СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРЕНИЯ В ПЕЧИ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕЧИ, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕЙ ПРИ ГОРЕНИИ ВОЗДУХА, В ПЕЧЬ, ФУНКЦИОНИРУЮЩУЮ ЧАСТИЧНО ИЛИ ПОЛНОСТЬЮ ПРИ КИСЛОРОДНОМ ГОРЕНИИ Российский патент 2011 года по МПК F23L15/00 C03B5/235 

Настоящее изобретение относится к способу кислородного горения с предварительным подогревом кислорода и (или) горючего вещества в печи, оснащенной средствами, обеспечивающими воздушное горение с предварительным нагревом воздуха.

Регенеративные печи являются печами с уложенным на их боковых стенках огнеупором. Данный огнеупор является теплообменником, позволяющим рекуперировать теплоту газообразных продуктов горения, исходящих от боковых стенок печи, и передавать данную теплоту холодному воздуху, подаваемому в печь. Газообразные продукты горения нагревают огнеупоры регенераторов до очень высоких температур (от 1300° до 1500°С). На практике газообразные продукты горения, исходящие от боковой стенки печи, вступают в контакт с огнеупорами, начиная от их верхней части и заканчивая нижней частью, в течение цикла, продолжительностью, как правило, около 20 минут. Во время следующего цикла поступающий в зону горения холодный воздух, предназначенный для подачи в горелки печи, вступает в контакт с огнеупорами, начиная с нижней части и заканчивая верхней частью, для отбора от них тепла. Таким образом, воздух, поступающий в зону горения, перед подачей в камеру сгорания печи нагревается, как правило, до температуры около 1100°-1300°С. Потоки газообразных продуктов горения и воздуха, поступающего в зону горения в течение каждого цикла, меняют свое направление для того, чтобы каждая сторона регенератора могла поочередно нагреваться и использоваться для подогрева воздуха, поступающего в зону горения. Подогрев воздуха, поступающего в зону горения, обеспечивает воздушное горение с повышенным энергетическим КПД. Для печей с рекуператором воздух, поступающий в зону горения, непрерывно нагревается при помощи металлических теплообменников, в которые подаются газообразные продукты горения.

В настоящее время многие печи работают на принципе кислородного горения, означающем, что при горении в большей мере используется взаимодействие не горючего вещества с воздухом (воздушное горение), а горючего вещества с окислителем, в котором концентрация кислорода больше, чем воздуха; как правило, речь идет об обогащенном кислородом воздухе или о чистом кислороде. Подогрев кислорода и горючего вещества газообразными продуктами горения позволяет рекуперировать часть содержащейся в них энергии и добиться повышения энергетической эффективности данного типа горения. Содержащаяся в газообразных продуктах горения энергия на выходе из стекловаренной печи, оснащенной факелами пламени для кислородного горения, составляет порядка 30% потребляемой мощности.

Кислородное горение легко реализуется при создании новых печей. И наоборот, по экономическим причинам становится сложнее использовать исключительно кислородное горение в регенеративных печах, изначально предназначенных для воздушного горения. Одна из причин связана с тем, что необходимо удалить регенераторы, изменить размеры печи и переделать систему удаления газообразных продуктов горения. Действительно, при кислородном горении объем газообразных продуктов горения в 4-5 раз меньше объема газообразных продуктов горения при воздушном горении.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа горения, обеспечивающего, по меньшей мере, частично кислородное горение в печи, оснащенной регенераторами или рекуператорами, рекуперирующими тепло газообразных продуктов горения.

Другой задачей является реализация данного способа кислородного горения путем установки уже существующей печи воздушного горения.

Еще одной задачей является разработка способа кислородного горения, который мог бы быть применим в регенеративной печи или печи с рекуператором, разработанной для воздушного горения.

Для решения поставленных задач предлагается способ горения в печи, оснащенной средствами рекуперации энергии газообразных продуктов горения и горелками, в которой теплота газообразных продуктов горения рекуперируется при помощи средств рекуперации энергии, причем данная теплота, рекуперированная при помощи средств рекуперации, используется для нагрева воздуха, и в которой, по меньшей мере, в части горелок используется горение горючего вещества и окислителя, обогащенного кислородом; по меньшей мере, часть воздуха, нагретого при помощи средств рекуперации энергии, используется для подогрева предназначенного для горелок горючего вещества и (или) обогащенного кислородом окислителя.

