ТЕРМОХИМЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАГРЕВОМ ОКИСЛИТЕЛЯ Российский патент 2019 года по МПК C01B3/34 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к сгоранию в печах, таких как стекловаренные печи, печи для нагрева и/или плавки металлов и руд; мусоросжигательные печи; цементообжигательные печи; и т.п., причем материал подается в печь и нагревается и/или FFF плавится под действием тепла от сгорания, которое происходит внутри печи.

Предпосылки создания изобретения

В патенте США № 6,113,874 описаны способы рекуперации тепла, пригодные для использования в печах с регенераторами, в которых поток продуктов сгорания, образующихся в печи, пропускают через первый регенератор для нагрева первого регенератора и охлаждения продуктов сгорания, а затем часть охлажденных продуктов сгорания объединяют с топливом для образования смеси, которую пропускают через второй нагретый регенератор, причем смесь подвергается эндотермической реакции с образованием синтетического газа, который затем проходит в печь и сжигается.

В данном патенте упоминается, что часть продуктов сгорания («дымовой газ») может отводиться из печи и пропускаться через отдельный регенератор для нагрева этого отдельного регенератора, после чего через этот нагретый отдельный регенератор могут пропускать технически чистый кислород для нагрева кислорода, который затем подают из регенератора в печь для сжигания.

Однако автором настоящего изобретения было обнаружено, что то количество продуктов сгорания при сгорании синтетического газа, полученного из смеси CH₄, рециклированного дымового газа и чистого O₂ в качестве окислителя, поступающих из печи в этот отдельный регенератор, по отношению к количеству продуктов сгорания, поступающих из печи в первый или второй регенераторы, используемые для обеспечения тепла для эндотермической реакции с образованием синтетического газа, которое в настоящем патенте названо «оптимальным», не является оптимальным в плане повышения общей эффективности эксплуатации. Действительно, автор настоящего изобретения установил, что можно значительно повысить эффективность и утилизацию энергии за счет использования условий, которые не излагаются или не предполагаются в содержащемся в настоящем патенте описании пропорционального распределения потоков продуктов сгорания в отдельный регенератор относительно потоков в первый и второй регенераторы. Действительно, автор настоящего изобретения определил лучшее основание для пропорционального распределения потоков продуктов сгорания в отдельный регенератор относительно потоков в первый и второй регенераторы и установил оптимальное пропорциональное распределение этих потоков продуктов сгорания. Более того, автор настоящего изобретения нашел предпочтительный способ распределения потоков продуктов сгорания в регенераторы относительно потоков в первый и второй регенераторы для разных количеств рециклированного дымового газа в смеси с топливом для реформинга.

Краткое изложение сущности изобретения

Один аспект настоящего изобретения представляет собой способ выполнения сжигания в печи, включающий в себя

(A) сжигание топлива в печи для образования газообразных продуктов сгорания, и

(B) поочередное (1) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор и через него для нагрева первого регенератора и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор и через него для нагрева второго регенератора и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга и (то есть с одним или более из) по меньшей мере части охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного первого регенератора, по меньшей мере части охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного второго регенератора или по меньшей мере части охлажденных газообразных продуктов сгорания из обоих из указанных первого и второго регенераторов в нагретый третий регенератор,

(iv) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга в эндотермической реакции в третьем регенераторе при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение третьего регенератора вследствие этой реакции,

(v) пропускание газообразного окислителя в нагретый четвертый регенератор и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения четвертого регенератора, и

(vi) пропускание указанного синтетического газа из указанного третьего регенератора в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из четвертого регенератора в печь и сжигание синтетического газа и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при одновременном поддержании (C1), (C2) или как (C1), так и (C2):

(C1) поддержание отношения молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора, к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора, на уровне от 45 : 55 до 65 : 35;

(C2) поддержание разности температур продуктов сгорания, поступающих из указанных первого и второго регенераторов, на уровне 149°C (300 F) или ниже; и

(2) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный третий регенератор и через него для нагрева третьего регенератора и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный четвертый регенератор и через него для нагрева четвертого регенератора и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга и (то есть с одним или более из) по меньшей мере части охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного третьего регенератора, по меньшей мере части охлажденных газообразных продуктов сгорания из указанного четвертого регенератора или по меньшей мере части охлажденных газообразных продуктов сгорания из обоих из указанных третьего и четвертого регенераторов в нагретый первый регенератор,

(iv) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга в эндотермической реакции в первом регенераторе при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение первого регенератора вследствие этой реакции,

(v) пропускание газообразного окислителя в нагретый второй регенератор и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения второго регенератора, и

(vi) пропускание указанного синтетического газа из указанного первого регенератора в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из второго регенератора в печь и сжигание синтетического газа и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при одновременном поддержании (D1), (D2) или как (D1), так и (D2):

(D1) поддержание отношения молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора, к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора, на уровне от 45 : 55 до 65 : 35;

(D2) поддержание разности температур продуктов сгорания, поступающих из указанных первого и второго регенераторов, на уровне 149°C (300 F) или ниже.

В предпочтительном варианте осуществления данного аспекта изобретения в конце этапов (B)(1)(iii) и (B)(1)(v) потоки указанного топлива для реформинга в указанный третий регенератор и указанного окислителя в указанный четвертый регенератор прекращаются, а газообразные продукты сгорания из печи протекают через указанные третий и четвертый регенераторы, так что синтетический газ из третьего регенератора и окислитель из четвертого регенератора вытесняются в печь и полностью сжигаются, а в конце этапов (B)(2)(iii) и (B)(2)(v) потоки указанного топлива для реформинга в указанный первый регенератор и указанного окислителя в указанный второй регенератор прекращаются, а газообразные продукты сгорания из печи протекают через указанные первый и второй регенераторы, так что синтетический газ из первого регенератора и окислитель из второго регенератора вытесняются в печь и полностью сжигаются.

Другой аспект осуществления настоящего изобретения представляет собой способ выполнения сжигания в печи, включающий в себя

(A) сжигание топлива в печи для образования газообразных продуктов сгорания, и

(B) поочередное (1) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор и через него для нагрева первого регенератора и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор и через него для нагрева второго регенератора и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга в нагретый третий регенератор и через него для нагрева топлива для реформинга и охлаждения третьего регенератора,

(iv) пропускание газообразного окислителя в нагретый четвертый регенератор и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения четвертого регенератора, и

(v) пропускание указанного нагретого топлива для реформинга из указанного третьего регенератора в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из четвертого регенератора в печь и сжигание указанного нагретого топлива для реформинга и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при одновременном поддержании (C1), (C2) или как (C1), так и (C2):

(C1) поддержание отношения молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора, к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора, на уровне менее 65 : 35 и по меньшей мере 45 : 55;

(C2) поддержание разности температур продуктов сгорания, поступающих из указанных первого и второго регенераторов, на уровне 149°C (300 F) или ниже; и

(2) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный третий регенератор и через него для нагрева третьего регенератора и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный четвертый регенератор и через него для нагрева четвертого регенератора и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга в нагретый первый регенератор для нагрева топлива для реформинга и охлаждения первого регенератора,

(iv) пропускание газообразного окислителя в нагретый второй регенератор и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения второго регенератора, и

(v) пропускание указанного нагретого топлива для реформинга из указанного первого регенератора в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из второго регенератора в печь и сжигание указанного нагретого топлива для реформинга и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при одновременном поддержании (D1), (D2) или как (D1), так и (D2):

(D1) поддержание отношения молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора, к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора, на уровне менее 65 : 35 и по меньшей мере 45 : 55;

(D2) поддержание разности температур продуктов сгорания, поступающих из указанных первого и второго регенераторов, на уровне 149°C (300 F) или ниже.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего аспекта изобретения в конце этапа (B)(1)(iii) поток указанного топлива для реформинга в указанный третий регенератор прекращается, а газообразные продукты сгорания из указанной печи протекают или продолжают протекать через указанный третий регенератор в печь для уменьшения количества находящейся в третьем регенераторе сажи, и при этом в конце этапа (B)(2)(iii) поток указанного топлива для реформинга в указанный первый регенератор прекращается, а газообразные продукты сгорания из указанной печи протекают или продолжают протекать через указанный первый регенератор в печь для уменьшения количества сажи, находящейся в первом регенераторе.

