PL212230B1 - Sposób spalania paliw węglowodorowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób spalania paliw węglowodorowych zawierających związany azot, zwłaszcza węgla.

W Stanach Zjednoczonych Ameryki wzrasta ś wiadomość konieczności ochrony ś rodowiska naturalnego, a na całym świecie wzrastają naciski administracyjne i opinii publicznej na ograniczenie emisji zanieczyszczeń pochodzących z kotłów, palenisk i pieców. Jednym z zanieczyszczeń są NOx (to znaczy tlenki azotu, ale nieograniczone tylko do NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N3O4 i ich mieszanin), sprzyjające powstawaniu kwaśnych deszczy, drobnych formacji cząsteczek i powodujących w atmosferze obniż enie poziomu ozonu.

Znanych jest wiele sposobów ograniczania emisji NOx, które można podzielić na dwa rodzaje, a mianowicie pierwotne i wtórne. Sposoby pierwotne powodują zmniejszenie ilości wytwarzanego NOx w strefie spalania lub przy regulacji procesu spalania zapobiegają jego powstawaniu w tej strefie. Sposoby wtórne dotyczą zastosowania chemikaliów do redukcji wytwarzanego w strefie spalania NOx do molekularnego azotu.

W pierwotnych sposobach regulacji stosuje się zróż nicowane sposoby spalania sł użące do regulacji tak zwanego „termicznego NOx i „paliwowego NOx.

Termiczny NOx jest wytwarzany przy utlenianiu molekuł azotu, a N2 pierwotnie występuje w powietrzu spalania przy wysokich temperaturach. Jest to główne źródło emisji NOx z gazu ziemnego i olejów lekkich, które nie zawierają chemicznie zwią zanego azotu. Sposób redukcji termicznego NOx polega głównie na ograniczeniu maksymalnej temperatury płomienia.

Paliwowy NOx jest wytwarzany przy utlenianiu cząstek azotowych zawartych w paliwie i jest głównym źródłem emisji NOx podczas spalania węgla i olejów ciężkich.

Pierwotny sposób regulacji dla paliwowego NOx jest zazwyczaj nazywany spalaniem stopniowanym, w którym mieszanie powietrza spalania z paliwem jest dokładnie regulowane, aby zminimalizować ilość wytwarzanego NOx. Wytwarzanie NOx z azotu zawartego w paliwie jest oparte o współzależność między wytwarzaniem NOx i N2 z cząstek azotu zawartych w składnikach lotnych paliwa i w składnikach stał ych. W przypadku, gdy wystę pują duż e iloś ci tlenu, zwię ksza się współ zależ ność w kierunku wytwarzania NOx.

Spalanie stopniowane dzięki dokładnej regulacji mieszania powietrza i paliwa przynosi korzyści z tego zjawiska w postaci utworzenia obszarów bogatych w paliwo, zapobiegają cych tworzeniu się NOx. Aby ograniczyć emisję NOx obszary bogate w paliwo muszą posiadać odpowiednio wysoką temperaturę, aby przyspieszyć kinetykę redukcji NOx.

Jednak, w tym przypadku, aby zapobiec tworzeniu się termicznego NOx w drugim stopniu spalania, w bogatym w paliwo pierwszym stopniu spalania, w komorze spalania powinna występować wystarczająca ilość ciepła.

Znany ze stanu techniki, palnik o niskiej emisji NOx (LNB) posiada, znajdująca się w pobliżu otworu zasilającego pierwszą strefę bogatą w paliwo, która jest głównie regulowana poprzez mieszanie i spalanie paliwa oraz powietrza pierwotnego i do pewnego stopnia dodatkowego powietrza wtórnego i powietrza trzeciego, zmieszanego w tej strefie. Przy spalania pyłu węglowego powietrze pierwotne jest wykorzystywane do transportu cząstek paliwa.

W drugiej strefie pozostał e powietrze wtórne i pewną ilość powietrza trzeciego miesza się z niespalonym paliwem i produktami częściowego spalania pochodzącymi z pierwszego stopnia spalania i prowadzi się proces dopalania. W przypadku stopniowanego spalania, waż nym wymaganiem dla takiego procesu jest oddanie do komory spalania wystarczającej ilości ciepła pochodzącego z paliwa, aby obniżyć temperaturę produktów spalania pochodzących z pierwszego stopnia spalania. Niższa temperatura w drugim stopniu spalania sprzyja ograniczeniu konwersji pozostałych składników zawierających azot do postaci NOx i zapobiega również powstawaniu termicznego NOx.

W aerodynamicznie zestopniowanym palniku o niskiej emisji NOx (LNB), powietrze do spalania wprowadzane jest z tego samego lub sąsiadującego otworu w obmurzu kotła, w którym osadzony jest palnik. W najbardziej znanym układzie konstrukcyjnym palnik węglowy o niskiej emisji NOx posiada szereg pierścieniowych kanałów dla przepływu mieszaniny pyłowo-powietrznej, powietrza wtórnego i powietrza trzeciego. Kanał centralny jest często wykorzystywany jako dysza olejowa lub dysza gazowa dla gazu ziemnego, służąca jako palnik zapłonowy do procesu grzania. Kanały przepływowe dla strumieni powietrza wtórnego i powietrze trzeciego są wyposażone w elementy zawirowujące, aby wytworzyć przepływ wirowy i powstanie strefy recyrkulacji, a tym samym osiągnąć stabilizację płomiePL 212 230 B1 nia. Prędkości przepływu powietrza i wirowania są dostosowane do utworzenia o stosunkowo dużych rozmiarach pierwszej strefy bogatej w paliwo, powstającej wzdłuż osi palnika, za którą występuje stopniowe mieszanie powietrza wtórnego i powietrza trzeciego. Ponieważ do procesu mieszania powietrza i paliwa wewnątrz przestrzeni komory spalania niezbędne jest uzyskanie odpowiednich, wystarczających prędkości przepływu powietrza, koniecznych do przeprowadzenia procesu całkowitego spalania, powstają trudności w utworzeniu strefy bogatej w paliwo o dużych rozmiarach, aby czas pozostawania paliwa w tej strefie był wystarczająco długi dla osiągnięcia maksymalnej redukcji NOx.

Chociaż palnik o niskiej emisji NOx (LNB) w procesie ograniczania emisji NOx jest urządzeniem stosunkowo tanim i ma wiele zalet pod względem konstrukcyjnym, to jednakże obecnie dostępne wersje nie mogą być wykorzystywane do osiągnięcia ograniczenia emisji podczas regulowania 0,2 kg (jako NO2) na 1 MWh energii z węgla, spalanego w kotłach użytkowych.

Dlatego znawcy, te ograniczenia aerodynamicznie stopniowanego palnika o niskiej emisji NOx (LNB) pokonują stosując „powietrze podawane ponad płomień. Powietrze to jest doprowadzane poza palnikiem lub grupą palników, aby zapewnić powstanie dużej strefy pierwotnego spalania bogatej w paliwo o duż ych rozmiarach i strefy dopalania, w której przy zmieszaniu powietrza podawanego nad płomień z niespalonym paliwem i produktami niezupełnego spalania ze strefy spalania pierwotnego następuje całkowite spalanie. Zazwyczaj otwory dla powietrza podawanego ponad płomień są oddalone od najbliższego palnika co najmniej o wymiar średnicy otworu w obmurzu kotła dla palnika, a w przypadku palnika najbardziej oddalonego palnika o wymiar kilku ś rednic tych otworów. Chociaż paliwo i mieszane powietrze oraz lokalnie panujące warunki stechiometryczne w obszarze otworu wykonanego w obmurzu dla palnika są podobne do tych, jakie występują bez podawania powietrza ponad płomień, to bogata w paliwo pierwotna strefa spalania o dużych rozmiarach, ukształtowana jest poza strefą mieszania powietrza koniecznego do spalania, w pobliżu palnika. Spowodowany fizycznym rozdzieleniem otworów do doprowadzania powietrza podawanego ponad płomień, okres czasu przebywania powietrza w strefie spalania pierwotnego jest zdecydowanie dłuższy, niż uzyskuje się to w bogatej w paliwo pierwszej strefie aerodynamicznego palnika stopniowanego. Połączenie w jednym kotle palników o obniżonej emisji NOx i otworów do podawania powietrza ponad płomień umożliwiło dalszą redukcję emisji NOx.

Palniki o niskiej emisji NOx (LNB) wraz z powietrzem podawanym ponad płomień realizują dosyć zaawansowaną technologię i jako takie są szeroko omawiane w literaturze specjalistycznej i patentowej. Zaproponowano już wiele pomysłów zwiększających efektywność palników o niskiej emisji NOx i powietrza podawanego ponad płomień przy minimalizowaniu szkodliwych oddziaływań, takich jak słaba stabilność płomienia i zwiększenie zawartości węgla w popiołach. Z tych pomysłów dwa są szczególnie istotne, podgrzewanie powietrza w pierwszym stopniu spalania i przekształcenie komory spalania na spalanie tlenowo paliwowe.

