки различными способами, в частности с помощью повернутых под углом трубок, как было указано выше. Однако предпочтительно, чтобы вращение воздуха вызывалось с помощью некоторого количества наклонных лопаток, которые вставлены во второй воздушный канал непосредственно перед местом выпуска воздуха из канала.

Конфигурация кольцевого сопла должна быть выполнена такой, чтобы обеспечивать минимизацию потери давления. Кольцевое сопло может состоять из двух концентричных кольцевых элементов, по меньшей мере, один из которых имеет форму усеченного конуса, так что площадь сечения сопла можно изменять за счет осевого смещения двух элементов относительно друг друга.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи, которые выполнены схематично и на которых:
фиг. 1a показывает сечение передней части первого варианта осуществления горелки согласно изобретению;
фиг. 1b представляет собой вид спереди той же горелки;
фиг. 2a, 2b, 2c и 2d показывают различные, альтернативные варианты осуществления сопла для первичного воздуха с переменной площадью сечения:
фиг. 3a показывает сечение передней части второго варианта осуществления горелки согласно изобретению, и
фиг. 3b представляет собой вид спереди той же горелки.

На фиг. 1a и 1b показана горелка, которая предназначена для совместного сжигания нефтепродукта и пылевидного угля и которая содержит защитную трубку 2, в которую вставлена отдельная форсунка 1 для подвода и распыления жидкого топлива.

Вокруг защитной трубки 2 концентрично расположены две трубки 3 и 4, между которыми образован кольцевой канал 6 для подвода и вдувания смеси пылевидного угля и воздуха. Для охлаждения нефтяной форсунки 1 и для защиты ее от пыли, в пространство между внутренней трубкой 3 и защитной трубкой 2 может быть подведено небольшое количество из всего объема первичного воздуха. Помимо защитной трубки 2 во внутреннюю трубку 3 можно вставить одну или несколько трубок, предназначенных для введения дополнительных альтернативных видов топлива.

Вокруг трубок 2, 3 и 4 концентрично расположена трубка 5 для подвода воздуха, которая вместе с трубкой 4 для подвода угольной пыли образует кольцевой канал 8 для подвода части первичного воздуха, а именно воздуха, который должен вращаться. Ряд наклонных лопаток 10 установлен на выходном конце канала 8 для придания вращательного движения воздуху. Вокруг трубки 5 концентрично установлена трубка 7 горелки, которая совместно с радиальной трубкой 5 для подвода воздуха образует кольцевой канал 9, предназначенный для подвода оставшейся части первичного воздуха, а именно воздуха, проходящего аксиально. С учетом того, что температура в зоне горения может быть чрезвычайно высокой, наружная сторона трубки 7 горелки выполнена с керамической огнеупорной футеровкой 11.

Согласно изобретению каналы 8 и 9 для первичного воздуха выходят в общий кольцевой собирающий канал 15. В показанном варианте осуществления собирающий канал расположен между трубкой 4 и конусообразным кольцевым элементом 7a, который присоединен к трубке 7 горелки. В собирающем канале 15 потоки первичного воздуха смешиваются в один воздушный поток, который благодаря конструкции собирающего канала ускоряется перед введением его в зону горения печи через отверстие 14 кольцевого сопла.

Отверстие 14 сопла образовано между самым наружным кольцом 12 сопла, которое прикреплено к кольцевому элементу 7a, и самым внутренним кольцом 13 сопла, которое прикреплено к трубке 4 для угольной пыли. Путем выполнения одного или обоих колец 12, 13 сопла с конической поверхностью можно изменять площадь сечения сопла 14 за счет осевого смещения двух колец сопла друг относительно друга.

На фиг. 2a, 2b, 2c и 2d показаны различные возможные конфигурации сопла 14.

На фиг. 2a наружная часть 12 сопла 14 выполнена в виде гибкого, сужающегося усеченного конуса, в то время как внутренняя часть 13 выполнена в виде цилиндра. Таким образом, осуществляется регулирование направления потока воздуха с небольшим отклонением его в сторону оси горелки.

Сопло 14 на фиг. 2b выполнено с гладким круглым отверстием, при этом самое внутреннее кольцо 13 сопла выполнено в виде гибкого расширяющегося усеченного конуса, что означает, что осуществляется регулирование направления потока с небольшим отклонением его в сторону от оси горелки.