Под выражениями «по меньшей мере часть» или «некоторое количество» понимается количество, превышающее 0% и меньшее или равное 100%.

Краткое описание графических материалов

На Фиг. 1-3 схематически представлены разные аспекты настоящего изобретения.

На Фиг. 4 и 5 представлены графики температуры дымового газа в зависимости от отношений расходов дымового газа, полученных в соответствии с приведенным ниже примером.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение может использоваться в печах, таких как стекловаренные печи, печи для нагрева и/или плавки металлов и руд; мусоросжигательные печи; цементообжигательные печи; и т.п., причем материал подается в печь и нагревается и/или плавится под действием тепла от сгорания, которое происходит внутри печи. Сгорание происходит в процессе реакций между топливом, которым может быть любой горючий газообразный углеводород или распыленный жидкий углеводород (предпочтительно содержащий соединения C1-C4, такие как метан), а также синтетический газ, получаемый согласно описанию в настоящем документе, и газообразным окислителем, который включает в себя воздух и любую газообразную смесь, содержащую больше кислорода, чем воздух. На приложенной Фиг. 1 добавления топлива и окислителя, которые могут происходить, представлены на видах 11A и 11B соответственно.

Настоящее изобретение особенно подробно описано в настоящем документе в отношении предпочтительного типа печи, а именно такого, где используется процесс рекуперации тепла, в котором полезное тепло извлекается из выпускных потоков дымового газа с высокой температурой. Данный процесс рекуперации тепла состоит из двух циклов, которые в настоящем документе называются циклом отвода и циклом реформинга. Эти два цикла выполняются поочередно в двух или более регенераторах, заполненных насадками. Процесс рекуперации тепла предпочтительно осуществляют в сочетании с печами и другими камерами сгорания с применением «кислородно-топливных» процессов сжигания, то есть сжигания топлива с газообразным окислителем, содержащим по меньшей мере 50% об. кислорода, предпочтительно - по меньшей мере 80% об. кислорода, более предпочтительно - по меньшей мере 90% об. кислорода и даже по меньшей мере 99% об. кислорода, поскольку дымовые газы, образующиеся при сгорании кислородно-топливной смеси, имеют более высокие концентрации H₂O и CO₂, оба из которых поддерживают реакции эндотермического реформинга, которые используются в способе по настоящему изобретению. В течение цикла отвода насадки в первом регенераторе извлекают и сохраняют тепло дымового газа с высокой температурой, который подается из печи в данный регенератор и через него. Затем в цикле реформинга часть (которую в настоящем документе называют рециклированным дымовым газом, или RFG) охлажденного дымового газа, который выходит из первого регенератора, подается в другой регенератор и смешивается с потоком топлива (которое в настоящем документе называют топливом для реформинга, или RF). Для наглядности в представленном ниже описании в качестве топлива для реформинга описан чистый метан (CH₄). Другие подходящие виды топлива для реформинга включают в себя любой горючий газ, содержащий значительную концентрацию углеводородов, смесь газов или испаренные жидкие топлива, включая, без ограничений, природный газ, пропан и сжиженный нефтяной газ (СНГ). Виды топлива, преимущественно содержащие H₂ и CO, такие как генераторный газ, получаемый при газификации угля, непригодны для использования в качестве топлива для реформинга. Таким образом, топливо для реформинга должно содержать по меньшей мере 25% об. одного или более газообразных углеводородов с формулой CH₄ и/или C_XH_Y, где X равно 2-4, а Y составляет от X до (4X-2). В цикле реформинга смесь из RFG и топлива для реформинга поступает во второй регенератор, в котором насадка уже нагрета, как описано в настоящем документе, и протекает через регенератор к печи. Температура смеси RFG/RF, проходящей через второй регенератор, продолжает расти по мере извлечения тепла из предварительно нагретой насадки. По мере прохождения через второй регенератор смесь RGF/RF достигает температуры, при которой начинаются и продолжают проходить реакции термической диссоциации и реформинга, продукты которых включают в себя H₂ и CO. Эти реакции являются эндотермическими, и необходимое для их поддержания тепло поглощается из нагретой насадки. Реакции термической диссоциации топлива известны как реакции крекинга, в результате которых образуются многие топливные продукты, такие как H₂, C₂H₂, C₂H₄ и сажа. В результате реакций реформинга образуется газообразная композиция, которая обычно содержит один или более компонентов, таких как таких как H₂, CO, и непрореагировавшие газы, содержащие H₂O, CO₂ и CH₄. Полученную таким способом газообразную композицию в настоящем документе также называют «синтетическим газом». Смесь газообразных продуктов выходит из второго регенератора в печь, где горючие газообразные компоненты сгорают под воздействием окислителя с выделением тепловой энергии, которая используется для нагрева и/или плавки материала в печи. В процессе этого сгорания вместе с газообразными продуктами может также сгорать часть любой находящейся сажи.

Как более подробно описано ниже, газообразный окислитель для сжигания в печи нагревают перед подачей в печь. Окислитель нагревают путем его пропускания в предварительно нагретый регенератор и через него. В то же время часть образовавшихся в печи газообразных продуктов сгорания пропускают из печи через другой регенератор для нагрева этого регенератора.

Через некоторое время два регенератора меняются циклами, т.е. регенератор, который использовался в цикле отвода, переключается в цикл реформинга, а регенератор, который использовался в цикле реформинга, переключается в цикл отвода. Перед сменой циклов поток топлива для реформинга прекращается, а поток RFG (рециклированного дымового газа, то есть рециклированных газообразных продуктов сгорания) продолжает движение до тех пор, пока часть или весь объем остаточного топлива для реформинга и синтетического газа в регенераторе не будут продуты из регенератора и сгорят в печи. Как дополнительно описано ниже, этот этап продувки также служит для удаления сажи, отложившейся на поверхностях насадок в регенераторе, поскольку сажа взаимодействует с RFG и переходит в газообразное состояние. После этой смены циклов регенератор, который был нагрет исходящим дымовом газом, переключается, начиная нагрев поступающего окислителя, а регенератор, который использовался для нагрева поступающего окислителя, переключается таким образом, что выходящий из печи дымовой газ проходит через него для повторного нагрева для дальнейшего использования при нагреве окислителя. Еще через некоторое время две пары регенераторов снова меняются циклами. Периодичность смены циклов можно определять по времени, прошедшему с момента предыдущей смены циклов, или по другим критериям, таким как температура дымового газа, выходящего из первого регенератора, работающего в цикле отвода. Процесс смены циклов выполняется согласно предварительно определенным механизму и плану, в соответствии с которыми клапаны открываются и закрываются в определенное время.

Ниже описаны управление и контроль в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на Фиг. 1-3. Примером служит стекловаренная печь (10) с торцевыми горелками, оснащенная двумя регенераторами в торцевой стенке (3).

Как показано на Фиг. 1, стекловаренная печь (10) с торцевыми горелками оснащена загрузочной станцией (20), через которую в печь загружают сырье (30) для нагрева и плавки, содержащее твердые материалы стекольной шихты (которые называют шихтой и/или стеклобоем). Поток расплавленного стекла на выходе из печи (10) обозначен элементом (90). Печь (10) оборудована первым регенератором (100), расположенным с левой стороны печи, и вторым регенератором (200), расположенным с правой стороны печи. Виды в вертикальном поперечном сечении двух регенераторов более подробно показаны на Фиг. 2 и 3.

