СПОСОБ СЖИГАНИЯ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ РАЗДЕЛЬНОЕ ИНЖЕКТИРОВАНИЕ ТОПЛИВА И ОКИСЛИТЕЛЯ, А ТАКЖЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО СПОСОБА Российский патент 2006 года по МПК F23D14/22 

Настоящее изобретение относится к способу сжигания в печи, в которую раздельно инжектируют, по меньшей мере, один вид топлива и, по меньшей мере, один окислитель, при этом поток окислителя включает поток первичного окислителя и поток вторичного окислителя, поток первичного окислителя инжектируют рядом с топливом таким образом, чтобы осуществить первое неполное сжигание, газы, выделяющиеся в результате указанного первого сжигания, также содержат, по меньшей мере, часть указанного топлива, в то время как поток вторичного окислителя инжектируют на некотором расстоянии от потока топлива, большем, чем расстояние между потоком топлива и потоком первичного окислителя, расположенного ближе к потоку топлива, таким образом, чтобы подвергнуть его сжиганию вместе с топливом, присутствующим в газах, выделяющихся в результате первого сжигания. Данное изобретение также относится к устройству для сжигания, предназначенному для осуществления такого способа.

Характеристики системы для сжигания в промышленной печи отличаются, по меньшей мере, двумя факторами:

- выбросом загрязняющих атмосферу веществ (NOx, пыль и т.д.), количество которых не должно превышать пределы, установленные законодательством;

- температура стенок печи и нагреваемого в ней сырья должна находиться в интервале между двумя крайними значениями в соответствии с требованиями, предъявляемыми к способу относительно качества продукта и расхода энергии.

Изменения в законодательстве, касающиеся выброса загрязняющих атмосферу веществ, особенно оксидов азота и пыли, привели в последнее время к существенным изменениям в технологии сжигания.

В связи с необходимостью сведения к минимуму выброса загрязняющих веществ способ сжигания в промышленной печи должен быть приведен в соответствие с функцией печи.

К примеру, печь для получения стекла должна удовлетворять требованиям относительно ее стен и температуры ванны таким образом, чтобы не допустить дефектов качества в получаемых продуктах (пузыри и т.д.) и преждевременного старения огнеупорных поверхностей.

Нагревание заготовок в печи для повторного нагревания стальных заготовок должно происходить равномерно, таким образом, чтобы предотвратить их деформацию до подачи в прокатный стан.

В печи для плавления черных или цветных металлопродуктов весь объем загружаемого сырья должен нагреваться равномерно таким образом, чтобы не допустить повышения расхода энергии и преждевременного износа огнеупорного оборудования.

Поэтому важно контролировать температуру поля (т.е. интервал температур, в котором они могут варьироваться) в промышленной печи с целью обеспечения высокого качества продукта и производительности способа. Температурное поле огнеупорных печей и загружаемого сырья вдоль основной оси печи зависит от количества, местоположения и распределения мощности горелок, расположенных перпендикулярно к указанной оси. Так обстоит дело, к примеру, с печами для повторного нагревания заготовок и для получения стекла, в которых горелки расположены по обеим сторонам загружаемого сырья. Температура поля вдоль оси, параллельной пламени, зависит от длины, мощности и момента воспламенения, а также от геометрии нагреваемой зоны.

Например, в соответствии с патентами US-A-4 531960 и US-A-4 604123 можно изменять длину кислородного пламени, создавая вихревой поток воздуха вокруг оси пламени. Данный параметр оказывает сильное влияние на длину и стабильность пламени. Другим контролируемым параметром является степень ступенчатой подачи окислителя или топлива (часть потока, подаваемая отдельно от первичной зоны сжигания). Ступенчатые горелки для сжигания описаны, к примеру, в патентах US-A-4 622007, US-A-4 642047, USA-4 797087, US-A-4 718643 и Re. 33464, в которых, в частности, описано применение воздуха и кислорода в качестве окислителей.

Горелки, в которых в качестве окислителя применяют кислород, и особенно горелки, в которых применяют газообразное топливо, в целом не обеспечивают возможность постоянного изменения длины пламени и характеристик момента для данной мощности и данного показателя кислорода. Такие горелки описаны, к примеру, в патентах US-A-5 772427, US-A-5 934893, US-A-5 984667 и US-A-6 068468. Однако длину пламени в таких горелках можно регулировать, меняя инжекторы для топлива. Следует отметить, что применение инжекторов меньшего диаметра приводит к ускорению момента и, следовательно, к укорачиванию пламени и смещению максимального теплового потока ниже по его ходу (и наоборот). Фигура 1, иллюстрирующая длину видимого пламени и аксиального теплового потока горелки мощностью 1 MW, описанной в патентах US-A-5 772427 и US-A-5 934893, ясно показывает это. И наоборот, укорачивание пламени и ускорение общего момента а priori влияют на изменение теплового профиля пламени. Сочетание обоих явлений вызывает смещение максимального теплового потока ниже по его ходу, поскольку одно из двух последствий является доминантным. Причиной возникновения оси х на фигуре 1 является внутренняя стена печи, совпадающая с внутренней поверхностью горелки. Следовательно, смещение потока ниже по его ходу означает удлинение по аксиальному направлению.