На фиг. 2c и 2d показаны примеры сопел 14, которым придана такая форма, что поток направляется аксиально.

На фиг. 3a и 3b показана горелка, которая не включает в себя трубку 4 для угольной пыли. В этом случае самое внутреннее кольцо 13 сопла прикреплено к внутренней трубке 3 вместо трубки 4.

Принцип работы горелки, показанной на фиг. 1a и 1b, состоит в том, что жидкое топливо вводится и распыляется с помощью форсунки 1 горелки. Для охлаждения форсунки горелки и для поддержания ее в чистом состоянии небольшое количество первичного воздуха вводится в пространство между внутренней трубкой 3 и защитной трубкой 2. Смесь пылевидного угля и транспортирующего воздуха нагнетается через кольцевой канал 6. Первичный воздух вводится и распределяется в два канала 8 и 9 для первичного воздуха известными способами типа описанных, например, в заявке на патент Франции FR-A-2348438, описание которой включено в данную заявку в качестве ссылки. Объемы воздуха, подаваемого в два канала 8 и 9, можно регулировать независимо относительно друг друга. В собирающем канале 15 два потока первичного воздуха смешиваются в один воздушный поток. Параметры смешанного воздушного потока представляют собой результирующие значения параметров двух смешанных воздушных потоков, и смешанный поток содержит как осевую, так и вращающуюся составляющие потока, взаимоотношение между которыми можно изменять путем регулирования двух первичных воздушных потоков таким образом, чтобы достичь оптимального пламени. Как упомянуто выше, смешанный первичный воздушный поток в собирающем канале 15 ускоряется до желательной скорости перед введением его в печь через кольцевое сопло 14.

Пылевидный уголь и транспортирующий воздух должны быть введены в печь со скоростью, достаточно высокой для того, чтобы удержать частицы угля во взвешенном состоянии, при этом указанная скорость не должна быть слишком высокой, чтобы не подвергнуть трубки воздействию, вызывающему неприемлемый уровень износа. Обычно скорость будет находиться в диапазоне от 25 до 40 м/с.

В тех случаях, когда горелка используется в обычной вращающейся печи для производства, например, цементного клинкера, количество первичного воздуха, вводимого через горелку, как правило, будет составлять от 5 до 15 процентов теоретически необходимого воздуха для горения. Остальной воздух для горения, как правило, называемый вторичным воздухом, вводится в печь без включения горелки в данный процесс. Довольно часто в качестве вторичного воздуха используют нагретый охлаждающий воздух из последующего охладителя материала, причем охлаждающий воздух, как правило, нагрет до уровня температур около 1000^oC. Когда горелка используется в данных случаях применения, скорость введения первичного воздуха должна быть существенно выше, чем скорость впрыска топлива, и должна, как правило, находиться в диапазоне от 160 до 200 м/с. Когда первичный воздух выходит из сопла 14, он будет захватывать горячий окружающий вторичный воздух вместе с собой, таким образом перемешивая его с топливом. Вследствие высокой температуры вторичного воздуха, составляющей около 1000^oC, топливо будет воспламеняться.

Форма пламени, которая имеет первостепенное значение для обеспечения устойчивого производства цементного клинкера, может быть изменена путем изменения расхода первичного воздуха и скорости его введения и путем изменения той степени, с которой воздух подвергается вращению. Обычно требуется умеренная степень вращения воздушного потока, и, следовательно, количество первичного воздуха, который подвергается вращению при подводе его через канал 8, как правило, составляет от 0 до 35 процентов от всего потока первичного воздуха.

