Способ сжигания топлива с использованием кислородсодержащего газа, узел горелки для отдельного впрыскивания и способ нагревания загрузки из стекла или нагревательной печи

Изобретение относится к области энергетики. Способ сжигания топлива с использованием кислородсодержащего газа, при котором впрыскивают струю топлива и, по меньшей мере, две струи кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, при этом первую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, называемую первичной струей, впрыскивают так, чтобы она находилась в контакте со струей топлива и образовывала неполное первое сжигание, причем выходные газы после первого сжигания все еще содержат, по меньшей мере, одну часть топлива, а вторую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₁ от струи топлива, так чтобы обеспечить сжигание с первой частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания. Кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₂ от струи топлива, обеспечивая сжигание со второй частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, причем l₂>l₁. Изобретение позволяет использовать газ с низким содержанием кислорода. 14 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу ступенчатого сжигания с использованием кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода и кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода, которые могут быть использованы во время фаз, в которых прерывается подача кислорода, полученного на установке по производству кислорода.

Способы сжигания с использованием кислородсодержащих газов, в общем, используют кислород, поступающий из установок для непрерывного производства кислорода, таких как криогенная установка или установка ВКП (вакуумного качательного поглощения). Чтобы предупредить риски прерывания подачи кислорода, поступающего из этих установок, предусмотрена, в общем, емкость с жидким кислородом, установленная вблизи места, где происходит сжигание. Для снижения эксплуатационных расходов на этот резервуар и для того, чтобы избежать хранения слишком большого количества кислорода, который можно классифицировать как место сжигания, в котором высока вероятность возникновения несчастного случая, в общем, будет предпочтительным снижение емкости этого резервуара для хранения кислорода. Однако это снижение емкости хранения не всегда позволяет проводить сжигание в течение достаточно длительного времени во время прерывания подачи газа. Одним решением такой проблемы могла бы быть подпитка зоны сжигания воздухом, но, в общем, горелки, использующие газ с высоким содержанием кислородом, чем воздух, не позволяют использовать большой поток воздуха.

Задачей настоящего изобретения является создание способа сжигания и соответствующей горелки, обычно работающей с газом с более высоким содержанием кислорода, чем воздух, позволяющие работать с воздухом в случае прерывания непрерывной подачи кислорода.

Поэтому изобретение относится к способу сжигания топлива с использованием кислородсодержащего газа, при котором впрыскивают струю топлива и, по меньшей мере, две струи кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, при этом первую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислородом, называемую первичной струей, впрыскивают так, чтобы она находилась в контакте со струей топлива и образовывала неполное первое сжигание, причем выходные газы после первого сжигания все еще содержат, по меньшей мере, одну часть топлива, а вторую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₁ от струи топлива, так чтобы обеспечить сжигание с первой частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, при этом кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₂ от струи топлива, обеспечивая сжигание со второй частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, причем l₂>l₁.

Предпочтительно кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода имеет концентрацию кислорода более 30% по объему.

Предпочтительно кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода имеет концентрацию кислорода максимум 30% по объему.

Предпочтительно расстояние l₁ составляет 5-20 см.

Предпочтительно расстояние l₂ больше 30 см.

Предпочтительно количество кислорода, впрыскиваемого струями кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, составляет 10-50% от общего количества впрыскиваемого кислорода.

Предпочтительно площадь поперечного сечения сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода в 4-100 раз больше площади поперечного сечения сопла для впрыскивания на расстоянии l₂ кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода.

Предпочтительно кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода предварительно подогревают перед впрыскиванием.

Предпочтительно кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода подают, по меньшей мере, частично из установки для хранения жидкого кислорода.

Изобретение также относится к узлу горелки отдельного впрыскивания, состоящему из, по меньшей мере, двух блоков и содержащему сопло для впрыскивания горючего газа и, по меньшей мере, четыре сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа,

при этом первый блок имеет сопло для впрыскивания топлива и, по меньшей мере, два сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, причем первое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода размещено таким образом, чтобы находиться в контакте с соплом для впрыскивания топлива, а второе сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода размещено на расстоянии l₁ от сопла для впрыскивания топлива,

при этом второй блок имеет, по меньшей мере, третье сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода и четвертое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода, причем каждое из них размещено на расстоянии l₂ от сопла для впрыскивания топлива первого блока, при этом l₂ больше l₁, а четвертое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода имеет площадь, в 4-100 раз большую площади третьего сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода.

Предпочтительно первое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа размещено в центре сопла для впрыскивания топлива.

Узел предпочтительно содержит третий блок, имеющий пятое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода, размещенное на расстоянии l₂ от сопла для впрыскивания топлива и имеющее площадь, в 4-100 раз большую площади третьего сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода.