Показанный на Фиг. 2 регенератор (200) находится в цикле отвода, в котором поток (50) дымового газа из внутренней части печи (10) поступает во входной проход (240), а затем протекает в верхний отдел (530) регенератора (200) мимо анализатора (250) кислорода. Поток дымового газа нагревает насадки (обозначены элементом (520)), когда он проходит по каналам между насадками внутри регенератора (200), а затем попадает в нижний отдел (500) через газовые каналы (515), поддерживаемые на арке (510), которая также удерживает вес всего слоя насадок. Как показано на Фиг. 1, часть (52) дымовых газов, образовавшихся в печи (10), можно пустить в обход по трубопроводу (70) через частично открытый клапан (350) и далее в дымоход (340) на выход, то есть этот дымовой газ не вернется в печь, а вместо этого будет выпущен в атмосферу, и/или направлен на одну или более других станций для хранения и/или дополнительной обработки, или поступит на любую комбинацию из таких назначений. Для максимальной рекуперации тепла предпочтительно, чтобы клапан (350) был закрыт, чтобы по существу весь дымовой газ печи поступал на регенератор (200) в виде потока (50) дымового газа.

Как показано на Фиг. 1 и 2, охлажденный поток (201) дымового газа выходит из регенератора (200) в трубопровод (260), проходит через открытый клапан (210) и датчик (310) кислорода, а затем поступает на сторону всасывания вентилятора (300). Большая часть дымового газа (301), покидая сторону нагнетания вентилятора, проходит через заслонку (330), затем через расходомер (332) и, наконец, направляется в дымоход (340), через который дымовой газ покидает систему, как определено в настоящем документе. Часть (303) дымового газа рециклируется в нижнюю часть регенератора (100) посредством пропускания через трубопровод (320) и клапан (360). Это рециклированный дымовой газ (RFG). Его расход измеряют расходомером (322). Топливо для реформинга, которое должно подаваться на второй регенератор (100), поступает по трубопроводу (130) через клапан (120).

Подходящие виды топлива для реформинга включают в себя метан (предпочтителен), а также любой другой горючий газ, смесь газов или испаренные жидкие топлива, включая, без ограничений, природный газ, пропан и сжиженный нефтяной газ (СНГ).

Как показано на Фиг. 3, топливо для реформинга (RF) из трубопровода (130) пересекается и смешивается с RFG (303) в точке (127) в трубопроводе (128), который, в свою очередь, соединен с нижним отделом (400) регенератора (100). Данная смесь RFG/RF поступает в предварительно нагретую систему (420) насадок регенератора (100) через газовые каналы (415) на арке (410). Регенератор (100) уже был нагрет в предыдущем цикле посредством пропускания дымового газа из печи в регенератор (100) и через него. Температура смеси RFG/RF возрастает по мере прохождения через систему насадок регенератора (100). Когда температура RFG/RF становится достаточно высокой, начинают происходить реакции термической диссоциации и эндотермические реакции реформинга, в процессе которых топливо для реформинга (например, CH₄) взаимодействует с CO₂ и H₂O в RFG с образованием CO, H₂ и, возможно, некоторого количества сажи. Необходимое для эндотермических реакций диссоциации и реформинга тепло отбирается от нагретых насадок. Реакция реформинга продолжается, в то время как смесь RFG/RF продвигается к верхнему отделу (430). Поток (425) газов (называемый в настоящем документе «подвергнувшийся реформингу» поток газа или поток «синтетического газа») выходит из верхней части системы (420) насадок. Поток (425) имеет высокую температуру и включает в себя такие соединения, как CO, H₂, непрореагировавший CH₄ и непрореагировавшие CO₂ и H₂O. Поток (425) проходит через входной проход (140) и датчик (150) кислорода и поступает в печь (10). Этот поток покидает систему (420) насадок с температурами, которые, например, находятся в диапазоне от 982°C до 1371°C (от 1800 F до 2500 F).

В этом рабочем цикле, как показано на Фиг. 1 и 3, нагретый окислитель для сжигания синтетического газа подается в печь (10) через трубопровод (135). Окислитель может представлять собой воздух или может иметь большее содержание кислорода, чем воздух, т.е. по меньшей мере 21% об., предпочтительно - не менее 80% об., более предпочтительно - не менее 90% об. или даже по меньшей мере 99% об. Окислитель подается из подходящего источника, такого как резервуар для хранения или установка разделения воздуха (примеры которых известны и доступны в продаже), через трубопровод (605) в нагретый регенератор (600) и через него. Регенератор (600) может иметь обычную конструкцию и принцип работы, при которых система (691) насадок поддерживается на арке (692), через которую проходят газовые каналы (693), благодаря которым газ протекает между системой (691) насадок и нижним отделом (694). В этом рабочем цикле газообразный окислитель поступает из линии (606) в нижний отдел (694), в систему (691) насадок и через нее, в верхний отдел (695) и в линию (135). Окислитель нагревается в регенераторе (600) и проходит из регенератора (600) в трубопровод (135) и в печь. Клапан (115) открыт, что позволяет потоку окислителя поступать в линию (606), по которой окислитель проходит в регенератор (600). Клапан (620), который регулирует поток дымового газа через регенератор (600) и из него в трубопровод (610), который соединен с входом (стороной всасывания) вентилятора (300), в этом цикле закрыт. В другом цикле, описанном в настоящем документе, положения клапанов меняются на противоположные, и дымовой газ течет из линии (135) в регенератор (600) и через него по противоположному пути в линию (606).

В этом рабочем цикле, как показано на Фиг. 1 и 2, некоторая часть газообразных продуктов сгорания (дымового газа) проходит из печи (10) в трубопровод (235), а затем в регенератор (700) и через него. Регенератор (700) может иметь обычную конструкцию и принцип работы, при которых система (791) насадок поддерживается на арке (792), через которую проходят газовые каналы (793), благодаря которым газ протекает между системой (791) насадок и нижним отделом (794). Этот поток продуктов сгорания из линии (235) нагревает регенератор (700). Продукты сгорания охлаждаются и выходят из регенератора (700) посредством трубопровода (710), а затем поступают на вход (сторону всасывания) вентилятора (300). Клапан (720), который регулирует поток дымового газа через регенератор (700) и из него в трубопроводы (710) и (721), в этом цикле открыт, а клапан (225), который регулирует поток окислителя из подходящего источника, такого как резервуар для хранения или установка разделения воздуха, из трубопровода (705) в нагретый регенератор (700) и через него на следующий цикл, закрыт. В другом цикле, описанном в настоящем документе, положения клапанов меняются на противоположные, а дымовой газ течет из линии (237) в регенератор (700) и через него по противоположному пути в линию (235) и в печь (10).

Как правило, в процессе рекуперации тепла один из регенераторов (100) и (200) работает в цикле отвода, а один из этих регенераторов - в цикле реформинга, как показано на Фиг. 1, и один из регенераторов (600) и (700) окислителя работает в режиме нагрева окислителя, а один повторно нагревается проходящим через него дымовым газом в течение приблизительно от 20 до 40 минут или до тех пор, пока насадки в регенераторе реформинга не остынут настолько, что перестанут обеспечивать достаточное количество тепла для поддержания требуемых эндотермических химических реакций. В этот момент, если продолжать описание, представленное в настоящем документе, где регенератор (200) находился в цикле отвода, регенератор (100) находился в цикле реформинга, а окислитель нагревался в регенераторе (600) и подавался в печь, когда газообразные продукты сгорания выходили из печи (10) и нагревали регенератор (700), в работе печи (10) происходит смена циклов, при которой регенератор (200) переключается на цикл реформинга для рекуперации тепла, регенератор (100) переключается на цикл отвода для аккумулирования тепла, регенератор (600) переключается на прием дымового газа для повторного нагрева регенератора (600), а регенератор (700) переключается на прием и нагрев окислителя, проходящего через него в печь.