Патент US-A-5 302112 также описывает подачу газов в печь с различной скоростью, при этом изменения скорости (как абсолютной, так и относительной) позволяют изменять длину пламени и момент воспламенения.

Патент US-A-5 346524 также описывает раздельное инжектирование топлива и окислителя с применением отдельных инжекторов, расположенных поочередно поблизости один от другого на расстоянии около 15 см.

Патент US-A-5 601425 описывает ступенчатую систему для сжигания, в которой жидкое топливо инжектируют в середину периферического потока кислорода, в то время как воздух инжектируют на достаточно большом расстоянии от кислорода.

Задачей данного изобретения является удовлетворение двух требований: оптимизация теплового профиля вдоль оси пламени и минимизация выброса оксида азота.

Способ в соответствии с данным изобретением, в частности, обеспечивает возможность регулировать характеристики пламени в соответствии с окружающей средой, в которой оно находится, связанные с тепловым профилем печи и загружаемым сырьем, длиной пламени и выбросом оксидов азота и пыли.

В соответствии с данным изобретением создан способ сжигания в печи, в которую раздельно инжектируют, по меньшей мере, один вид топлива и, по меньшей мере, один окислитель, при этом поток окислителя включает поток первичного окислителя и поток вторичного окислителя, поток первичного окислителя инжектируют рядом с топливом таким образом, чтобы осуществить первое неполное сжигание, газы, выделяющиеся в результате указанного первого сжигания, также содержат, по меньшей мере, часть указанного топлива, в то время как поток вторичного окислителя инжектируют на некотором расстоянии от потока топлива, большем, чем расстояние между потоком топлива и потоком первичного окислителя самого близкого к потоку топлива, таким образом, чтобы подвергнуться сжиганию вместе с частью топлива, особенно разбавляемого газами, выделяющимися в результате первого сжигания, и еще не вступившей во взаимодействие с окислителем, в котором согласно изобретению поток первичного окислителя разделяют, по меньшей мере, на два первичных потока, а именно, по меньшей мере, один быстро смешивающийся первый поток первичного окислителя, инжектируемый в поток топлива либо находящийся в контакте с потоком топлива таким образом, чтобы быстро подвергнуться реакции сжигания с окружающим его топливом, и, по меньшей мере, один медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя, инжектируемый на расстоянии d₁ от первого потока первичного окислителя таким образом, чтобы смешиваться с потоком топлива медленнее, чем, по меньшей мере, один из быстро смешивающихся потоков первичного окислителя.

Для обеспечения возможности, в соответствии с данным изобретением, независимо контролировать момент воспламенения и длину пламени, система для сжигания в соответствии с данным изобретением предпочтительно имеет два регулирующих параметра. Кроме того, поскольку предпочтительным для печи, в которой осуществляют данный способ, является точный контроль ее теплового профиля, первый регулирующий параметр предпочтительно представляет собой отношение потока кислорода, обеспечиваемого вторичным окислителем, к общему потоку кислорода, обеспечиваемому первым и вторым окислителями. Такой поток вторичного окислителя может быть обеспечен инжектором или трубкой (копьем).

Способ в соответствии с данным изобретением отличается тем, что расстояние d₁ равно или меньше 30 см, предпочтительно 25 см.

В соответствии с другим вариантом данного изобретения расстояние d₁ равно или меньше десятикратного диаметра d3 медленно смешивающегося второго потока первичного окислителя.

В целом, сумма скоростей потоков первичного окислителя и вторичного окислителя предпочтительно является приблизительно стехиометрической относительно скорости топлива, с разницей ±15%.

В соответствии с другим вариантом данного изобретения поток вторичного окислителя состоит из множества потоков вторичного окислителя.

Количество вторичного окислителя предпочтительно составляет от 0 до 90%, более предпочтительно от 10 до 90%, от общего количества инжектируемого окислителя.

Более предпочтительно, общее количество вторичного окислителя составляет от 50 до 90% от общего количества инжектируемого окислителя, при этом количество первичного окислителя составляет от 10 до 50% от общего количества окислителя.

В целом, общее количество вторичного окислителя предпочтительно составляет от 60 до 80% от общего количества инжектируемого окислителя, при этом количество первичного окислителя составляет от 20 до 40% от указанного общего количества.

В соответствии с одним из способов осуществления данного изобретения сумма площадей поперечных сечений отверстий для инжектирования вторичного окислителя равна или превышает 2,5 см².