Zarówno podgrzewanie powietrza do spalania, jak i spalanie tlenowo-paliwowe zwiększa efektywność spalania stopniowanego przy redukcji emisji NOx, poprzez zwiększenie temperatury w pierwotnej strefie spalania i bez zwiększania proporcji stechiometrycznych. Spalanie tlenowo-paliwowe ma dodatkową zaletę, związaną z dłuższymi czasami przebywania mieszaniny palnej w obszarze bogatym w paliwo, spowodowanymi mniejszym przepływem gazów, co prowadzi do redukcji emisji NOx. Jak już wspomniano, spalanie stopniowane wykorzystuje stopień bogaty w paliwo do wzbudzania powstawania N2, bardziej niż NOx. Ponieważ reakcje kształtujące N2 są regulowane na drodze kinetycznej, dlatego też poziom temperatury jak i znaczne stężenie węglowodoru mają krytyczne znaczenie w przypadku ograniczenia tworzenia NOx. Przykładowo, jeśli temperatura jest wysoka i skrajne stężenie jest niskie, jak na przykład w warunkach niestopniowania lub umiarkowanego stopniowania następuje zwiększenie wytwarzania NOx. Gdy skrajne stężenie jest wysokie, ale temperatura jest niska, jak na przykład w przypadku znacznego stopniowania, przekształcanie pośrednich związków, takich jak HCN w N2 jest hamowane. Aby uzyskać spalanie zupełne musi być dodawane powietrze, a więc występuje pośrednie utlenianie dla utworzenia NOx, a więc zwię ksza się ilość czystego NOx.

Sarofilm i inni w publikacji „Strategies for Controlling Nitrogen Oxide Emissions During Combustion of Nitrogen Bearing fuels, 69th Annual Mitting of the AIChE, Chicago, IL, Nov. 1976, zasugerowali że pierwszy stopień kinetyki reakcji może być wzmocniony przez podgrzanie niezbędnego do spalania powietrza do odpowiednio wysokich temperatur.

Kobayashi i inni („Emission Characteristics of Industrial Burners and Control Methods Dunder Oxygen-Eniched Combustion Conditions, International Flame Resarch Foundation 9^th MembersConference,

Noorwijkerhout, May 1989), zasugerowali, że zastosowanie tlenu zamiast powietrza do spalania zwiększa

PL 212 230 B1 również kinetykę reakcji. Spalanie tlenowo-paliwowe, gdy temperatura płomienia jest regulowana poprzez konstrukcję palnika, powoduje dalsze ograniczenie powstawania termicznego NOx poprzez eliminowanie N2 z powietrza niezbędnego do spalania.

W obydwu przypadkach częstym wynikiem jest to, ż e temperatura gazu w pierwszym stopniu jest podwyższana, co wpływa pozytywnie na ograniczenie powstawania NOx. Zastosowanie zarówno wstępnego podgrzewania powietrza i spalania tlenowo-paliwowego pozwala na to, że pierwszy stopień jest bardziej intensywnie stopniowany, bez obniżenia przy tym stabilności płomienia.

Spalanie tlenowo-paliwowe przynosi dalsze korzyści w przypadku konstrukcji palników o niskiej emisji NOx. Timoty i inni („Charakteristics of Single Particie Coal Combustion 19th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 1983) wykazali, że czasy odgazowywania są znacznie ograniczone, a wydajność zgazowania jest zwiększona w przypadku, gdy węgiel jest spalany w warunkach nadmiaru powietrza. Podczas przeprowadzania takich testów przeprowadzane były testy spalania pojedynczej cząstki w warunkach spalania paliwa o bardzo niskiej wartości opałowej, co nie dało jednak informacji ile tlenu jest niezbędne do zrealizowania bardziej realistycznych warunków spalania. Wyższa wydajność zgazowania oznacza, że zwiększa się ilość składników palnych paliwa przechodzących w fazę gazową w porównaniu do ilości bazowej, aby stosować paliwo bogate w fazę gazową, która hamuje powstawanie NOx z lotnych związków azotu. Dodatkowo, lotne składniki paliwa przyspieszają jego zapłon i utrzymują płomień u wylotu palnika, stosowanego w procesach spalania o niskiej emisji NOx.

Podwyższona wydajność zgazowania prowadzi również do skrócenia czasu spalania, ponieważ zmniejsza się ilość pozostałości żużla.

O. Marin i inni w publikacji,,Oxygen Enrichment In Boiler (2001 AFRC/JFRC/IEA Joint International Combustion Symposium, Kaui, HI, Sep. 9-13 2001) omawiają korzyści płynące z zastosowania tlenu przy spalaniu węgla. Autorzy proponują wdmuchiwanie tlenu do powietrza podawanego nad płomień (nazywanego w tej publikacji również powietrzem trzecim), aby ograniczyć ilość niespalonego węgla w popiele lub stratę zapłonu (LOI) bez zwiększania poziomu emisji NOx. Wyniki symulacji komputerowej omówione przez Marina i innych autorów porównują proces na poziomie linii bazowej powietrza z procesem, w którym powietrze zostaje wzbogacone tlenem o dużej prędkości wdmuchiwania ze strumienia trzeciego powietrza wzbogaconego tlenem (określanego również jako powietrze podawane ponad płomień). Zgodnie z tym, co twierdzi Marin i inni autorzy tego opracowania, „Zwiększenie o 5% ilości ciepł a przenoszonego w komorze spalania spowodował o bezwzglę dne zwię kszenie o 7% ilości całkowicie spalonego paliwa (strona 8).

Opis US 4,495,874 ujawnia sposób wzbogacania w tlen powietrza pierwotnego i wtórnego w palnikach pyłowych do spalania węgla, w celu zwię kszenia wydajności pary w kotle spalającym pył węglowy, zawierający wiele części niepalnych. Zgodnie z przykładem 4, ujawniono wpływ wzbogacenia w tlen na poziom emisji NO, gdy spalany jest węgiel o dużej zawartości popiołu, z którego wynika, że tlen, dodany do powietrza pierwotnego lub również do powietrza pierwotnego i wtórnego, początkowo zwiększył zawartość NO przy wzbogaceniu o około 2% (co jest definiowane jako 23% zawartości tlenu w powietrzu), a przy większym stopniu wzbogacenia zdecydowanie obniżył ilość NO w gazach spalinowych. Przykładowo przy 4% wzbogacenia, ilość NO została obniżona o około 18 - 21%. Jednak, gdy tlen dodawany jest tylko do powietrza wtórnego, nie ma to wpływu na zmniejszenie ilości NO. Właściwie pojawia się tylko zwiększenie stężenia NO o około 12%.

Chociaż w publikacjach, znanych ze stanu techniki opisano kilka rozwiązań dotyczących spalania stopniowanego i konstrukcji palników o niskiej emisji NOx, to jednak pojawia się kilka praktycznych problemów ograniczających ich zastosowanie. Po pierwsze wstępne ogrzewanie niezbędne do spalania powietrza do poziomu wymaganego do przyspieszenia kinetyki, wymaga kilku modyfikacji zarówno całego układu, jak i rurociągu doprowadzającego powietrze. Sekcje podgrzewacza powietrza i podgrzewacza wody muszą być tak zmodyfikowane aby mogły umożliwić wprowadzanie powietrza, które powinno być podgrzane do wyższej temperatury, co może również wymagać modyfikacji w pozostałej części układu obiegu pary. Przewody i skrzynia nawiewu, jak i palnik jako taki muszą być również zmodyfikowane, aby mogły pracować przy wyższej temperaturze powietrza. Wszystkie te modyfikacje mogą być kosztowne i mogą mieć negatywny wpływ na działanie kotła.

Pierwszą barierę w stosowaniu spalania tlen-paliwo w kotłach stanowią koszty tlenu. Aby zastosowanie tlenu było ekonomiczne, oszczędności paliwa osiągnięte poprzez zwiększenie efektywności procesu muszą być większe niż koszty dostarczanego tlenu. Jest to łatwe do osiągnięcia w komorach spalania, działających przy wysokich temperaturach, takich jak komory bez znacznego odzysku ciepła.

PL 212 230 B1

Jednak dla bardziej efektywnego działania, w takich urządzeniach jak kotły parowe, oszczędności paliwa osiągane poprzez wykorzystanie procesu spalania tlen-paliwo są w zasadzie niższe niż koszt tlenu. Przykładowo, jeśli w kotle o typowej konstrukcji, opalanym węglem do podgrzewania wody użytkowej, proces spalania z wykorzystaniem powietrza zostałby zmieniony na proces spalania wykorzystujący tlen, to około 15 do 20% energii uzyskanej z tego kotła przeznaczone byłoby do pozyskania niezbędnej ilości tlenu. Mówiąc prościej, dla większości kotłów proces taki nie jest korzystny pod względem ekonomicznym.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu zmniejszenia emisji NOx w procesie spalania paliw węglowodorowych, zwłaszcza węgla zawierających jeden lub większą ilość związków azotu, a szczególnie sposobu, który mógłby być realizowany w istniejących już komorach spalania, bez konieczności stosowania kosztownych modyfikacji konstrukcyjnych.

Zadanie to zostało rozwiązane według jednego sposobu według wynalazku dzięki temu, że do strumienia paliwa w pierwotnej strefie spalania wdmuchuje się tlen, a spalanie prowadzi się w strefie bogatej w paliwo w ilości tlenu, która jest mniejsza od 20% ilości stechiometrycznej, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa oraz tak reguluje się ilością powietrza doprowadzanego do palnika, aby proporcja stechiometryczna w pierwotnej strefie spalania wynosiła pomiędzy 0,6 i 0,99, i ze źródła, znajdującego się poza palnikiem, do strefy dopalania doprowadza się powietrze zawierające tlen w takiej ilości, aby cał kowita ilość tlenu wprowadzanego do urzą dzenia do spalania był a przynajmniej na poziomie ilości stechiometrycznej, niezbędnej do całkowitego spalenia paliwa i pozostałości palnych pochodzących z pierwotnej strefy spalania.