Перед сменой циклов оставшаяся в регенераторе (100) часть синтетического газа и оставшаяся в регенераторе (600) часть окислителя должны продуваться в печь (10). В этом случае подача топлива для реформинга в регенератор (100) и подача окислителя в регенератор (600) прекращаются сначала посредством закрытия клапана (120) и клапана (115) соответственно и открытия клапана (365) линии продувки окислителя, чтобы RFG от вентилятора (300) протекал по линиям (320) и (305) через клапан (365) в линию (606). Оставшаяся в регенераторе (100) часть синтетического газа и оставшаяся в регенераторе (600) часть окислителя продуваются с помощью RFG в течение установленного времени для вытеснения в печь и полного сгорания всего или почти всего количества синтетического газа в регенераторе (100) и всего или почти всего количества окислителя в регенераторе (600). Протекание или продолжающийся поток газообразных продуктов сгорания через регенераторы (100) и (600) также способствует удалению сажи, которая могла накопиться внутри регенераторов в качестве побочного продукта реакций реформинга и/или термического крекинга веществ, подаваемых в регенераторы. Удаление сажи происходит посредством реакций газификации с реагентами, которые могут присутствовать в газообразных продуктах сгорания (RFG), такими как O2, диссоциированные соединения кислорода, углекислый газ и/или водяной пар.

После смены циклов дымовой газ из печи проходит через регенератор (100), и часть его проходит в выпускную трубу (как определено в настоящем документе), а другая часть или остаток смешивается с топливом, и смесь проходит через регенератор (200) в печь. Клапан (110), находившийся в закрытом положении, теперь открыт, клапан (210) закрыт, клапан (360) закрыт, а клапан (380), находившийся в закрытом положении, теперь открыт, что позволяет дымовому газу проходить из регенератора (100) к вентилятору (300) и через него, а части (303) данного дымового газа проходить в регенератор (200) после его смешивания с топливом (230) для реформинга, которое поступает через клапан (220), который раньше был закрыт, а теперь открыт. Клапан (115), находившийся в открытом положении, теперь закрыт, поскольку на данной фазе не происходит сжигания с участием окислителя, поступающего через клапан (115), а клапан (225) открыт. Полученная смесь топлива для реформинга и рециклированного дымового газа вступает в регенераторе (200) в эндотермические реакции реформинга, которые проходили в предыдущем цикле в регенераторе (100), как описано в настоящем документе, с получением синтетического газа, который проходит во входной проход (240) и через него и затем в печь (10), где сжигается с помощью окислителя из трубопровода (237), который был нагрет после подачи через клапан (225). Кроме того, после смены циклов дымовой газ проходит через регенератор (600), а поток окислителя через регенератор (600) перекрывается, тогда как поток дымового газа из печи через регенератор (700) перекрывается и начинается движение потока окислителя через регенератор (700) в печь. Клапаны (115) и (720) закрыты, а клапаны (620) и (225) открыты.

Перед сменой циклов оставшаяся в регенераторе (200) часть синтетического газа и оставшаяся в регенераторе (700) часть окислителя должны продуваться в печь (10). В этом случае подача топлива для реформинга в регенератор (200) и подача окислителя в регенератор (700) прекращаются сначала посредством закрытия клапана (220) и клапана (225) соответственно и открытия клапана (385) линии продувки окислителя, чтобы RFG от вентилятора (300) протекал из линии (301) через линию (307) в линии (710) и (701). Оставшаяся в регенераторе (200) часть синтетического газа и оставшаяся в регенераторе (700) часть окислителя продуваются с помощью RFG в течение установленного времени для вытеснения в печь и полного сгорания практически всего количества синтетического газа в регенераторе (200) и всего количества окислителя в регенераторе (700).

Таким образом, можно видеть, что в одном цикле рециклированный дымовой газ (721), который подается с топливом (130) для реформинга в регенератор (100), может содержать рециклированный дымовой газ из регенератора (200), рециклированный дымовой газ из регенератора (700) или рециклированный дымовой газ из обоих регенераторов (200) и (700). В другом цикле рециклированный дымовой газ (610), который подается с топливом (230) для реформинга в регенератор (200), может содержать рециклированный дымовой газ из регенератора (100), рециклированный дымовой газ из регенератора (600) или рециклированный дымовой газ из обоих регенераторов (100) и (600).

В течение процесса рекуперации тепла печь (10) может поджигаться вместе с другими горелками, такими как элементы (60) и (65), таким образом, чтобы как пламя (40) от синтетического газа, так и пламя (62) и (64) от горелок существовали одновременно. Кроме того, горелки (60) и (65) могут поджигаться или не поджигаться в течение процесса смены циклов, когда работавший в цикле реформинга регенератор (100) или (200), в зависимости от обстоятельств, подвергается описанной выше последовательности продувки. Для максимальной рекуперации тепла предпочтительно, чтобы горелки (60) и (65) не горели одновременно с пламенем (40) синтетического газа. Также предпочтительно, чтобы горелки (60) и (65) не горели в течение последовательности продувки.

В настоящем изобретении вышеописанное устройство используется с достижением непредвиденных целей при эксплуатации в соответствии с руководящими принципами, которые ранее не были признаны.

Как показано, в каждом цикле газообразные продукты сгорания отводятся из печи и параллельно пропускаются через каждый из пары регенераторов, причем одна часть газообразных продуктов сгорания пропускается через регенератор для подачи тепла на регенератор, который в следующем цикле будет нагревать смесь газообразных продуктов сгорания и топлива, подвергаемых реформингу в ходе реакции эндотермического реформинга, а другая часть газообразных продуктов сгорания пропускается через регенератор для подачи тепла на регенератор, который в следующем цикле будет нагревать газообразный окислитель, который пропускается через регенератор в печь.

Было неожиданно обнаружено, что в каждом таком цикле пара регенераторов, через которые пропускаются газообразные продукты сгорания, должна эксплуатироваться таким образом, чтобы обеспечить поддержание любого или обоих наборов условий. Один набор условий заключается в том, что отношение молярного расхода газообразных продуктов сгорания, выходящих из регенератора, который будет использоваться для обеспечения тепла для эндотермической реакции в следующем цикле, к молярному расходу газообразных продуктов сгорания, выходящих из регенератора, который будет использоваться для предварительного нагрева окислителя, который будет нагреваться и подаваться в печь в следующем цикле, должно поддерживаться таким образом, чтобы это отношение составляло меньше 70 : 30, когда молярное отношение RFG/RF равно 1 : 1, а отношение молярного расхода дымового газа к молярному расходу смеси RFG/RF равно 2 : 1. Предпочтительно, чтобы это отношение было меньше 65 : 45 и по меньшей мере 55 : 45. Более предпочтительным диапазоном для данного отношения является (57-65) : (43-35).

В противоположность предшествующей идее патента США № 6,113,874, автор настоящего изобретения также обнаружил, что более эффективной является эксплуатация регенератора реформинга при молярном отношении RFG/RF ниже 0,5 или даже в отсутствие потока RFG, т. е. при молярном отношении RFG/RF, равном 0, когда подаваемый в печь окислитель нагревается в отдельном регенераторе, который был нагрет путем протекания через него дымового газа из печи. Без смешивания RFG с RF никакие реакции реформинга происходить не могут; однако некоторые из компонентов топлива подвергаются крекингу с образованием водорода, C₂H₄, C₂H₂, сажи и многих других соединений. Эти реакции крекинга также являются эндотермическими и способствуют рекуперации тепла в газообразные соединения из регенератора. Без смешивания рециклированного дымового газа с «топливом для реформинга» отношение молярного расхода газообразных продуктов сгорания, выходящих из регенератора, который использовался для нагрева регенератора и, таким образом, обеспечивает тепло для эндотермической реакции в следующем цикле, к молярному расходу газообразных продуктов сгорания, выходящих из регенератора, который использовался для предварительного нагрева окислителя, который будет нагреваться и подаваться в печь в следующем цикле, должно поддерживаться таким образом, чтобы это отношении было меньше 65 : 35. Предпочтительно, чтобы это отношение было меньше 60 : 40, а более предпочтительно по меньшей мере 50 : 50. Более предпочтительным диапазоном для данного отношения является (55-60) : (45-40).

