Радиационная стеновая горелка
Изобретение относится к области энергетики. Горелка для сжигания горючей смеси в печи для образования пламени, причем горючая смесь содержит топливо и воздух и при этом печь имеет стенку печи, горелка содержит горелочный камень, имеющий наружную поверхность и внутреннюю поверхность, при этом наружная поверхность выполнена с возможностью прохождения вдоль стенки печи, а внутренняя поверхность образует подводящий канал, проходящий перпендикулярно наружной поверхности, причем подводящий канал заканчивается на периферийном конце на наружной поверхности; топливопровод, проходящий по меньшей мере частично через подводящий канал и заканчивающийся по меньшей мере одной топливной форсункой; головку горелки, расположенную на периферийном конце подводящего канала и образующую криволинейную поверхность Коанда, причем форсунка направляет топливо на криволинейную поверхность Коанда таким образом, что топливо протекает вдоль криволинейной поверхности Коанда к наружной поверхности горелочного камня; и воздушный канал, образованный наружным краем криволинейной поверхности Коанда и находящийся в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом, так что воздух протекает от подводящего канала через канал для смешивания с топливом с образованием горючей смеси, и так что пламя формируется на наружной поверхности горелочного камня так, что пламя распространяется вдоль стенки печи, окружающей горелочный камень, горелка содержит множество стабилизаторов, проходящих от наружного края криволинейной поверхности Коанда в воздушный канал. Пламя формируется таким образом, чтобы прилипание пламени происходило на наружной стороне криволинейной поверхности Коанда, или в которой все топливо для горючей смеси вводится через топливную форсунку. Изобретение позволяет предотвратить проскоки пламени в системе и снизить выбросы NOX. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее раскрытие изобретения относится к области промышленных горелок и, в частности, к радиационным стеновым горелкам, которые используют для нагревания окружающих участков стенки печи или т.п.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Радиационные стеновые горелки используют в промышленных областях для нагрева окружающих участков стенки печи или т.п. Например, в нефтехимической промышленности радиационные стеновые горелки используют в таких процессах, как реформинг водорода, реформинг аммиака, крекинг этилена и крекинг этилендихлорида (EDC). Большинство горелок, применяемых в настоящее время для этих целей, составляют горелки предварительного смешивания, для которых характерно смешивание в трубке Вентури топливного газа и воздуха для сжигания перед поступлением в печь и сжиганием. Дополнительно горелки обычно используют с различными топливными газами, такими как природный газ, сжиженный нефтяной газ (СНГ), нефтезаводской газ и их смеси. Топливные газы могут содержать различные количества водорода в зависимости от компонентов их смеси.
[0003] Вышеописанная концепция предварительного смешивания хорошо работает с топливными газами, имеющими низкую или среднюю скорость пламени, например с содержащими низкое или среднее количество водорода в топливном газе. Тем не менее при использовании концепции предварительного смешивания могут возникать проблемы с топливными газами, имеющими относительно высокую скорость пламени. Например, увеличенные количества водорода значительно повышают скорость пламени для смеси предварительного смешивания, выходящей из форсунки горелки, с повышенным риском проскока пламени, например пламени, которое распространяется внутрь горелки, повреждает или разрушает ее. Как минимум такие проскоки пламени снижают производительность установки, и, если они приводят к повреждению горелки, стоимость ремонта или замены является значительной, особенно если требуется отключение установки. При наличии множества горелок в печи, как правило, сотен горелок, риск проскока пламени в по меньшей мере одной из горелок может быть значительным.
[0004] Кроме того, конструкция горелки для предотвращения проскока пламени должна также соответствовать другим проектным спецификациям, таким как выбросы NOX. Снижение и/или ослабление выбросов NOX в радиационных горелках представляет собой желаемую цель. Соответственно, в промышленности существует потребность в горелках, которые исключают проскок пламени и которые при этом позволяют снизить общее выделение и выбросы NOX.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В вариантах осуществления настоящего изобретения предложена новая система и способ предотвращения проскоков пламени в системе с низким общим выделением и выбросом NOX. Некоторые примеры осуществления описаны ниже.
[0006] В одном наборе вариантов осуществления описана горелка для сжигания горючей смеси в печи для образования пламени. Горючая смесь содержит топливо и воздух. Горелка содержит горелочный камень и головку горелки. Горелочный камень имеет наружную поверхность и внутреннюю поверхность. Наружная поверхность проходит вдоль стенки печи. Внутренняя поверхность образует подводящий канал, проходящий перпендикулярно наружной поверхности, причем подводящий канал заканчивается на периферийном конце на наружной поверхности. Топливопровод проходит по меньшей мере частично через подводящий канал и заканчивается по меньшей мере одной топливной форсункой.
[0007] Головка горелки расположена на периферийном конце подводящего канала и образует криволинейную поверхность Коанда. Форсунка направляет топливо на криволинейную поверхность Коанда таким образом, что топливо протекает вдоль криволинейной поверхности Коанда к наружной поверхности горелочного камня. Воздушный канал образован наружным краем криволинейной поверхности Коанда. Воздушный канал находится в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом, так что воздух проходит от подводящего канала через данный канал для смешивания с топливом с образованием горючей смеси и так что пламя формируется на наружной поверхности горелочного камня с распространением пламени вдоль стенки печи, окружающей горелочный камень.
[0008] По существу пламя формируют таким образом, чтобы прилипание пламени происходило на наружной стороне криволинейной поверхности Коанда на головке горелки. В некоторых вариантах осуществления все топливо для горючей смеси вводят через топливную форсунку. В вышеупомянутых вариантах осуществления множество стабилизаторов могут проходить от наружного края криволинейной поверхности Коанда в воздушный канал.
