СПОСОБ СЖИГАНИЯ НИЗКОКАЧЕСТВЕННОГО ТОПЛИВА Российский патент 2015 года по МПК F23C5/00 

Изобретение относится к способу сжигания топлива в печи. В частности, изобретение относится к способу сжигания низкокачественного топлива.

На заводах, в которых для производства стали и других металлов используются промышленные печи, зачастую в качестве побочных продуктов производят различные низкокачественные газообразные топлива. Одним из примеров является так называемый доменный газ из доменных печей, используемых при производстве стали. Другим примером является конвертер отходящих газов. Такие низкокачественные топлива обычно содержат смесь соединений, содержащих, к примеру, различные углеводороды, азот, кислород, водород, оксид углерода, диоксид углерода и водяной пар. Часто из-за ограниченной плотности энергии в таких видах топлива они обычно используются для процессов с низкой температурой, таких как отопление, или на электростанциях. Кроме того, их можно смешивать с топливами с более высокой плотностью энергии.

Поскольку такие низкокачественные виды топлива часто получают в изобилии, например, на сталеплавильных заводах, в силу чего они сравнительно недороги, было бы желательно иметь возможность использовать их более широко также и в высокотемпературных процессах, в которых обычно требуются высококачественные топлива. Сегодня они зачастую сжигаются и без пользы выбрасываются в атмосферу.

Наиболее близким решение является способ, описанный в (US 003945942 A1, 23.03.1976), в котором раскрыт способ сжигания топлива с использованием существующей воздушной горелки, при этом воздушная горелка содержит первое подающее отверстие для топлива и второе подающее отверстие для воздуха, причем подающие отверстия открываются в зону горения.

Настоящее изобретение решает описанные выше проблемы.

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу сжигания топлива с использованием существующей воздушной горелки, при этом воздушная горелка содержит первое подающее отверстие для топлива и второе подающее отверстие для воздуха, причем подающие отверстия открываются в зону горения, и отличающемуся тем, что газообразное топливо с низшей теплотой сгорания (НТС) менее 7,5 МДж/Нм³ подают через второе подающее отверстие, и тем, что окислитель с содержанием кислорода по меньшей мере 85 весовых процентов также подают в зону горения через устройство подачи окислителя, и тем, что газообразное топливо сжигают с окислителем в зоне горения.

В дальнейшем изобретение будет подробно описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления изобретения и на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой упрощенную схему воздушной горелки, используемой в способе согласно настоящему изобретению, а фиг.2 представляет собой упрощенную схему доменной печи и промышленной печи, расположенных на одном сталеплавильном заводе.

Таким образом, на фиг.1 показана обычная воздушная горелка 1, которая в обычном режиме эксплуатации используется для нагрева промышленной печи. Воздушная горелка 1 установлена в стене 2 промышленной печи. В обычном режиме эксплуатации воздушная горелка 1 служит для сжигания топлива в зоне 3 горения с помощью окислителя, которым является воздух. Во время такого обычного режима эксплуатации топливо подается воздушной горелкой 1 через подающий канал 4 в зону 3 горения через подающее отверстие 5 для топлива. Воздух подают соответствующим образом через соответствующий подающий канал 6 и соответствующие подающие отверстия 7 для воздуха.

Воздушная горелка 1 может также иметь и иную конструкцию, причем эти конструкции как таковые являются обычными, например, с одним или несколькими подающими отверстиями для топлива и с одним или более подающими отверстиями для воздуха. Для обычного режима эксплуатации может использоваться жидкое или газообразное топливо. Обычным топливом служит высококачественное или среднекачественное топливо, например сжиженный нефтяной газ, природный газ или коксовый газ.

Согласно изобретению, воздушная горелка 1 не эксплуатируется с обычным высококачественным или среднекачественным топливом, но вместо этого работает на газообразном низкокачественном топливе, например доменном газе из доменной печи.

В таблице 1 представлено сравнение типового содержания различных компонентов, с одной стороны, в среднекачественном топливе, например коксовом газе, а с другой стороны, низкокачественном топливе, например доменном газе из доменной печи, а также отходящем газе из конвертера. Все значения приведены в объемных процентах.

Таблица 1   N₂ O₂ H₂ CO CO₂ CH₄ CmHn H₂O Коксовый газ 3,5 0,55 60 7,5 2,35 23,5 2,4 0,2 Доменный газ 52,5 0,55 2,3 23,5 20 - - 1,15 Отходящий газ 17,2 0,1 2,5 64,5 15,6 - - 0,1

В таблице 2 представлено сравнение нижней теплоты сгорания (НТС) коксового газа, доменного газа из доменной печи и отходящего газа из конвертера.

Таблица 2   НТС (МДж/Нм³) НТС (МДж/кг) Коксовый газ 17,9 8,2 Доменный газ 3,2 4,3 Отходящий газ 7,5 10,4

Согласно изобретению, обычная воздушная горелка 1 работает на газообразном топливе, НТС которого равна или менее 7,5 МДж/Нм³.

