СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПЛАМЕННОГО СТУПЕНЧАТОГО СЖИГАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F23C6/04 

Изобретение относится к способу беспламенного ступенчатого сжигания и к устройству для этого.

Из ЕР 0698764 А2 известна горелка для беспламенного сжигания смеси горючего газа и воздуха для подогрева воды. Для того чтобы поддерживать в камере горения беспламенное окисление, между водяной рубашкой и внутренней частью камеры горения предусмотрена изоляция, чтобы в камере горения можно было достигать необходимых для беспламенного окисления высоких температур.

Из WO 01/11215 А1 известна камера горения для газовой турбины, причем эта камера горения работает со ступенчатым окислением. В камере горения поддерживается макромасштабное циркулярное течение потока, к которому в разных местах экономно подводится необходимый для сжигания воздух. За счет этого должно достигаться предельно стабильное пламя.

Из US 7062917 В2 известна предусмотренная для газовых турбин камера горения, которая работает тоже с макромасштабным циркулярным течением потока, однако выполнена для стабильного беспламенного режима работы.

В US 5154599 раскрыта горелка для нагрева камеры горения с помощью беспламенного окисления. В этой горелке выполнена камера горения, в которой может поджигаться пламя. Это служит для предварительного подогрева и нагрева печной камеры, то есть для запуска горелки. В стационарном режиме работы камера горения неактивна, и окисление горючего материала происходит исключительно в печной камере.

Из ЕР 1995515 В1 известен нагрев камеры горения с помощью беспламенного окисления при температуре, которая находится ниже необходимой обычно для беспламенного окисления температуры 850°. Для создания и поддержания беспламенного окисления горелка имеет камеру горения, в которой стабильно горит пламя. Отдаваемый камерой горения горячий отходящий газ направляется вместе с воздухом и горючим материалом в печную камеру, в которой затем происходит беспламенное окисление горючего материала.

В US 3309866 описана газовая турбина с окисляющей без пламени камерой горения для окисления газовоздушной смеси. Для этого предусмотрена тороидальная камера горения. В эту камеру горения подается происходящая из газификатора газовоздушная смесь.

Помимо этого, из US 5727378 известна газовая турбина, камера горения которой получает происходящую из распыляющего устройства и содержащую много горючего материала смесь и дополнительно воздух через множество отверстий для подачи воздуха, так что в камере горения образуется беспламенная первичная зона смешивания и находящаяся ниже по потоку зона горения. В зоне горения происходит окисление горючего материала. Напротив, зона смешивания служит для распыления горючего материала. Фронт горения смещен от зоны смешивания.

В US 6234092 В1 описано устройство для термической обработки негорючих жидкостей, которое работает с беспламенным окислением. Подлежащая термической обработке негорючая жидкость впрыскивается в нагретую с помощью беспламенного окисления печную камеру.

При работающем с беспламенным окислением, известном из уровня техники способе сжигания образование пламени подавляется, за счет чего также предотвращается термическое образование окислов NOx. Одновременно, соответственно выполненные горелки создают условия для предварительного подогрева воздуха, например с использованием энергии отходящих газов, до высоких температур без того, чтобы вследствие этого можно было бы фиксировать термическое образование NOx. Но все же условием обеспечения беспламенного окисления в пространстве нагрева является поддержание температуры пространства нагрева, которая находится выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала, включая запас надежности. В последующем под выражением "температура самовоспламенения" всегда понимается собственно температура самовоспламенения, включая запас надежности, который, например, для природного газа составляет около 150 К. Для обычных горючих материалов, как, например, метан (природный газ), это означает, что температура в пространстве нагрева должна составлять более 850°С.

Во многих вариантах применения такие высокие температуры пространства нагрева нежелательны, потому что, например, пространство нагрева служит для подогрева чувствительных материалов, и не должна превышаться заданная предельная температура. Такими вариантами применения являются, например, сушка материалов, отпуск металлических предметов, твердая пайка алюминия или иная термообработка металлов, прежде всего плавящихся при низкой температуре металлов, или выработка пара. Генерация тепла для подобных процессов обычно основывается на горелках со стабилизацией пламени, в которых термическое образование NOx является неизбежным.

Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить решение по генерации тепла с малым образованием NOx для низкотемпературных процессов.

Данная задача решена в способе по п. 1 формулы изобретения и в устройстве по п. 10 формулы изобретения.