Korzystnie, tlen wdmuchuje się bezpośrednio do strumienia paliwa w pierwotnej strefie spalania, względnie tlen doprowadza się do powietrza prowadzonego przez palnik.

Strumień paliwa doprowadza się poprzez palnik, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa za pomocą, usytuowanej w strumieniu paliwa lancy, albo strumień paliwa doprowadza się poprzez pierścieniowy kanał paliwowy palnika, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa poprzez pierścieniowy kanał, otaczający kanał paliwowy, lub strumień paliwa doprowadza się poprzez pierścieniowy kanał paliwowy palnika, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę, otoczoną pierścieniowym kanałem paliwowym.

W innych wykonaniach tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa poprzez lancę, posiadającą na swoim końcu co najmniej jeden otwór wylotowy, który jest skierowany wzdłuż osi lancy, albo poprzez lancę posiadającą ślepe zakończenie i co najmniej dwie dysze, usytuowane wzdłuż obwodu lancy w pobliż u jej zakończenia, dla promieniowego wdmuchiwania tlenu, względnie co najmniej dwie wspomniane dysze oraz co najmniej dwie inne dysze, z których każda usytuowana jest pod kątem większym niż 0° i mniejszym niż 90° w stosunku do osi i zgodnie z kierunkiem strumienia tlenu przepływającego przez lancę, lub też co najmniej dwie dysze, usytuowane wzdłuż obwodu lancy w pobliżu jej zakończenia, z których każda usytuowana jest pod kątem zawartym między 30° i 90° w stosunku do osi i przeciwnie do kierunku przepływu strumienia tlenu w lancy.

Za każdym razem paliwo podaje się poprzez palnik wraz z powietrzem z prędkością od 15 m/s do 45 m/s, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa z prędkością odpowiadający od 25% do 400% prędkości powietrza z tym, że powietrze wtórne i powietrze trzecie wprowadza się poprzez palnik, posiadający liczbę wirów zawartą między 0,6 i 2,0.

Według wynalazku proporcję stechiometryczną w strefie bogatej w paliwo ustala się na poziomie miedzy 0,1 i 0,75, a w pierwotnej strefie spalania ustala się na poziomie między 0,7 i 0,85.

Korzystnie, ilość tlenu, którą wprowadza się do strumienia paliwa jest mniejsza od 10% stechiometrycznej ilości, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa, a ilość powietrza doprowadzanego przez palnik ogranicza się do ilości zawierającej wystarczającą ilość tlenu, i tak się ją ustala, że proporcja stechiometryczna pierwotnej strefy spalania różni się nie więcej niż o 10% od proporcji stechiometrycznej bez dodatku tlenu.

W drugim sposobie spalania węglowodorów, do strumienia paliwa w strefie bogatej w paliwo wdmuchuje się tlen, a paliwo spala się wraz z tlenem w strefie bogatej w paliwo w ilości tlenu, która jest mniejsza od 20% ilości stechiometrycznej, wymaganej do zupełnego spalenia paliwa oraz tak reguluje się ilością powietrza doprowadzanego do palnika, aby proporcja stechiometryczna w strefie bogatej w paliwo wynosiła pomiędzy 0,1 i 0,85, a rozmiar strefy bogatej w paliwo pozostawał na tym samym poziomie, względnie zwiększał się w porównaniu do jej rozmiarów, gdy spalanie przeprowadza się w urządzeniu do spalania bez etapu podawania tlenu i w identycznych warunkach.

PL 212 230 B1

Korzystnie, tlen wdmuchuje się bezpośrednio do strumienia paliwa w pierwotnej strefie spalania, względnie tlen doprowadza się do powietrza prowadzonego przez palnik.

Strumień paliwa doprowadza się poprzez palnik, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa za pomocą, usytuowanej w strumieniu paliwa lancy, albo strumień paliwa doprowadza się poprzez pierścieniowy kanał paliwowy palnika, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa poprzez pierścieniowy kanał, otaczający kanał paliwowy, lub strumień paliwa doprowadza się poprzez pierścieniowy kanał paliwowy palnika, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę, otoczoną pierścieniowym kanałem paliwowym.

W innych wykonaniach tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa poprzez lancę, posiadają cą na swoim końcu co najmniej jeden otwór wylotowy, który jest skierowany wzdłuż osi lancy, albo poprzez lancę posiadającą ślepe zakończenie i co najmniej dwie dysze, usytuowane wzdłuż obwodu lancy w pobliż u jej zakoń czenia, dla promieniowego wdmuchiwania tlenu, wzglę dnie co najmniej dwie wspomniane dysze oraz co najmniej dwie inne dysze, z których każda usytuowana jest pod kątem większym niż 0° i mniejszym niż 90° w stosunku do osi i zgodnie z kierunkiem strumienia tlenu przepływającego przez lancę, lub też co najmniej dwie dysze, usytuowane wzdłuż obwodu lancy w pobliżu jej zakończenia, z których każda usytuowana jest pod kątem zawartym między 30° i 90° w stosunku do osi i przeciwnie do kierunku przepływu strumienia tlenu w lancy.

Za każdym razem paliwo podaje się poprzez palnik wraz z powietrzem z prędkością od 15 m/s do 45 m/s, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa z prędkością odpowiadający od 25% do 400% prędkości powietrza z tym, że powietrze wtórne i powietrze trzecie wprowadza się poprzez palnik, posiadający liczbę wirów zawartą między 0,6 i 2,0.

Według wynalazku proporcję stechiometryczną w strefie bogatej w paliwo ustala się na poziomie między 0,4 i 0,75.

Korzystnie, ilość tlenu, którą wprowadza się do strumienia paliwa jest mniejsza od 10% stechiometrycznej ilości, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa, a ilość powietrza doprowadzanego przez palnik ogranicza się do ilości zawierającej wystarczającą ilość tlenu, i tak się ją ustala, że proporcja stechiometryczna pierwotnej strefy spalania różni się nie więcej niż o 10% od proporcji stechiometrycznej bez dodatku tlenu.

Niezależnie od odmian, zaletą sposobów według wynalazku jest znaczne ulepszenie spalania paliw węglowodorowych, to znaczy ograniczenie powstawania NOx w urządzeniach do spalania, poprzez wprowadzanie tlenu do strumienia paliwa węglowodorowego wypływającego z palnika.

Sposoby według wynalazku dają się łatwo zaadoptować do urządzeń do spalania, przykładowo poprzez zastosowanie lancy w jednym lub większej ilości otworów paliwowych i następnie wprowadzanie tlenu w wymaganej ilości, jak to już wyżej wspomniano, do strumienia paliwa, gdy wypływa ono z palnika. Lanca moż e być również usytuowana w jednym lub w wielu otworach powietrznych lub na zewnątrz otworów powietrznych i paliwowych, a tlen wdmuchuje się z lancy lub lanc w bezpośredniej bliskości do wypływającego strumienia paliwa.

Zastosowane w opisie określenie „proporcja stechiometryczna, użyte w kontekście strumienia utleniającego zawierającego tlen i strumień paliwa, oznacza proporcję tlenu w strumieniu utleniacza i strumieniu paliwa do całkowitej ilości tlenu, która byłaby niezbędna do konwersji całej ilości węgla, siarki i wodoru do postaci dwutlenku węgla, dwutlenku siarki i wody.

Zastosowane w opisie określenie „bogaty w paliwo oznacza występowanie proporcji stechiometrycznej mniejszej niż 1,0 a termin „ubogi w paliwo oznacza występowanie proporcji stechiometrycznej większej niż 1,0.

Zastosowane w opisie określenie „związek azotu oznacza występowanie azotu w molekule innej niż N2.

Zastosowane w opisie określenie „bezwodne nie oznacza zawiesiny, roztworu lub dyspersji w wodzie, jak również nie świadczy o tym że substancja nie zawiera wody, z wyją tkiem tego, że nie można tu wykluczyć pewnej ilości wody wynikającej ze zjawiska adsorpcji lub uwodnienia.

Zastosowane w opisie określenie „pierwotna strefa spalania, oznacza obszar znajdujący się wewnątrz urządzenia do spalania, w którym przestrzeń urządzenia przylega bezpośrednio do otworów wylotowych palnika i który jest wypełniony płomieniem lub płomieniami pochodzącymi z palnika lub palników.

Zastosowane w opisie określenie „strefa dopalania oznacza obszar znajdujący się wewnątrz urządzenia do spalania, usytuowany między pierwotną strefą spalania i przestrzenią spalin poza płomieniem lub płomieniami w pierwotnej strefie spalania, w który wdmuchiwane jest powietrze i w któPL 212 230 B1 rym, w strumieniu powietrza doprowadzanego ponad płomieniem, spalane są pozostałości niespalonego paliwa i jego palne składniki, pochodzące z pierwotnej komory spalania.

Zastosowane w opisie określenie „pierwotne powietrze do spalania oznacza powietrze, które zostało już połączone z paliwem, a więc strumień paliwo - powietrze doprowadzone do urządzenia do spalania, przykładowo poprzez otwory palnika. Zastosowane w opisie określenie „wtórne powietrze do spalania oznacza powietrze wprowadzone do urządzenia do spalania poprzez jeden, lub większą liczbę otworów palnika, które to powietrze przed wprowadzeniem do urządzenia do spalania nie zostało połączone z paliwem.