Таким образом, изобретение относится к области осуществления способа горения в печи, оснащенной такими средствами рекуперации энергии, как регенераторы и рекуператоры, разработанными для рекуперации энергии, содержащейся в газообразных продуктах горения. Горение в печи является, по меньшей мере, частично кислородным горением, т.е. горением горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, 10% и еще более предпочтительно, по меньшей мере, 20% мощности горения обеспечивалось горелками, в которых происходит горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя. Под выражением «обогащенный кислородом» понимается окислитель, в котором концентрация кислорода составляет более 90% объема. Этому, в частности, соответствует кислород, полученный способом VSA (адсорбции путем регенерации в вакууме). В соответствии с предлагаемым в изобретении способом средства рекуперации энергии используются для нагрева холодного воздуха, т.е. воздуха окружающей среды, путем передачи ему энергии, рекуперированной во всех газообразных продуктах горения, образуемых одновременно в результате кислородного горения и воздушного горения, в случае использования воздушных горелок (под термином «воздушная горелка» понимается горелка, в которой в качестве окислителя применяется воздух). На основании достигнутого уровня техники эта энергия, рекуперированная из газообразных продуктов горения, предназначалась исключительно для подогрева воздуха, поступающего в зону горения, т.е. воздуха, смешиваемого с горючим веществом непосредственно в горелке. И наоборот, согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, часть энергии, содержащейся в этом воздухе, нагреваемом при помощи средств рекуперации энергии газообразных продуктов горения, подается к средствам снабжения кислородных горелок горючим веществом и обогащенным кислородом окислителем для подогрева данного горючего вещества и данного окислителя (под термином «кислородная горелка» понимается горелка, в которой применяется обогащенный кислородом окислитель). Подогрев может осуществляться при помощи любых средств, обеспечивающих процесс теплообмена горячего воздуха с горючим веществом или окислителем.

Отмечалось, что энергия газообразных продуктов горения, образующихся в процессе кислородного горения, не могла рекуперироваться исключительно для нагревания воздуха, предназначенного для горения в воздушно-топливных горелках, если такие горелки присутствуют вместе с кислородно-топливными горелками. Действительно, расход воздуха контролируется и лимитируется мощностью и соотношением горения горючего вещества с содержанием воздуха при заданном воздушном горении. Кроме того, температура подогрева воздуха, поступающего в зону горения, ограничена качеством огнеупоров или других материалов системы рекуперации энергии в газообразных продуктах. Таким образом, в результате кислородного горения возникает увеличение энергии газообразных продуктов горения, и данная дополнительная энергия, содержащаяся в газообразных продуктах кислородного горения и выводимая из печи при помощи средств рекуперации, может быть рекуперирована путем подогрева воздуха, часть которого (или даже воздух в полном объеме в случае, если печь нагревается исключительно кислородными горелками) будет направляться к средствам подогрева горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя кислородных горелок.

В процессе нагревания холодного воздуха воздух доводится до максимальной температуры подогрева, обеспечивающей объем, соответствующий воздушному горению и подогреву кислорода и (или) горючего вещества для осуществления кислородного горения. По меньшей мере, одна часть воздуха, нагретого средствами рекуперации энергии, посредством прямого или косвенного теплообменника подается в устройства подогрева необходимого для горелок горючего вещества и (или) обогащенного кислородом окислителя. Под термином «косвенный теплообменник» понимается теплообменник, в котором для передачи теплоты горячего воздуха горючему веществу и (или) обогащенному кислородом окислителю используется инертный газ, при этом теплота горячего воздуха сначала передается инертному газу, который затем передает теплоту горючему веществу и (или) обогащенному кислородом окислителю. В качестве инертного газа могут использоваться, например, азот, аргон.

Горелки, в которых используют горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя, предпочтительно, устанавливают с одной и другой стороны печи, при этом нагретый при помощи средств рекуперации энергии воздух используют для подогрева горючего вещества и (или) окислителя, предназначенного для всех горелок, в которых осуществляется горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя.

