Форсунка змішаного типу з низьким вмістом оксидів азоту nox

Реферат: Винахід стосується способу спалення для плавлення скла, відповідно до якого полум'я утворюється одночасно імпульсом рідкого палива і єдиним імпульсом газоподібного палива, який відрізняється тим, що частка загальної потужності, що забезпечується рідким паливом, є змінною між 20 і 80 %, а також тим, що питомий імпульс газоподібного палива обмежений до величини досить низької для того, щоб вміст NOx в димових газах, що виробляються, не 3 перевищував 800 mg/Nm для печі з поперечними пальниками і 600 mg/Nm для печі із замкненим контуром; форсунки для здійснення цього способу; пальника, що містить одну або декілька таких форсунок, при цьому піч містить щонайменше один такий пальник. UA 100379 C2 (12) UA 100379 C2 UA 100379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується способу і пристрою для спалювання, в якому живлення паливом забезпечується щонайменше форсункою. Винахід буде, особливо, описаний для використання при плавленні скла в скловарних печах, зокрема в печах для виготовлення плоского скла типу флоат-скла або печах для виготовлення порожнистої склотари, наприклад інверсійних печах, що використовують регенератори (рекуператори енергії), однак він не обмежується такими застосуваннями. Більшість способів спалення згаданого типу, зокрема способів, які використовуються в скловарних печах, стикаються з проблемами небажаного виділення NOx в димових газах від спалення. NOx здійснюють небажаний вплив і на людину і на навколишнє середовище. Дійсно, з одного боку, NO2 є газом, сприяючим виникненню респіраторних захворювань. З іншого боку, при контакті з атмосферою вони можуть поступово утворювати кислотні дощі. Нарешті, вони спричиняють фотохімічне забруднення, оскільки в сукупності з органічними компонентами, що легко випаровуються і сонячним випромінюванням NOx є джерелом утворення так званого тропосферного озону, підвищення концентрації якого на малій висоті стає шкідливим для людини, особливо в період сильної спеки. Тому діючі норми на виділення NOx стають все більш і більш жорсткими. Відповідно до вимог цих норм виготівники і користувачі печей, таких як склоплавильні печі, постійно стурбовані максимальним обмеженням виділень NOx, переважно, до рівня, меншого 800 mg на 3 3 Nm димових газів для печі з поперечними пальниками, або меншого 600 mg на Nm димових газів для печі із замкненим циклом. Параметри, які впливають на утворення NOx, вже проаналізовані. Мова, в основному, йде про температуру, оскільки вище 1300°С виділення NOx зростає експонентним чином внаслідок надлишку повітря, оскільки концентрація NOx залежить від квадратного кореня концентрації кисню, або також від концентрації N2. Для зменшення виділення NOx відомі різні технології. Перша технологія полягає в примусовому впливі агента редуктора на гази, які виділяються для того, щоб NOx перетворити в азот. Цим агентом редуктором може бути аміак, однак це викликає незручності, зв'язані зі складністю зберігання і поводження з таким продуктом. Можна також використовувати як агент редуктора природний газ, але це здійснюється у шкоду споживанню печі і підвищує виділення СО2. Присутність газів редукторів в деяких частинах печі, таких, як регенератори, може також викликати посилену корозію вогнетривких матеріалів цих зон. Таким чином, переважно, але не обов'язково, не вдаватися до цієї технології, вживаючи заходи, звані первинними. Ці заходи називаються так тому, що не намагаються зруйнувати вже утворені NOx, як в рівні техніки, описаному вище, але, швидше, перешкодити їх утворенню, наприклад нарівні полум'я. Ці заходи, крім того, простіше здійснити і, отже, вони більш економічні. Однак, вони можуть не замінити повністю згадану технологію, але, переважно, її доповнити. Ці первинні заходи є, принаймні, необхідною попередньою умовою для зменшення споживання реактивів в процесі повторних заходів. Можна класифікувати необмежувальним чином існуючі заходи на декілька категорій: - перша категорія полягає в зменшенні утворення NOx за допомогою технології, яка називається «допалювання», відповідно до якої утворюють зону нестачі повітря на рівні камери згорання печі. Недоліком цієї технології є збільшення температури на рівні наборів регенераторів і, в необхідному випадку, використання спеціальної конструкції регенераторів і їх наборів, особливо в тому, що стосується їх герметичності і опору корозії - друга категорія полягає у впливі на полум'я, зменшуючи, і навіть заважаючи утворенню NOx на його рівні. Для цього можна, наприклад спробувати зменшити надлишок повітря при горінні. Можна також обмежити температурні списи, утримуючи довжину полум'я, і збільшити об'єм фронту полум'я для зменшення середньої температури всередині полум'я. Таке рішення описане, наприклад в US 6047565 і WO 9802386. Воно полягає в способі спалення для плавлення скла, відповідно до якого живлення паливом і живлення окислювачем палива (здійснюється таким чином, щоб розподілити у часі контакт паливо/окислювач палива і/або збільшити об'єм цього контакту для зменшення виділення NOx. Пригадаємо, що форсунка призначена для подачі палива, при цьому останнє запалюється окислювачем палива. Таким чином, форсунка може бути частиною пальника, при цьому термін пальник означає, звичайно, пристрій, який містить одночасно підведення палива і підведення окислювача палива. ЕР 921349 (або US 6244524) пропонує з метою зменшення NOx пальник, забезпечений щонайменше форсункою, яка містить трубопровід підведення рідкого палива типу мазуту і 1 UA 100379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 трубопровід підведення середовища для розпилення, розміщений концентрично відносно згаданого трубопроводу підведення рідкого палива, при цьому згаданий трубопровід підведення рідкого палива містить елемент з наскрізними похилими каналами для придания рідкому паливу форми порожнистого струменя, що охоплює, по суті, внутрішню стінку, причому твірна кожного з каналів становить щонайменше кут в 10° з напрямом підведення рідкого палива. FR 2834774 пропонує зменшити NOx застосуванням пальника, забезпеченого щонайменше форсункою, яка містить три коаксіальних трубопроводи підведення палива - рідкого, - газоподібного високого - і низького тиску, названих в порядку зростаючого видалення від осі. Проте, з такою форсункою підтримка малого виділення NOx, коли необхідно змінювати відносні пропорції між різними видами палива, вимагає складного регулювання. Метою винаходу є пропозиція способу термічної обробки розплавленого скла, в якій використовуються палива різної природи, відносні пропорції яких є змінними в широкому діапазоні, підтримуючи мале виділення NOx. Для цього як об'єкт винаходу пропонується спосіб спалення, зокрема для плавлення скла, в якому полум'я утворюється одночасно рідким паливом і газоподібним паливом, який відрізняється тим, що частка загальної потужності, що створюється рідким паливом, є змінною від 20 до 80%, а також тією, що питомий імпульс газоподібного палива обмежений до величини, досить низької для того, щоб вміст NOx в димових газах, що виробляються не перевищувала 3 800 mg/Nm для печі з поперечними пальниками і 600 mg/Nm для печі із замкненим циклом. Дійсно доведено, що комбінація імпульсу рідкого палива (такого, як мазут) і єдиного імпульсу газу низького тиску дозволяє утримувати низький рівень NOx без необхідності складного регулювання або доведень. Таким чином, можна дуже легко змінювати співвідношення мазут/газ, наприклад зокрема в залежності від коливань вартості цих видів палива. Спосіб за винаходом дозволяє одержати такі ж малі виділення NOx, як і при використанні мазуту як єдиний вигляд палива. Потужність спалення розділяється, в цьому випадку виключно на потужність, що забезпечується рідким паливом, з одного боку, газоподібним, з іншого боку, таким чином, що частина другого є доповненням до частини першого до 100% (тобто є змінною від 80 до 20%). Питомий імпульс газоподібного палива є, переважно таким, що дорівнює 3, особливо переважно, 2,5 N/MW. Уточнимо, що в склопромисловості, до якої належить даний винахід, піч із замкненим циклом може функціонувати навперемінно з двома пальниками, розміщеними відповідно в лівій і правій частинах печі. Потужність пальників дорівнює утворенню числа форсунок (зокрема двох або трьох), які вони містять, на потужність однієї форсунки. Потужність пальників (і, отже, число форсунок на пальник, і потужність форсунок) є змінною і може бути пристосована, зокрема до розмірів печі. 2 Як приклад, піч в сотню m (поверхня скляної ванни) може працювати з двома пальниками навперемінно потужністю в 8-14 MW кожна. Якщо ці пальники містять дві форсунки кожна, потужність їх становить 4-7 MW, що розділяється, з одного боку, на потужність форсунки, що забезпечується рідким паливом і, з іншого боку, що забезпечується газоподібним