Предлагаемый в изобретении способ нагревания камеры нагрева характеризуется тем, что: горючий материал и воздух в нестехиометрическом соотношении вводят в реакцию беспламенного окисления в камере горения и без отбора полезного тепла перенаправляют их в качестве реакционного газа в камеру нагрева, причем температуру в камере горения поддерживают выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала; реакционный газ в камере нагрева полностью окисляют при температуре, находящейся ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала, с добавлением по необходимости воздуха и/или горючего материала; тепло отходящих газов из камеры нагрева используют для предварительного подогрева воздуха, подаваемого в камеру горения и/или в камеру нагрева.

Предлагаемое в изобретении устройство для нагревания камеры нагрева содержит адиабатическую камеру горения, имеющую по меньшей мере одно устройство подачи воздуха, по меньшей мере одно устройство подачи горючего материала, а также по меньшей мере один выпуск, оканчивающийся в камере нагрева, причем камера горения выполнена для беспламенного окисления горючего материала при температуре выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала и при нестехиометрическом соотношении горючего материала и воздуха, а камера нагрева выполнена для полного окисления реакционного газа, поступающего в нее из камеры горения, и снабжена устройством для подачи воздуха и/или горючего материала, причем предусмотрено теплообменное устройство, выполненное с возможностью передачи теплоты от отходящих газов, подаваемых из камеры нагрева, свежему воздуху, направляемому после его подогрева в камеру горения и/или в камеру нагрева.

Предлагаемые в изобретении способ и устройство позволяют осуществлять нагревание камеры нагрева температурой, которая находится также ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала (плюс запас надежности), причем, по меньшей мере, большая доля используемой тепловой энергии освобождается в беспламенном процессе окисления. Для этого предусматривается, по меньшей мере, двухступенчатый процесс окисления, при котором во время первой операции горючий материал и воздух в нестехиометрическом соотношении подаются в камеру горения и там вступают в реакцию беспламенного окисления. Камера горения выполнена по существу для адиабатического процесса, то есть из нее не отводится тепловая энергия за исключением неизбежных тепловых потерь, прежде всего не отбирается полезное тепло. Вынос тепла в значительной мере происходит только вместе с выходящим из камеры горения газовым потоком и никакими иными путями. Газовый поток выходит из камеры горения неохлажденным. Беспламенное окисление достигается за счет того, что в камере горения поддерживается макромасштабное рециркуляционное течение потока, причем предотвращается образование мелкомасштабных завихрений, которые могли бы возникать в поддерживающих пламя структурах. Камера горения не имеет стабилизаторов пламени или прочих, поддерживающих пламя структур. В качестве поддерживающих пламя структур рассматриваются все структуры, которые могут замедлять газовый поток и создавать мелкомасштабные стационарные завихрения в такой мере, что на структуре может поддерживаться пламя.

Температура в камере горения устанавливается выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала. Но все же она поддерживается ниже температуры, при которой можно было бы фиксировать усиленное образование окислов азота. Установление таких соотношений осуществляется, преимущественным образом, через соотношение горючего материала и воздуха (коротко: коэффициент % избытка воздуха) в камере горения.

Выходящий из камеры горения поток реакционного газа подается в камеру нагрева и там по мере необходимости полностью окисляется при подаче воздуха и/или горючего материала. При этом окисление происходит преимущественно на способном к реакции участке потока реакционного газа, температура которого находится выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала. В камере нагрева поддерживается циркуляционное течение потока, при котором поток горячего реакционного газа смешивается с более холодным, содержащимся в камере нагрева объемом газа. За счет этого могут подогреваться чувствительные материалы или нагреваться нагревательные змеевики парогенератора без повреждений подлежащего подогреву материала или парогенератора. Одновременно следует заботиться о том, чтобы в значительной мере подавлялось термическое образование NOx. Процесс окисления как в камере горения, так и в камере нагрева проводится прежде всего так, чтобы ни в одном месте не превышался бы температурный предел, как, например, 1400°С, начиная с которого можно фиксировать усиленное образование окислов азота.