[0009] В некоторых из вышеописанных вариантов осуществления криволинейная поверхность Коанда дополнительно включает в себя множество отверстий для воздуха, находящихся в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом, так что топливо, протекающее вдоль криволинейных поверхностей Коанда, смешивается с воздухом из отверстий для воздуха перед смешиванием топлива с воздухом, проходящим через воздушный канал. При смешивании топлива с воздухом из отверстий для воздуха образуется обогащенный топливом премикс. При смешивании воздуха из воздушного канала с обогащенным топливом премиксом образуется горючая смесь. В вышеописанных вариантах осуществления топливопровод может проходить через головку горелки так, что топливная форсунка расположена снаружи подводящего канала и внутри печи, и форсунка может быть выполнена с возможностью направления топлива радиально наружу и на криволинейную поверхность Коанда. Также в вышеописанных вариантах осуществления обогащенный топливом премикс можно смешивать с воздухом, проходящим через воздушный канал, так, что пламя образуется с прилипанием пламени, происходящим на наружной стороне криволинейной поверхности Коанда.
[0010] Вышеописанные варианты осуществления могут включать в себя множество стабилизаторов, проходящих от наружного края криволинейной поверхности Коанда в воздушный канал. Дополнительно в некоторых из вышеописанных вариантов осуществления все топливо для горючей смеси вводят через топливную форсунку.
[0011] В одном наборе вышеописанных вариантов осуществления головка горелки прикрывает периферийный конец подводящего канала с криволинейной поверхностью Коанда, представляющей собой куполообразную поверхность над периферийным концом подводящего канала. Топливопровод проходит через головку горелки так, что топливная форсунка расположена снаружи подводящего канала и внутри печи. Форсунка выполнена с возможностью направления топлива радиально наружу и на криволинейную поверхность Коанда.
[0012] В другом наборе вышеописанных вариантов осуществления первый участок криволинейной поверхности Коанда утоплен в часть подводящего канала для образования кольцеобразного участка подводящего канала вокруг первого участка криволинейной поверхности Коанда и первый участок выполнен с возможностью формирования внутренней расходящейся конической поверхности. Топливная форсунка может быть расположена внутри первого участка и может быть выполнена с возможностью направления топлива тангенциально таким образом, чтобы оно циклонически перемещалось вдоль первого участка.
[0013] Дополнительно второй участок криволинейной поверхности Коанда может быть выполнен в виде выпуклой поверхности Коанда, изгибающейся от воздушного подводящего канала и к наружной поверхности горелочного камня. Второй участок может проходить от первого участка криволинейной поверхности Коанда до наружной поверхности камня. После перемещения циклонически вдоль первого участка топливо распространяется радиально наружу на второй участок и на наружную поверхность горелочного камня.
[0014] В этом наборе вариантов осуществления вторичная топливная форсунка может быть расположена снаружи подводящего канала и внутри печи. Вторичная топливная форсунка может быть выполнена с возможностью направления топлива по существу радиально наружу.
[0015] В другом наборе вариантов осуществления раскрыт способ работы горелки для сжигания горючей смеси в печи для образования пламени. Горючая смесь содержит топливо и воздух, и печь имеет стенку печи. Способ может включать в себя этапы:
введения топлива на криволинейную поверхность Коанда таким образом, что топливо протекает вдоль криволинейной поверхности Коанда к наружной поверхности горелочного камня;
введения воздуха через воздушный канал, образованный наружным краем криволинейной поверхности Коанда, таким образом, что воздух смешивается с топливом для образования горючей смеси;
воспламенения горючей смеси для образования пламени таким образом, что пламя образуется на наружном крае криволинейной поверхности Коанда и пламя распространяется вдоль стенки печи, окружающей горелочный камень, с прилипанием пламени, происходящим на наружной стороне криволинейной поверхности Коанда.
[0016] Способ может включать в себя турбулизацию воздуха, проходящего через воздушный канал, с помощью стабилизаторов. В некоторых вариантах осуществления все топливо для горючей смеси вводят на криволинейную поверхность Коанда.
[0017] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно включать этап введения предварительно смешанного воздуха через множество отверстий для воздуха в криволинейной поверхности Коанда, так что топливо, протекающее вдоль криволинейных поверхностей Коанда, смешивается с предварительно смешанным воздухом из отверстий для воздуха перед смешиванием топлива с воздухом, проходящим через воздушный канал. При смешивании топлива с воздухом из отверстий для воздуха образуется обогащенный топливом премикс, причем обогащенный топливом премикс впоследствии смешивают с воздухом, проходящим через канал, для образования горючей смеси.
[0018] В некоторых вариантах осуществления топливо направляют радиально наружу и на криволинейную поверхность Коанда. В других вариантах осуществления топливо вводят ниже и на криволинейную поверхность Коанда. Топливо можно вводить через одну или множество газовых форсунок.
[0019] В одном наборе вариантов осуществления способа первый участок криволинейной поверхности Коанда утоплен в часть воздушного подводящего канала для образования кольцеобразного участка воздушного подводящего канала и первый участок выполнен с возможностью формирования внутренней расходящейся конической поверхности. Топливная форсунка расположена внутри первого участка и выполнена с возможностью направления первой части топлива тангенциально таким образом, чтобы оно циклонически перемещалось вдоль внутренней расходящейся конической поверхности.
[0020] Кроме того, в этом наборе вариантов осуществления второй участок криволинейной поверхности Коанда может быть выполнен в виде выпуклой поверхности Коанда, изгибающейся от воздушного подводящего канала и к наружной поверхности горелочного камня, причем второй участок проходит от первого участка криволинейной поверхности Коанда к наружной поверхности горелочного камня. В таких вариантах осуществления первая часть топлива после перемещения циклонически вдоль внутренней расходящейся конической поверхности распространяется радиально наружу на второй участок криволинейной поверхности Коанда и на наружную поверхность горелочного камня. Воздух из кольцеобразного участка воздушного подводящего канала вводят в воздушный канал.
[0021] Также в этом наборе вариантов осуществления вторая часть топлива может быть направлена по существу радиально наружу от вторичной топливной форсунки, которая расположена дальше в камере печи, чем первичная форсунка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0022] На ФИГ. 1 представлен схематический вид в перспективе горелки в соответствии с одним вариантом осуществления.