Palnik zawierający otwory przeznaczone dla powietrza wtórnego może posiadać dodatkowe otwory do podawania powietrza, bardziej oddalone od punktu wprowadzania paliwa, niż otwory przeznaczone dla powietrza wtórnego.

Zastosowane w opisie określenie „trzecie powietrze do spalania oznacza powietrze wprowadzane do urządzenia do spalania poprzez te dodatkowe otwory. Jeśli palnik posiada również otwory nawet bardziej oddalone od punktu wprowadzania paliwa, niż otwory dla powietrza trzeciego, wprowadzane przez nie powietrze określane jest jako „powietrze czwarte.

Zastosowane w opisie określenie „palnik stopniowany aerodynamicznie oznacza palnik, w którym całkowita ilość powietrza niezbędnego do spalania jest wprowadzana poprzez ten sam otwór w obmurzu kotł a lub wlot przylegają cy do tego otworu, i który to palnik jest przystosowany do pracy w warunkach, w których prędkości i modele przepływu strumieni powietrza są tak dobrane, ż e powstaje stosunkowo duża strefa bogata w paliwo, usytuowana wzdłuż osi palnika i powstająca w wyniku stosunkowo wolnego mieszania powietrza wtórnego i trzeciego wzdłuż komory spalania.

Zastosowane w opisie określenie „ponad płomieniem oznacza obszar znajdujący się w urządzeniu do spalania, w który wdmuchiwane jest oddzielne od palnika lub palników powietrze, aby uzyskać dużą strefę pierwotnego spalania, strefę bogatą w paliwo i strefę dopalania, gdzie następuje zupełne spalanie paliwa przy wspomaganiu powietrza doprowadzanego ponad płomień i mieszanego z niespalonym paliwem i produktami częściowego spalania, pochodzącymi ze strefy spalania pierwotnego.

Zastosowane w opisie określenie „tlen dotyczy tlenu wprowadzanego do urządzenia, jak również określenie to, stosowane w analogicznym kontekście, oznacza strumienie gazu zawierające przynajmniej 35% objętościowo O2.

Korzystnie, tlen wprowadzany jest w postaci strumieni gazu zawierającego przynajmniej 50% objętościowo O2, a bardziej korzystnie zawierającego przynajmniej 80% objętościowo O2, a w najbardziej korzystnym przypadku zawierającego przynajmniej 90% objętościowo O2. Należy również przyjąć, że w przypadku reakcji spalania wymagających tlenu zastosowane tu określenie „tlen dotyczy O2 jako takiego.

Urządzenie do spalania według sposobu zgodnego z wynalazkiem jest przedstawione w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny urządzenia, fig. 2 przekrój wzdłużny palnika do urządzenie według fig.1, fig. 3a - 3d - przekrój wzdłużny różnych lanc do wdmuchiwania tlenu do palników, fig. 4 - wyniki testu laboratoryjnego przedstawiające redukcję emisji NOX, fig. 5 - wyniki testu przeprowadzonego dla palnika pilotującego o niskiej emisji NOx, fig. 6 - wyniki testu przeprowadzonego dla palnika o niskiej emisji, fig 7A przekrój wzdłużny komory spalania według innego przykładu wykonania, fig. 7B - widok z góry komory spalania według fig. 7A, fig. 7C - widok z przodu, od komory spalania wedł ug fig. 7B, a fig. 7D - widok od wewną trz komory spalania.

Fig. 1 przedstawia urządzenie do spalania 1, którym może być urządzenie, w którym spalanie realizowane jest w jego przestrzeni wewnętrznej 2. Urządzenie to, według korzystnej postaci wykonania, zawiera komory spalania i kotły, które wykorzystywane są do wytwarzania energii elektrycznej z zastosowaniem konwencjonalnych układów, które tu nie zostały przedstawione.

Przez każdy palnik 3, osadzony w ścianie bocznej lub końcowej urządzenia do spalania 1, z zewnę trznych ź ródeł doprowadzane jest paliwo i tlen do przestrzeni wewnę trznej 2. Jako paliwa stosuje się węglowodory ciekłe, takie jak olej opałowy, jak również węglowodory w postaci pyłu materiału stałego, korzystnie pył węglowy lub koks naftowy.

Jak przedstawiono na fig. 1, a bliżej na fig. 2, palnik 3 zawiera korzystnie kilka rozmieszczonych współosiowo kanałów przepływowych, chociaż można zastosować tu i inne konstrukcje, przynoszące ten sam efekt. Paliwo doprowadzane jest poprzez pierścieniowy przewód 4, usytuowany współosiowo wokół lancy 5, przez którą podawany jest tlen. Korzystnie, paliwo jest doprowadzane ze źródła zasilania 20 do jednego, lub większej ilości palników 3 i za pomocą odpowiedniego urządzenia pompowego w nim przyspieszane, w kierunku przestrzeni wewnętrznej 2. Jak już wspomniano stosuje się paliwo

PL 212 230 B1 ciekłe, takie jak olej opałowy, a poprzez wentylatory i wirniki o znanej konstrukcji doprowadza się węglowodory w postaci stałej, takie jak pył węglowy, przy wykorzystaniu dodatkowego powietrza, jako powietrza transportującego (które również pełni rolę pierwotnego powietrza niezbędnego do spalania). Ciekłe paliwo węglowodorowe jest korzystnie doprowadzane przez jedną lub większą ilość dysz, o znanej konstrukcji, w postaci odrę bnych, rozproszonych kropel w wdmuchiwanym powietrzu. Efektywna ilość wdmuchiwanego powietrza pierwotnego, wykorzystywanego do transportu 0,45 kg węgla wynosi z reguły około 0,9 kg, co odpowiada 20% stechiometrycznej ilości powietrza wymaganej do całkowitego spalenia węgla bitumicznego. Do spalania oleju ciężkiego wykorzystuje się od 0,225 do 0,45 kg powietrza pierwotnego do rozpylenia 0,45 kg oleju.

Zgodnie z fig. 2, niezbędne do spalania powietrze 22 doprowadza się poprzez wentylator FD do jednej, lub większej liczby komór nawiewnych 21 i wprowadza do kanałów powietrznych jednego lub kilku palników 3. Powietrze wtórne 15 doprowadza się poprzez palnik 3, korzystnie poprzez usytuowane centralnie pierścieniowe kanały 11, otaczające pierścieniową przestrzeń 4, poprzez którą doprowadza się paliwo węglowodorowe.

Powietrze trzecie 16 doprowadza się poprzez palnik 3, korzystnie poprzez współosiowo rozmieszczone pierścieniowe kanały 12, otaczające kanał powietrza wtórnego.

Korzystnie, powietrze niezbędne do spalania ponad płomieniem doprowadza się również poprzez otwór 7, wykonany w obmurzu kotła (patrz fig. 1).

Natomiast, tlen doprowadza się do przestrzeni wewnętrznej 2 oddzielnie, zarówno do strumienia powietrza wtórnego, jak i powietrza trzeciego. Oznacza to, że tlen podawany poprzez palnik 3 jest całkowicie zużywany w procesie spalania paliwa, przed pojawieniem się możliwości połączenia strumieni tlenu i powietrza wtórnego i trzeciego, przed lub bezpośrednio po jego doprowadzeniu do urządzenia do spalania 1, zwłaszcza gdy nie stosuje się powietrza podawanego ponad płomień.

Alternatywnie, według rozwiązania przedstawionego na fig. 2, paliwo może być doprowadzane poprzez pierścieniowy kanał 4, a tlen doprowadza się poprzez lancę 5, otoczoną pierścieniowym kanałem 4, względnie nawet poprzez kanał 11, otaczający pierścieniowy kanał 4.

Korzystnie, palniki o niskiej emisji NOx posiadają kanały główne (paliwowe), kanały dla powietrza wtórnego i powietrza trzeciego, służące do zapewnienia dobrej stabilności aerodynamicznej. Jednak mogą być tu również stosowane palniki o niskiej emisji NOx, posiadające inną konstrukcję, w której wykorzystuje się zasilanie tylko powietrzem pierwotnym i wtórnym. Gdy raz zostaną ustalone optymalne zestawy zawierające trzy kanały, to kanały i łopatki zawirowujące przepływ strumienia powietrza wtórnego mogą być tak skonstruowane, aby aerodynamiczne charakterystyki mieszania były prawie takie same, jak w przypadku konstrukcji trójkanałowej. Alternatywnie, można zastosować tu palniki wyposażone w dodatkowy (czwarty) kanał (jak to opisano w opisie US 5,960,724 dla palnika RSFC).

W urzą dzeniu do spalania przeznaczonym do modernizacji wedł ug przedmiotowego wynalazku w celu ograniczenia emisji NOx, sł u żąca do wprowadzania tlenu lanca 5 nie jest jeszcze zamontowana. Proces spalania paliwa węglowodorowego jest realizowany przy wykorzystaniu tlenu zawartego w powietrzu doprowadzanym do urzą dzenia, dzięki czemu powstaje płomień 6. Obszar płomienia 6 usytuowany najbliżej końca palnika 3, to znaczy w miejscu, w którym paliwo węglowodorowe wypływa z palnika 3, stanowi strefę 8 bogatą w paliwo. Strefa pł omienia 6 wokół jej obwodu jest stosunkowo niewielka ponieważ strumień powietrza wtórnego i trzeciego nie są w pełni wymieszane i nie wchodzą w reakcję z paliwem. Gdy ilość powietrza do spalania 22 kierowanego do palnika 3 jest zmniejszona, a wystarczając ą ilość powietrza doprowadza się wraz ze strumieniem powietrza doprowadzonego ponad płomień 6 poprzez otwór 7, wykonany w obmurzu dla ogólnego sterowania procesem spalania, to cała dolna strefa komory spalania lub pierwotna strefa spalania 10, poniżej otworu 7, przez który doprowadzane jest powietrze, kierowane ponad płomień, staje się strefą 8 bogatą w paliwo, z wyjątkiem obszarów usytuowanych w pobliżu palników 3, gdzie doprowadzane jest powietrze, które nie jest w peł ni wymieszane z paliwem i nie wchodzi z nim w reakcj ę .