Окисление в камере горения проводится, преимущественным образом, при соотношении намного ниже или намного выше стехиометрического соотношения, вследствие чего, хотя температура выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала, при этом она все же может поддерживаться намного дальше от более высокой, необходимой для образования окислов азота температуры. Например, температура в камере горения с помощью коэффициента избытка воздуха может регулироваться до температуры в пределах температурного диапазона, составляющего, например, от 1000°С до 1300°С. При этом дополнительное окисление в камере нагрева за счет дополнительного подвода воздуха (при соотношении в камере горения ниже стехиометрического соотношения) или за счет подвода горючего материала (при соотношении в камере горения выше стехиометрического соотношения) проводится, преимущественным образом, тоже так, чтобы возникающие в зоне дополнительного окисления температуры не превышали упомянутого предельного значения температуры от 1300°С до 1440°С. Для этого необходимый для дополнительного окисления воздух и/или необходимый горючий материал вводится как можно обширнее распределенным в струю реакционных газов, которая выходит из камеры горения. Обширное распределение воздуха или горючего материала в этой струе может достигаться за счет того, что для этого предусматривается несколько сопел для горючего материала и/или воздуха, и/или за счет того, что скорости течения и импульсы потока реакционного газа, а также необходимого для дополнительного окисления потока горючего материала или воздушного потока согласовываются друг с другом так, чтобы распределение воздуха или горючего материала в струе реакционного газа достигалось до того, как могло произойти локальное полное окисление.

В камере горения выполняется, преимущественным образом, адиабатический процесс с беспламенным частичным сгоранием используемого горючего материала. Полученное в камере горения тепло выводится из камеры горения только потоком газообразных продуктов сгорания и подается в камеру нагрева. В то время как из камеры горения полезное тепло не отбирается, расположенная ниже по потоку камера нагрева служит для вывода полезного тепла.

При работе теплогенерирующего устройства регулировка температуры в камере горения осуществляется, преимущественным образом, с помощью подходящей фиксации и регулировки соотношения между подводимым потоком горючего материала и подводимым потоком воздуха. Это может осуществляться на основе массовых потоков или же объемных потоков.

В режиме работы с полной нагрузкой камера горения эксплуатируется, преимущественным образом, при соотношении ниже стехиометрического соотношения, причем с повышением температуры борются за счет снижения коэффициента λ избытка воздуха. В режиме работы с частичной нагрузкой камера горения может эксплуатироваться также при соотношении выше стехиометрического соотношения, причем с повышением температуры борются тогда за счет повышения коэффициента λ избытка воздуха.

При выполнении перехода от работы при соотношении ниже стехиометрического соотношения к работе при соотношении выше стехиометрического соотношения, например для адаптации к изменению нагрузки, преимущественным образом, избегают диапазона коэффициента λ избытка воздуха, который находится вблизи от значения λ=1. Например, вблизи от значения λ=1 может быть установлен диапазон, например от λ=0,8 до λ=1,6, в котором устройство управления не допускает длительной работы. Данный диапазон назван здесь лишь в качестве примера и может быть установлен разным в зависимости от горючего материала.

За счет избегания такого рабочего диапазона может эффективно предотвращаться перегрев камеры горения и весте с тем также нежелательное образование NOx.

В способе согласно изобретению и в устройстве согласно изобретению подлежащая генерации тепловая мощность, преимущественным образом, генерируется преимущественно в эксплуатируемой в адиабатическом процессе камере горения, в которой горючий материал окисляется без пламени. Это осуществляется, преимущественным образом, при соотношении ниже стехиометрического соотношения, так как вследствие этого получается меньший объемный поток газа по сравнению с работой при соотношении выше стехиометрического соотношения. Адиабатическая температура реакции поданной смеси горючего материала и воздуха поддерживается, преимущественным образом, ниже предельной величины, составляющей, например, 1400°С. Если горючим материалом является природный газ, то коэффициент λ избытка воздуха находится, например, вблизи от величины 0,5. Тогда средняя температура газа в камере горения находится значительно ниже упомянутого предельного значения.

Горячие реакционные газы из камеры горения и воздух или горючий материал подаются в расположенную ниже по потоку камеру нагрева так, что в камере нагрева образуется макромасштабное рециркуляционное течение потока, в котором происходит, преимущественным образом, беспламенное горение. Высокая температура реакционных газов из камеры горения обеспечивает горение в камере нагрева, хотя температура воспринимающей тепло среды или подлежащих подогреву материалов, а также средняя температура пространства нагрева находится ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала. В пространстве нагрева вслед за переходом реакционных газов из камеры горения поддерживается зона повышенной температуры, температура которой находится выше температуры самовоспламенения горючего материала и которая окружена зонами более низкой температуры, температуры которых находятся ниже температура самовоспламенения.

Способ согласно изобретению пригоден также при сжигании так называемых тощих газов, которые прежде всего при меняющемся составе доставляют затруднения в стабилизации пламени.