Топливо может содержать определенную примесь другого, более высокого качества топлива, при этом НТС смеси не превышает 7,5 МДж/Нм³. Однако по соображениям затратности предпочтительно не примешивать высококачественные топлива перед сжиганием.

Чтобы компенсировать низкую теплоту сгорания топлива по сравнению с традиционно используемым топливом, в обычной воздушной горелке 1 в качестве окислителя используют не воздух, а окислитель, имеющий более высокое содержание кислорода, чем воздух. Предпочтительно, окислитель содержит по меньшей мере 85 весовых процентов кислорода, и наиболее предпочтительно по меньшей мере 95 весовых процентов кислорода.

При сжигании низкокачественного газообразного топлива с таким окислителем, может быть достигнута температура пламени и объем дымового газа, по существу, соответствующие тем, что получают во время обычного сжигания высококачественного топлива при соответствующей мощности горения. Таким образом, низкокачественное недорогое топливо типа доменного газа из доменных печей можно использовать для нагрева промышленных печей с соблюдением соответствующих результатов технологического процесса. Предпочтительно, особенно в случае с доменным газом, чтобы количество топлива, подаваемого в единицу времени, по существу соответствовало количеству воздуха, подаваемого в обычном режиме работы воздушной горелки. Другими словами, предпочтительно, чтобы количество низкокачественного топлива, подаваемого в единицу времени при определенной заданной мощности горения, составляло 0,5 до 2,0, более предпочтительно от 0,5 до 1,5 раз количества воздуха в обычном режиме работы воздушной горелки при той же мощности горения. Особенно предпочтительно, чтобы количество низкокачественного топлива, подаваемого в единицу времени при определенной заданной мощности горения, было таким же, что и количество воздуха (±10 объемных процентов), подаваемого в обычном режиме работы воздушной горелки при той же мощности горения.

Согласно изобретению, низкокачественное топливо подают в зону 3 горения через обычное подающее отверстие 7 для воздуха. Также предпочтительно, хотя и не обязательно, чтобы подача в подающее отверстие 7 происходила через существующий подающий канал 6 для воздуха. Поскольку объемный расход низкокачественного топлива на единицу мощности относительно близок к расходу воздушного потока на единицу мощности при сжигании обычного высококачественного топлива, обычный подающий канал 6 и обычное подающее отверстие или подающие отверстия 7 для воздуха могут быть использованы без каких-либо серьезных модификаций, возможно, безо всяких модификаций. В результате обычная воздушная горелка 1 может быть переоборудована для работы на низкокачественном недорогом топливе вместо обычного высококачественного топлива без каких-либо изменений, требующих затратных монтажных работ.

Кроме того, это дает возможность гибко подбирать режим работы в зависимости от наличия различных видов топлива.

В зону 3 горения также подают окислитель, и низкокачественное топливо сжигают в ней вместе с окислителем.

Согласно первому предпочтительному варианту осуществления, окислитель подают через существующее подающее отверстие 5 для топлива, предпочтительно через существующий подающий канал 4 для топлива.

Согласно второму предпочтительному варианту осуществления, окислитель подают в зону 3 горения через дополнительное подающее устройство 8, подающее отверстие которого расположено на удалении от обоих существующих подающих отверстий для топлива 5 и для воздуха 7, и предпочтительно расположено на удалении от отверстия воздушной горелки 1. В результате это дает то преимущество, что одна и та же существующая воздушная горелка может быть приспособлена для получения либо нормального пламени, либо беспламенного горения, за счет размещения нескольких различных точек инжекции для подачи окислителя в зону 3 горения.

Согласно третьему предпочтительному варианту осуществления, окислитель подают частично через существующее подающее отверстие 5 для топлива, что дополняется подачей через подающее устройство 8 в достаточно большой степени для достижения требуемых стехиометрических условий в зоне 3 горения.

Окислитель подают предпочтительно через фурму, приспособленную для подачи окислителя. Такая фурма может, например, устанавливаться для работы внутри существующего подающего канала 4 для топлива, открывающегося на место рядом с существующим подающим отверстием 5 для топлива. В качестве альтернативного либо дополнительного варианта, дополнительно установленное подающее устройство 8 может содержать такую фурму.

Кроме того, высококачественное или среднекачественное топливо предпочтительно инжектируют в зону 3 горения при наддуве на начальном этапе работы предлагаемой изобретением горелки 1, которое там воспламеняется для запуска реакции горения между низкокачественным топливом и окислителем. Инжектирование может осуществляться через существующую воздушную горелку 1, например, путем открытия существующего подающего отверстия 7 для воздуха или через существующее подающее отверстие 5 для топлива.

Если воздушная горелка 1 содержит рекуператор (не показан), который как таковой имеет обычную конструкцию, для отвода тепловой энергии на подогрев воздуха для горения, подаваемого через подающее отверстие 7, также предпочтительно, чтобы рекуператор во время работы согласно изобретению был подключен к потоку подаваемого низкокачественного топлива, так чтобы топливо предварительно нагревалось. В результате улучшается экономика сжигания без затратного внедрения дополнительных установок.