Таким образом, изобретение может осуществляться, когда во всех горелках происходит горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя. В этом случае весь воздух, подогретый при помощи средств рекуперации энергии, предназначен для обеспечения теплообмена с горючим веществом и (или) обогащенным кислородом окислителем. Изобретение применимо, в частности, к горению, осуществляемому в стекловаренной печи.

Изобретение также относится к способу преобразования печи, оснащенной горелками, обеспечивающими горение горючего вещества и воздуха; средствами рекуперации энергии, в которых теплота газообразных продуктов горения рекуперируется для нагревания воздуха; средствами подачи в горелки горячего воздуха, а также к печи, в которой производится кислородное горение и в которой подача воздуха, по меньшей мере, в часть горелок заменяется подачей обогащенного кислородом окислителя; по меньшей мере, часть воздуха, нагретого при помощи средств рекуперации энергии, используется для подогрева подаваемых в горелки горючего вещества и (или) окислителя.

Преимуществом данного способа преобразования является возможность перехода печи от функционирования в режиме воздушного горения к функционированию, частично или полностью, в режиме кислородного горения с сохранением при этом конструктивных элементов существующей печи и использованием систем рекуперации энергии в газообразных продуктах горения для подогрева используемых в процессе кислородного горения кислорода и (или) горючего вещества с целью повышения энергетической эффективности установки. Таким образом, представляется возможным реализовать способ кислородного горения и воспользоваться его преимуществами (более высокой температурой горения и меньшими потерями энергии в газообразных продуктах горения, снижением NO_X и пыли) без необходимости внесения существенных изменений в конструкцию печи, в частности, в отношении удаления газообразных продуктов и, соответственно, без осуществления значительных капиталовложений.

В случае частичного преобразования печи кислородного горения и использования существующих регенераторов для подогрева кислорода и (или) горючего вещества сохраняется часть конструктивных элементов печи и ограничиваются конструктивные изменения, которые необходимо внести в систему удаления газообразных продуктов.

На фиг.1 проиллюстрирован способ согласно изобретению.

Печь 9 содержит в своей передней части кислородные горелки, в которые подается горючее вещество 4 и обогащенный кислородом окислитель 3; в своей задней части - горелки, в которые подается горючее вещество 6 и нагретый воздух 51; регенераторы 1, которые либо снабжаются поступающими из печи горячими газообразными продуктами 2 (регенератор 1), либо отдают обратно горячий воздух 5, 51 (регенераторы 11). Горячий воздух 5, подаваемый из регенераторов 11, либо используется в воздушных горелках в качестве воздуха 51, поступающего в зону горения, либо используется в кислородных горелках для подогрева при помощи теплообменников 6, 7 горючего вещества 4 и обогащенного кислородом окислителя 3. В данной конструкции горячий воздух 5, поступающий из рекуператоров 11, располагаемых только с одной стороны печи 9, обеспечивает, соответственно, снабжение и подогрев только горелок воздушного горения и кислородного горения, располагаемых с той же стороны печи, при этом горелки, устанавливаемые на другой стороне печи, не функционируют.

На фиг.2 (узел А на фиг.1) проиллюстрирован подогрев реагентов: горячий воздух 5, поступающий из регенераторов 11, последовательно подается в теплообменник 7 для нагревания обогащенного кислородом окислителя 3, а затем в теплообменник 6 для нагревания горючего вещества 4. Подогретый окислитель 31 и подогретое горючее вещество 41 затем вступают в контакт для осуществления кислородного горения.

На фиг.3 проиллюстрирован вариант способа, представленного на фиг.1, в котором регенераторы 11, осуществляющие нагрев воздуха, обеспечивают подачу горячего воздуха, используемого в качестве воздуха, поступающего в зону горения, в горелки воздушного горения и снабжение горячим воздухом для подогрева реагентов кислородных горелок, располагаемых с каждой стороны печи. Таким путем представляется возможным обеспечить непрерывное функционирование кислородных горелок с каждой стороны печи независимо от циклов регенераторов.