Узел предпочтительно содержит два первых блока, два вторых блока и один третий блок.

Изобретение также относится к способу нагревания загрузки из стекла или нагревательной печи, осуществляемому с использованием вышеописанного способа.

Наконец, изобретение относится к способу, когда прерывается непрерывное производство кислорода.

Другие признаки и преимущества изобретения будут очевидными из приведенного ниже описания. Посредством не ограничивающего объем патентных притязаний примера изобретение иллюстрируется чертежом, которая является схематическим видом узла горелки согласно изобретению.

Поэтому изобретение относится, во-первых, к способу сжигания топлива с использованием кислородсодержащего газа, при котором впрыскивают струю топлива и, по меньшей мере, две струи кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, при этом первую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислородом, называемую первичной струей, впрыскивают так, чтобы она находилась в контакте со струей топлива и образовывала неполное первое сжигание, причем выходные газы после первого сжигания все еще содержат, по меньшей мере, одну часть топлива, а вторую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₁ от струи топлива, так чтобы обеспечить сжигание с первой частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, при этом кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₂ от струи топлива, обеспечивая сжигание со второй частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, причем l₂>l₁. Изобретение поэтому представляет собой способ ступенчатого сжигания, в котором кислородсодержащий газ, необходимый для сжигания топлива, делят на части в виде, по меньшей мере, трех струй. Один способ ступенчатого сжигания заключается в делении количества кислородсодержащего газа, необходимого для полного сжигания топлива, на, по меньшей мере, два дополнительных потока кислородсодержащего газа, введенных на различных расстояниях от потока топлива. Таким образом, первый дополнительный поток кислородсодержащего газа вводят на очень коротком расстоянии от потока топлива. Этот поток, ближайший к потоку топлива, называется первичным потоком, он обеспечивает возможность частичного сжигания при управляемой температуре, которое ограничивает образование окиси азота. По меньшей мере, другой вспомогательный поток кислородсодержащего газа вводят на большем расстоянии от топлива, чем первичный поток кислородсодержащего газа. Это обеспечивает возможность завершения сжигания топлива, которое не вступило в реакцию с первичным кислородсодержащим газом. Этот поток называется вторичным потоком. Согласно настоящему изобретению первую, первичную, струю впрыскивают так, чтобы она находилась в контакте со струей топлива. Это означает, что расстояние между струей топлива и первичной струей окислителя равно нулю (не говоря уже о возможном присутствии трубообразной стенки, разделяющей эти две струи), эта первичная струя является струей кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода. Согласно изобретению кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода имеет концентрацию кислорода больше 30% по объему, предпочтительно, по меньшей мере, 90% по объему. В общем, кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода поступает частично из установки для хранения жидкого кислорода. Жидкий кислород может быть разбавлен воздухом так, чтобы впрыскиваемый кислородсодержащий газ имел концентрацию кислорода больше чем 30% по объему, предпочтительно, по меньшей мере, 90% по объему. Вторую и третью струи окислителя впрыскивают на некотором расстоянии от струи топлива и от первичной струи, они обеспечивают возможность подачи окислителя в количестве, необходимом для завершения сжигания топлива, инициированного первичной струей. Согласно изобретению кислородсодержащий газ второй струи имеет высокое содержание кислорода, и эту вторую струю впрыскивают на расстоянии l₁. Расстояние

l₁ предпочтительно находится в диапазоне 5-20 см. Согласно изобретению третья струя имеет низкое содержание кислородом, и ее впрыскивают на расстоянии l₂, большем чем l₁, и относится к кислородсодержащему газу с низким содержанием кислорода. Понятие «с низким содержанием кислорода» подразумевает кислородсодержащий газ, имеющий концентрацию кислорода максимум 30% по объему. Им предпочтительно является воздух. Расстояние l₂ предпочтительно больше 30 см.

В общем, общее количество кислорода, впрыскиваемого всеми струями кислородсодержащего газа, является приблизительно стехиометрическим, иначе говоря, лежит внутри интервала+15% относительно стехиометрического количества, необходимого для завершения сжигания впрыснутого топлива. Количество кислорода, впрыскиваемого струями кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, предпочтительно составляет 10-50% или предпочтительнее 25-50% от общего количества впрыснутого кислорода.

Согласно этому конкретному варианту изобретения кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода может быть предварительно подогрет перед его впрыскиванием.