Особенным преимуществом является то, что общее количество продуктов сгорания, выходящих из печи, образовано количествами в двух каналах, подающих продукты сгорания в регенераторы. Требуемое соотношение соответствующих молярных расходов можно контролировать и получать с помощью подходящих измерительных устройств в трубопроводе, размещенных после каждого регенератора, и с помощью надлежащей установки клапанов, регулирующих расход газов в каждом трубопроводе. Например, в одном цикле этими молярными расходами являются расходы в трубопроводах (201) и (710), так что (как уже будет понятно из описания в настоящем документе и из Фиг. 1-3) требуемые регулировки расходов достигаются путем установки клапанов (210) и (720) в положения между полным проходом и полным перекрытием, которые позволяют обеспечить требуемые расходы, благодаря которым достигались бы требуемые отношения молярных расходов или требуемые относительно близкие температуры соответствующих потоков, как описано в настоящем документе. Аналогичным образом в другом цикле этими молярными расходами являются расходы в трубопроводах (128) и (621), так что регулирование осуществляется путем установки клапанов (110) и (620).

Другой набор условий, который следует поддерживать в соответствии с настоящим изобретением, заключается в том, что температуры потоков газообразных продуктов сгорания, выходящих из каждой пары регенераторов, через которые продукты сгорания проходят в каждом чередующемся цикле (то есть, со ссылкой на Фиг. 1, регенераторы (200) и (700) в одном цикле и регенераторы (100) и (600) в другом цикле), должны находиться в пределах 149°C (300 F) или менее относительно друг друга, предпочтительно в пределах 93°C (200 F), а более предпочтительно в пределах 38°C (100 F) или менее относительно друг друга. Иными словами, разность температур между этими двумя потоками газообразных продуктов сгорания должна составлять 149°C (300 F) или менее, предпочтительно 93°C (200 F) или менее, а более предпочтительно 38°C (100 F) или менее. Как показано на Фиг. 1, это относится к разности температур потоков (201) и (710) в одном цикле и к разности температур потоков (128) и (621) в другом цикле. Эти температуры можно легко измерить и сопоставить с помощью обычного оборудования, которое доступно в продаже. Одним преимущественным способом поддержания соответствующих разностей температур в пределах указанной близости друг к другу является регулирование молярных расходов каждого из потоков продуктов сгорания, поступающих из печи в каждый регенератор и через него, который нагревается продуктами сгорания в данном цикле.

В настоящем документе приведены типичные температуры для эксплуатации изобретения со стекловаренной печью. Температуры могут быть несколько ниже при эксплуатации изобретения с другими типами печей, такими как печи повторного нагрева стали.

Со ссылкой на цикл, описанный в отношении Фиг. 1-3, поток (240) дымового газа, поступающий в регенератор (200), обычно имеет температуру от 1371°C до 1649°C (от 2500 F до 3000 F), а поток (201), выходящий из регенератора (200), обычно имеет температуру от 260°C до 538°C (от 500 F до 1000 F). Поток (235), поступающий в регенератор (700), также обычно имеет температуру от 137°C до 1649°C (от 2500 F до 3000 F), а поток (701), выходящий из регенератора (700), обычно имеет температуру от 260°C до 538°C (от 500 F до 1000 F). Поток (128) смеси рециклированного дымового газа и топлива для реформинга, поступающий в регенератор (100), обычно имеет температуру от 149°C до 538°C (от 300 F до 1000 F), а поток (140) продукта, подвергнувшегося реформингу, обычно имеет температуру от 982°C до 1316 °C (от 1800 F до 2400 F). Поток (606) окислителя, поступающий в регенератор (600), обычно имеет температуру -18 градусов C (нуль градусов F) или температуру окружающей среды, до 38°C (100 F). Поток (135) нагретого окислителя, выходящий из регенератора (600), обычно имеет температуру от 982°C до 1316°C (от 1800 F до 2400 F).

Ожидается, что температуры внутри регенератора будут расти и падать на протяжении каждого цикла, и в разных местах внутри регенераторов температуры будут различаться. При типичной эксплуатации изобретения со стекловаренной печью в цикле, показанном на Фиг. 1-3, температуры внутри регенератора (200) в начале цикла могут составлять порядка от 260°C до 482°C (от 500 F до 900 F) в нижней части регенератора и от 982°C до 1260°C (от 1800 F до 2300 F) в верхней части, и к концу цикла можно ожидать их повышения до температур порядка от 316°C до 538°C (от 600 F до 1000 F) в нижней части и от 1038°C до 1316°C (от 1900 F до 2400 F) в верхней части. В этом же цикле температуры внутри регенератора (700) в начале цикла могут составлять порядка от 260°C до 482°C (от 500 F до 900 F) в нижней части регенератора и от 982°C до 1260°C (от 1800 F до 2300 F) в верхней части, и к концу цикла можно ожидать их повышения до температур порядка от 316°C до 538°C (от 600 F до 1000 F) в нижней части и от 1038°C до 1260°C (от 1900 F до 2300 F) в верхней части. В этом же цикле температуры внутри регенератора (100) в начале цикла могут составлять порядка от 316°C до 538°C (от 600 F до 1000 F) в нижней части регенератора и от 1038°C до 1316°C (от 1900 F до 2400 F) в верхней части, и к концу цикла можно ожидать их понижения до температур порядка от 260°C до 482°C (от 500 F до 900 F) в нижней части и от 982°C до 1260°C (от 1800 F до 2300 F) в верхней части. В этом же цикле температуры внутри регенератора (600) в начале цикла могут составлять порядка от 316°C до 538°C (от 600 F до 1000 F) в нижней части регенератора и от 1038°C до 1316°C (от 1900 F до 2400 F) в верхней части, и к концу цикла можно ожидать их понижения до температур порядка от 260°C до 482°C (от 500 F до 900 F) в нижней части и от 982°C до 1260°C (от 1800 F до 2300 F) в верхней части.

Эти значения можно ожидать, если смена циклов происходит приблизительно каждые 20 минут. При более редкой смене циклов можно ожидать, что разность между температурами в начале и в конце каждого цикла (38°C (100 F) в данном примере) будет больше, и даже в два раза (т.е. приблизительно 93°C (200 F)) больше этих значений, если смена циклов осуществляется вдвое реже, то есть каждые 40 минут.

ПРИМЕР

В таблице ниже показаны приблизительные значения расхода газов на одну единицу молярного расхода топлива (CH₄ или природный газ [ПГ]) для печи для варки тарного стекла, в которой в качестве сырья используется 30% стеклобоя и 70% шихты. При нагревании и плавке сырья образуется приблизительно один моль шихтовых газов в печи на один моль топлива, подаваемого в печь. Шихтовые газы представляют собой преимущественно CO₂, образованный в результате разложения карбонатных материалов в шихте, и H₂O, испарившуюся из влаги в шихте и стеклобое, которые подаются в печь. Расход дымового газа (5 молей) из стекловаренной печи, оснащенной системой термохимического регенератора, описанной в настоящем документе, включая регенераторы (100) и (200) (называемые в данном примере «TCR»), в которых используется рециклированный дымовой газ (RFG), намного больше расхода дымового газа (3 моля), который образуется в результате сгорания топлива (CH₄) и чистого O₂.