Расстояние между быстро смешивающимся первым потоком первичного окислителя и потоком вторичного окислителя предпочтительно равно d₂, где

d₂≥5D и d₂≥d₁, и, предпочтительно,

10D≤d₂≤50D,

где D означает диаметр круга с такой же площадью, как и площадь инжектора для вторичного окислителя, через который подают поток вторичного окислителя. При использовании инжекторов для вторичного окислителя, число которых равно i (i может иметь значение от 1 до 25), расположенных на расстоянии d_2i и имеющих одинаковый диаметр D_i, d_2i и D_i должны удовлетворять вышеприведенным формулам индивидуально.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения быстро смешивающийся первый поток(и) первичного окислителя составляет (составляют) от 5 до 40% об. от общего количества окислителя, в то время как медленно смешивающийся второй поток(и) первичного окислителя составляет (составляют) от 5 до 95% об. от общего количества окислителя, при этом возможный баланс окислителя обеспечивают потоки вторичного окислителя.

В соответствии с вариантом осуществления данного изобретения медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя состоит из множества потоков.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя состоит из двух приблизительно одинаковых потоков, расположенных приблизительно на одинаковом расстоянии d₁ от быстро смешивающегося первого потока первичного окислителя, при этом три потока окислителя находятся приблизительно в одной плоскости.

В соответствии с одним из вариантов данного изобретения, по меньшей мере, один медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя не находится в плоскости, образованной быстро смешивающимся первым потоком первичного окислителя и потоком вторичного окислителя.

При необходимости хорошей симметрии устройства для сжигания вокруг быстро смешивающегося первого потока первичного окислителя равномерно размещают множество медленно смешивающихся вторых потоков первичного окислителя; другая альтернатива включает симметричное размещение множества вторых потоков первичного окислителя по отношению к плоскости, в которой находится первый поток первичного окислителя.

Несомненно, необходимо контролировать скорость выброса газа. По этой причине скорость инжектирования топлива предпочтительно составляет от 20 м/с до М=2, где М - число Маха, более предпочтительно от 20 до 300 м/с.

Помимо различных возможностей, хорошо известных per se, при инжектировании топлива, применяемого согласно способу в соответствии с данным изобретением, перед инжектированием топливо может быть подвергнуто предварительному нагреванию. Во время инжектирования топливо также может быть подвергнуто пульсации, при этом частота пульсации предпочтительно составляет от 0,1 до 3 Гц, более предпочтительно от 0,1 до 1 Гц. Дальнейшие подробности способа инжектирования одной или нескольких жидкостей в виде пульсации описаны в статье, озаглавленной "Oscillating Combustion Technology Boosts Furnace Efficiency" by Eric Streicher, Ovidiu Marin, Olivier Charon and Harley Borders, опубликованной в "Industrial Heating", February 2001, и приведенной в данной заявке в качестве ссылки.

Существует также множество вариантов относительно инжектирования окислителя. В целом, скорость инжектирования быстро смешивающегося первого потока первичного окислителя предпочтительно составляет от 20 м/с до М=2, где М - число Маха.

Также предпочтительно, скорость инжектирования медленно смешивающегося второго потока первичного окислителя составляет от 10 м/с до М=1, где М - число Маха.

В соответствии с предпочтительным вариантом данного изобретения скорость инжектирования вторичного окислителя составляет от 20 м/с до М=2, где М - число Маха.

С целью снижения расхода топлива, по меньшей мере, один из потоков окислителя перед инжектированием предпочтительно подвергают предварительному нагреванию, при этом максимальная скорость его инжектирования может достигать М=2, где М - число Маха.

При пульсирующем сжигании (значение данного термина раскрыто выше) пульсации также может быть подвергнут, по меньшей мере, один из потоков окислителя, при этом подразумевается, что само топливо может быть затем подвергнуто или не подвергнуто пульсации в зависимости от желаемых результатов. В соответствии с данным вариантом, по меньшей мере, один из потоков окислителя инжектируют в виде пульсации, при этом частота пульсации составляет от 0,1 до 3 Гц, предпочтительно от 0,1 до 1 Гц.

Состав окислителя может варьироваться и, в зависимости от условий или желаемых результатов, указанный состав предпочтительно удовлетворяет, по меньшей мере, одному из изложенных ниже требований:

- вторичный окислитель может представлять собой смесь воздуха, предпочтительно нагретого воздуха, и кислорода. В целом, окислитель, более конкретно вторичный окислитель, может также представлять собой смесь газов, имеющих большую или меньшую окисляющую способность, особенно содержащих от 5 до 100% кислорода (предпочтительно, от 10 до 100% об.), от 0 до 95% CO₂ (предпочтительно, от 0 до 90% CO₂), от 0 до 80% азота (предпочтительно, от 0 до 70%), от 0 до 90% аргона, при этом содержание кислорода в смеси составляет по меньшей мере 3%. Смесь также может содержать другие компоненты, особенно водяной пар и/или Nox, и/или Sox;

- воздух предпочтительно обеспечивает от 5 до 85% об. всего потока кислорода вторичного окислителя, при этом баланс обеспечивает обогащенный кислородом воздух или по существу чистый кислород; и

- воздух предпочтительно составляет от 5 до 40% об. от общего содержания кислорода.