На чертеже наглядно показаны примеры выполнения устройства согласно изобретению. Показано на:

Фиг. 1 устройство согласно изобретению в схематическом изображении,

Фиг. 2 измененное устройство согласно изобретению в схематическом изображении,

Фиг. 3 камера горения и камера нагрева устройства согласно изобретению в схематическом изображении с продольным разрезом,

Фиг. 4 диаграмма для разъяснения регулировки нагрузки в устройстве согласно фиг. 1-3.

Для разъяснения способа согласно изобретению обращается внимание на устройство 10 согласно фиг. 1, которое содержит термически изолированную от потерь тепла камеру 11 горения и камеру 12 нагрева, в которой может отводиться полезное тепло. Отбор тепла из камеры 12 нагрева может осуществляться посредством отвода тепла с помощью, например, нагревательного змеевика 13, в котором подогревается или испаряется теплонесущая текучая среда, или с помощью других технических средств. Камера 12 нагрева может применяться, например, для сушки продуктов, для подогрева продуктов, например для пайки, или для других целей, которые требуют подогрева текучих сред или предметов до приемлемых температур, которые могут находиться ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала, например ниже 850°С.

В камеру 11 горения через трубопровод 14 горючего материала и воздуховод 15 подаются горючий материал и воздух. При этом соотношение горючего материала и воздуха установлено так, что коэффициент избытка воздуха составляет λ ≠ 1. Преимущественным образом λ значительно меньше чем 1, то есть работа осуществляется с избытком горючего материала. Для инициирования окисления в камере 11 горения она, преимущественным образом, снабжена не разъясненным наглядно далее запальным устройством, например искровым запальным устройством или контрольной горелкой. Оно может работать в непрерывном режиме или же отключаться после установления в камере 11 горения беспламенного окисления.

Стенка камеры 11 горения, преимущественным образом, имеет высокое тепловое сопротивление. Например, камера 11 горения может быть облицована керамикой или состоять из керамики. Таким образом, после поджига горючего материала в камере 11 горения должны создаваться условия для быстрого нагрева такового и для быстрого достижения режима работы с беспламенным окислением.

Возникающие в камере 11 горения реакционные газы через перепуск 16 реакционных газов вводятся в камеру 12 нагрева. Кроме того, через трубопровод 17 в камеру 12 нагрева вводится воздух и/или горючий материал, чтобы там перемешиваться с горячими реакционными газами и способствовать полному окислению используемого горючего материала. Камера 12 нагрева, преимущественным образом, существенно больше, чем камера 11 горения, причем в камере 12 нагрева настраивается средняя температура, которая существенно ниже, чем в камере 11 горения и которая может находиться, преимущественным образом, также ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала. Возникающие отходящие газы отводятся из камеры 12 нагрева через трубопровод 18.

Камера 11 горения, преимущественным образом, эксплуатируется в температурном диапазоне, который, по меньшей мере, так высок, что превышается температура самовоспламенения используемого горючего материала, причем в то же время она, тем не менее, так низка, что образование окислов азота подавляется почти полностью. Применимый температурный диапазон в камере 11 горения может устанавливаться, например, так, что нижний температурный предел находится между 800°С и 1100°С, преимущественным образом между 850°С и 1100°С, в то время как верхний температурный предел находится, например, между 1100°С и 1400°С, преимущественным образом между 1100°С и 1300°С, и составляет, например, 1200°С. Необходимый температурный диапазон настраивается, преимущественным образом, посредством соответствующей установки или регулировки коэффициента λ избытка воздуха. При этом камера 11 горения работает, например (и преимущественным образом), с недостаточным количеством воздуха. За счет этого могут достигаться относительно небольшие конструктивные формы камеры 11 горения. Кроме того, в распоряжении имеется импульс подлежащего подаче через трубопровод 17, требующегося для полного окисления вторичного воздуха с целью достижения макромасштабного и достаточно быстрого рециркуляционного течения потока в расположенной ниже по потоку камере 12 нагрева.

При адиабатическом режиме работы температура в камере 11 горения зависит только от соотношения горючего материала и воздуха, то есть от коэффициента избытка воздуха и, следовательно, от соотношения поперечных сечений сопел для впуска воздуха в камеру 11 горения и сопел для впуска вторичного воздуха в камеру 12 нагрева. При соотношении, например, 1:1, что соответствует недостатку воздуха около 50%, и при природном газе в качестве горючего материала в приблизительно адиабатической камере 11 горения устанавливается температура около 1100°С. Помимо этого, может вводиться регулировка температуры, которая влияет на стехиометрию, то есть на коэффициент избытка воздуха в камере 11 горения, чтобы поддерживать температуру в камере 11 горения в пределах необходимого диапазона. Это является целесообразным прежде всего при использовании в качестве горючего материала тощих газов с изменяющейся теплотой сгорания. Тогда температура в камера 11 горения может регулироваться с помощью коэффициента λ избытка воздуха.