Приблизительные отношения (молярных) расходов газов Топливо (CH₄) 1 Окислитель (100% O₂) 2 Дымовой газ в результате сгорания (CO₂ + 2H₂O) 3 Шихтовые газы (CO₂, H₂O) 1 Дымовой газ без RFG 4 Рециклированный дымовой газ (RFG) 1 Дымовой газ с RFG 5

Для нахождения оптимального отношения расхода дымового газа из печи в термохимический регенератор (TCR) и в регенераторы (600) и (700) O₂ были созданы две отдельные модели теплообменника - одна для термохимического регенератора, а другая для регенератора O₂. Максимальная рекуперация тепла из дымового газа, т. е. наиболее эффективная работа, достигается при сведении к минимуму общей физической теплоты, содержащейся в двух потоках дымового газа, выходящих из двух регенераторов. На Фиг. 4 и 5 представлены графики температур дымового газа на выходе из термохимических регенераторов и из регенераторов O₂, а также средней температуры объединенного потока, образованного при смешивании двух потоков после выхода из регенераторов (т. е. средневзвешенной температуры дымового газа по молярному расходу) в зависимости от части (в молярных процентах) общего потока дымового газа, направленного в термохимические регенераторы. Температура дымового газа на выходе из термохимических регенераторов повышается по мере увеличения количества дымового газа, направляемого в термохимические регенераторы. С другой стороны, температура дымового газа на выходе из регенераторов O₂ понижается по мере увеличения расхода потока дымового газа в термохимические регенераторы. Поскольку общая физическая теплота в объединенном потоке приблизительно пропорциональна средней температуре объединенного потока, оптимальное отношение расхода потока дымового газа в термохимические регенераторы находится в точке, в которой средняя температура дымового газа становится минимальной.

На Фиг. 4 представлен случай, когда RFG/ПГ = 1 (молярный). Оптимальное отношение расхода потока (т. е. молярная процентная доля) дымового газа, который подается в термохимический регенератор с подачей остатка дымового газа в регенератор O₂, при которой достигается наименьшая средняя температура объединенных потоков дымового газа на выходе, в этом случае составляет приблизительно 62%. Она меняется незначительно, когда отношение расхода потока дымового газа в термохимический регенератор находится в диапазоне от 55 до 70% и ниже приблизительно 427°C (приблизительно 800 F) в данном примере. Когда отношение расхода потока дымового газа в термохимический регенератор составляет 55%, температура дымового газа на выходе из регенератора O₂ приблизительно на 149°C (приблизительно на 300 F) выше температуры дымового газа на выходе из термохимического регенератора. Когда отношение расхода потока дымового газа в термохимический регенератор составляет 70%, температура дымового газа на выходе из регенератора O₂ приблизительно на 300 F ниже температуры дымового газа на выходе из термохимического регенератора. Когда отношение расхода потока дымового газа в термохимический регенератор составляет приблизительно 61%, температуры дымового газа на выходе из обоих регенераторов равны. Эта точка очень близка к оптимальному расходу. Поскольку проще и надежнее измерять температуру с помощью термопары, чем измерять расход дымового газа, содержащего клейкие твердые частицы, предпочтительным способом в настоящем изобретении является нахождение близкого к оптимальному отношения расхода потока газа путем измерения температуры дымового газа на выходе или температуры в нижнем отделе каждого регенератора и регулирования расходов потоков в термохимический регенератор и регенератор O₂ до тех пор, пока разность двух температур не будет находиться в пределах приблизительно 149°C (приблизительно 300 F), предпочтительно в пределах 93°C (200 F), а более предпочтительно в пределах 38°C (100 F). Альтернативно для нахождения минимальной температуры дымового газа можно использовать одну термопару, расположенную в нисходящем трубопроводе, после полного смешивания двух потоков дымового газа. Однако данный способ не чувствителен к изменениям расходов потока в термохимический регенератор и регенератор O₂.

На Фиг. 5 представлен случай, когда рециклированный дымовой газ вообще не используется для реакций реформинга (т. е. RFG/RF = 0). Оптимальное отношение расхода потока в термохимический регенератор, который обеспечивает наименьшую среднюю температуру объединенных потоков дымового газа на выходе в этом примере составляет приблизительно 58%. Средняя температура объединенных потоков дымового газа на выходе меняется незначительно, когда отношение расхода потока дымового газа в термохимический регенератор находится в диапазоне от 50 до 65%, и в данном случае составляет ниже приблизительно 427°C (приблизительно 800 F). Когда отношение расхода потока дымового газа в термохимический регенератор составляет 50%, температура дымового газа на выходе из регенератора O₂ приблизительно на 38°C (приблизительно на 100 F) выше температуры дымового газа на выходе из термохимического регенератора. Когда отношение расхода потока дымового газа в термохимический регенератор составляет 65%, температура дымового газа на выходе из регенератора O₂ приблизительно на 260°C (приблизительно на 500 F) ниже температуры дымового газа на выходе из термохимического регенератора. Когда отношение расхода потока дымового газа в термохимический регенератор составляет приблизительно 53%, температуры дымового газа на выходе из обоих регенераторов равны. Эта точка на 5% меньше оптимального расхода, но эффективность рекуперации тепла очень близка к эффективности при оптимальном расходе.

Таким образом, практический способ нахождения близкого к оптимальному отношения расхода потока дымового газа, найденный для предыдущего случая, применим также и к данному случаю.

Примеры выше показывают, что оптимальное отношение расхода потока зависит от состава топлива, состава окислителя, отношения RFG/ПГ и отношения шихта/стеклобой. Однако было обнаружено, что для значительного изменения отношения RFG/ПГ от 0 до 1 оптимальное отношение потока является аналогичным.

Было установлено, что такая эксплуатация, при которой обеспечивается поддержание отношения молярных расходов потоков продуктов сгорания, поступающих в соответствующие регенераторы, или поддержание указанной контролируемой разности температур потоков продуктов сгорания, выходящих из соответствующих регенераторов, или поддержание обоих соотношений (т. е. отношения молярных расходов и разности температур потоков в соответствии с описанием), позволяет достичь высокой рекуперации тепла и эффективности утилизации энергии (сохранение и повторное использование в каждом регенераторе), которые превышают показатели, которые, по-видимому, предлагаются или имеются на известном уровне, например, в вышеупомянутом патенте США № 6,113,874, из которого следует, что для оптимальной тепловой эффективности требуется эксплуатация в условиях, которые при анализе соответствуют вышеупомянутому отношению молярных расходов, равному не менее 70 : 30. Однако настоящее изобретение является тем более неожиданным, что в вышеупомянутом патенте не придавалось особого значения ни этому отношению молярных расходов, ни значимости соотношения между температурами соответствующих потоков продуктов сгорания.

В предыдущих разделах настоящее изобретение описано при предпочтительных условиях, когда все количество топлива, такого как метан (CH₄), и все количество окислителя, такого как технически чистый (по меньшей мере 99,9% об.) кислород, которые вводятся в печь, нагреваются или подвергаются реформингу в регенераторах. Для случаев, когда некоторая часть топлива и/или некоторая часть окислителя вводятся в печь без нагрева или реформинга в регенераторах, и для случаев, когда концентрация кислорода в окислителе составляет менее 99,9%, оптимальное отношение молярных расходов газообразных продуктов сгорания (дымовой газ) из печи через первый и второй регенераторы и оптимальное отношение молярных расходов газообразных продуктов сгорания из третьего и четвертого регенераторов (для прохождения в регенераторы реформинга и предварительного нагрева окислителя) отклоняются от оптимальных отношений для вышеупомянутых предпочтительных условий. Например, если 30% окислителя для сжигания подается в печь непосредственно без предварительного нагрева (например, для поэтапного сгорания с целью снизить выбросы NOx), расход потока окислителя в регенераторы предварительного нагрева окислителя снижается на эти 30%. В этом случае расход потока дымового газа в регенераторы предварительного нагрева окислителя следует уменьшить приблизительно на 20-25%, а расход потока дымового газа в регенератор реформинга следует увеличить на это количество. Таким образом, увеличиваются оптимальные отношения молярного расхода потока дымового газа из печи через первый регенератор к молярному расходу через второй регенератор и молярного расхода через третий регенератор к молярному расходу через четвертый регенератор для прохождения в регенераторы реформинга и предварительного нагрева окислителя. Противоположный пример относится к использованию окислителя низкой чистоты. Если чистота кислорода в окислителе, используемом в способе изобретения, составляет, например, 80% об., и все количество окислителя подвергается предварительному нагреву в регенераторах, то расход окислителя будет на 25% больше, чем в случае использования чистого кислорода в качестве окислителя. В этом случае расход потока дымового газа в регенераторы предварительного нагрева окислителя следует увеличить приблизительно на 30-35%, а расход потока дымового газа в регенератор реформинга следует уменьшить на это же количество. Таким образом, уменьшаются оптимальное отношение молярного расхода потока дымового газа из печи через первый регенератор к молярному расходу через второй регенератор и оптимальное отношение молярного расхода потока через третий регенератор к молярному расходу через четвертый регенератор для прохождения в регенератор реформинга и в регенераторы предварительного нагрева окислителя.