[0023] На ФИГ. 2 представлен вид спереди горелки с ФИГ. 1.
[0024] На ФИГ. 3 представлен вид сбоку горелки согласно варианту осуществления с ФИГ. 1.
[0025] На ФИГ. 4 представлен вид сбоку в разрезе горелки с ФИГ. 3.
[0026] На ФИГ. 5 представлен схематический вид в перспективе горелки в соответствии со вторым вариантом осуществления, который включает в себя стабилизаторы и отверстия для предварительно смешанного воздуха.
[0027] На ФИГ. 6 представлен вид сбоку в разрезе горелки с ФИГ. 5.
[0028] На ФИГ. 7 представлен вид сбоку в разрезе горелки в соответствии со вторым вариантом осуществления.
[0029] На ФИГ. 8 представлен вид сбоку в разрезе горелки в соответствии с третьим вариантом осуществления.
ОПИСАНИЕ
[0030] Настоящее раскрытие изобретения может быть лучше понято со ссылкой на последующее описание. Кроме того, чтобы обеспечить полное понимание вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, представлено множество конкретных деталей. Однако обычным специалистам в данной области будет понятно, что варианты осуществления, описанные в настоящем документе, можно применять на практике без этих конкретных деталей. В других случаях способы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять понимание связанного с ними соответствующего описываемого признака. Кроме того, описание не следует рассматривать как ограничивающее объем вариантов осуществления, описанных в настоящем документе.
[0031] Признаки рассматриваемой горелки и связанных с ней способов будут описаны со ссылкой на графические материалы, на которых одинаковые ссылочные номера используются в настоящем документе для обозначения одинаковых элементов на различных видах, проиллюстрированы и описаны различные варианты осуществления. Фигуры необязательно представлены в масштабе, и в некоторых случаях графические материалы местами усложнены и/или упрощены исключительно в иллюстративных целях. В тех случаях, когда используются компоненты относительно хорошо известных конструкций, их структура и работа не будут описаны подробно. Специалист в данной области по достоинству оценит множество возможных применений и вариантов настоящего изобретения на основе последующего описания.
[0032] В конфигурации радиационной стеновой горелки данного изобретения используют конструкцию для смешивания топлива с воздухом для сжигания и инертными газами в печи при их направлении вдоль стенки печи, в которой установлена горелка. Более конкретно, в конструкции используют криволинейную поверхность Коанда для направления топлива вдоль поверхности горелочного камня и стенки печи. Инертные газы печи подмешивают в топливо по мере того, как оно проходит по всей криволинейной поверхности Коанда. Воздух для сжигания вводят в топливо по мере того, как топливо (смешанное с любыми инертными газами в печи) проходит от криволинейной поверхности Коанда к горелочному камню. В некоторых вариантах осуществления все топливо вводят таким образом, чтобы оно перемещалось по всей криволинейной поверхности Коанда, а весь воздух для сжигания вводят по мере того, как топливо перемещается от криволинейной поверхности Коанда к горелочному камню. Соответственно, по мере того как топливо перемещается от криволинейной поверхности Коанда к поверхности горелочного камня, образуется по меньшей мере почти стехиометрическая горючая смесь. «Почти стехиометрическая» относится к соотношению топлива и окислителя, которое по существу близко к тому, что необходимо для стехиометрического сжигания первичного топлива. По существу описанные в настоящем документе варианты осуществления позволяют создавать топливовоздушную горючую смесь, которая является почти стехиометрической, как правило, в диапазоне от приблизительно -5% до приблизительно 10% избыточного окислителя или воздуха, но чаще от 0% до 5% или от 1% до 3% избыточного окислителя или воздуха. При использовании вторичной топливной форсунки объем изобретения предусматривает получение более высокого отношения топлива к воздуху (свыше 10% избыточного окислителя или воздуха), когда горючую смесь считают бедной горючей смесью.
[0033] Однако в некоторых вариантах осуществления незначительное количество воздуха для сжигания или предварительно смешанного воздуха будут подмешивать в топливо (включая любые инертные газы в печи), в то время как топливо все еще протекает по всей криволинейной поверхности Коанда. Это незначительное количество воздуха для сжигания меньше количества, требуемого для приготовления стехиометрической смеси, то есть предварительно смешанная смесь воздуха и топлива не будет иметь соотношения топлива и окислителя, необходимого для стехиометрического сжигания топлива. Вместо этого будут вводить предварительно смешанный воздух с тем, чтобы получить богатый премикс.«Богатый» премикс указывает на смесь топлива/окислителя, содержащую меньше окислителя, чем количество, требуемое для полного сжигания топлива. По существу описанные в настоящем документе варианты осуществления могут находиться в диапазоне от 0% до 75% окислителя или воздуха, необходимого для полного сжигания топлива, но чаще от 10% до 50%. Соответственно, в вариантах осуществления с предварительно смешанным воздухом обогащенный топливом премикс образуется по мере того, как топливо проходит по всей криволинейной поверхности Коанда, а по меньшей мере стехиометрическая смесь будет образовываться по мере того, как обогащенный топливом премикс перемещается от криволинейной поверхности Коанда к поверхности горелочного камня. В некоторых вариантах осуществления почти стехиометрическая горючая смесь будет образовываться по мере того, как обогащенный топливом премикс перемещается от криволинейной поверхности Коанда к поверхности горелочного камня. В других вариантах осуществления бедная горючая смесь будет образовываться по мере того, как обогащенный топливом премикс перемещается от криволинейной поверхности Коанда к поверхности горелочного камня.