Регулировка температуры в камере 11 горения посредством установления подходящей стехиометрии (коэффициента λ избытка воздуха) может применяться также для запуска в холодном состоянии, чтобы камера 11 горения могла быстро доводиться до необходимой рабочей температуры, составляющей, например, 1000°С. Для запуска в холодном состоянии камера 11 горения может приводиться в действие, например, в стехиометрическом режиме работы (λ=1), пока не будет достигнута необходимая температура, после чего работа продолжается при соотношении ниже стехиометрического соотношения. Для того чтобы в камере 11 горения создавать условия для необходимого беспламенного режима работы, камера 11 горения выполнена для образования макромасштабного рециркуляционного завихрения. Зато поддерживающие пламя структуры отсутствуют. Для этого в камере 11 горения могут располагаться соответствующие устройства для направления течения потока, которые способствуют образованию рециркуляционного течения потока.

При необходимости, беспламенный режим работы может реализовываться также в расположенной ниже по потоку камере 12 нагрева, хотя ее температура в области отбирающих тепло структур, например нагревательного змеевика 13, ниже, чем температура самовоспламенения используемого горючего материала. В этом отношении обращается внимание на фиг. 3, на которой наглядно показан схематический продольный разрез камеры 11 горения и камеры 12 нагрева. В камере 11 горения с помощью направляющего устройства, например, в виде полого цилиндра создается рециркуляционное завихрение 19, в котором горючий материал окисляется при соотношении ниже стехиометрического соотношения. Вдуваемый через трубопровод 17 в камеру 12 нагрева воздух 20 передает свой импульс в газовую струю 21, которая состоит из выведенных из камеры 11 горения реакционных газов. В этой зоне в образующейся газовой струе 21 может происходить беспламенное окисление еще имеющихся в газовой струе 21 горючих материалов, за счет чего происходит дальнейшее выделение тепла. Однако в рамках своей рециркуляции в камере 12 нагрева газовая струя 21 перемешивается с имеющимся там, более холодным остаточным газом и, тем самым, образует более холодные зоны, так что несмотря на дополнительное выделение тепла в газовой струе 21 средняя температура в камере 12 нагрева может находиться ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала, например ниже 850°С.

Устройство 10 и разъясненный с помощью такового способ имеют многочисленные преимущества по сравнению с обычными, основывающимися, прежде всего, на режиме работы с пламенем нагревательными устройствами и способами нагрева. За счет работы камеры 11 горения в режиме беспламенного окисления и, преимущественным образом, также камеры 12 нагрева с беспламенным окислением может почти полностью подавляться термическое образование NOx, и таким образом могут достигаться значения ниже 10 мг/м³. Это имеет силу независимо от температуры служащих для отбора тепла зон камеры 12 нагрева, которая может находиться также ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала, например ниже 850°С.

При использовании тощих газов с изменяющейся теплотой сгорания за счет работы камеры 11 горения с беспламенным окислением можно предотвратить имеющиеся в противном случае проблемы со стабилизацией пламени. Оказалось, что камеру 11 горения можно простым образом адаптировать конструктивно идентично и с малыми затратами к разным диапазонам мощности от 10 кВт до нескольких мегаватт.

В эксплуатируемой без отбора тепла камере 11 горения температура может поддерживаться приблизительно постоянной также при частичной нагрузке, так что без особенных затрат получается большой диапазон регулировки.

Если камера 11 горения снабжена затрудняющей теплопередачу обшивкой, например керамической обшивкой, или сама состоит из керамики или из другого материала с высоким тепловым сопротивлением, то камера 11 горения может работать без пламени уже при запуске в холодном состоянии. С помощью технологии беспламенного окисления предотвращаются локальные пики температур в пламени, что действует щадящим образом для материала как камеры 11 горения, так и камеры 12 нагрева.