Изобретение также относится к узлу горелки отдельного впрыскивания, состоящему из, по меньшей мере, двух блоков и содержащему сопло для впрыскивания горючего газа и, по меньшей мере, четыре сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа,

при этом первый блок имеет сопло для впрыскивания топлива и, по меньшей мере, два сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, причем первое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода размещено таким образом, чтобы находиться в контакте с соплом для впрыскивания топлива, а второе сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода размещено на расстоянии l₁ от сопла для впрыскивания топлива,

при этом второй блок имеет, по меньшей мере, третье сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода и четвертое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода, причем каждое из них размещено на расстоянии l₂ от сопла для впрыскивания топлива первого блока, при этом l₂ больше l₁, а четвертое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода имеет площадь, в 4-100 раз большую площади третьего сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода. Понятие «блок» подразумевает строительный блок из огнеупорного материала, введенный в стенку печи. Понятие «сопло» подразумевает трубку для подачи струи газа. При осуществлении способа ступенчатого сжигания с этим узлом горелки и источником кислорода неограниченного объема первое сопло обеспечивает возможность впрыскивания первичного кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, второе и третье сопла обеспечивают возможность впрыскивания кислородсодержащих газов с высоким содержанием кислорода, и никакой газ не впрыскивают в четвертое сопло. Этот способ соответствует способу ступенчатого сжигания, использующему кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода, с первичной струей и двумя вторичными струями. Во время прерывания в непрерывном производстве кислорода этот узел горелки обеспечивает возможность осуществления способа согласно изобретению, как описано выше: первое и второе сопла обеспечивают возможность впрыскивания струй кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, никакого газа не впрыскивают в третье сопло, и кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода впрыскивают в четвертое сопло.

Узел горелки выполнен таким образом, что расстояние l₁ предпочтительно составляет 5-20 см. Более того, расстояние l₂ предпочтительно более 30 см. Первое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа предпочтительно размещено в центре сопла для впрыскивания топлива.

Согласно одному конкретному варианту изобретения узел горелки может содержать третий блок, имеющий пятое сопло для впрыскивания кислородсодержащего газа, размещенное на расстоянии l₂ от сопла для впрыскивания топлива и имеющее площадь, в 4-100 раз большую, чем площадь третьего сопла для впрыскивания.

Согласно этому варианту изобретения узел содержит два сопла большой площади, каждое из которых установлено на расстоянии l₂ от впрыскивания топлива. Согласно этому последнему варианту изобретения узел предпочтительно содержит два первых блока, два вторых блока и один третий блок. В последнем случае соответствующие расстояния l₁ и l₂ до каждого сопла в первой паре первого и второго блоков предпочтительно будут теми же самыми, что и соответствующие расстояния l₁ и l₂ до каждой горелки того же самого типа во второй паре первого и второго блоков. То же самое относится и к площадям сопел первой пары первого и второго блоков, и к площадям сопел того же самого типа второй пары первого и второго блоков. Таким образом, например, второе и третье сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа двух вторых блоков имеют то же самое расстояние l₁ и l₂ и значения площадей. Согласно предпочтительному варианту этого способа общее пятое сопло имеет площадь, большую, чем площадь четвертых сопел.

Наконец, изобретение относится к способу, описанному выше, для нагрева загрузки стекла или нагревательной печи.

Изобретение также относится к способу сжигания, описанному выше, при прерывании непрерывного производства кислорода.

На чертеже показана схема осуществления способа согласно изобретению, использующая узел горелки, содержащий пять блоков.

Блоки 1, 2, 14, 15, 16 объединены в стенку печи 17 и показаны на виде спереди. Каждый из блоков 1 и 2 содержит

- сопло 3, 4 для впрыскивания топлива,

- первое сопло 5, 6 для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, размещенное в центре соответствующих сопел 3 и 4,

- второе сопло 7, 8 для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, размещенное соответственно на расстоянии l₁ от сопла 3 и на расстоянии l₁ от сопла 4.

Каждый из блоков 14 и 15 содержит

- третье сопло 9, 10 для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, размещенное соответственно на расстоянии l₂ от сопла 3 и на расстоянии l₂ от сопла 4 соответственно.

- четвертое сопло 11, 12 для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода, размещенное соответственно на расстоянии l₂ от сопла 3 и на расстоянии l₂ от сопла 4 соответственно. Площадь четвертого сопла 11, 12 в 4-100 раз больше площади соответствующего третьего сопла 9, 10.

Блок 16 размещен между блоками 1 и 2 и содержит пятое сопло 13 для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода, размещенное соответственно на расстоянии l₂ от сопла 3 и на расстоянии l₂ от сопла 4 соответственно. Площадь пятого сопла 13 в 4-100 раз больше площади третьего сопла 9 или 10.