[0034] Вышеописанные конструкции могут работать на любой композиции топливного газа, содержащей 100% водорода, без проскока пламени во внутреннюю часть горелки. Более того, конструкции, описанные в настоящем документе, могут работать при низком, среднем или высоком давлении топлива или скоростях пламени и обеспечивать низкие выбросы NOX, а также исключать проблемы с проскоком пламени. Например, горелки, описанные в настоящем документе, могут работать при давлении топливного газа от 3 бар (изб.) до нескольких сотен мбар (изб.) на входе горелки. Дополнительно описанные горелки могут работать с высоким содержанием инертных компонентов, таких как инертные газы в печи. Конструкция горелки обеспечивает равномерное нагревание стенки печи таким образом, что стенка начинает равномерно нагревать излучением технологические трубы, расположенные у стенки печи напротив горелки (-ок). Кроме того, образование по меньшей мере стехиометрической горючей смеси, которая включает в себя инертные газы в печи, позволяет горелке генерировать относительно низкие уровни NOX.
[0035] Вышеописанные признаки конструкции горелки можно лучше понять со ссылкой на графические материалы. В частности, на ФИГ. 1 и 2 показана горелка 10, которая представляет собой один вариант осуществления рассматриваемой конструкции горелки. По существу горелка 10 содержит горелочный камень 20, который выполнен таким образом, что его наружная поверхность 22 подвержена воздействию внутреннего пространства печи 18. По существу горелочный камень 20 устанавливают в стенке 12 печи так, что его наружная поверхность 22 проходит вдоль внутренней поверхности 14 стенки 12 печи по существу параллельно, но может включать в себя уступ 24, так что центральная область 26 несколько приподнята над внутренней поверхностью 14 стенки 12 печи, тогда как наружная область 28 расположена по существу в одной плоскости со стенкой 12 печи.
[0036] Чаще горелочный камень 20 устанавливают по меньшей мере частично через стенку 12 печи так, что внутренняя поверхность 30 образует по меньшей мере часть или весь подводящий канал 32 через стенку 12 печи. Подводящий канал 32 имеет ближний конец 36, который примыкает к наружной поверхности стенки 12 печи, и периферийный конец 38, который заканчивается у наружной поверхности 22 горелочного камня 20 у края 34 внутренней поверхности, где внутренняя поверхность 30 соприкасается с наружной поверхностью 22, как правило, в центральной области 26. Ближний конец 36 связан по потоку текучей среды с пленумом 39, имеющим воздушный регистр 40. Таким образом, воздух для сжигания, либо с принудительной, либо с естественной тягой, можно подавать через воздушный регистр 40 в подводящий канал 32. По существу естественную тягу воздуха используют с горелкой 10. Для ограничения воздействий воздушных и ветровых потоков можно использовать воздушную демпфирующую систему с естественной тягой, такую как воздушный регистр 40 (показан на ФИГ. 2 и 6). Можно использовать другие подходящие воздушные демпфирующие системы. Например, подходящие системы представляют собой воздушные демпфирующие системы с естественной тягой, описанные в патенте США № 9,134,024 и патенте США № 9,423,127, выданных Platvoet et al., которые включены в настоящий документ путем ссылки.
[0037] Дополнительно топливопровод 42 проходит через подводящий канал 32. Первый конец 44 топливопровода 42 соединен с источником топлива (не показан), как правило, газообразного топлива. Второй конец 46 заканчивается в топливной форсунке 48. В варианте осуществления с ФИГ. 1 и 2 топливопровод 42 проходит через подводящий канал 32 и через головку 50 горелки так, чтобы располагаться дальше в камере 18 печи, чем головка 50 горелки; то есть форсунка 48 находится ближе к центру внутренней стороны печи, чем головка 50 горелки. Такое расположение позволяет форсунке 48 направлять топливо на поверхность головки 50 горелки, как более подробно описано ниже. На ФИГ. 1 и 2 показан один топливопровод и топливная форсунка; тем не менее объем данного раскрытия изобретения предусматривает использование множества топливопроводов и/или множества топливных форсунок.
[0038] Как показано, эта головка 50 горелки размещена в центральной области 26, покрывающей периферийный конец 38 подводящего канала 32. Головка 50 горелки выполнена в форме диска с плоской поверхностью 52, направленной к подводящему каналу 32, и криволинейной поверхностью 54 Коанда, обращенной к камере 18 печи. Нижний участок 53 головки 50 горелки может иметь воздушный дефлектор 55, подобный трубке Вентури. Этот воздушный дефлектор 55 снижает спад давления воздуха, протекающего мимо, и выравнивает поток воздуха. Таким образом, воздух выходит из горелки параллельно стенке с минимизированным риском выброса. Как станет очевидно из фигур, головка 50 горелки является извлекаемой из подводящего канала 32. Головка 50 горелки скользящим образом входит в подводящий канал 32 так, чтобы быть съемной даже во время работы горелки.
[0039] В варианте осуществления на ФИГ. 1 и 2 и в том, который на ФИГ. 3-6 (как дополнительно рассмотрено ниже), криволинейная поверхность 54 Коанда расходится от осевой линии 51 горелки наружу к краю 34 внутренней поверхности горелочного камня 20. Иными словами, криволинейная поверхность 54 Коанда представляет собой выпуклую поверхность Коанда, выступающую дальше всего от плоскости стенки 12 печи на центральном крае 56, который примыкает к топливопроводу 42 (приблизительно осевая линия 51 горелки). Таким образом, наружный край 58 криволинейной поверхности 54 Коанда представляет собой участок криволинейной поверхности 54 Коанда, ближайший к плоскости стенки 12 печи. Указанным образом головка 50 горелки прикрывает подводящий канал 32 с криволинейной поверхностью 54 Коанда, представляющей собой куполообразную поверхность над периферийным концом 38 подводящего канала 32. Криволинейная поверхность 54 Коанда может быть гладкой по всей длине от центрального края 56 до наружного края 58 или иметь по меньшей мере один уступ 60, расположенный на поверхности в любом месте между центральным краем 56 и наружным краем 58.
[0040] Наружный край 58 криволинейной поверхности 54 Коанда и край 34 внутренней поверхности горелочного камня 20 образуют воздушный канал 62, проходящий вокруг головки горелки. Воздушный канал 62 находится в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом 32 таким образом, что воздух проходит из подводящего канала 32 через воздушный канал 62 в камеру 18 печи так, чтобы смешиваться с топливом, протекающим по всей криволинейной поверхности 54 Коанда, как дополнительно описано ниже.