На фиг. 2 наглядно разъяснена основывающаяся на устройстве 10 согласно фиг. 2 и 3 установка 22, при описании которой с принятием за основу уже введенных ссылочных обозначений обращается внимание на предыдущее описание. В установке 22 к трубопроводу 18 отходящих газов присоединен теплообменник 23, который служит для предварительного подогрева воздуха и отдает охлажденный отходящий газ в выпуск 24. Теплообменник 23 подогревает подведенный через впуск 25 свежего воздуха свежий воздух, и отдает его подогретым в трубопроводы 15 и/или 17. По меньшей мере в одном из трубопроводов 15, 17 может быть предусмотрено устройство 26, 37 регулировки расхода, например, в виде заслонки, вентиля, вентилятора или подобного, влияющего на скорость течения потока средства. Устройства 26, 37 регулировки расхода подключены к блоку 28 управления. Он соединен, помимо этого, с устройством 29 регулировки расхода, которое расположено в трубопроводе 14, чтобы регулировать подводимый к камере 11 горения поток горючего материала. Устройство 29 регулировки расхода может быть, в свою очередь, заслонкой, вентилем, насосом, вентилятором или подобным.

Камера 11 горения может быть снабжена температурным датчиком 30, который соединен с блоком 28 управления. Задача температурного датчика 30 состоит в контроле за работой камеры 11 горения, в которой вследствие отсутствующего при беспламенном окислении пламени обычные датчики пламени неприменимы. Температурный датчик, преимущественным образом, является "быстрым" датчиком, то есть он имеет особенно малую тепловую инертность.

В установке согласно фиг. 2 подаваемый в камеру 11 горения и/или камеру 12 нагрева воздух предварительно подогревается теплообменником 23. Правда, теплообменник 23 является опциональным, возможны также формы выполнения, которые обходятся без этого теплообменника и, таким образом, без предварительного подогрева воздуха для камеры 12 нагрева и прежде всего также без предварительного подогрева воздуха для камеры 11 горения. Тогда необходимая для беспламенного окисления температура в камере 11 горения получается вследствие отсутствия отбора полезного тепла, то есть за счет тепловой изоляции камеры 11 горения.

Наглядно разъясненная на фиг. 2 установка 22 может работать, например, описанным ниже образом.

Сначала разъясняется работа с полной нагрузкой. Для этого блок 28 управления с помощью устройства 29 регулировки расхода настраивает поток горючего материала соответственно необходимой мощности и затем с помощью устройства 26 регулировки расхода регулирует воздушный поток, то есть коэффициента избытка воздуха, так, чтобы температура в камере 11 горения находилась в необходимом рабочем диапазоне, например между 850°С и 1300°С, например около 1100°С.При этом в камере 11 горения устанавливается беспламенное окисление. С помощью температурного датчика 30 блок 28 управления регистрирует температуру, и снижает воздушный поток в воздуховоде 15, если температура поднялась за пределы необходимой величины, и он увеличивает воздушный поток, а если температура опустилась слишком низко. Таким образом, регулировка температуры осуществляется посредством изменения коэффициента λ избытка воздуха в диапазоне соотношения ниже стехиометрического соотношения. Это можно видеть на фиг. 4 на правом отрезке оси абсцисс. При этом блок 28 управления выполнен, кроме того, для того, чтобы в этом диапазоне регулировки не превышать предельное значение, составляющее λ1, чтобы таким образом предотвращать чрезмерное повышение температуры и, следовательно, образование окисла азота. Одновременно блок 28 управления предоставляет устройством 27 регулировки расхода воздушный поток в трубопровод 17 в такой мере, что в камере 12 нагрева имеющийся в газовой струе 21 остаток горючего материала полностью окисляется воздухом 20. Окисление происходит, преимущественным образом, без пламени внутри газовой струи 21. Хотя она сама имеет температуру, которая находится выше температуры самовоспламенения горючего материала, она нагревает камеру 12 нагрева до температуры, которая находится ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала. Благодаря этому в камере 12 нагрева тоже не фиксируется термическое образование окислов NOx.

При переходе в режим работы с частичной нагрузкой блок 28 управления с помощью устройства 29 регулировки расхода снижает подводимый поток горючего материала до более низких значений. При этом коэффициент λ избытка воздуха устанавливается так, что температура самовоспламенения в камере 11 горения остается надежно превышенной. В свою очередь, в трубопровод 17 подается возможно еще необходимый воздух для полного окисления еще имеющегося в камере 12 нагрева остатка горючего материала.

При предельно малой нагрузке блок управления может переходить от описанного до этого режима работы камеры 11 горения при соотношении ниже стехиометрического соотношения в режим работы таковой при соотношении выше стехиометрического соотношения, как это наглядно показано на фиг. 4 в левой части оси абсцисс выше предельного значения λ2 коэффициента избытка воздуха. В то время как в режиме работы при соотношении ниже стехиометрического соотношения с уменьшением коэффициента λ избытка воздуха достигалось снижение температуры, теперь в режиме работы при соотношении выше стехиометрического соотношения снижение температуры достигается с увеличением коэффициента λ избытка воздуха. В этом диапазоне блок 28 управления противодействует слишком высокой температуре увеличением коэффициента избытка воздуха, а слишком низкой температуре в камере 1 горения уменьшением коэффициента избытка воздуха.