паливом. Саме останньої стосується вищевказаний максимальний питомий імпульс газоподібного палива. Утримання цього питомого імпульсу газоподібного палива на таких відносно низьких значеннях дозволяє змінювати в широких межах відносні пропорції рідкого і газоподібного видів палива при збереженні виділення NOx на низькому рівні. Регулювання цього питомого імпульсу може легко здійснюватися шляхом вибору діаметра трубопроводу підведення газоподібного палива. Досить збільшити цей діаметр для зменшення питомого імпульсу при інших рівних параметрах, і навпаки. Відповідно до іншої переважної характеристики способу за винаходом питомий імпульс рідкого палива максимально рівний 1 N/MW. Ці значення відносяться тільки до внеску рідкого палива в потужність однієї форсунки. Вони адаптовані до оптимальних довжин полум'я і потужностей спалення при всіх розмірах і конфігураціях печей склопромисловості і тому подібному. Вони, само собою зрозуміло, гарантують виділення NOx на низькому бажаному рівні. Регулювання питомого імпульсу рідкого палива також є легким і здійснюється таким же чином, як регулювання питомого імпульсу газоподібного палива. Збільшення діаметра трубопровода (сопло) для подачі рідкого палива зменшує питомий імпульс останнього при інших рівних параметрах і навпаки. 2 UA 100379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Об'єктом винаходу є також форсунка для здійснення описаного вище способу, яка відрізняється тим, що вона містить трубопровід для рідкого палива, вбудований в коаксіальний трубопровід підведення середовища для розпилення рідкого палива, який сам вбудований в єдиний коаксіальний трубопровід підведення газоподібного палива. Така конструкція форсунки може бути наслідком виключення коаксіального трубопроводу підведення газу високого тиску, розміщеного між коаксіальними трубопроводами підведення рідкого палива і середовища для розпилення рідкого палива, з одного боку, і коаксіальним трубопроводом підведення газу низького тиску, з іншого боку, в форсунці, описаній в документі FR 2834774. Трубопроводи, які підводять, в цьому випадку, виконують функцію випуску середовища. Переважно, трубопровід підведення рідкого палива містить елемент з наскрізними похилими каналами для приведення у обертання рідкого палива в формі порожнистого струменя перед викидом за форсунку, при цьому твірна кожного з каналів становить кут від 2 до 30° з напрямом підведення рідкого палива. Ця характеристика відома, зокрема з документа ЕР 921349. Рідке паливо розділяється на стільки індивідуальних струменів, скільки є похилих каналів. Рівномірний розподіл похилих каналів і нахил від 2 до 30° кожні з цих каналів по всьому колу трубопроводу підведення рідкого палива викликає закручення сукупності окремих струменів без перетину між ними. Це закручення приводить, нижче по потоку, до того, що паливо слідує по гвинтовій траєкторії, утворюючи порожнистий струмінь, який охоплює внутрішню стінку трубопроводу підведення. На виході з останнього рідке паливо набуває, таким чином, максимальну механічну енергію, і під впливом середовища для розпилення дійсно розривається на краплинки з оптимальними дисперсійними розмірами. У особливо цікавому варіанті здійснення форсунки за винаходом, трубопроводи підведення рідкого палива і середовище для розпилення виконані знімними для забезпечення роботи на 100% газі. Ці трубопроводи можуть утворювати вбудований легкий комплекс, який просто як демонтувати від форсунки, так і змонтувати з нею. Як тільки цей комплекс демонтований від форсунки, форсунка може працювати повністю на газоподібному паливі. У місці, яке залишається вільним внаслідок відведення мазутної штанги, вийде газ високого тиску. Газ низького тиску продовжує поступати по зовнішньому периметру. Іншими об'єктами винаходу є - пальник, який містить одну або декілька описаних вище форсунок; - піч, яка містить щонайменше один такий пальник, зокрема піч із замкненим циклом або піч з поперечними пальниками. Винахід далі ілюструється нижченаведеним прикладом. Приклад 2 Піч із замкненим циклом в 95 m (поверхня скляної ванни) оснащена двома пальниками, розміщеними відповідно в лівій і правій частинах печі. Пальник містить потік повітря, який підводить, під яким розміщені дві форсунки рідкого мазуту, нагрітого до 130°С, і природного газу. Потужність одного пальника становить 13 MW. Трубопровід підведення мазуту для подачі його до форсунки вбудований в коаксіальний