[0041] Как показано в варианте осуществления, изображенном на ФИГ. 36, головка 50 горелки может включать в себя стабилизаторы 64 на наружном крае 58 криволинейной поверхности 54 Коанда. Стабилизаторы 64 проходят наружу в воздушный канал 62 по направлению к краю 34 внутренней поверхности горелочного камня 20. Как правило, стабилизаторы 64 не достигают края 34 внутренней поверхности, а оставляют небольшой зазор, который составляет приблизительно четверть или менее ширины воздушного канала 62. Тем не менее объем изобретения предусматривает, что стабилизаторы 64 достигают края 34 внутренней поверхности. Стабилизаторы 64 могут иметь квадратную, прямоугольную, овальную или другую подходящую форму и могут включать в себя отверстия подходящего размера и в подходящем количестве для конкретного применения. Стабилизаторы 64 служат для турбулизации потока воздуха через воздушный канал 62 для лучшего смешивания воздуха с топливом, протекающим по всей криволинейной поверхности 54 Коанда.
[0042] Как также показано в варианте осуществления с ФИГ. 36, головка 50 горелки может включать в себя ряд отверстий 66 для воздуха, которые проходят через головку 50 горелки так, чтобы находиться в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом 32. Отверстия 66 для воздуха размещают между центральным краем 56 и наружным краем 58, как правило, примерно посредине. Если криволинейная поверхность 54 Коанда включает в себя уступ 60, отверстия 66 для воздуха могут быть расположены ниже по направлению движения и смежно с уступом 60 по отношению к потоку топлива по всей криволинейной поверхности 54 Коанда. Головка 50 горелки может иметь один ряд, множество рядов или не иметь рядов отверстий 66 для воздуха, расположенных по окружности, в зависимости от особенностей топливной композиции и характеристик применения. Количество отверстий 66 для воздуха в ряду, диаметр или форма, угол сверления сквозь головку 50 горелки, расположение относительно уступа 60 или центра головки 50 горелки могут варьировать в зависимости от требований к топливным композициям и горелке. Несмотря на то что вариант осуществления с ФИГ. 3-6 показан как со стабилизаторами 64, так и с отверстиями 66 для воздуха, специалистам в данной области будет понятно, что стабилизаторы 64 можно использовать на головке 50 горелки без отверстий 66 для воздуха и подобным образом отверстия 66 для воздуха можно использовать без стабилизаторов 64.
[0043] Как будет понятно из вышеизложенного для вариантов осуществления с ФИГ. 1-6, топливопровод 42 располагают через центр головки 50 горелки так, что форсунка 48 находится на расстоянии от криволинейной поверхности 54 Коанда. Форсунка 48 может иметь множество отверстий для подачи топлива в радиальном направлении от осевой линии 51 головки горелки и на криволинейную поверхность 54 Коанда. Несмотря на то что расстояние топливных отверстий от криволинейной поверхности 54 Коанда и угол к осевой линии 51 головки горелки могут варьировать, их следует выбирать таким образом, чтобы подаваемое топливо могло прилипать к криволинейной поверхности 54 Коанда и распространяться вдоль всей этой поверхности на всем пути к наружному краю 58 криволинейной поверхности 54 Коанда. Показанная головка 50 горелки обеспечивает подачу воздуха и топлива на полные 360°; тем не менее в некоторых вариантах осуществления можно использовать меньший диапазон подачи топлива и/или воздуха. Как правило, 100% топлива подают на верх криволинейной поверхности 54 Коанда через форсунку 48; тем не менее в некоторых вариантах осуществления туда подают менее 100% топлива, а оставшееся топливо можно нагнетать ниже головки 50 горелки, например с помощью инжекторов, расположенных в воздушном канале 62 или отверстиях 66 для воздуха. Как показано в вариантах осуществления с ФИГ. 1-6, топливо вводят с использованием одного топливопровода 42 с одной топливной форсункой 48; тем не менее объем изобретения предусматривает использование множества топливопроводов и/или множества топливных форсунок. Например, могут присутствовать два или более топливопроводов, проходящих через подводящий канал 32, причем каждый оканчивается одной или более топливными форсунками. Как правило, каждая из этих топливных форсунок будет вводить топливо на криволинейную поверхность 54 Коанда головки 50 горелки. В альтернативном варианте осуществления может быть только один топливопровод, который оканчивается двумя или более топливными форсунками, причем каждая форсунка вводит топливо на криволинейную поверхность 54 Коанда.
[0044] Способ работы горелки 10 имеет уникальные признаки, связанные с подачей, смешиванием, стабилизацией и сжиганием воздуха для сжигания и топлива на наружной поверхности 22 горелочного камня 20 и на внутренней поверхности 14 стенки 12 печи непосредственно после головки 50 горелки. Такая конструкция и способ исключают возможность нестабильной работы горелки (проскока пламени) даже при 100%-м водородном топливе. В процессе работы воздух для сжигания подают через воздушный регистр 40 пленума 39 в подводящий канал 32, как правило, цилиндрический подводящий канал. Воздушный поток отражается внутренней поверхностью головки 50 горелки (плоская поверхность 52 на ФИГ. 2 и 6) для прохождения через воздушный канал 62 и вдоль наружной поверхности 22 горелочного камня 20 и далее вдоль внутренней поверхности 14 стенки 12 печи. Топливо впрыскивают радиально из форсунки 48 в центр криволинейной поверхности 54 Коанда. Топливо распространяют вдоль и по всей криволинейной поверхности 54 Коанда, чтобы оно протекало по существу от центрального края 56 к наружному краю 58. Таким образом, топливо протекает по всей криволинейной поверхности 54 Коанда и затем вдоль наружной поверхности 22 горелочного камня 20 и далее вдоль внутренней поверхности 14 стенки 12 печи.