По меньшей мере, тогда, когда камера 11 горения нагрета, блок 28 управления избегает работы в диапазоне между обоими предельными значениями λ1 и λ2 посредством того, что при переключении с режима работы при соотношении ниже стехиометрического соотношения в режим работы при соотношении выше стехиометрического соотношения он проходит через этот диапазон за короткое время или переключается без перехода из режима работы при соотношении ниже стехиометрического соотношения в режим работы при соотношении выше стехиометрического соотношения (и наоборот). За счет этого предотвращается повышение температуры в камере 11 горения выше критического предельного значения, составляющего, например, 1300°С или 1400°С, и сопровождающее его термическое образование NOx.

В представленных формах выполнения возможны многочисленные видоизменения. Например, предварительный подогрев воздуха с помощью теплообменника 23 может быть ограничен поданным в камеру 11 горения через трубопровод 15 воздухом. Альтернативно предварительный подогрев воздуха может быть ограничен поданным в камеру 12 нагрева через трубопровод 17 воздухом. Можно также через трубопровод 15 и/или трубопровод 17 подавать смесь из предварительно подогретого и не подогретого предварительно воздуха. Помимо этого, по меньшей мере, принципиально возможен также предварительный подогрев поданного через трубопровод 14 в камеру 11 горения горючего материала. Кроме того, прежде всего для режима работы камеры 11 горения при соотношении ниже стехиометрического соотношения может быть предусмотрена дополнительная подача горючего материала в камеру 12 нагрева, чтобы способствовать увеличению доли генерации тепла в камере 12 нагрева. Тем не менее, во всех представленных формах выполнения обеспечение преобладающей доли генерации тепла в камере 11 горения посредством беспламенного окисления рассматривается как предпочтительное. Дальнейшее окисление в камере 12 нагрева может осуществляться без пламени или с ним, причем беспламенное окисление создает условия для снижения образования окислов азота до значений ниже 10 мг/м³.

В способе согласно изобретению подогрева камеры 12 нагрева находящейся ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала температурой предусматривается камера 11 горения, в которой горючий материал и воздух вступают друг с другом в реакцию беспламенного окисления при нестехиометрическом соотношении смеси. При этом коэффициент λ избытка воздуха далек от стехиометрического соотношения λ=1, по меньшей мере, настолько, чтобы в камере 11 горения не превышалась температура, начиная с которой начинается термическое образование окислов азота. Эта температура составляет, например, 1300-1400°С. С другой стороны, коэффициент λ избытка воздуха устанавливается так, чтобы в камере 11 горения надежно превышалась температура самовоспламенения используемого горючего материала. Таким образом, получаются два надежных диапазона коэффициента избытка воздуха, а именно: первый диапазон между λ_МIN и λ₁ в режиме работы камеры 11 горения при соотношении ниже стехиометрического соотношения и второй диапазон от λ₂ до λ_МАХ в режиме работы при соотношении выше стехиометрического соотношения. Выпущенные из камеры 11 горения, еще способные к реакции газы в зоне камеры 12 нагрева вводят в реакцию с дополнительным воздухом и/или с дополнительным горючим материалом, причем это происходит, преимущественным образом, в беспламенном окислении. Упомянутая зона выполнена, прежде всего, в пределах газовой струи 21. Благодаря беспламенному окислению в камере 11 горения также предотвращается термическое образование окислов азота.

Перечень ссылочных обозначений:

10 устройство

11 камера горения

12 камера нагрева

13 нагревательный змеевик

14 трубопровод горючего материала

15 воздуховод

16 перепуск реакционных газов

17 трубопровод

18 трубопровод отходящих газов

19-а устройство для направления течения потока

19 рециркуляционное завихрение

20 воздух

21 газовая струя

22 установка

23 теплообменник

24 выпуск

25 впуск свежего воздуха

26, 27 устройство регулировки расхода

28 блок управления

29 устройство регулировки расхода

30 температурный датчик

λ коэффициент избытка воздуха

λ₁, λ₂, λ_MN, λ_МАХ, λ_V предельные значения коэффициента избытка воздуха

Изобретение относится к области энергетики. Устройство (10) для нагревания камеры (12) нагрева содержит адиабатическую камеру (11) горения, имеющую по меньшей мере одно устройство (15) подачи воздуха, по меньшей мере одно устройство (14) подачи горючего материала, а также по меньшей мере один выпуск (16), оканчивающийся в камере (12) нагрева, причем камера (11) горения выполнена для беспламенного окисления горючего материала при температуре выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала и при нестехиометрическом соотношении горючего материала и воздуха, а камера (12) нагрева выполнена для полного окисления реакционного газа, поступающего в нее из камеры (11) горения, и снабжена устройством для подачи воздуха и/или горючего материала, причем предусмотрено теплообменное устройство (23), выполненное с возможностью передачи теплоты от отходящих газов, подаваемых из камеры (12) нагрева, свежему воздуху, направляемому после его подогрева в камеру (11) горения и/или в камеру (12) нагрева. Изобретение позволяет предотвратить образование окислов азота. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ нагревания камеры (12) нагрева, характеризующийся тем, что:

- горючий материал и воздух в нестехиометрическом соотношении вводят в реакцию беспламенного окисления в камере (11) горения и без отбора полезного тепла перенаправляют их в качестве реакционного газа в камеру (12) нагрева, причем температуру в камере (11) горения поддерживают выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала,

- реакционный газ в камере (12) нагрева полностью окисляют при температуре, находящейся ниже температуры самовоспламенения используемого горючего материала, с добавлением по необходимости воздуха и/или горючего материала,

- тепло отходящих газов из камеры (12) нагрева используют для предварительного подогрева воздуха, подаваемого в камеру (11) горения и/или в камеру (12) нагрева.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окисление в камере (12) нагрева проводят с образованием пламени.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окисление в камере (12) нагрева проводят без образования пламени посредством направления газа с макромасштабной рециркуляцией.

4. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в камере (11) горения устанавливают такое нестехиометрическое соотношение горючего материала и воздуха, что в камере (11) горения не превышается температура 1400°С.

5. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в камере (11) горения посредством настройки или регулировки соотношения горючего материала и воздуха устанавливают температуру, находящуюся между 1000°С и 1300°С.

6. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что при работе с полной нагрузкой камеру (11) горения эксплуатируют при соотношении ниже стехиометрического соотношения (λ<1), а при работе с частичной нагрузкой эксплуатируют при соотношении выше стехиометрического соотношения (λ>1).

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что между соотношением горючего материала и воздуха в режиме работы при соотношении выше стехиометрического соотношения и соотношением горючего материала и воздуха в режиме работы при соотношении ниже стехиометрического соотношения устанавливают диапазон (λ₁, λ₂) неиспользуемых соотношений горючего материала и воздуха.

8. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что из камеры (12) нагрева отводят полезное тепло.

9. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что одну часть предварительно подогретого воздуха подают в камеру (11) горения, а другую его часть - в камеру (12) нагрева.

10. Устройство (10) для нагревания камеры (12) нагрева, содержащее адиабатическую камеру (11) горения, имеющую по меньшей мере одно устройство (15) подачи воздуха, по меньшей мере одно устройство (14) подачи горючего материала, а также по меньшей мере один выпуск (16), оканчивающийся в камере (12) нагрева, причем камера (11) горения выполнена для беспламенного окисления горючего материала при температуре выше температуры самовоспламенения используемого горючего материала и при нестехиометрическом соотношении горючего материала и воздуха, а камера (12) нагрева выполнена для полного окисления реакционного газа, поступающего в нее из камеры (11) горения, и снабжена устройством для подачи воздуха и/или горючего материала, причем предусмотрено теплообменное устройство (23), выполненное с возможностью передачи теплоты от отходящих газов, подаваемых из камеры (12) нагрева, свежему воздуху, направляемому после его подогрева в камеру (11) горения и/или в камеру (12) нагрева.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что камера (11) горения выполнена свободной от поддерживающих пламя структур.

12. Устройство по п. 10 или 11, отличающееся тем, что камера (12) нагрева снабжена устройством (13) отбора тепла.

13. Устройство по одному из пп. 10-12, отличающееся тем, что теплообменное устройство (23) расположено перед камерой (11) горения и/или перед камерой (12) нагрева.

14. Устройство по одному из пп. 10-13, отличающееся тем, что предусмотрено регулировочное устройство для регулировки подачи горючего материала и/или воздуха в камеру (11) горения и/или в камеру (12) нагрева, которое выполнено для того, чтобы не превышать в камере (11) горения и/или в камере (12) нагрева установленный температурный верхний предел.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что регулировочное устройство выполнено для того, чтобы для регулировки температуры влиять на соотношение горючего материала и воздуха.