Один из вариантов данного изобретения предусматривает инжектирование одного или нескольких видов топлива одного и того же вида (к примеру, различные газы) и/или различных видов (к примеру, газы и жидкие виды топлива).

Данное изобретение также относится к устройству для сжигания, обеспечивающему, в частности, осуществление способа в соответствии с данным изобретением. Таким образом, данное изобретение относится к устройству для сжигания с раздельным инжектированием, образуемому блоком, имеющим, по меньшей мере, одно отверстие для инжектирования топлива и, по меньшей мере, одно отверстие для инжектирования окислителя, и отличающимся тем, что отверстие для инжектирования топлива имеет, по меньшей мере, одну продольную ось симметрии в направлении потока топлива, при этом первый инжектор окислителя, также имеющий продольную ось симметрии, размещен в отверстии для инжектирования топлива, обе продольные оси симметрии приблизительно параллельны, второе отверстие для инжектирования окислителя расположено на расстоянии d₁ от оси симметрии первого инжектора окислителя, где d₁≤30 см.

Такое устройство предпочтительно включает, по меньшей мере, один второй блок, в котором предусмотрено третье отверстие для инжектирования окислителя, имеющее диаметр D, при этом указанное отверстие расположено на расстоянии d₂ от оси симметрии первого инжектора окислителя, где:

d₂≥5D и d₂≥d₁, и, предпочтительно,

10D≤d₂≤50D.

В соответствии с одним из вариантов данного изобретения d₁ ≤10d₃, при этом d₃ означает диаметр медленно смешивающегося потока первичного окислителя (либо равен ему в том случае, если поперечное сечение инжектора не круглое), а D предпочтительно ≥0,5 см.

Блок устройства для сжигания предпочтительно имеет множество отверстий для инжектирования топлива и, предпочтительно, множество первых инжекторов окислителя и/или множество вторых отверстий для инжектирования окислителя.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления данного изобретения по меньшей мере в одном отверстии для инжектирования топлива размещен инжектор жидкого топлива, в то время как в соответствии с другим вариантом блок может иметь несколько отдельных отверстий для инжектирования одного или нескольких видов топлива.

Согласно целесообразному варианту устройство в соответствии с данным изобретением предпочтительно включает первый клапан для разделения потока, предназначенный для деления целого потока окислителя, подаваемого, с одной стороны, в трубопровод для первичного окислителя и, с другой стороны, в трубопровод для вторичного окислителя, соединенный с третьим отверстием для инжектирования окислителя, при этом трубопровод для первичного окислителя связан с вторым клапаном для разделения потока, который связан, с одной стороны, с первым инжектором окислителя, а с другой - с вторым отверстием для инжектирования окислителя.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления данного изобретения третье отверстие для инжектирования окислителя может представлять собой инжектор, имеющий два поперечных сечения (или множество поперечных сечений), обеспечивая таким образом варьирование скорости и момента окислителя без изменения давления окислителя выше по потоку от данного инжектора.

Если в качестве первичного окислителя и вторичного окислителя используют одинаковый окислитель, т.е. особенно при осуществлении ступенчатого сжигания, поперечные сечения инжекторов для вторичного окислителя должны быть таковы, чтобы общий момент различных потоков окислителя, подаваемого горелкой для 50% коэффициента ступенчатости, превышал его соответствующую величину для нулевого коэффициента ступенчатости.

(Общий момент подсчитывают в виде суммы произведений скорости каждого потока окислителя, помноженных на его весовую скорость потока с учетом всех потоков окислителя, подаваемого горелкой).

Преимущество вышеописанных признаков заключается в том, что для уровня ступенчатости, превышающего 50%, длина пламени и момент воспламенения увеличиваются одновременно со степенью ступенчатости в отличие от способа, включающего замену инжектирующей трубки. При использовании в горелке только одного вида окислителя коэффициент ступенчатости равен отношению текучести вторичных потоков окислителя к его общей текучести (первичная плюс вторичная). При использовании различных окислителей, например, воздуха и окислителя, в соотношении величин текучести в расчет принимается только содержание кислорода или окислителя в каждом потоке. Применение параметра, позволяющего одновременно увеличить длину пламени и общий момент горелки, обеспечивает точный контроль места максимальной теплопередачи.

В соответствии с данным изобретением предпочтительно применение второго регулирующего параметра, включающего разделение потока первичного кислорода между потоком, очень быстро смешивающимся с топливом, и потоком, смешивающимся с ним сравнительно медленно. Поэтому такой второй регулирующий параметр может быть выбран в качестве доли первичного кислорода, вводимого инжектированием для быстрого смешивания.

Данное изобретение станет более понятным благодаря следующим примерам, описывающим его осуществление и проиллюстрированным фигурами, на которых:

- фигура 1 представляет кривые, показывающие величину теплового потока вдоль оси пламени 1-MW горелки известного типа в соответствии с ее расположением в печи. (Ось х на фигуре 1 проводят от внутренней стенки печи, совпадающей с внутренней поверхностью горелки. Поэтому направление по ходу потока - это направление в сторону продления осевой длины); и

- фигура 2 представляет осевой профиль температуры короны в виде функции длины пламени.