[0045] По мере того как топливо протекает по всей криволинейной поверхности Коанда, оно смешивается с инертными газами из камеры печи. Высокоимпульсные топливные струи при движении вдоль криволинейной поверхности 54 Коанда подвергаются воздействию атмосферы печи, которая состоит главным образом из инертных газов, таких как СО2, Н2О и N2. Это приводит к интенсивному смешиванию инертных газов с протекающими топливными струями до того, как топливо встретится и смешается с основным воздушным потоком из воздушного канала 62. Инертные газы, добавляемые к пламени, значительно снижают образование термического NOX, и, таким образом, горелка 10 работает как горелка с низким выбросом NOX.
[0046] Как упоминалось, топливо смешивается с воздухом из воздушного канала 62 по мере того, как топливо проходит через воздушный канал 62 и на горелочный камень 20 для образования горючей смеси. В случае использования стабилизаторы 64 на наружной периферии головки 50 горелки (ФИГ. 3-6) создают турбулентную зону, в которой происходит захват топлива и стабилизация пламени. Этот признак повышает стабильность запуска и снижает выбросы СО в условиях «холодного» старта печи. Турбулизация воздушного потока также приводит к уменьшению диаметра пламени, что важно для эффективного размещения множества горелок на стенке печи. Если горелочный камень включает в себя выступ 24, этот выступ помогает увеличивать смешивание между топливом и воздухом для сжигания, а также, соответственно, уменьшать диаметр пламени.
[0047] При использовании отверстий 66 для воздуха, как показано на ФИГ. 36, топливо может частично предварительно смешиваться с воздухом первой ступени, выходящим из отверстий 66 для воздуха, по мере того как топливо протекает через отверстия 66 для воздуха. При смешивании с воздухом из отверстий 66 для воздуха образуется обогащенный топливом премикс. После этого топливо встречается и дополнительно смешивается с основным воздушным потоком, выходящим из воздушного канала 62, сформированного головкой 50 горелки и горелочным камнем 20 для образования горючей смеси. Отверстия 66 для воздуха на криволинейной поверхности 54 Коанда позволяют создать некоторый премикс топлива и воздуха, что повышает стабильность горелки во время «холодного» запуска печи, особенно на природном газе, и ограничивают выбросы СО во время такого холодного запуска.
[0048] Горючую смесь воспламеняют для образования пламени таким образом, что прилипание пламени происходит на горелке на наружной стороне криволинейной поверхности 54 Коанда головки 50 горелки. По существу прилипание пламени происходит в зоне, начинающейся у наружного края 58 криволинейной поверхности 54 Коанда и продолжающейся ниже по направлению движения от нее на наружную поверхность 22 горелочного камня 20. Чаще прилипание пламени происходит на наружном крае 58 криволинейной поверхности 54 Коанда. Соответственно, горючая смесь загорается на наружной поверхности 22 горелочного камня 20 и продолжает растекаться и гореть на внутренней поверхности 14 стенки 12 печи. В результате пламя имеет форму диска - плоского пламени на наружной поверхности 22 горелочного камня 20 и внутренней поверхности 14 стенки 12 печи. Пламя нагревает огнеупорную поверхность горелочного камня и стенку печи, которые обеспечивают равномерное излучение, подавая тепловой поток к технологическим трубам по всей печи от горелки 10.
[0049] Обратимся теперь к ФИГ. 7, где представлен другой вариант осуществления горелки 10. На ФИГ. 7 первый участок 70 криволинейной поверхности 54 Коанда утоплен в часть подводящего канала 32. В этой части подводящего канала 32 первый участок 70 и подводящий канал 32 образуют кольцеобразный участок 74 подводящего канала 32, через который подают воздух в воздушный канал 62 и, в случае использования, в отверстия 66 для воздуха. Как будет отмечено, первый участок 70 выполнен в виде расходящейся конической поверхности, причем ее самый узкий участок заглублен в подводящий канал 32, а ее самый широкий участок находится рядом с периферийным концом 38 подводящего канала 32. Соответственно, первый участок 70 утоплен в часть воздушного подводящего канала 32 для образования кольцеобразного участка 74 воздушного подводящего канала 32, и первый участок выполнен с возможностью формирования внутренней расходящейся конической поверхности, как показано на ФИГ. 7. Иными словами, внутренняя поверхность первого участка 70 образует расходящуюся коническую поверхность, которая по существу обращена к осевой линии 51 и расходится таким образом, что по меньшей мере часть расходящейся конической поверхности обращена к внутренней части печи.
[0050] Необязательно второй участок 72 криволинейной поверхности 54 Коанда выполняют в виде выпуклой поверхности Коанда. Как можно увидеть на ФИГ. 7, выпуклая криволинейная поверхность Коанда второго участка 72 изгибается от воздушного подводящего канала 32 и изгибается в сторону горелочного камня 20 таким образом, что выпуклая кривая обращена или направлена к внутренней части камеры 18 печи. Второй участок 72 проходит от первого участка 70 к наружной поверхности 22 горелочного камня 20 и поверх нее. Топливная форсунка 48 расположена внутри первого участка 70 и выполнена с возможностью направления топлива тангенциально таким образом, чтобы оно циклонически перемещалось вдоль первого участка 70 и распространялось радиально наружу по второму участку 72, а затем на наружную поверхность 22 горелочного камня 20 (как показано стрелками на ФИГ. 7).
[0051] В данном варианте осуществления топливная форсунка 48 размещена глубоко внутри первого участка 70 головки 20 горелки и имеет тангенциально просверленные топливные отверстия 80 для доставки высокоимпульсных топливных струй тангенциально к расходящейся цилиндрической поверхности первого участка 70. Первый участок 70 плавно переходит в выпуклую криволинейную поверхность Коанда второго участка 72. В результате топливо завихряется внутри и постепенно расширяется, чтобы следовать по криволинейной поверхности 54 Коанда первого участка 70 и второго участка 72 к наружному краю 58 криволинейной поверхности 54 Коанда для смешивания с воздухом для сжигания в воздушном канале 62. Завихрение топлива создает зону отрицательного давления вдоль осевой линии 51 горелки, что позволяет втягивать инертный газ печи в головку горелки и смешивать его с вихревым топливом. Это обеспечивает разбавление топлива инертными газами перед смешиванием с воздухом для сжигания, что приводит к ослаблению образования термического NOX в пламени.