Эти примеры показывают, что оптимальное отношение молярных расходов потоков дымового газа из печи в регенератор реформинга и в регенераторы предварительного нагрева окислителя может значительно варьировать в зависимости от количества и состава топлива, рециклированных газообразных продуктов сгорания (RFG) и окислителя, доступных для предварительного нагрева/реформинга в регенераторах. Таким образом, практическим и предпочтительным способом в настоящем изобретении является установление требуемого отношения расходов потоков путем измерения температур дымового газа, выходящего из соответствующих регенераторов (или измерения температур на выходе из регенераторов, что соответствует температурам самих потоков газа), и путем регулирования расходов потоков, поступающих в первый и второй регенераторы (в одном цикле), и потоков, поступающих в третий и четвертый регенераторы (в другом цикле), до тех пор пока разность этих двух температур не будет находиться в пределах приблизительно 149°C (приблизительно 300 F), предпочтительно в пределах 93°C (200 F), а более предпочтительно в пределах 38°C (100 F).

Изобретение может быть использовано в металлургических, стекловаренных, мусоросжигательных и цементообжигающих печах. Процесс рекуперации тепла состоит из двух циклов – цикла отвода тепла и цикла реформинга, выполняемых поочередно в двух и более регенераторах, заполенных насадками. В течение цикла отвода насадки в первом регенераторе извлекают и сохраняют тепло дымового газа с высокой температурой, который подают из печи через данный регенератор. Затем в цикле реформинга часть охлажденного дымового газа, который выходит из первого регенератора, подают в другой регенератор и смешивают с потоком топлива для реформинга. Во втором регенераторе на нагретой насадке происходит термическая диссоциация смеси из охлажденного дымового газа и топлива. В результате эндотермической реакции образуются топливные продукты H₂, C₂H₂, C₂H₄ и сажа, а насадка регенератора охлаждается. Смесь газообразных продуктов выходит из второго регенератора в печь, где сгорает под воздействием окислителя с выделением тепловой энергии, используемой для нагрева или плавки материала в печи. Через некоторое время два регенератора меняются циклами, т.е. регенератор, используемый в цикле отвода, переключается в цикл реформинга, а регенератор, который использовался в цикле реформинга, переключается в цикл отвода. Перед сменой циклов поток топлива для реформинга прекращается, а поток рециклированного дымового газа продолжается до тех пор, пока часть или весь объем отстаточного топлива для реформинга и синтез-газа не будут продуты из регенератора и не сгорят в печи. Предложенное изобретение обеспечивает утилизацию энергии отходящих дымовых газов и повышение эффективности эксплуатации печи. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ выполнения сжигания в печи, включающий в себя

(A) сжигание топлива в печи для образования газообразных продуктов сгорания, и

(B) поочередное (1) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор (100) и через него для нагрева первого регенератора (100) и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор (200) и через него для нагрева второго регенератора (200) и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга с охлажденными газообразными продуктами сгорания из указанного первого регенератора (100), с охлажденными газообразными продуктами сгорания из указанного второго регенератора (200) или с охлажденными газообразными продуктами сгорания из обоих из указанных первого (100) и второго (200) регенераторов в нагретый регенератор (600),

(iv) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга в эндотермической реакции в регенераторе (600) при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение регенератора (600) вследствие этой реакции,

(v) пропускание газообразного окислителя в нагретый регенератор (700) и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения регенератора (700), и

(vi) пропускание указанного синтетического газа из указанного регенератора (600) в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из регенератора (700) в печь и сжигание синтетического газа и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при поддержании разности температур продуктов сгорания, выходящих из указанных первого (100) и второго (200) регенераторов, на уровне 149°С (300°F) или менее; и

(2) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный регенератор (600) и через него для нагрева регенератора (600) и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный регенератор (700) и через него для нагрева регенератора (700) и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга с охлажденными газообразными продуктами сгорания из указанного регенератора (600), с охлажденными газообразными продуктами сгорания из указанного регенератора (700) или с охлажденными газообразными продуктами сгорания из обоих из указанных регенераторов (600) и (700) в нагретый первый регенератор (100),

(iv) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга в эндотермической реакции в первом регенераторе (100) при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение первого регенератора (100) вследствие этой реакции,

(v) пропускание газообразного окислителя в нагретый второй регенератор (200) и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения второго регенератора (200), и

(vi) пропускание указанного синтетического газа из указанного первого регенератора (100) в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из второго регенератора (200) в печь и сжигание синтетического газа и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при поддержании разности температур продуктов сгорания, выходящих из указанных регенераторов (600) и (700), на уровне 149°С (300°F) или менее.

2. Способ выполнения сжигания в печи, включающий в себя

(A) сжигание топлива в печи для образования газообразных продуктов сгорания, и

(B) поочередное (1) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор (100) и через него для нагрева первого регенератора (100) и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор (200) и через него для нагрева второго регенератора (200) и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга с охлажденными газообразными продуктами сгорания из указанного первого регенератора (100), с охлажденными газообразными продуктами сгорания из указанного второго регенератора (200) или с охлажденными газообразными продуктами сгорания из обоих из указанных первого (100) и второго (200) регенераторов в нагретый регенератор (600),

(iv) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга в эндотермической реакции в регенераторе (600) при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение регенератора (600) вследствие этой реакции,

(v) пропускание газообразного окислителя в нагретый регенератор (700) и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения регенератора (700), и

(vi) пропускание указанного синтетического газа из указанного регенератора (600) в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из регенератора (700) в печь и сжигание синтетического газа и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при поддержании отношения молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора (100), к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора (200), на уровне от 45:55 до 65:35; и

(2) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный регенератор (600) и через него для нагрева регенератора (600) и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный регенератор (700) и через него для нагрева регенератора (700) и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга с охлажденными газообразными продуктами сгорания из указанного регенератора (600), с охлажденными газообразными продуктами сгорания из указанного регенератора (700) или с охлажденными газообразными продуктами сгорания из обоих из указанных регенераторов (600) и (700) в нагретый первый регенератор (100),

(iv) взаимодействие газообразных продуктов сгорания и топлива для реформинга в эндотермической реакции в первом регенераторе (100) при условиях, способствующих образованию синтетического газа, содержащего водород и окись углерода, и охлаждение первого регенератора (100) вследствие этой реакции,

(v) пропускание газообразного окислителя в нагретый второй регенератор (200) и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения второго регенератора (200), и

(vi) пропускание указанного синтетического газа из указанного первого регенератора (100) в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из второго регенератора (200) в печь и сжигание синтетического газа и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при поддержании отношения молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного регенератора (600), к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного регенератора (700), на уровне от 45:55 до 65:35.