Фигура 1 представляет кривые, показывающие величину теплового потока (в кВ/м²) пламени в виде функции продольного расстояния (в м) вдоль печи. Горелка с кислородным топливом (не показана) расположена на задней стенке печи (х=0).

Кривая 1 показывает тепловой поток пламени с очень низким моментом воспламенения. Она соответствует пламени 4, видимая часть которого сравнительно длинна.

Кривая 2 показывает тепловой поток пламени 5 (при прочих равных условиях) с низким моментом воспламенения, при этом данное пламя 5 слегка короче пламени 4.

Кривая 3 показывает тепловой поток пламени 6 (при прочих равных условиях) с высоким моментом воспламенения, при этом пламя 6 короче пламени 5. Следует отметить, что горячая точка данных видов пламени (А в пламени 4, В в пламени 5 и С в пламени 6, соответственно) находится далеко от наконечника горелки (задняя стена печи), в то время как длина видимого пламени уменьшается при увеличении момента воспламенения (сравнительные кривые, получаемые с применением 1-MW горелки, выпускаемой собственником под названием ALGLASS).

Фигура 3 представляет три кривые, показывающие температуру короны одной и той же печи в виде функции длины получаемого пламени, однако при этом каждое пламя имеет одинаковый момент воспламенения (низкий момент со средней скоростью 30 м/с для всех трех видов пламени). Применяют 2-MW горелку такого же типа, как и ранее. Температурный максимум D короткого пламени 10 находится на расстоянии приблизительно 3 м от задней стенки печи, в то время как увеличение длины пламени позволяет передвигать точку максимальной температуры короны по направлению к передней стенке печи (Е, максимальная температура кривой 11, наблюдается на расстоянии менее 4 м от задней стенки печи, в то время как F, максимальная температура кривой 12, наблюдается на расстоянии около 4,40 м от этой же стенки).

Фигура 3 показывает частичный схематический вид сверху (фигура 3а) и вид в разрезе (фигура 3b) примера устройства для сжигания согласно данному изобретению для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.

Устройство для сжигания помещают в огнеупорный блок 33, в котором, соответственно, размещены два блока 34 и 35.

Сквозь предпочтительно цилиндрический блок 34 проходит третье отверстие 26 для окислителя, которое выходит в блок в точке 38. Такое отверстие 26 (полый цилиндрический металлический инжектор может быть вставлен в цилиндрическое высверленное отверстие 26) имеет диаметр (в точке 38) D (в том случае, если инжектор не имеет цилиндрической формы, D представляет диаметр круга, имеющего такую же площадь, как и поперечное сечение инжектора в точке 38). Данный блок 34 вставлен в цилиндрический рукав 36 в блоке 33. Через отверстие 26 подают вторичный окислитель 22.

Блок 35 включает первое отверстие 28 для инжектирования быстро смешивающегося первичного окислителя 23, при этом отверстие 28 расположено концентрически в отверстии 29, в которое инжектируют топливо 25. На расстоянии d₁ расположено второе отверстие 27, в которое инжектируют медленно смешивающийся первичный окислитель. Данное отверстие 27 имеет поперечное сечение диаметром d₃ в точке 30, где начинается указанное отверстие 27 (d₃ представляет вышеуказанный эквивалентный диаметр в том случае, если поперечное сечение не круглое). Блок 35 размещен в высверленном отверстии 37. Общий трубопровод окислителя 20 делится на трубопровод первичного окислителя 21 и трубопровод вторичного окислителя 22, в котором размещен первый контрольный клапан 42, при этом указанный клапан делит поток окислителя между трубопроводами 21 и 22 (безусловно, согласно соответствующим диаметрам указанных трубопроводов). Клапан 42 также может быть установлен в плече трубопровола 21 в том случае, если отсутствует необходимость в регулировании, включая случай с нулевым потоком вторичного кислорода. Сам трубопровод 21 делится на два трубопровода 23 и 24 с клапаном 43 в одном из них в соответствии с необходимостью перекрывать поток окислителя в трубопроводах 23 или 24. (Безусловно, клапан может быть установлен в каждом из указанных трубопроводов, подобным образом клапан может быть установлен в трубопроводе 21, помимо клапана 42 в трубопроводе 22).

При работе данной системы кислород может быть разделен между различными трубопроводами в соответствии с желаемыми результатами, при этом указанные трубопроводы имеют соответствующие диаметры, обеспечивая таким образом различные или одинаковые скорости инжектирования кислорода в различных инжекторах.

