Патент на изобретение №2353855

(54) СПОСОБ СТУПЕНЧАТОГО СЖИГАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАГРЕТОГО ОКИСЛИТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области энергетики. Способ сжигания топлива, при котором впрыскивают, по меньшей мере, одно топливо и, по меньшей мере, два окислителя: первый окислитель впрыскивают на расстоянии I₁, равном максимально 20 см и предпочтительно максимально 15 см, от точки впрыскивания топлива, второй окислитель впрыскивают на расстоянии I₂ от точки впрыскивания топлива, причем I₂ больше I₁, при этом окислители впрыскивают в таких количествах, что сумма их количеств равна, по меньшей мере, стехиометрическому количеству окислителя, необходимому для обеспечения сгорания впрыскиваемого топлива. Первым окислителем является обогащенный кислородом воздух, имеющий температуру максимально 200°С, а вторым окислителем является воздух, предварительно нагретый до температуры по меньшей мере 300°С. Воздух обогащают кислородом, так что концентрация кислорода в обогащенном воздухе составляет, по меньшей мере, 30%. Обогащенный кислородом воздух получают посредством смешивания окружающего воздуха с кислородом из криогенного источника. Предварительно нагретый воздух нагревают с помощью теплообмена с использованием части горячих продуктов сгорания. По меньшей мере, два окислителя впрыскивают на расстоянии I₁, равном максимально 20 см и предпочтительно максимально 15 см, при этом один окислитель, называемый первичным, впрыскивают в смеси с топливом или вблизи топлива, а другой окислитель, называемый вторичным, впрыскивают на расстоянии от топлива. Количество окислителя, впрыскиваемого с помощью струи первичного окислителя, составляет от 2 до 50% стехиометрического количества кислорода, необходимого для обеспечения сгорания впрыскиваемого топлива. Вторичный окислитель разделяют на множество струй вторичного окислителя. Второй окислитель, впрыскиваемый на расстоянии I₂, разделяют на множество струй окислителя. Изобретение позволяет обеспечить сжигание топлива с использованием кислорода в качестве окислителя, подходящего для извелечения энергии из топочных газов. 7 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к способу ступенчатого сжигания с использованием предварительно нагретого окислителя.

В существующих способах сжигания обычно извлекают энергию, высвобождаемую с помощью печей, для снижения потребления топлива. Тепло, переносимое топочными газами, можно извлекать посредством использования котлов-утилизаторов или регенераторов. Это извлечение энергии является, в частности, общим в способах сжигания, в которых окислителем является воздух.

Для сжигания, в котором окислителем является кислород, также желательно извлекать энергию. Однако технологии, пригодные для воздуха, нельзя непосредственно применять для кислорода. Действительно, топочные газы, производимые при сжигании с кислородом, имеют большее содержание влаги и могут содержать значительное количество коррозионных частиц. В настоящее время доступны две технологии для предварительного нагревания кислорода:

в US-A-5807418 описан непосредственный теплообмен с продуктами сгорания и окислителем, содержащим, по меньшей мере, 50% кислорода,

согласно US-A-6071116, используется промежуточная текучая среда и первый теплообменник для извлечения энергии из отработанных газов перед возвращением этой энергии в кислород через второй теплообменник.

Эти технологии могут вызывать определенные технические проблемы, такие как проблемы технического обслуживания теплообменников и срока службы, в особенности вследствие коррозии, отсутствия средств для измерения и управления горячим кислородом (нет средств управления, совместимых с горячим кислородом), и проблемы безопасности, связанные с использованием этого горячего кислорода.

В основу данного изобретения положена задача создания нового способа сжигания с использованием кислорода в качестве окислителя и подходящего для извлечения энергии из топочных газов.

Другой задачей данного изобретения является создание нового способа сжигания с использованием кислорода в качестве окислителя и подходящего для извлечения энергии из топочных газов без проблем, возникающих при предварительном нагревании кислорода.