Korzystnie, powietrze doprowadza się poprzez otwór 7, wykonany w obmurzu, służący do doprowadzania powietrza ponad płomień do przestrzeni wewnętrznej 2 urządzenia do spalania 1, aby wytworzyć pierwotną strefę spalania 10 mniej ubogą w paliwo lub bardziej bogatą w paliwo i doprowadzić dodatkowy tlen, aby osiągnąć całkowite spalanie paliwa w strefie spalania 9. Ilość tlenu zawarta w strumieniu powietrza doprowadzanego poprzez palnik 3, w połączeniu z tlenem zawartym w powietrzu wprowadzanym przez otwór 7, jeżeli takie rozwiązanie jest stosowane, jest wystarczająca do tego, aby nastąpiło całkowite spalanie paliwa i zwykle wynosi 10 do 25% objętościowo nadmiarowego tlenu ponad ilość wymaganą do całkowitego spalenia paliwa.

PL 212 230 B1

Korzystnie, powietrze wtórne i powietrze trzecie doprowadza się z zawirowaniem wokół osi wzdłużnej palnika 3, przez co zostaje utworzona strefa recyrkulacji, znajdująca się w pobliżu palnika 3, która umożliwia łączenie strumienia powietrza i paliwa. Zawirowanie może być zrealizowane przy wykorzystaniu różnych, znanych środków technicznych, takich jak deflektory 13 i 14 w pierścieniowych kanałach przepływowych 11, 12 palnika dla powietrza wtórnego i trzeciego, które kierują przepływ strumieni powietrza w wymaganym kierunku zawirowania. Korzystne jest uzyskanie wysokiego stopnia zawirowania, a zwłaszcza liczby wiru, takiej, jak to przedstawiono w publikacji pt; „Combustion Aerodynamics J. M. Beer i N. A. Chigier, Robert e. Krieger Publishing Company, Inc., 1983, to znaczy od 0,6 do 2,0.

W praktycznym zastosowaniu wynalazku, przy wykorzystaniu powietrza podawanego ponad płomień, preferowane jest rozwiązanie, w którym całkowita ilość powietrza wtórnego i trzeciego mieści się w zakresie między 60 i 99% stechiometrycznej ilości powietrza wymaganej do całkowitego spalenia paliwa. Najbardziej korzystne rozwiązanie polega na tym, że ilość powietrza wprowadzonego poprzez palnik 3 do pierwotnej strefy spalania 10 wynosi około 70 do 85% stechiometrycznej ilości powietrza wymaganej do całkowitego spalenia paliwa.

Prędkość każdego ze strumieni powietrza pierwotnego, niezbędnego do spalania, powietrza wtórnego i trzeciego wynosi korzystnie od 15 do 45 m/s przy otworze wylotowym dyszy, z której powietrze wypływa. Wartość prędkości strumienia tlenu wdmuchiwanego przez lancę 5 przy otworze wylotowym, stanowi korzystnie 10% do 900% a bardziej korzystnie między 25% a 400% prędkości powietrza pierwotnego.

Przeprowadzone badania sugerują, że korzystne jest takie rozwiązanie, w którym przynajmniej część paliwa w postaci cząstek zmielonego paliwa stałego lub kropli paliwa płynnego wystawiona jest na działanie strumienia powietrza o dużym stężeniu tlenu, w przeciwieństwie do równomiernego wzbogacania całego strumienia powietrza niezbędnego do spalania paliwa. Łatwy dostęp wprowadzanego tlenu do komory nawiewnej 21 palnika o niskiej emisji NOx, w której wzbogacony strumień powietrza doprowadza się do całej przestrzeni palnika, włączając w to stopień krytyczny strumienia powietrza pierwotnego, nie jest traktowany jako efektywny.

Jeśli ubogi w tlen strumień powietrza jest mieszany wstępnie lub mieszany z dużą prędkością ze strumieniem powietrza przenoszącym cząstki węgla, (strumieniem powietrza pierwotnego), przy wykorzystaniu 20% ilości stechiometrycznej powietrza, a proporcja stechiometryczna dla spalania całkowitego jest utrzymywana na stałym poziomie około 1,15, poprzez usuwanie stechiometrycznego ekwiwalentu ilości powietrza albo ze strumienia powietrza wtórnego albo powietrza trzeciego (*), to wyliczany jest poniższy przeciętny poziom stężenia tlenu w strumieniu powietrza transportującego i w całkowitym strumieniu powietrza niezbędnym do spalania, zakładając, że powietrze jest suche i zawiera 21% O2.

% stechiometrycznej ilości powietrza zastąpionego przez O2 (*)	Stężenie O2 w powietrzu transportowanym (% objętościowych)	Przeciętne stężenie O2 w całkowitym powietrzu spalania (% objętościowych)
0	21,0	21,0
5	24,9	21,7
10	28,5	22,5
15	31,7	23,4
20	34,7	24,3
25	37,4	25,4

(* przykładowo około 0,1 m³ jest zastąpione przez 0,028 m³ strumienia powietrza ubogiego w O2, aby dostarczyć tę samą ilość O2).

W tym przykładzie wykonania, stosuje się odpowiednio małą ilość tlenu, a minimalne zwiększenie stężenia tlenu w strumieniu powietrza jest osiągnięte wtedy, gdy mieszanina jest jednorodna, nawet gdy tlen miesza się tylko z powietrzem transportującym paliwo.

Według preferowanego sposobu postępowania, tlen wdmuchuje się wraz ze strumieniem mieszaniny węgla z powietrzem w obszarze końca dyszy lancy 5. W tym przypadku, cząstki węgla mieszają się ze strumieniami tlenu i lokalnie powstają strefy mieszaniny węgla z powietrzem o dużej

PL 212 230 B1 zawartości O2. Takie warunki prowadzą do powstawania stref źródeł natychmiastowego zapłonu o znacznie ł atwiejszym, wczesnym zapł onie i odparowaniu, w porównaniu z przypadkiem, gdy tlen jest mieszany wstępnie ze strumieniem powietrza transportującym węgiel.

Inny, preferowany sposób postępowania polega na tym, że wdmuchuje się tlen z pierścieniowej przestrzeni zewnętrznej lub wewnętrznej do strumienia transportowanego węgla. W tym przypadku w obszarach granicznych strumieni wę gla i tlenu s ą zapewnione pozytywne warunki spalania w atmosferze wzbogaconej w tlen.

Gdy tlen wdmuchuje się oddzielnie i z dużą szybkości, równolegle do strumienia paliwa, tak jak to przedstawiono w publikacji Farmayan'a i innych, strumień tlenu, czy też strumienie tlenu mogą być szybko rozcieńczone w otaczających gazach, a ich efektywność może być osłabiona. Zatem sposób wdmuchiwania tlenu musi być starannie zaplanowany.

Sposób według wynalazku wprowadza znaczne ulepszenie, to znaczy ogranicza powstawanie NOx w urządzeniu do spalania 1 poprzez wprowadzanie tlenu do strumienia paliwa węglowodorowego wypływającego z palnika, jak to już opisano.

Według bardziej właściwego i korzystnego rozwiązania, tlen wprowadza się jako skoncentrowany strumień tlenu zawierający korzystnie przynajmniej 50% objętościowo O2, a bardziej korzystnie przynajmniej 80% O2 objętościowo, a najkorzystniej przynajmniej 90% O2 objętościowo, i podaje się tlen bezpośrednio do strumienia paliwa węglowodorowego, gdy wypływa ono z palnika 3 i wpływa do przestrzeni wewnętrznej 2 urządzenia do spalania 1. Zatem, przynajmniej pewną ilość cząstek paliwa stałego, lub kropli paliwa płynnego, gdy zachodzi taki przypadek, wprowadza się do strefy płomienia 6 bogatej w paliwo, zawierającej w atmosferze gazowej wysokie stężenie tlenu.

W przypadku, gdy stosuje się powietrze doprowadzane ponad płomień , w celu zrealizowania ogólnego procesu stopniowanego spalania, korzystnie z wykorzystaniem palników tlenowych, wyposażonych w trzy lub cztery oddzielne kanały powietrzne, tlen może być wstępnie mieszany z powietrzem pierwotnym lub wtórnym albo z obydwoma strumieniami powietrza, z wykorzystaniem odpowiednich rozpryskiwaczy, usytuowanych wewnątrz kanałów gazowych w palniku 3.

Tlen, korzystnie wprowadza się poprzez lancę 5 lub podobny przewód zasilający, który może być otwarty na końcu, który otwiera się w kierunku do urządzenia do spalania 1, lub jest zamknięty na końcu i posiada dwa lub większą ilość otworów w obszarze przylegającym do ślepego końca tak, że tlen wypływa poprzez te otwory bezpośrednio do strumienia paliwa wypływającego z palnika 3 spalania.