Безусловно, отверстие 27 может быть размещено таким образом, чтобы его конец 30 находился в точках 39, 40 или 41 либо в любой точке круга, имеющего радиус d₁. Могут быть также одновременно предусмотрены несколько отверстий 30 и/или 39, и/или 40, и/или 41, инжекторы в которых соединены вместе, при этом в указанных различных инжекторах распределяют медленно смешивающийся кислород. Таким образом, также может быть создана окислительная горелка/инжектор со сверхзвуковой скоростью путем оборудования отверстия 28 наконечником конвергентной/дивергентной формы (так называемое сопло Лаваля) поблизости от точки 32, при этом относительные пропорции кислорода и топлива могут быть подвергнуты или не подвергнуты изменениям в соответствии с нужным результатом. Таким образом, в результате оборудования отверстия 28 сверхзвуковым соплом обеспечивается возможность инжектирования только окислителя по отверстиям 28 и 32 со сверхзвуковой скоростью либо окружения такого сверхзвукового потока пламенем, получаемым в результате дозвукового инжектирования топлива по отверстию 29 и окислителя по отверстию 27, необязательно имеющего дополнительную возможность инжектирования окислителя по отверстию 26 или получения дозвукового пламени, используя только отверстия 29 и 27 (плюс 26 при необходимости или желании).

Фигура 4 показывает вариант альтернативного осуществления инжектирования быстро смешивающегося первичного окислителя и топлива в том случае, когда в качестве последнего используют природный газ.

Огнеупорный блок 35 имеет высверленное отверстие 51 с диаметром d₅ (или с диаметром круга равной площади). В данное отверстие 51 предпочтительно вставляют цилиндрический инжектор 52 для природного газа с диаметром d₄, установленный таким образом, чтобы обеспечить расстояние h между верхней частью данного инжектора 52 и поверхностью огнеупорного блока 35. Инжектор 55 не заполнен таким образом, чтобы в него можно было подавать окислитель и предпочтительно имеет, по меньшей мере, одно отверстие в своей верхней поверхности и/или, по меньшей мере, одно отверстие 54 в своей боковой стенке (вертикальная стенка на фигуре 4).

Натуральный газ 56 инжектируют в круглое пространство между вертикальными стенками высверленного отверстия 51 и вертикальными стенками 57 инжектора 52, между которыми инжектируют окислитель.

(При использовании жидкого топлива быстро смешивающийся первичный кислород представляет собой жидкость для разбрызгивания жидкого топлива, при этом такой кислород может быть подан вместе с воздухом в качестве жидкости для разбрызгивания).

Фигура 5 показывает альтернативное осуществление данного изобретения только в схематическом виде.

При необходимости полной или частичной работы системы сжигания с жидким топливом в верхней части огнеупорного блока 100 предусмотрено отверстие 101 для инжектирования жидкого топлива. Вдоль горизонтального ряда, расположенного ниже отверстия 101, расположено множество отверстий для инжектирования медленно смешивающегося первичного кислорода 102, 103, 104 и 105.

В нижней части блока 100 расположен ряд из трех пар концентрических отверстий 110/111, 120/121, 130/131 (их может быть больше или меньше) для соответствующего инжектирования топлива, такого как природный газ, и окислителя, такого как быстро смешивающийся первичный кислород (подробности указаны на фигуре 3). По обе стороны блока, на расстоянии d₂, к примеру, но не обязательно, расположены отверстия для инжектирования кислорода 106 и 107.

Фигура 6 представляет схематический альтернативный вариант системы в соответствии с данным изобретением, включающей два огнеупорных блока 200 и 300, имеющих, по направлению сверху вниз, отверстия для инжектирования жидкого топлива 201 и 301 соответственно, два отверстия для инжектирования натурального газа 202, 203 и 302, 303 соответственно, два коаксиальных отверстия для инжектирования, для кислорода в центре и для топлива на периферии, 205, 204 и 305, 304 соответственно и инжектирования вторичного кислорода в инжекторы 206 и 306 соответственно, расположенные на расстоянии d₂ от коаксиальных отверстий.

Фигура 7 показывает общий момент воспламенения в виде функции отношения, представляющего долю содержания вторичного кислорода, разделенную на общее количество кислорода. Данный момент является минимальным для содержания около 30%, а затем увеличивается, достигая более высокого значения, чем значение момента при отсутствии инжектирования вторичного кислорода, для содержания более 60%.