Изобретение относится к способу, а также горелке для ввода твердого, жидкого или газообразного топлива в зону горения печи, такой как вращающаяся печь для производства цементного клинкера или аналогичных продуктов, причем при данном способе и горелке топливо подводят через, по существу, концентричные каналы 1,6 и первичный воздух подводят через два аналогичных концентричных и кольцевых канала 8, 9, расположенных вокруг каналов для топлива, причем воздух в одном из этих воздушных каналов 9 представляет собой воздух, проходящий в осевом направлении, в то время как воздух во втором воздушном канале 8 представляет собой воздух, который заставляют вращаться вокруг центральной оси горелки, и обеспечивается возможность независимого регулирования частей первичного воздуха, особым признаком горелки является то, что потоки первичного воздуха смешиваются при сравнительно низкой скорости в собирающем канале 15 в поток первичного воздуха, который впоследствии ускоряется до желательной, сравнительно высокой скорости перед введением его в печь через кольцевое сопло 14, таким образом достигается эффективное перемешивание топлива и воздуха с обеспечением эксплуатационной надежности при минимальной потере давления, и форма пламени может быть отрегулирована до желательной оптимальной формы. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ввода твердого, жидкого или газообразного топлива в зону горения печи, такой, как вращающаяся печь для производства цементного клинкера или аналогичных продуктов, в котором топливо подводят через канал или каналы (1, 6), а первичный воздух подводят, по меньшей мере, через два кольцевых канала (8, 9), расположенных, по существу, концентрично относительно канала/ов для топлива и вокруг него/них, при этом часть воздуха в одном из воздушных каналов (9) проходит, по существу, в осевом направлении, в то время как часть воздуха во втором из воздушных каналов (8) содержит воздух, который имеет составляющую, вращающуюся вокруг центральной оси горелки, и осуществляют независимое регулирование количества первичного воздуха в двух частях, отличающийся тем, что две части первичного воздуха смешивают при более низкой скорости в собирающем канале (15) в один смешанный поток первичного воздуха, который впоследствии ускоряют до желательной, более высокой скорости выпуска. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешанный поток первичного воздуха ускоряют в 5 - 12 раз. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорость потока первичного воздуха в осевом направлении в двух воздушных каналах находится в диапазоне от 20 до 25 м/с, и смешанный поток первичного воздуха ускоряют до скорости потока от 160 до 200 м/с. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что воздух во втором воздушном канале (8) заставляют вращаться вокруг центральной оси горелки путем направления его мимо некоторого количества наклонных лопаток (10), расположенных непосредственно перед выходным концом канала по ходу движения воздуха. 5. Горелка для ввода твердого, жидкого или газообразного топлива в зону горения печи, такой, как вращающаяся печь для производства цементного клинкера или аналогичных продуктов, причем указанная горелка содержит канал или каналы (1, 6) для подвода топлива и, по меньшей мере, два кольцевых канала (8, 9), расположенных снаружи по существу концентрично относительно канала/ов для топлива и вокруг него/них и предназначенных для подвода первичного воздуха, причем воздушные каналы расположены таким образом, чтобы заставить часть воздуха в одном из этих воздушных каналов (9) проходить в осевом направлении, а часть воздуха во втором воздушном канале (8) проходить с составляющей потока, вращающейся вокруг центральной оси горелки, и средства для независимого регулирования количества первичного воздуха в двух частях, отличающаяся тем, что каналы (8, 9) для первичного воздуха выходят в общий кольцевой собирающий канал (15), предназначенный для подвода смешанного первичного воздуха к кольцевому соплу (14), причем площадь сечения потока в собирающем канале (15) постоянно уменьшается в осевом направлении движения воздуха. 6. Горелка по п.5, отличающаяся тем, что площадь сечения потока в собирающем канале (15) уменьшается в 5 - 12 раз. 7. Горелка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что каналы (8, 9) для первичного воздуха и средства регулирования расположены таким образом, что осевая скорость потока в каналах для первичного воздуха находится в диапазоне от 20 до 25 м/с, а собирающий канал (15) расположен таким образом, что смешанный поток первичного воздуха ускоряется до скорости потока от 160 до 2000 м/с. 8. Горелка по п.7, отличающаяся тем, что собирающий канал (15) выполнен из двух концентричных кольцевых элементов (4, 7а, 3, 7а), из которых самый наружный элемент (7а) имеет форму усеченного конуса, который суживается в направлении потока с углом наклона α от 30 до 60^o относительно центральной оси горелки. 9. Горелка по любому из пп.5 - 8, отличающаяся тем, что во втором воздушном канале (8) непосредственно перед выходным концом канала по ходу движения воздуха расположено некоторое количество наклонных лопаток (1), предназначенных для придания вращательной составляющей движению части воздуха во втором воздушном канале. 10. Горелка по любому из пп.5 - 9, отличающаяся тем, что сопло (14) выполнено из двух концентричных кольцевых элементов (12, 13), из которых, по меньшей мере, один выполнен в виде усеченного конуса, так что площадь сечения сопла можно изменять за счет осевого смещения двух элементов относительно друг друга.