[0052] Вариант осуществления с ФИГ. 7 показан без стабилизаторов; тем не менее стабилизаторы можно применять аналогично стабилизаторам 64, показанным в варианте осуществления с ФИГ. 8.
[0053] На ФИГ. 8 представлен вариант осуществления, где радиальную подачу топлива можно комбинировать с тангенциальной подачей топлива за счет наличия форсунки 76 первой ступени снизу в первом участке 70 и форсунки 78 второй ступени, расположенной дальше в камере печи, чем первичная форсунка. Необязательно форсунка 78 второй ступени может быть по меньшей мере на уровне со вторым участком 72 или дальше в камере 18 печи, чем второй участок 72. Соответственно, форсунка 76 первой ступени обеспечивает тангенциальную подачу топлива, а форсунка 78 второй ступени обеспечивает радиальную или по существу радиальную подачу топлива. Соответственно, этот вариант осуществления позволяет вводить топливо на криволинейную поверхность Коанда в более чем одном месте, например, путем введения топлива ниже криволинейной поверхности Коанда и на нее.
[0054] Несмотря на то что способы описаны в терминах «содержащий», «содержащий в себе» или «включающий в себя» различные этапы, способы также могут «состоять по существу из» или «состоять из» различных этапов. Каждый раз, когда описан числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, конкретно описаны любое число и любой включенный диапазон, попадающий в данный диапазон. В частности, следует понимать, что каждый диапазон значений (в форме «от примерно а до примерно b», или, что равнозначно, «от приблизительно а до b», или, что равнозначно, «от приблизительно а-b»), описанный в настоящем документе, представляет каждое число и диапазон, включенные в более широкий диапазон значений. Кроме того, когда термин «примерно» используется в отношении диапазона, он по существу означает плюс или минус половину последней значащей цифры значения диапазона, если контекст не указывает на другое определение «примерно».
[0055] Также термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Более того, неопределенные артикли а или an, используемые в формуле изобретения, определены в настоящем документе как означающие один или более чем один из элементов, которые вводит артикль. Если имеется какое-либо противоречие в применениях слова или термина в данном описании и одном или более патенте (-ах) или в других документах, которые могут быть включены в настоящий документ путем ссылки, должны быть приняты определения, соответствующие данному описанию.
1. Горелка для сжигания горючей смеси в печи для образования пламени,
причем горючая смесь содержит топливо и воздух и при этом печь имеет стенку печи, горелка содержит:
горелочный камень, имеющий наружную поверхность и внутреннюю поверхность, при этом наружная поверхность выполнена с возможностью прохождения вдоль стенки печи, а внутренняя поверхность образует подводящий канал, проходящий перпендикулярно наружной поверхности, причем подводящий канал заканчивается на периферийном конце на наружной поверхности;
топливопровод, проходящий по меньшей мере частично через подводящий канал и заканчивающийся по меньшей мере одной топливной форсункой;
головку горелки, расположенную на периферийном конце подводящего канала и образующую криволинейную поверхность Коанда, причем форсунка направляет топливо на криволинейную поверхность Коанда таким образом, что топливо протекает вдоль криволинейной поверхности Коанда к наружной поверхности горелочного камня; и
воздушный канал, образованный наружным краем криволинейной поверхности Коанда и находящийся в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом, так что воздух протекает от подводящего канала через канал для смешивания с топливом с образованием горючей смеси, и так что пламя формируется на наружной поверхности горелочного камня так, что пламя распространяется вдоль стенки печи, окружающей горелочный камень, отличающаяся тем, что
горелка содержит множество стабилизаторов, проходящих от наружного края криволинейной поверхности Коанда в воздушный канал.
2. Горелка по п. 1, в которой пламя формируется таким образом, чтобы прилипание пламени происходило на наружной стороне криволинейной поверхности Коанда, или в которой все топливо для горючей смеси вводится через топливную форсунку.
3. Горелка по п. 1 или 2, в которой криволинейная поверхность Коанда дополнительно включает в себя множество отверстий для воздуха, находящихся в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом, так что топливо, протекающее вдоль криволинейных поверхностей Коанда, смешивается с воздухом из отверстий для воздуха перед смешиванием топлива с воздухом, проходящим через воздушный канал, и при этом при смешивании топлива с воздухом из отверстий для воздуха образуется обогащенный топливом премикс.
4. Горелка по любому из предшествующих пунктов, в которой головка горелки прикрывает периферийный конец подводящего канала с криволинейной поверхностью Коанда, представляющей собой куполообразную поверхность над периферийным концом подводящего канала, и топливопровод проходит через головку горелки так, что топливная форсунка расположена снаружи подводящего канала и внутри печи, и при этом форсунка выполнена с возможностью направления топлива радиально наружу и на криволинейную поверхность Коанда.
5. Горелка по п. 4, в которой все топливо для горючей смеси вводится через топливную форсунку и криволинейная поверхность Коанда дополнительно включает в себя множество отверстий для воздуха, находящихся в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом, так что топливо из форсунки, протекающее вдоль криволинейных поверхностей Коанда, смешивается с воздухом из отверстия для воздуха перед смешиванием топлива с воздухом, проходящим через воздушный канал, и при этом смешивание топлива с воздухом из отверстий для воздуха дает обогащенный топливом премикс, и при этом обогащенный топливом премикс смешивается с воздухом, проходящим через воздушный канал, так, что пламя образуется с прилипанием пламени, происходящим на наружной стороне криволинейной поверхности Коанда.