Изобретение относится к области энергетики. Способ сжигания в печи, в которую раздельно инжектируют, по меньшей мере, один вид топлива и, по меньшей мере, один окислитель, при этом поток окислителя включает поток первичного окислителя и поток вторичного окислителя, поток первичного окислителя инжектируют рядом с топливом таким образом, чтобы осуществить первое неполное сжигание, газы, выделяющиеся в результате указанного первого сжигания, также содержат, по меньшей мере, часть указанного топлива, в то время как поток вторичного окислителя инжектируют на некотором расстоянии от потока топлива, большем, чем расстояние между потоком топлива и потоком первичного окислителя самого близкого к потоку топлива таким образом, чтобы подвергнуться сжиганию вместе с частью топлива, особенно разбавляемого газами, выделяющимися в результате первого сжигания, и еще не вступившего во взаимодействие с окислителем, при этом поток первичного окислителя разделяют, по меньшей мере, на два первичных потока, а именно, по меньшей мере, один быстро смешивающийся первый поток первичного окислителя, инжектируемый в поток топлива таким образом, чтобы быстро подвергнуться реакции сжигания с окружающим его топливом, и, по меньшей мере, один медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя, инжектируемый на расстоянии d₁ от первого потока первичного окислителя таким образом, чтобы смешиваться с потоком топлива медленнее, чем, по меньшей мере, один из быстро смешивающихся потоков первичного окислителя. Расстояние d₁ равно или меньше десятикратного диаметра d₃ медленно смешивающегося второго потока первичного окислителя, где d₃ означает диаметр медленно смешивающегося потока первичного окислителя. Сумма потоков первичного окислителя и вторичного окислителя является приблизительно стехиометрической относительно потока топлива, предпочтительно, в пределах ±15% относительно стехиометрического потока. Поток вторичного окислителя состоит из множества потоков вторичного окислителя. Изобретение позволяет оптимизировать тепловой профиль вдоль оси пламени и снизить выбросы оксидов азота. 2 н. и 38 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ сжигания в печи, в которую раздельно инжектируют, по меньшей мере, один вид топлива и, по меньшей мере, один окислитель, при этом поток окислителя включает поток первичного окислителя и поток вторичного окислителя, поток первичного окислителя инжектируют рядом с топливом таким образом, чтобы осуществить первое неполное сжигание, газы, выделяющиеся в результате указанного первого сжигания, также содержат, по меньшей мере, часть указанного топлива, в то время как поток вторичного окислителя инжектируют на некотором расстоянии от потока топлива, большем, чем расстояние между потоком топлива и потоком первичного окислителя самого близкого к потоку топлива таким образом, чтобы подвергнуться сжиганию вместе с частью топлива, особенно разбавляемого газами, выделяющимися в результате первого сжигания, и еще не вступившей во взаимодействие с окислителем, отличающийся тем, что поток первичного окислителя разделяют, по меньшей мере, на два первичных потока, а именно, по меньшей мере, один быстро смешивающийся первый поток первичного окислителя, инжектируемый в поток топлива таким образом, чтобы быстро подвергнуться реакции сжигания с окружающим его топливом, и, по меньшей мере, один медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя, инжектируемый на расстоянии d₁ от первого потока первичного окислителя таким образом, чтобы смешиваться с потоком топлива медленнее, чем, по меньшей мере, один из быстро смешивающихся потоков первичного окислителя.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние d₁ равно или меньше 30 см, предпочтительно 25 см.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние d₁ равно или меньше десятикратного диаметра d₃ медленно смешивающегося второго потока первичного окислителя, где d₃ означает диаметр медленно смешивающегося потока первичного окислителя.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что сумма потоков первичного окислителя и вторичного окислителя является приблизительно стехиометрической относительно потока топлива, предпочтительно в пределах ±5% относительно стехиометрического потока.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток вторичного окислителя состоит из множества потоков вторичного окислителя.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество вторичного окислителя составляет от 0 до 90%, предпочтительно от 10 до 90% от общего количества инжектируемого окислителя.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что общее количество вторичного окислителя составляет от 50 до 90% от общего количества инжектируемого окислителя, при этом количество первичного окислителя составляет от 10 до 50% от общего количества окислителя.8. Способ по п.7, отличающийся тем, что общее количество вторичного окислителя составляет от 60 до 80% от общего количества инжектируемого окислителя, при этом количество первичного окислителя составляет от 20 до 40% от указанного общего количества.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что сумма площадей поперечных сечений отверстий для инжектирования вторичного окислителя равна или превышает 2,5 см².10. Способ по п.9, отличающийся тем, что расстояние между быстро смешивающимся первым потоком первичного окислителя и потоком вторичного окислителя равно d₂, где d₂≥5D и d₂≥d₁ и предпочтительно 10D≤d2≤50D, где D означает диаметр круга с такой же площадью, как и площадь вторичного инжектора, через который подают поток вторичного окислителя.11. Способ по п.1, отличающийся тем, что быстро смешивающийся первый поток(и) первичного окислителя составляет (составляют) от 5 до 40 об.% от общего количества окислителя, в то время как медленно смешивающийся второй поток(и) первичного окислителя составляет (составляют) от 5 до 95 об.% от общего количества окислителя, при этом возможный баланс окислителя обеспечивают потоки вторичного окислителя.