Для решения этих задач в соответствии с изобретением создан способ сжигания топлива, в котором впрыскивают, по меньшей мере, одно топливо и, по меньшей мере, два окислителя:

– первый окислитель впрыскивают на расстоянии I₁, равном максимально 20 см и предпочтительно максимально 15 см, от точки впрыскивания топлива,

– второй окислитель впрыскивают на расстоянии I₂ от точки впрыскивания топлива, причем I₂ больше I₁, при этом окислители впрыскивают в таких молярных количествах, что сумма их молярных количеств равна, по меньшей мере, молярному стехиометрическому количеству окислителя, необходимому для обеспечения сгорания впрыскиваемого топлива, при этом первый окислитель является обогащенным кислородом воздухом, имеющим температуру максимально 200°С, а второй окислитель является воздухом, предварительно нагретым до температуры, по меньшей мере, 300°С.

Согласно изобретению, способ сжигания является способом ступенчатого сжигания. Этот способ сжигания включает введение окислителя, необходимого для сжигания топлива, в виде, по меньшей мере, двух отдельных струй, впрыскиваемых на различных расстояниях (I₁ и I₂) от точки введения топлива в топку. Первый окислитель впрыскивают в таком количестве, что он вызывает неполное сгорание топлива, и газы, образованные за счет этого сгорания топлива и первого окислителя, все еще содержат, по меньшей мере, часть топлива. Второй окислитель впрыскивают в таком количестве, при котором завершают сжигание топлива, все еще присутствующего в газах, производимых при сгорании топлива и первого окислителя. Согласно изобретению, окислители впрыскивают в таких количествах, что сумма их количеств равна, по меньшей мере, стехиометрическому количеству окислителя, необходимому для обеспечения сгорания впрыскиваемого топлива. Стехиометрическое количество означает количество молекул кислорода, необходимое для получения полного сгорания впрыскиваемого топлива. Различные окислители должны подавать, по меньшей мере, весь кислород, необходимый для полного сгорания топлива.

Согласно одному существенному признаку изобретения, первый окислитель, впрыскиваемый на расстоянии I₁, состоит из обогащенного кислородом воздуха, имеющего температуру максимально 200°С. «Обогащенный кислородом воздух» означает воздух, обогащенный кислородом так, что концентрация кислорода в обогащенном воздухе составляет, по меньшей мере, 30%, и предпочтительно, по меньшей мере, 50%. Обогащенный кислородом воздух предпочтительно получают посредством смешивания окружающего воздуха с кислородом из криогенного источника. Окислитель, впрыскиваемый на расстоянии I₁, имеет температуру максимально 200°С, что означает, что этот окислитель не является предварительно нагретым, в частности, с помощью регенераторов энергии из печи, в которой осуществляют сжигание. Согласно другому существенному признаку изобретения, второй окислитель, впрыскиваемый на расстоянии I₂, состоит из воздуха, предварительно подогретого до температуры, по меньшей мере, 300°С. Предварительное нагревание можно осуществлять с помощью любой технологии извлечения тепла с использованием горячих продуктов сгорания из печи. Таким образом, предварительно нагретый воздух можно нагревать с помощью теплообменника с использованием части горячих продуктов сгорания в соответствии с любой известной из уровня техники технологией.