3. Способ выполнения сжигания в печи, включающий в себя

(A) сжигание топлива в печи для образования газообразных продуктов сгорания, и

(B) поочередное (1) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор (100) и через него для нагрева первого регенератора (100) и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор (200) и через него для нагрева второго регенератора (200) и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга в нагретый регенератор (600) и через него для нагрева топлива для реформинга и охлаждения регенератора (600),

(iv) пропускание газообразного окислителя в нагретый регенератор (700) и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения регенератора (700), и

(v) пропускание указанного нагретого топлива для реформинга из указанного регенератора (600) в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из регенератора (700) в печь и сжигание указанного нагретого топлива для реформинга и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при поддержании разности температур продуктов сгорания, выходящих из указанных первого (100) и второго (200) регенераторов, на уровне 149°С (300°F) или менее; и

(2) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный регенератор (600) и через него для нагрева регенератора (600) и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный регенератор (700) и через него для нагрева регенератора (700) и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга в нагретый первый регенератор (100) для нагрева топлива для реформинга и охлаждения первого регенератора (100),

(iv) пропускание газообразного окислителя в нагретый второй регенератор (200) и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения второго регенератора (200), и

(v) пропускание указанного нагретого топлива для реформинга из указанного первого регенератора (100) в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из второго регенератора (200) в печь и сжигание указанного нагретого топлива для реформинга и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при поддержании разности температур продуктов сгорания, выходящих из указанных первого (100) и второго (200) регенераторов, на уровне 149°С (300°F) или менее.

4. Способ выполнения сжигания в печи, включающий в себя

(A) сжигание топлива в печи для образования газообразных продуктов сгорания, и

(B) поочередное (1) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный первый регенератор (100) и через него для нагрева первого регенератора (100) и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный второй регенератор (200) и через него для нагрева второго регенератора (200) и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга в нагретый регенератор (600) и через него для нагрева топлива для реформинга и охлаждения регенератора (600),

(iv) пропускание газообразного окислителя в нагретый регенератор (700) и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения регенератора (700), и

(v) пропускание указанного нагретого топлива для реформинга из указанного регенератора (600) в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из регенератора (700) в печь и сжигание указанного нагретого топлива для реформинга и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при поддержании отношения молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора (100), к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора (200), на уровне менее 65: 35 и более 45: 55; и

(2) (i) пропускание первого количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный регенератор (600) и через него для нагрева регенератора (600) и охлаждения указанного первого количества газообразных продуктов сгорания,

(ii) пропускание второго количества газообразных продуктов сгорания из печи в охлажденный регенератор (700) и через него для нагрева регенератора (700) и охлаждения указанного второго количества газообразных продуктов сгорания,

(iii) пропускание топлива для реформинга в нагретый первый регенератор (100) для нагрева топлива для реформинга и охлаждения первого регенератора (100),

(iv) пропускание газообразного окислителя в нагретый второй регенератор (200) и через него для нагрева газообразного окислителя и охлаждения второго регенератора (200), и

(v) пропускание указанного нагретого топлива для реформинга из указанного первого регенератора (100) в указанную печь, пропускание указанного нагретого газообразного окислителя из второго регенератора (200) в печь и сжигание нагретого топлива для реформинга и указанного нагретого газообразного окислителя в печи;

при поддержании отношения молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора (100), к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора (200), на уровне менее 65:35 и более 45:55.

5. Способ по п. 1, 2, 3 или 4, в котором указанное топливо для реформинга представляет собой природный газ.

6. Способ по п. 2, в котором молярное отношение охлажденных газообразных продуктов сгорания к топливу для реформинга на одном или на обоих этапах (B)(1)(iii) и (B)(2)(iii) составляет от 0,5 до 1,5, и указанное отношение молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора (100), к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора (200), составляет от 55:45 до 65:35.

7. Способ по п. 2, в котором молярное отношение охлажденных газообразных продуктов сгорания к топливу для реформинга на одном или на обоих этапах (В)(1)(iii) и (B)(2)(iii) составляет до 0,5, и указанное отношение молярного расхода указанного первого количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного первого регенератора (100), к молярному расходу указанного второго количества охлажденных газообразных продуктов сгорания, которое поступает из указанного второго регенератора (200), составляет от 50:50 до 60:40.

8. Способ по п. 1, 2, 3 или 4, в котором указанный газообразный окислитель содержит от 80 до 100% об. 0₂.

9. Способ по п. 1 или 2, в котором в конце этапов (B)(1)(iii) и (B)(1)(v) потоки указанного топлива для реформинга в указанный регенератор (600) и указанного окислителя в указанный регенератор (700) прекращаются, а газообразные продукты сгорания из печи протекают через указанные регенераторы (600) и (700), так что синтетический газ из регенератора (600) и окислитель из регенератора (700) вытесняются в печь и полностью сжигаются, и при этом в конце этапов (B)(2)(iii) и (B)(2)(v) потоки указанного топлива для реформинга в указанный первый регенератор (100) и указанного окислителя в указанный второй регенератор (200) прекращаются, а газообразные продукты сгорания из печи протекают через указанные первый (100) и второй (200) регенераторы, так что синтетический газ из первого регенератора (100) и окислитель из второго регенератора (200) вытесняются в печь и полностью сжигаются.

10. Способ по п. 3 или 4, в котором в конце этапов (B)(1)(iii) и (B)(1)(iv) потоки указанного топлива для реформинга в указанный регенератор (600) и указанного окислителя в указанный регенератор (700) прекращаются, а газообразные продукты сгорания из печи протекают через указанные регенераторы (600) и (700), так что синтетический газ из регенератора (600) и окислитель из регенератора (700) вытесняются в печь и полностью сжигаются, и при этом в конце этапов (B)(2)(iii) и (B)(2)(iv) потоки указанного топлива для реформинга в указанный первый регенератор (100) и указанного окислителя в указанный второй регенератор (200) прекращаются, а газообразные продукты сгорания из печи протекают через указанные первый (100) и второй (200) регенераторы, так что синтетический газ из первого регенератора (100) и окислитель из второго регенератора (200) вытесняются в печь и полностью сжигаются.

11. Способ по п. 1 или 3, в котором указанная разность температур продуктов сгорания, выходящих из указанных первого (100) и второго (200) регенераторов, поддерживается на уровне 93°С (200°F) или менее, и указанная разность температур продуктов сгорания, выходящих из указанных регенераторов (600) и (700), поддерживается на уровне 93°С (200°F) или менее.

12. Способ по п. 1 или 3, в котором указанная разность температур продуктов сгорания, выходящих из указанных первого (100) и второго (200) регенераторов, поддерживается на уровне 38°С (100°F) или менее, и указанная разность температур продуктов сгорания, выходящих из указанных регенераторов (600) и (700), поддерживается на уровне 38°С (100°F) или менее.

13. Способ по п. 3 или 4, в котором в конце этапа (B)(1)(iii) поток указанного топлива для реформинга в указанный регенератор (600) прекращается, а газообразные продукты сгорания из указанной печи протекают через указанный регенератор (600) в печь для уменьшения количества сажи, находящейся в регенераторе (600), и при этом в конце этапа (В)(2)(iii) поток указанного топлива для реформинга в указанный первый регенератор (100) прекращается, а газообразные продукты сгорания из указанной печи протекают через указанный первый регенератор (100) в печь для уменьшения количества сажи, находящейся в первом регенераторе.

14. Способ по п. 1 или 2, в котором в конце этапа (B)(1)(iii) поток указанного топлива для реформинга в указанный регенератор (600) прекращается, а поток газообразных продуктов сгорания продолжает протекать через регенератор (600) для уменьшения количества находящейся в нем сажи, и при этом в конце этапа (В) (2)(iii) поток указанного топлива для реформинга в указанный первый регенератор (100) прекращается, а поток газообразных продуктов сгорания продолжает протекать через первый регенератор (100) для уменьшения количества находящейся в нем сажи.