При осуществлении способа ступенчатого сжигания с этим узлом горелки и источником кислорода топливо впрыскивается посредством сопел 5 и 6, а кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода впрыскивают соплами 5, 6, 7, 8, 9 и 10. Газ не впрыскивается через сопла 11, 12 и 13. Этот способ соответствует способу ступенчатого сжигания, использующему кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода, первичной струей и двумя вторичными струями. При прерывании производства кислорода и при использовании кислорода в ограниченном количестве этот узел горелки обеспечивает возможность осуществления способа согласно изобретению, описанному выше: топливо всегда впрыскивается через сопла 3 и 4, а кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода всегда впрыскивается через сопла 5, 6, 7 и 8. Наоборот, кислородсодержащий газ не впрыскивается соплами 9 и 10, а кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода впрыскивается соплами 11, 12 и 13.

Посредством способа обеспечивается возможность для горелки, работающей нормально с газом с более высоким содержанием кислорода, чем воздух, запитываться воздухом в случае прерывания подачи кислорода.

Более того, в случае прерывания подачи кислорода и истощения хранящегося кислорода обеспечивается возможность использования горелки согласно изобретению только с воздухом, вместо всех кислородсодержащих газов. Процесс сжигания также остается эффективным.

1. Способ сжигания топлива с использованием кислородсодержащего газа, при котором впрыскивают струю топлива и, по меньшей мере, две струи кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, при этом первую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, называемую первичной струей, впрыскивают так, чтобы она находилась в контакте со струей топлива и образовывала неполное первое сжигание, причем выходные газы после первого сжигания все еще содержат, по меньшей мере, одну часть топлива, а вторую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₁ от струи топлива, так чтобы обеспечить сжигание с первой частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₂ от струи топлива, обеспечивая сжигание со второй частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, причем l₂>l₁.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода имеет концентрацию кислорода более 30% по объему.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода имеет концентрацию кислорода максимум 30% по объему.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние l₁ составляет 5-20 см.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние l₂ больше 30 см.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество кислорода, впрыскиваемого струями кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, составляет 10-50% от общего количества впрыскиваемого кислорода.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения сопла для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода в 4-100 раз больше площади поперечного сечения сопла для впрыскивания на расстоянии l₂ кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода предварительно подогревают перед впрыскиванием.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ с высоким содержанием кислорода подают, по меньшей мере, частично из установки для хранения жидкого кислорода.

10. Узел горелки для отдельного впрыскивания, состоящий из, по меньшей мере, двух блоков (1, 2, 14, 15, 16) и содержащий сопло (3, 4) для впрыскивания горючего газа и, по меньшей мере, четыре сопла (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) для впрыскивания кислородсодержащего газа,
при этом первый блок (1, 2) имеет сопло (3, 4) для впрыскивания топлива и, по меньшей мере, два сопла (5, 6, 7, 8) для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, причем первое сопло (5, 6) для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода размещено таким образом, чтобы находиться в контакте с соплом (3, 4) для впрыскивания топлива, а второе сопло (7, 8) для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода размещено на расстоянии l₁ от сопла (3, 4) для впрыскивания топлива,
при этом второй блок (14, 15) имеет, по меньшей мере, третье сопло (9, 10) для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода и четвертое сопло (11, 12) для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода, причем каждое из них размещено на расстоянии l₂ от сопла (3, 4) для впрыскивания топлива первого блока, при этом l₂ больше l₁, а четвертое сопло (11, 12) для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода имеет площадь, в 4-100 раз большую площади третьего сопла (9, 10) для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода.

11. Узел горелки по п.10, отличающийся тем, что первое сопло (5, 6) для впрыскивания кислородсодержащего газа размещено в центре сопла (3, 4) для впрыскивания топлива.

12. Узел горелки по п.10 или 11, отличающийся тем, что содержит третий блок (16), имеющий пятое сопло (13) для впрыскивания кислородсодержащего газа с низким содержанием кислорода, размещенное на расстоянии l₂ от сопла (3, 4) для впрыскивания топлива и имеющее площадь, в 4-100 раз большую площади третьего сопла (9, 10) для впрыскивания кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода.

13. Узел горелки по п.12, отличающийся тем, что содержит два первых блока (1, 2), два вторых блока (14, 15) и один третий блок (16).

14. Способ нагревания загрузки из стекла или нагревательной печи, включающий сжигание топлива с использованием кислородсодержащего газа, при котором впрыскивают струю топлива и, по меньшей мере, две струи кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, при этом первую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода, называемую первичной струей, впрыскивают так, чтобы она находилась в контакте со струей топлива и образовывала неполное первое сжигание, причем выходные газы после первого сжигания все еще содержат, по меньшей мере, одну часть топлива, а вторую струю кислородсодержащего газа с высоким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₁ от струи топлива так, чтобы обеспечить сжигание с первой частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ с низким содержанием кислорода впрыскивают на расстоянии l₂ от струи топлива, обеспечивая сжигание со второй частью топлива, присутствующего в выходных газах после первого сжигания, причем l₂>l₁.