В соответствии с одним вариантом осуществления способа согласно изобретению, по меньшей мере, два окислителя впрыскивают на расстоянии I₁, равном максимально 15 см, при этом один окислитель, называемый первичным, впрыскивают в смеси с топливом или вблизи топлива, а другой окислитель, называемый вторичным, впрыскивают на расстоянии от топлива. «В смеси» означает, что первичный окислитель и топливо предварительно смешивают перед введением в зону сгорания. Это предварительное смешивание можно осуществлять посредством впрыскивания первичного окислителя и топлива в полость, при этом эта полость заканчивается в зоне сгорания. «Вблизи» означает, что первичный окислитель является окислителем, вводимым в точке, наиболее близкой к точке введения топлива среди всех других окислителей, впрыскиваемых при осуществлении способа сжигания. Вторичный окислитель вводят на расстоянии от топлива, которое является расстоянием I_{1вторичный} от верхней точки введения топлива на расстоянии I_{1первичный}, заданном между точками введения первичного окислителя и топлива. Первичный окислитель и вторичный окислитель могут иметь различные концентрации кислорода; предпочтительно, первичный окислитель имеет более высокую концентрацию кислорода, чем вторичный окислитель. Количество окислителя, впрыскиваемого с помощью струи первичного окислителя, предпочтительно представляет от 2 до 50% стехиометрического количества кислорода, необходимого для обеспечения сгорания впрыскиваемого топлива. Количество окислителя, впрыскиваемого с помощью струи вторичного окислителя, и струи окислителя, впрыскиваемого на расстоянии I₂, может составлять от 50 до 98% стехиометрического количества кислорода, необходимого для обеспечения сгорания впрыскиваемого топлива. В этом варианте осуществления вторичный окислитель можно разделять на множество струй вторичного окислителя, которые можно все впрыскивать на одинаковом расстоянии I_{1вторичный} от струи топлива или на различных расстояниях I_{1вторичный} от струи топлива, при этом эти расстояния остаются короче 20 см, предпочтительно короче 15 см.

Согласно конкретному варианту осуществления изобретения, окислитель, впрыскиваемый на расстоянии I₂, можно разделять на множество струй окислителя.

Способ согласно данному изобретению можно применять к любому типу печи сжигания и, в частности, к нагревательным печам, стеклоплавильным печам и печам для плавления черных или цветных металлов.

Было установлено, что за счет осуществления описанного выше способа, несмотря на использование в способе воздуха, содержащего азот, выброс NOx остается низким и совместимым со стандартами выброса в атмосферу. Поэтому способ согласно данному изобретению не имеет недостатков, связанных с предварительным нагреванием кислорода, а также недостатков, связанных со сжиганием с воздухом. Кроме того, использование обогащенного воздуха ограничивает износ огнеупорных материалов.

Формула изобретения

1. Способ сжигания топлива, при котором впрыскивают, по меньшей мере, одно топливо и, по меньшей мере, два окислителя:
первый окислитель впрыскивают на расстоянии I₁, равном максимально 20 см, предпочтительно максимально 15 см, от точки впрыскивания топлива; второй окислитель впрыскивают на расстоянии I₂ от точки впрыскивания топлива, причем I₂ больше I₁, при этом окислители впрыскивают в таких количествах, что сумма их количеств равна, по меньшей мере, стехиометрическому количеству окислителя, необходимому для обеспечения сгорания впрыскиваемого топлива, отличающийся тем, что первым окислителем является обогащенный кислородом воздух, имеющий температуру максимально 200°С, а вторым окислителем является воздух, предварительно нагретый до температуры по меньшей мере 300°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух обогащают кислородом, так что концентрация кислорода в обогащенном воздухе составляет, по меньшей мере, 30%.

3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что обогащенный кислородом воздух получают посредством смешивания окружающего воздуха с кислородом из криогенного источника.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно нагретый воздух нагревают с помощью теплообмена с использованием части горячих продуктов сгорания.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два окислителя впрыскивают на расстоянии I₁, равном максимально 20 см, предпочтительно максимально 15 см, при этом один окислитель, называемый первичным, впрыскивают в смеси с топливом или вблизи топлива, а другой окислитель, называемый вторичным, впрыскивают на расстоянии от топлива.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество окислителя, впрыскиваемого с помощью струи первичного окислителя, составляет от 2 до 50% стехиометрического количества кислорода, необходимого для обеспечения сгорания впрыскиваемого топлива.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что вторичный окислитель разделяют на множество струй вторичного окислителя.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй окислитель, впрыскиваемый на расстоянии I₂, разделяют на множество струй окислителя.