Sposób według wynalazku daje się łatwo zaadoptować do urządzenia do spalania posiadającego wspomniany rodzaj konstrukcji, przykładowo poprzez zastosowanie lancy 5 w jednym lub większej ilości otworów paliwowych i następnie wprowadzanie utleniacza w wymaganej ilości, jak to już wyżej wspomniano, do strumienia paliwa, gdy wypływa on z palnika. Lanca 5 może być również usytuowana w jednym lub w wielu otworach powietrznych lub na zewną trz otworów powietrznych i paliwowych, a tlen wydmuchuje się z lancy lub lanc w bezpoś redniej bliskości do strumienia paliwa.

Fig. 3a do 3d przedstawiają możliwe do zastosowania różne konfiguracje lancy 5. Można tu jednak zastosować również i inne rozwiązania.

Na fig. 3a lanca 5 zakończona jest pojedynczym otworem 31, który korzystnie skierowany jest wzdłuż osi lancy.

Na fig. 3b zakończenie lancy 5 jest ślepe, a dla uzyskania efektu promieniowego wdmuchiwania tlenu zastosowano dwie lub większą ilość dysz 32, korzystnie od dwóch do szesnastu, a najbardziej korzystnie od czterech do ośmiu, rozmieszczonych wzdłuż jej obwodu, w pobliżu obciążonego wysoką temperaturą jej końca. Można również zastosować rozwiązanie zawierające kilka rzędów dysz promieniowych, rozmieszczonych wzdłuż obwodu lancy 5 w pobliżu jej końca o wysokiej temperaturze.

Na fig. 3c przedstawiono rozwiązanie, które w pobliżu końca lancy 5 zawiera dwie lub więcej dysz 32, korzystnie od dwóch do szesnastu, a bardziej korzystnie cztery do ośmiu, przy czym dysze te rozmieszczone są promieniowo, oraz dwie lub więcej osiowych dysz 33, korzystnie od dwóch do szesnastu, a bardziej korzystnie cztery do ośmiu. Dysze 32, 33 są skierowane zgodnie z kierunkiem przepływu tlenu, przy czym każda z nich tworzy z osią strumienia przepływu tlenu w lancy 5 kąt większy niż 0° i mniejszy niż 90°.

Na fig. 3d przedstawiono rozwiązanie, w którym są przedstawione dwie lub więcej dysz 34, korzystnie od dwóch do ośmiu, przy czym dysze te rozmieszczone są wzdłuż obwodu lancy 5, w pobliżu jej końca, przy czym każda z nich tworzy kąt, o wartości między 30°, a 90°, korzystnie między 30° a 60°, z osią strumienia tlenu przepływającego w lancy 5, i jest skierowana przeciwnie do kierunku przepływu strumienia tlenu.

PL 212 230 B1

Wykresy przedstawione na fig. 4 do 6 zostaną szczegółowo omówione po opisaniu fig. 7a do 7c.

Fig. 7a i 7c przedstawiają urządzenie do spalania 1 z paleniskiem zasilanym stycznymi strumieniami paliwa, które zawiera szereg otworów 31 do wdmuchiwania paliwa i szereg otworów 32 do wdmuchiwania powietrza, niezbędnego do spalania paliwa, do przestrzeni wewnętrznej urządzenia do spalania 1.

Zazwyczaj otwory paliwowe w postaci dyszy paliwowej 31 i otwory powietrzne w postaci dyszy powietrznej 32 są usytuowane w pionowym rzędzie przemiennie, jak to przedstawiono na fig. 7a i 7c. Paliwo spala się w przestrzeni wewnętrznej urządzenia do spalania 1 w doprowadzanym powietrzu. Urządzenie do spalania 1 wyposażone jest w otwory OFA w obmurzu 7, służące do doprowadzania powietrza ponad płomień.

W tych i innych przykł adach wykonania rozwią zania według wynalazku, dysze powietrzne 32 uszeregowane są na pobocznicy lancy 5, wzdłuż jednego lub kilku okręgów. Optymalna wielkość kąta wdmuchiwania tlenu, konieczna dla odpowiedniej regulacji poziomu emisji NOX, zależy od wartości pędu strumienia powietrza w kierunku stycznym i promieniowym, geometrii i własności fizycznych, a takż e modelu przepł ywu powietrza przez palnik, w pobliżu lancy 5. Stosownie do tego, dla osią gnię cia lepszych efektów, w palnikach o niskiej wartości pędu strumienia powietrza w kierunku promieniowym, optymalna wartość tego mierzonego od osi palnika kąta wynosi 90° lub więcej, natomiast uzyskanie lepszych rezultatów w przypadku palników o większym pędzie promieniowym będzie w zasadzie wymagało ograniczenia wielkości kąta, aby uniknąć moż liwości mieszania się tlenu ze strumieniem powietrza. Przy większym przepływie promieniowym powietrza, optymalna wielkość kąta wynosi 15° lub mniej (duży strumień wdmuchiwany osiowo). Dla takich palników, w których zastosowano środki wytwarzające silny strumień przepływu w kierunku promieniowym, takich jak palniki o duż ej liczbie wiru, wyposaż one w pł ytki otwór odchylają cy lub deflektory powietrza, optymalnym rozwiązaniem są dysze tlenowe, w zasadzie nachylone w kierunku osiowym (kąt mniejszy niż 30° od osi). Dla palników, w których strumień przepływającego powietrza jest skierowany w przeważających przypadkach osiowo, (to znaczy, że składowa promieniowa przepływu powietrza ma małą wartość lub nie występuje) korzystnym jest rozwiązanie, w którym tlen wdmuchuje się w kierunku promieniowym (wartość kątów między 45° i 135°, mierzonych od składowej osiowej przepływu).

Gdy tlen wdmuchuje się do urządzenia do spalania 1, jak to opisano powyżej, prędkość przepływu powietrza koniecznego do spalania podawanego przez palnik 3 jest równocześnie redukowana, aby podtrzymać lub ograniczyć proporcje stechiometryczne pierwotnej strefy spalania 10. W przypadku gdy stosuje się powietrze podawane ponad płomień, proporcja stechiometryczna pierwotnej strefy spalania 10 przy wdmuchiwaniu tlenu jest korzystnie zawarta między 60 i 99%, a bardziej korzystnie między 70 i 85%, stechiometrycznej ilości powietrza, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa. Ilość tlenu podawanego tym sposobem powinna być wystarczająca do zapewnienia w strefie płomienia 6 w strefie 8 bogatej w paliwo proporcji stechiometrycznych, przy czym proporcja ta jest mniejsza od 0,85, przykładowo wynosi 0,65 lub mniej. Ilość tlenu doprowadzanego poprzez lancę 5 powinna być mniejsza od 20% ilości stechiometrycznej, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa. Korzystnie, ilość ta odpowiada ilości mniejszej od 15% ilości stechiometrycznej, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa. Bardziej korzystnie, ilość ta odpowiada ilości mniejszej od 10% ilości stechiometrycznej, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa. Według najbardziej korzystnego rozwiązania, ilość ta odpowiada ilości mniejszej od 5% ilości stechiometrycznej, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa.

W celu bliż szego zrozumienia istoty wynalazku, w odniesieniu do wykresów przedstawionych na fig. 4, 5, 6, należy ponownie odnieść się do przedstawionego w stanie techniki opisu US 4,495,874, w którym ilość NO przy 2% wzbogaceniu w tlen stanowi ekwiwalent odpowiadają cy okoł o 13% stechiometrycznej ilości, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa. Zostało także ujawnione, że ilość NOx zmniejsza się w znaczny sposób przy wyższych poziomach wzbogacenia (4% wzbogacenia stanowi ekwiwalent około 23% stechiometrycznej ilości wymaganej do spalenia paliwa). Nie ma jednakże rozstrzygających wniosków dotyczących tego, że mała ilość tlenu, to znaczy mniej niż 20% stechiometrycznej ilości stechiometrycznej, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa, może w zaskakujący sposób zmniejszyć emisję NOx, gdy tlen lub powietrze wzbogacone w tlen wdmuchuje się do strefy bogatej w paliwo, w pierwotnej strefie spalania.

Emisja NOx bardzo zależy od miejscowych warunków stechiometrycznych. Gdy wdmuchiwanie tlenu powoduje osłabienie miejscowych warunków stechiometrycznych, to po wdmuchiwaniu tlenu należy rozważyć możliwość ich zmiany.

PL 212 230 B1

Przykładowo, wdmuchiwanie tlenu w ilości odpowiadającej ekwiwalentowi 10% stechiometrycznej ilości powietrza do strefy miejscowo bogatej w paliwo, przy proporcji stechiometrycznej równej 0,4 (SR=0,4) i bez zmiany prędkości przepływu doprowadzanego powietrza niezbędnego do spalania zmieniłoby miejscowe warunki stechiometryczne do wartości proporcji SR=0,5 i można byłoby spodziewać się zasadniczego zmniejszenia emisji NOx. Jednak tak się nie dzieje, ponieważ proporcja stechiometryczna o wartości 0,4 (SR=0,4) jest również przeznaczona dla strefy bogatej w paliwo, w celu uzyskania optymalnej redukcji emisji NOx. Efekt uzyskiwany dzię ki takiemu postę powaniu jest znacznie większy, niż osiągany w wyniku „zastąpienia 10% powietrza tlenem, podczas gdy miejscowe warunki stechiometryczne utrzymywane są na stałym poziomie, przy proporcji stechiometrycznej SR=0,4. Jeśli tę samą ilość powietrza wdmuchuje się do strefy spalania bogatej w paliwo, bez zmiany prędkoś ci przepływu powietrza niezbędnego do spalania, gdzie miejscowa proporcja stechiometryczna wynosi SR=0,95, można spodziewać się silnego wzrostu emisji NOx, gdy miejscowe warunki stechiometryczne zostaną podniesione do poziomu, w którym proporcja stechiometryczna wynosi SR=1,05.