На фиг.2 схематически показана промышленная печь 14, нагреваемая с помощью обычной воздушной горелки 1. Во время работы согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, окислитель с высоким содержанием кислорода подают из устройства 12 подачи окислителя на горелку 1 через канал 13, и он поступает в зону горения, как описано выше. Топливо подают на горелку 1 из доменной печи 10 через другой канал 11. Топливо, которое подают из доменной печи 10, состоит из доменного газа, который получают во время работы доменной печи 10. Этот доменный газ смешивают с дополнительным газообразным топливом, предпочтительно одним или несколькими низкокачественными видами топлива. Предпочтительно, чтобы не менее половины энергии сгорания, поступающей из горелки 1, генерировалось доменным газом из доменной печи.

Кроме того, предпочтительно, чтобы по меньшей мере половина или, что более предпочтительно, все низкокачественное топливо или топлива, сжигаемые в горелке 1, производилось и, следовательно, было получено или получены при эксплуатации оборудования, размещенного на том же промышленном предприятии, на котором установлена для работы горелка 1. Особенно предпочтительно, чтобы топливо состояло из доменного газа, получаемого при эксплуатации доменной печи 10, расположенной на том же промышленном предприятии, что и горелка 1.

Такой способ приводит к тому, что отбор энергии происходит в пределах того же предприятия, но также и к тому, что общие эксплуатационные расходы предприятия могут быть ограничены и потребность в дорогостоящей транспортировке может быть снижена.

Предпочтительно, чтобы горелка 1 работала на нагрев промышленной печи 14 до температуры, превышающей 500°C, более предпочтительно превышающей 700°С, наиболее предпочтительно превышающей 800°C. Предпочтительно также, чтобы промышленная печь 14 эксплуатировалась в качестве одного из нескольких этапов производства или обработки металла, предпочтительно стали. Особенно предпочтительно, чтобы промышленная печь 14 составляла или образовывала печь с шагающим подом, линию отжига, либо использовалась на этапе подогрева ковшей.

Выше были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения. Однако для специалиста в данной области техники очевидно, что в описанные варианты осуществления могут быть внесены многочисленные изменения в пределах сущности изобретения.

К примеру, несколько различных типов установок того же класса, что и доменная печь, работающих на низкокачественном газообразном топливе, могут быть соединены с одной или несколькими обычными воздушными горелками.

Таким образом, изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, а может изменяться в пределах объема формулы изобретения.

Способ сжигания топлива с использованием существующей воздушной горелки (1), при этом воздушная горелка (1) содержит первое подающее отверстие (5) для топлива и второе подающее отверстие (7) для воздуха, причем подающие отверстия (5, 7) открываются в зону горения (3). Изобретение, отличающееся тем, что газообразное топливо с НТС (низшей теплотой сгорания) менее 7,5 МДж/Нм³ подают через второе подающее отверстие (7) и тем, что окислитель, содержащий по меньшей мере 85 весовых процентов кислорода, также подают в зону (3) горения через устройство подачи окислителя, а также тем, что газообразное топливо сжигают с окислителем в зоне (3) горения. Изобретение направлено на снижение затрат при процессах сжигания топлива. 9 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Способ сжигания топлива с использованием существующей воздушной горелки (1), при этом воздушная горелка (1) содержит первое подающее отверстие (5) для топлива и второе подающее отверстие (7) для воздуха, причем подающие отверстия (5, 7) открываются в зону (3) горения, отличающийся тем, что газообразное топливо с НТС (низшей теплотой сгорания) менее 7,5 МДж/Нм³ подают через второе подающее отверстие (7), и тем, что окислитель, содержащий по меньшей мере 85 весовых процентов кислорода, также подают в зону (3) горения через устройство подачи окислителя, причем газообразное топливо сжигают с окислителем в зоне (3) горения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство подачи окислителя содержит фурму, выполненную с возможностью подачи окислителя.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что фурма расположена на удалении от обоих существующих первого (5) и второго (7) подающих отверстий в воздушной горелке (1) и тем, что окислитель подают полностью или частично с помощью фурмы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство подачи окислителя расположено таким образом, что окислитель подают полностью или частично через существующее первое подающее отверстие (5) для топлива в воздушной горелке (1).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакция горения между окислителем и низкокачественным топливом нагревает промышленную печь (14).

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество подаваемого топлива в единицу времени на определенной заданной мощности соответствует количеству воздуха, который подают в единицу времени при обычном режиме работы воздушной горелки (1).

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на начальном этапе высококачественное или среднекачественное топливо вводят через воздушную горелку (1) и сжигают в зоне (3) горения так, чтобы запустилось горение низкокачественного топлива.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере половина топлива должна состоять из доменного газа из доменной печи (10).

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что дымовые газы получают при эксплуатации доменной печи (10), размещенной на том же промышленном предприятии, что и воздушная горелка (1).

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что существующий рекуператор, который в нормальном режиме эксплуатации воздушной горелки (1) используют для предварительного подогрева воздуха для горения, вместо этого используют для предварительного подогрева топлива.