трубопровід підведення повітря (2 бари) для розпилення мазуту. Трубопровід підведення повітря для розпилення вбудований в коаксіальний трубопровід підведення природного газу. Питомий імпульс мазуту Ispe(f), віднесений до потужності мазуту однієї форсунки, залежить від сопла трубопроводу підведення мазуту. Значення Ispe(f) представлені в нижченаведеній таблиці. Потужність однієї форсунки становить половину потужності пальника (тобто 6,5 MW) і являє собою суму потужності мазуту і потужності газу форсунки. Питомий імпульс газу Ispe(g), віднесений до потужності газу, залежить від діаметра трубопроводу підведення газу. Значення Ispe(g) представлені в нижченаведеній таблиці. Трубопровід підведення мазуту містить елемент для приведення у обертання мазуту, що містить отвори, вісь яких утворює кут від 2 до 30° з напрямом підведення мазуту. Таким же чином змінюють відносні потужності газу і мазуту для кожної конфігурації двох форсунок і двох пальників, представленої в нижченаведеній таблиці. Відносна потужність мазуту позначена в таблиці в % (f). Для кожної конфігурації представляють виділення NOx для одного значення CO, обґрунтованого відносно корозії вогнетривких матеріалів. 3 UA 100379 C2 Таблиця Конфігурація № 1 2 3 4 5 6 5 10 15 20 % (f) 70 50 30 30 17 74 Ispe(f) (N/MW) 0,54 0,53 0,53 0,53 0,51 0,56 lspe(g) (N/MW) 0,91 1,51 2,05 0,64 0,75 0,76 3 NOx (mg/Nm ) 570 575 580 530 560 510 Порівняємо конфігурації 1-3 Досліджують зростаючі співвідношення газу, відомі як виробляючі більше NOx, ніж мазут. Саме це констатується. Змінюють сопло (f) для утримання значення Ispe(f) практично постійним. Це значення відповідає довжині оптимального полум'я для печі, яка розглядається. Зберігаючи той же діаметр газового сопла, досліджують зростаючий питомий імпульс газу, який відповідає витраті газу, що збільшується. Порівнюють конфігурації 3 і 4 Вдалося зменшити виділення NOx з газовим соплом більшого діаметра, що зменшило значення Ispe(g) від 2,05 до 0,64 N/MW. Однак контроль полум'я є більш якісним і полум'я є менш об'ємним з величиною Ispe(g) у 2,05 в порівнянні з 0,64 N/MW. Порівнюють конфігурації 5 і 6 Знову констатують, що збільшення потужності мазуту знижує виділення NOx. Це перевіряють незалежно від питомих імпульсів, що зберігаються постійним шляхом зміни значень сопла (f) і діаметра (g). Таким чином, винахід дозволяє обмежити виділення NOx щонайменше до 600 mg/Nm для печі із замкненим циклом (800 mg/Nm для печі з поперечними пальниками) шляхом комбінації імпульсу рідкого палива і відносно слабкого імпульсу газоподібного паливного. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 1. Спосіб спалювання для плавлення скла, в якому полум'я утворюється одночасно імпульсом рідкого палива і одним імпульсом газоподібного палива, який відрізняється тим, що частка загальної потужності, що забезпечується рідким паливом, є змінною між 20 і 80 %, а також тим, що питомий імпульс газоподібного палива обмежений до величини, яка максимально дорівнює 3 N/MW для того, щоб вміст NOx в димових газах, що виробляються, не перевищував 800 3 3 mg/Nm для печі з поперечними пальниками і 600 mg/Nm для печі із замкненим циклом, і тим, що рідке паливо приводять у обертання в формі порожнистого струменя. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що питомий імпульс газоподібного палива переважно дорівнює 2,5 N/MW. 3. Спосіб за одним з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що питомий імпульс рідкого палива максимально дорівнює 1 N/MW. 4. Форсунка для здійснення способу за одним з попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що вона містить трубопровід підведення рідкого палива, вбудований в коаксіальний трубопровід підведення середовища для розпилювання рідкого палива, який, в свою чергу, вбудований в єдиний коаксіальний трубопровід підведення газоподібного палива, і тим, що трубопровід підведення рідкого палива містить елемент з наскрізними похилими каналами для приведення у обертання рідкого палива в формі порожнистого струменя перед викидом за форсунку, при цьому твірна кожного з каналів складає кут від 2 до 30° з напрямком підведення рідкого палива. 5. Пальник, який містить одну або декілька форсунок за п. 4. 6. Піч, яка містить щонайменше один пальник за пунктом 5. 7. Піч за п. 6, яка відрізняється тим, що вона є піччю із замкненим циклом або з поперечними пальниками. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4