Zatem, w zasadzie preferowane jest rozwiązanie, w którym tlen wdmuchuje się do najbogatszego w paliwo obszaru strefy płomienia. W urządzeniu do spalania, wykorzystującym aerodynamicznie stopniowane palniki, proporcja stechiometryczna w strefie płomienia bogatej w paliwo z wdmuchiwaniem tlenu wynosi między 0,1 i 0,85, korzystnie między 0,4 i 0,75.

W palniku stopniowanym aerodynamicznie należ y unikać wdmuchiwania lub mieszania tlenu wraz z powietrzem trzecim i czwartym, jeśli stosuje się takie rozwiązanie, bez wdmuchiwania powietrza ponad płomień. Dzieje się tak dlatego, ponieważ powietrze trzecie i czwarte miesza się w stosunkowo wąskim obszarze płomienia. Jeśli poprzez palnik o niskiej emisji NOx wprowadza się tylko powietrze pierwotne i wtórne, należy unikać wdmuchiwania lub mieszania tlenu wraz z powietrzem wtórnym.

Teoretycznie, proces optymalizacji miejscowych warunków stechiometrycznych może być przeprowadzony przy wykorzystaniu każdego utleniacza, włączając w to powietrze. Jednak tlen jest bardziej efektywny, ponieważ tylko jego niewielka objętość jest wymagana do zmiany miejscowych warunków stechiometrycznych, bez wywierania dużego wpływu na całościowe warunki aerodynamiczne mieszania płomienia.

Innym ważnym wymaganiem jest to, że wzbogacanie w tlen musi być przeprowadzone w taki sposób, aby fizyczne rozmiary strefy aerodynamicznie stopniowanego płomienia, bogatej w paliwo (strefy wytwarzającej N2) pozostały niezmienione lub zostały zwiększone. Sposób wdmuchiwania tlenu i w konsekwencji ograniczenia przepływu strumieni powietrza w określonych kanałach powietrznych palnika wpływałby na warunki stopniowania aerodynamicznego palnika, a w związku z tym na rozmiary fizyczne oraz miejscowe warunki stechiometryczne. Jeśli rozmiar strefy bogatej w paliwo jest ograniczony, a średni czas przebywania gazu w strefie bogatej w paliwo jest ograniczony w wyniku wdmuchiwania tlenu, taka zmiana może spowodować zwiększenie emisji NOx.

Przykładowo, wdmuchiwanie tlenu z dużą szybkością poprzez osiową lancę 5, jak to zostało przedstawione na fig. 3a efektywnie zwiększałoby osiowy pęd strumienia tlenu otaczającego strumień mieszaniny węgiel/powietrze, który z kolei może wzmocnić efekt mieszania z powietrzem wtórnym i powietrzem trzecim. W wyniku tego rozmiar strefy pł omienia bogatej w paliwo redukują cej emisję NOx może być ograniczony i może zwiększyć się emisja NOx.

Z drugiej strony, gdy wdmuchuje się strumień tlenu w kierunku promieniowym z usytuowanej osiowo lancy 5, tak jak to przedstawiono na fig. 3b w pobliżu końca palnika, to zwiększa się efektywnie strefa recyrkulacji w pobliżu palnika, a zatem zwiększa się rozmiar strefy bogatej w paliwo, co sprzyja redukcji emisji NOx poprzez wzbogacenie w tlen. Złożone oddziaływanie wdmuchiwania tlenu na warunki aerodynamiczne palnika muszą być ostrożnie szacowane w przypadku konkretnego, modernizowanego palnika, aby osiągnąć ograniczenie emisji NOx.

Przykład wykonania urządzeń do spalania, działających według przedmiotowego wynalazku, jest zgodny z mechanizmem, w którym wdmuchiwany tlen powoduje wzrost temperatury tej części obszaru płomienia, która położona jest najbliżej palnika, co z kolei powoduje stosunkowo szybkie przechodzenie w stan lotny składników zawartych w paliwie węglowodorowym, aby one mogły przejść w fazę gazową paliwa i wejść częściowo w reakcję z otaczającym je strumieniem tlenu, skutkiem czego powstaje atmosfera redukcyjna, która umożliwia uwolnienie ze spalanego paliwa cząstek zwierających azot i ich konwersję do azotu molekularnego, to znaczy N2, bardziej niż do NOx i innych składników azotowych, takich jak HCN i NH3.

PL 212 230 B1

Zazwyczaj, temperatura strefy bogatej w paliwo do której dopływa paliwo i tlen jest ustalana na poziomie 1371°C lub wyżej. Wprowadzanie tlenu w ten sposób może powodować, że podstawa strefy płomienia 6 jest przesunięta w pobliże otworu palnika 3 lub nawet może przylegać do powierzchni palnika. Jednak podawanie tlenu do strumienia paliwa węglowodorowego, w sposób tu opisany, gdy wypływa on z palnika 3, przebiega w ten sam sposób nawet wtedy, gdy płomień przylega do jego powierzchni. Gdy urządzenie do spalania, przykładowo po modernizacji dokonanej zgodnie ze wskazówkami zawartymi w tym opisie, pracuje równomiernie, to działanie urządzenia przebiega zgodnie z zasadą, że do strumienia paliwa podaje się mniej niż 20%, zwłaszcza mniej niż 15%, korzystniej mniej niż 10%, a najkorzystniej mniej niż 5% stechiometrycznej ilości tlenu wymaganej do całkowitego spalenia paliwa. Natomiast powietrze do spalania podaje się poprzez palnik w ilości mniejszej niż byłoby to możliwe tak, że całkowita ilość tlenu podawanego do urządzenia do spalania jest przynajmniej ilością stechiometryczną, potrzebną do całkowitego spalenia paliwa.

Działanie urządzenia do spalania, opalanego płynnym paliwem węglowodorowym lub pyłowym paliwem węglowodorowym, zgodnie ze wskazówkami zawartymi w tym opisie, umożliwiło zaskakującą redukcję emisji NOx.

P r z y k ł a d I

Tlen miesza się z powietrzem podawanym do pierwszego stopnia doświadczalnej komory spalania o mocy 17 kW, opalanej od dołu, o średnicy wewnętrznej wynoszącej 15,2 cm. Wzbogacone tlenem powietrze niezbędne do spalania doprowadza się do palnika, do którego dopływa niezawirowana mieszanina powietrza i węgla, w postaci pyłu. Stosuje się tu węgiel bitumiczny A (Illions nr 6) o wysokiej zdolności do przechodzenia w stan lotny. Tlen doprowadza się w tempie pozwalającym na zastąpienie 20% objętościowo powietrza potrzebnego do spalania bazowym ekwiwalentem tlenu, doprowadzanego do pierwotnej strefy spalania. Ekwiwalent ten stanowi od 10 do 20% wymaganej, stechiometrycznej ilości powietrza. Powietrze doprowadzane ponad płomień wdmuchuje się do komory spalania w przybliżeniu, w odległości 2,44 metra od czoła palnika, mierząc tę odległość wzdłuż strumienia przepływu, co powoduje, że czas przebywania gazów w pierwotnej strefie spalania wynosi około 1 sekundy.

W rozwią zaniu tym, ilość powietrza wdmuchiwanego ponad pł omie ń jest wystarczają ca do tego, aby całościowo podtrzymać proporcję stechiometryczną w przybliżeniu na poziomie 1,2. Chociaż temperatura panująca w miejscu doprowadzania powietrza ponad płomień różni się, zgodnie z proporcją stechiometryczną w pierwotnej strefie spalania, to jest ona podtrzymywana na stałym poziomie pomiędzy powietrzem (linia bazowa) i powietrzem wzbogaconym w tlen.

Jak to można wywnioskować z fig. 4, dodanie małych ilości tlenu zmniejszyło emisję tlenków azotu, gdy pierwszy stopień pracował w warunkach poniżej proporcji stechiometrycznej wynoszącej około 0,9.