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя состоит из множества потоков.13. Способ по п.12, отличающийся тем, что медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя состоит из двух приблизительно одинаковых потоков, расположенных приблизительно на одинаковом расстоянии d₁ от быстро смешивающегося первого потока первичного окислителя, при этом три потока окислителя находятся приблизительно в одной плоскости.14. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один медленно смешивающийся второй поток первичного окислителя не находится в плоскости, образованной быстро смешивающимся первым потоком первичного окислителя и потоком вторичного окислителя.15. Способ по п.1, отличающийся тем, что множество медленно смешивающихся вторых потоков первичного окислителя располагают равномерно вокруг быстро смешивающегося первого потока первичного окислителя.16. Способ по п.15, отличающийся тем, что множество медленно смешивающихся вторых потоков первичного окислителя располагают симметрично по отношению к плоскости, в которой находится быстро смешивающийся первый поток первичного окислителя.17. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость инжектирования топлива предпочтительно превышает 20 м/с, предпочтительно М≤2, где М - число Маха.18. Способ по п.17, отличающийся тем, что скорость инжектирования топлива составляет от 20 до 300 м/с.19. Способ по п.17, отличающийся тем, что перед инжектированием топливо может быть подвергнуто предварительному нагреванию.20. Способ по п.17, отличающийся тем, что во время инжектирования топливо подвергают пульсации, при этом частота пульсации предпочтительно составляет от 0,1 до 3 Гц, более предпочтительно от 0,1 до 1 Гц.21. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость инжектирования быстро смешивающегося первого потока первичного окислителя составляет от 20 м/с до М=2, где М - число Маха.22. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость инжектирования медленно смешивающегося второго потока первичного окислителя составляет от 10 м/с до М=1, где М - число Маха.23. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость инжектирования вторичного окислителя составляет от 20 м/с до М=2, где М - число Маха.24. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из потоков окислителя перед инжектированием подвергают предварительному нагреванию, при этом скорость его инжектирования может максимально достигать М=2, где М - число Маха.25. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из потоков окислителя инжектируют в виде пульсации, при этом частота пульсации составляет от 0,1 до 3 Гц, предпочтительно от 0,1 до 1 Гц.26. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторичный окислитель состоит из смеси воздуха, предпочтительно, предварительно нагретого воздуха, и кислорода.27. Способ по п.26, отличающийся тем, что воздух обеспечивает от 5 до 80 об.% от общего содержания кислорода во вторичном окислителе, при этом баланс обеспечивает обогащенный кислородом воздух или по существу чистый кислород.28. Способ по п.27, отличающийся тем, что воздух составляет от 15 до 40 об.% от общего содержания кислорода.29. Способ по п.1, отличающийся тем, что инжектируют один или несколько различных видов топлива.30. Устройство для сжигания с раздельным инжектированием, образуемое блоком, имеющим, по меньшей мере, одно отверстие для инжектирования топлива и, по меньшей мере, одно отверстие для инжектирования окислителя, отличающееся тем, что отверстие для инжектирования топлива имеет, по меньшей мере, одну продольную ось симметрии в направлении потока топлива, при этом первый инжектор окислителя, также имеющий продольную ось симметрии, размещен в отверстии для инжектирования топлива, обе продольные оси симметрии приблизительно параллельны, второе отверстие для инжектирования окислителя расположено на расстоянии d₁ от оси симметрии первого инжектора окислителя, где d₁≤30 см.31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что оно включает, по меньшей мере, один второй блок, в котором предусмотрено третье отверстие для инжектирования окислителя, имеющее диаметр D, при этом указанное отверстие расположено на расстоянии dz от оси симметрии первого инжектора окислителя, где d₂≥5D и d₂≥d₁ и предпочтительно 10D≤d₂≤50D.32. Устройство по любому из пп.30 и 31, отличающееся тем, что d₁≤10d₃, где d₃ означает диаметр медленно смешивающегося потока первичного окислителя.33. Устройство по п.30 или 31, отличающееся тем, что D≥0,5 см.34. Устройство по п.30, отличающееся тем, что блок имеет множество отверстий для инжектирования топлива.35. Устройство по п.30, отличающееся тем, что блок имеет множество первых инжекторов окислителя.36. Устройство по п.30, отличающееся тем, что блок имеет множество вторых отверстий для инжектирования окислителя.37. Устройство по п.30, отличающееся тем, что в отверстии для инжектирования топлива размещен инжектор тяжелого жидкого топлива.38. Устройство по п.30, отличающееся тем, что оно имеет несколько отдельных отверстий для инжектирования одного или более видов топлива.39. Устройство по п.30, отличающееся тем, что оно включает первый клапан для разделения потока, предназначенный для разделения общего потока окислителя, подаваемого, с одной стороны, в трубопровод для первичного окислителя и, с другой стороны, в трубопровод для вторичного окислителя, соединенный с третьим отверстием для инжектирования окислителя, при этом трубопровод для первичного окислителя связан с вторым клапаном для разделения потока, который связан с одной стороны с первым инжектором для окислителя, а с другой - со вторым отверстием для инжектирования окислителя.40. Устройство по п.30, отличающееся тем, что третье отверстие для инжектирования окислителя представляет собой инжектор, имеющий два поперечных сечения, обеспечивая таким образом возможность варьирования скорости и момента окислителя без изменения давления окислителя выше по потоку от данного инжектора.