6. Горелка по любому из предшествующих пунктов, в которой первый участок криволинейной поверхности Коанда утоплен в часть подводящего канала так, чтобы образовывать кольцеобразный участок подводящего канала вокруг первого участка поверхности Коанда, и первый участок выполнен с возможностью формирования внутренней расходящейся конической поверхности, при этом топливная форсунка расположена внутри первого участка и выполнена с возможностью направления топлива тангенциально таким образом, чтобы оно циклонически перемещалось вдоль внутренней расходящейся конической поверхности, и при этом второй участок криволинейной поверхности Коанда выполнен в виде выпуклой поверхности Коанда, изгибающейся от воздушного подводящего канала и к наружной поверхности горелочного камня, причем второй участок проходит от первого участка к наружной поверхности горелочного камня, и при этом топливо после перемещения циклонически вдоль первого участка распространяется радиально наружу на второй участок и на наружную поверхность горелочного камня.
7. Горелка по п. 6, в которой все топливо для горючей смеси вводится через топливную форсунку и криволинейная поверхность Коанда дополнительно включает в себя множество отверстий для воздуха, находящихся в связи по потоку текучей среды с подводящим каналом, так что топливо из форсунки, протекающее вдоль криволинейных поверхностей Коанда, смешивается с воздухом из отверстия для воздуха перед смешиванием топлива с воздухом, проходящим через воздушный канал, и при этом смешивание топлива с воздухом из отверстий для воздуха дает обогащенный топливом премикс, и при этом обогащенный топливом премикс смешивается с воздухом, проходящим через воздушный канал, так, что пламя образуется с прилипанием пламени, происходящим на наружной стороне криволинейной поверхности Коанда.
8. Горелка по п. 6, в которой вторичная топливная форсунка расположена дальше в камере печи, чем первичная форсунка, и при этом вторичная топливная форсунка выполнена с возможностью направления топлива по существу радиально наружу.
9. Способ работы горелки для сжигания горючей смеси в печи для образования пламени, причем горючая смесь содержит топливо и воздух и печь имеет стенку печи, при этом способ включает:
введение топлива на криволинейную поверхность Коанда таким образом, что топливо протекает вдоль криволинейной поверхности Коанда к наружной поверхности горелочного камня, при этом топливо вводят ниже криволинейной поверхности Коанда и на нее;
введение воздуха через воздушный канал, образованный наружным краем криволинейной поверхности Коанда, таким образом, что воздух смешивается с топливом для образования горючей смеси; и
воспламенение горючей смеси для образования пламени таким образом, что пламя образуется на наружной поверхности горелочного камня и пламя распространяется вдоль стенки печи, окружающей горелочный камень, с прилипанием пламени, происходящим на наружной стороне криволинейной поверхности Коанда.
10. Способ по п. 9, дополнительно включающий турбулизацию воздуха, проходящего через воздушный канал.
11. Способ по п. 9 или 10, в котором все топливо для горючей смеси вводят на криволинейную поверхность Коанда.
12. Способ по любому из пп. 9-11, в котором воздух, вводимый в воздушный канал, представляет собой воздух с естественной тягой, который проходит через подводящий канал в горелочном камне к воздушному каналу, и при этом воздух с естественной тягой вводят в подводящий канал из управляющего устройства типа воздушного демпфера с естественной тягой.
13. Способ по любому из пп. 9-12, дополнительно включающий этап введения предварительно смешанного воздуха через множество отверстий для воздуха в криволинейной поверхности Коанда, так что топливо, протекающее вдоль криволинейных поверхностей Коанда, смешивается с предварительно смешанным воздухом из отверстий для воздуха перед смешиванием топлива с воздухом, проходящим через воздушный канал, и при этом при смешивании топлива с воздухом из отверстий для воздуха образуется обогащенный топливом премикс со смешиванием обогащенного топливом премикса с воздухом, проходящим через канал, для образования горючей смеси, и дополнительно включающий турбулизацию воздуха, проходящего через воздушный канал, при этом топливо направляют радиально наружу и на криволинейную поверхность Коанда.
14. Способ по любому из пп. 9-13, в котором первый участок криволинейной поверхности Коанда утоплен в часть воздушного подводящего канала для образования кольцеобразного участка воздушного подводящего канала, и первый участок выполнен с возможностью формирования внутренней расходящейся конической поверхности, и при этом топливная форсунка расположена внутри первого участка и выполнена с возможностью направления первой части топлива тангенциально таким образом, чтобы оно циклонически перемещалось вдоль внутренней расходящейся конической поверхности, и при этом второй участок криволинейной поверхности Коанда выполнен в виде выпуклой поверхности Коанда, изгибающейся от воздушного подводящего канала и к наружной поверхности горелочного камня, и второй участок проходит от первого участка к наружной поверхности горелочного камня, причем первая часть топлива после перемещения циклонически вдоль первого участка криволинейной поверхности Коанда распространяется радиально наружу на второй участок криволинейной поверхности Коанда и на наружную поверхность горелочного камня, и при этом воздух из кольцеобразного участка воздушного подводящего канала вводят в воздушный канал.
15. Способ по п. 14, дополнительно включающий этап введения предварительно смешанного воздуха из кольцеобразного участка воздушного подводящего канала в топливо через множество отверстий для воздуха в криволинейной поверхности Коанда, так что топливо, протекающее вдоль криволинейной поверхности Коанда, смешивается с предварительно смешанным воздухом из отверстий для воздуха перед смешиванием топлива с воздухом, проходящим через воздушный канал, и при этом при смешивании топлива с воздухом из отверстий для воздуха образуется обогащенный топливом премикс, со смешиванием обогащенного топливом премикса с воздухом, проходящим через канал, для образования горючей смеси.
16. Способ по п. 14, дополнительно включающий турбулизацию воздуха, проходящего через воздушный канал, или в котором топливо вводят ниже криволинейной поверхности Коанда и на нее, или в котором вторую часть топлива направляют по существу радиально наружу от вторичной топливной форсунки, которая расположена дальше в камере печи, чем первичная форсунка.