Настоящее изобретение относится к способу осуществления горения в печи, оснащенной средствами рекуперации энергии и горелками. Способ обеспечивает горение в печи, оснащенной средствами рекуперации энергии и горелками, в которой теплота газообразных продуктов горения рекуперируется при помощи средств рекуперации энергии, при этом эта рекуперированная теплота используется для нагревания воздуха. По меньшей мере, в части горелок обеспечивают горение горючего вещества (4) и обогащенного кислородом окислителя (3); по меньшей мере, часть воздуха (5), нагретого при помощи средств рекуперации энергии, используют для подогрева горючего вещества (4) и (или) обогащенного кислородом окислителя (3), предназначенных для горелок, в которых применяют горение горючего вещества (4) и обогащенного кислородом окислителя (3). В обогащенном кислородом окислителе концентрация кислорода составляет более 90% объема. По меньшей мере, в 10% горелок осуществляют горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя. Во всех горелках осуществляют горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя. При помощи теплообменника (6, 7) воздух (5), нагретый средствами рекуперации энергии, используют для подогрева горючего вещества (4) и (или) обогащенного кислородом окислителя, предназначенных для горелок (3), в которых используют горение горючего вещества (4) и обогащенного кислородом окислителя (3). Печь является стекловаренной печью. Горелки, в которых используют горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя, устанавливают с одной и другой стороны печи, при этом нагретый при помощи средств рекуперации энергии воздух используют для подогрева горючего вещества и (или) окислителя, предназначенного для всех горелок, в которых осуществляется горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя. Изобретение позволяет обеспечить, по меньшей мере, частично кислородное горение в печи, снабженной регенераторами или рекуператорами, рекуперирующими тепло газообразных продуктов горения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обеспечения горения в печи, оснащенной средствами рекуперации энергии и горелками, в которой теплота газообразных продуктов горения рекуперируется при помощи средств рекуперации энергии, при этом эта рекуперированная теплота используется для нагревания воздуха, отличающийся тем, что, по меньшей мере,
в части горелок обеспечивают горение горючего вещества (4) и обогащенного кислородом окислителя (3);
по меньшей мере, часть воздуха (5), нагретого при помощи средств рекуперации энергии, используют для подогрева горючего вещества (4) и (или) обогащенного кислородом окислителя (3), предназначенных для горелок, в которых применяют горение горючего вещества (4) и обогащенного кислородом окислителя (3).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в обогащенном кислородом окислителе концентрация кислорода составляет более 90% объема.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в 10% горелок осуществляет горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в 10% горелок осуществляет горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что во всех горелках осуществляет горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что во всех горелках осуществляет горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя.

7. Способ по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что при помощи теплообменника (6, 7) воздух (5), нагретый средствами рекуперации энергии, используют для подогрева горючего вещества (4) и (или) обогащенного кислородом окислителя, предназначенных для горелок (3), в которых используют горение горючего вещества (4) и обогащенного кислородом окислителя (3).

8. Способ по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что печь является стекловаренной печью.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что печь является стекловаренной печью.

10. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что горелки, в которых используют горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя, устанавливают с одной и другой стороны печи, при этом нагретый при помощи средств рекуперации энергии воздух используют для подогрева горючего вещества и (или) окислителя, предназначенного для всех горелок, в которых осуществляется горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что печь является стекловаренной печью.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что горелки, в которых используют горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя, устанавливают с одной и другой стороны печи, при этом нагретый при помощи средств рекуперации энергии воздух используют для подогрева горючего вещества и (или) окислителя, предназначенного для всех горелок, в которых осуществляется горение горючего вещества и обогащенного кислородом окислителя.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что печь является стекловаренной печью.

14. Способ преобразования печи, функционирующей при горении воздуха, в печь, функционирующую частично или полностью при кислородном горении, причем печь содержит
кислородные горелки, осуществляющие горение горючего вещества и воздуха;
средства рекуперации энергии, в которых теплота газообразных продуктов горения рекуперируется для нагревания воздуха;
средства обеспечения горелок горячим воздухом,
отличающийся тем, что подачу воздуха, по меньшей мере, к части горелок заменяют подачей окислителя, обогащенного кислородом;
при этом, по меньшей мере, часть воздуха, нагретого при помощи средств рекуперации энергии, используют для подогрева горючего вещества и (или) обогащенного кислородом окислителя, предназначенных для горелок, в которых подача воздуха заменена подачей обогащенного кислородом окислителя.