P r z y k ł a d II

Palnik pyłowo-powietrzny o niskiej emisji NOx i przy 13,7 MW/h spala paliwo w testowej komorze spalania z wykładziną ogniotrwałą, posiadającą wewnętrzne wymiary: szerokość około 1,10 m, wysokość 1,10 m i długość 12,5 m. Para otworów dla powietrza doprowadzanego ponad płomień usytuowana jest w odległości około 3,2 m od otworu wylotowego palnika. Konstrukcja palnika jest podobna do tej, która została przedstawiona na fig. 2 i zawiera centralny kanał o przekroju kołowym i kilka pierścieniowych kanałów dla przepływu strumieni węgla, powietrza, tlenu i gazu ziemnego. Centralny kanał przepływowy, o średnicy zewnętrznej 4,8 cm, jest wraz z lancą tlenową, o średnicy wewnętrznej 3,8 cm, osadzony albo zablokowany, w celu wytworzenia tępo zakończonego elementu, aby zwiększyć recyrkulację gazu, podnoszącą stabilność płomienia. Węgiel i powietrze pierwotne wdmuchuje się z pierwszego kanału pierścieniowego o średnicy zewnętrznej 7,8 cm i średnicy wewnętrznej 4,8 cm. Drugi kanał pierścieniowy (o średnicy zewnętrznej 10,2 cm i średnicy wewnętrznej 8,9 cm) jest przeznaczony do wdmuchiwania gazu ziemnego albo tlenu. Trzeci kanał pierścieniowy (o średnicy zewnętrznej 15,54 cm i średnicy wewnętrznej 11,4 cm) i czwarty kanał (o średnicy zewnętrznej 20,3 cm i średnicy wewnętrznej 16,8 cm) są przeznaczone dla przepływu strumieni powietrza wtórnego i powietrza trzeciego i są wyposażone w różne elementy wirowe wytwarzające zawirowany przepływ. Palnik jest tak skonstruowany, aby zapewnić warunki odpowiadające aerodynamicznie stopniowanemu procesowi spalania. Prędkości osiowe powietrza pierwotnego i powietrza wtórnego są podobne, aby mieszanie strumienia węgla z powietrzem wtórnym zachodziło stosunkowo wolno. Strumień powietrza trzeciego jest wdmuchiwany ze znacznie większą prędkością niż strumień powietrza wtórnego. Zatem strumień powietrza wtórnego stanowi tak zwany bufor dla powstawania mieszaniny

PL 212 230 B1 między powietrzem trzecim i strumieniem węgla. Strefa spalania bogata w paliwo o stosunkowo dużych rozmiarach, jest ukształtowana wzdłuż osi palnika, przy czym zjawisko mieszania się strumienia powietrza wtórnego i powietrza trzeciego wzdłuż komory spalania jest zjawiskiem stosunkowo powolnym.

Fig. 5 przestawia wyniki w zakresie emisji NOx, uzyskiwane przy różnych sposobach wdmuchiwania tlenu. Czysty tlen wdmuchuje się poprzez cylindryczną lancę usytuowaną w osi palnika. Do wdmuchiwania strumienia tlenu i mieszania z przylegającym do niego strumieniem węgla, wypływającym z pierścieniowego kanału, wykorzystuje się dysze o różnych konstrukcjach. Ilość tlenu wdmuchiwanego waha się od 5 do 15% stechiometrycznej ilości tlenu. Gdy tlen zostanie wdmuchnięty, stechiometrycznie ekwiwalentna ilość powietrza jest usuwana ze strumieni powietrza wtórnego i trzeciego tak, że zachowuje się strefę spalania pierwotnego o tych samych rozmiarach i ogólną proporcję stechiometryczną, odpowiadającą spalaniu stechiometrycznemu (oznaczonej tu symbolem SR i ustalonej na poziomie 1,15). Prędkość przepływu strumienia powietrza pierwotnego jest utrzymywana na stałym poziomie przy SR = 0,15. Powietrze podawane ponad płomień, w celu uzyskania ogólnego stopniowania spalania, wdmuchuje się w kierunku prostopadłym do osi komory spalania z dwóch dysz, rozmieszczonych naprzeciwko siebie.

W obszarze poniż ej pierwotnej strefy spalania SR wynosi w przybliż eniu 0,8 i w porównaniu z linią bazową powietrza uzyskuje się znaczną redukcję emisji NOx, bez względu na rodzaj zastosowanej dyszy. Przy stosowaniu palników o wyższej SR emisja NOx będzie większa, gdy zastosuje się kątową dyszę nawracającą, posiadającą osiem otworów o średnicy 0,6 cm, jak to przedstawiono na fig. 3d (co również dotyczy dyszy typu b), a prawie taka sama emisja NO, lub niższa będzie przy wykorzystaniu dyszy przedstawionej na fig. 3c, która posiada osiem otworów promieniowych o średnicy 0,6 cm i cztery skierowane do przodu kątowe otwory o średnicy 0,6 cm (co również dotyczy dyszy typu a), zależnie od ilości wdmuchiwanego tlenu.

Zaobserwowane wyniki mogą być wytłumaczone okresowymi zmianami, spowodowanymi wdmuchiwaniem tlenu w warunkach aerodynamicznego stopniowania palnika, to znaczy przy fizycznych rozmiarach strefy bogatej w paliwo i w warunkach stechiometrycznych. Gdy strefa pierwotnego spalania jest głęboko stopniowana (SR mniejsze niż 0,8), duży obszar przestrzeni komory spalania, między palnikiem i miejscem wdmuchiwania stopniowanego powietrza, stanowi strefę bogatą w paliwo. Chociaż wdmuchiwanie tlenu i ograniczenie przepływu strumieni powietrza wtórnego i powietrza trzeciego zmieniłoby miejscowe warunki stechiometryczne, panujące w pobliżu palnika, (i zmniejszyłoby albo zwiększyło objętość strefy bogatej w paliwo, istniejącej w pobliżu palnika), to strefa spalania pierwotnego pozostaje strefą bogatą w paliwo. Główny efekt oddziaływania tlenu polega na tym, że temperatura procesu osiąga wyższą wartość i zostaje przyspieszona kinetyka redukcji NOx w przeważającej części strefy spalania pierwotnego. Ponieważ objętość stosunkowo dużej strefy bogatej w paliwo zmienia się w mał ym zakresie, znaczą ca redukcja NOx jest osią gana wzglę dnie niezależ nie od rodzaju dyszy tlenowej.

Gdy ilość powietrza podawanego ponad płomień jest ograniczana, rozmiary strefy bogatej w paliwo są progresywnie zmniejszane. W palniku o SR=1,15 nie stosuje się stopniowania powietrza, a strefa bogata w paliwo jest kształtowana wyłącznie poprzez aerodynamiczne stopniowanie palnika. Wdmuchiwanie tlenu wpłynęłoby na modelowe mieszanie strumieni powietrza wtórnego i trzeciego i mogłyby zmienić znacząco rozmiary strefy bogatej w paliwo. Jeśli rozmiary strefy bogatej w paliwo zostaną zmniejszone i przeciętny okres czasu, w którym pozostaje w niej gaz, również zostanie ograniczony jako wynik wdmuchiwania tlenu, takie zmiany mogłyby spowodować zwiększenie emisji NOx.

Emisja NOx przy SR=1,15, to znaczy bez stopniowania powietrza, miałaby duży wpływ na rodzaje konstrukcji dyszy tlenowej i ilość stosowanego tlenu. Badania CFD wykazały, następujące warunki mieszania w dyszy przedstawionej na fig. 3b, posiadającej osiem promieniowych otworów o ś rednicy 0,6 cm. Promieniowo skierowane strumienie tlenu penetrują pierś cieniowy strumień wę gla na krótkiej odległości i mieszają się przy dużej prędkości z otaczającym je strumieniem węgla. Pierścieniowy strumień węgla przepływa częściowo pomiędzy „palcowymi strumieniami tlenu i rozszerza się w kierunku promieniowym. W rezultacie wzrasta średnica strefy recyrkulacji w pobliżu palnika, co powoduje zwiększenie rozmiarów strefy bogatej w paliwo.

Przy wykorzystaniu takiej dyszy tlenowej, strumienie tlenu skierowane są wstecznie, co przypuszczalnie wymusza pojawienie się znaczącego stopnia mieszania pierwotnego strumienia węgla i powietrza trzeciego, co powoduje ż e zwię ksza się emisja NOx. W zasadzie, zwię kszenie przepł ywu tlenu ze skierowanych promieniowo lub kątowo dysz zwiększa prędkość strumieni i powoduje zwiększenie stopnia zmieszania. Zatem wymiar i kąt nachylenia dysz tlenowych musi być dokładnie zaproPL 212 230 B1 jektowany, aby tlen mieszał się z dużą prędkością ze strumieniem węgla, i nie powodował zbyt szybkiego mieszania się powietrza trzeciego i strumienia węgla.

P r z y k ł a d III

Palnik pyłowo powietrzny o niskiej emisji NOx, czyli palnik oznaczony symbolem RSFC™, opisany w opisie US 5,960,724 spala paliwo przy 82,2 MW/h, w komorze spalania z wykładziną ognioodporną, o wymiarach wewnętrznych wynoszących w przybliżeniu 2,28 m szerokości, 2,28 m wysokości i 10 m długości. Jedna lub dwie pary przeciwlegle usytuowanych otworów dla powietrza doprowadzanego ponad płomień, usytuowane są w odległości około 7,9 m od otworu wylotowego palnika. Palnik posiada centralny kanał o przekroju kołowym i kilka pierścieniowych kanałów dla przepływu strumieni węgla, powietrza i tlenu. Centralny kanał przepływowy posiada średnicę zewnętrzną równą 4,8 cm, a lanca tlenowa ma średnicę wewnętrzną 3,8 cm. Węgiel i powietrze pierwotne doprowadza się z pierwszego kanał u pierś cieniowego, natomiast drugi, trzeci i czwarty kana ł pierś cieniowy jest przeznaczony dla przepływu strumieni powietrza wtórnego, powietrza trzeciego i czwartego i te kanały są wyposażone w różne elementy wirowe, wytwarzające przepływ zawirowany. Palnik jest tak skonstruowany, aby zapewnić warunki odpowiadające aerodynamicznie stopniowanemu procesowi spalania. Wzdłuż osi palnika ukształtowana jest strefa bogata w paliwo o stosunkowo dużych rozmiarach i z relatywnie wolno postępującym wzdłuż komory spalania zjawiskiem mieszania powietrza trzeciego i czwartego.

Tlen wdmuchuje się przez usytuowaną w osi palnika lancę o przekroju kołowym. Dysza podobna jest do dyszy z fig. 3c i posiada osiem otworów promieniowych o średnicy 9,5 mm, oraz cztery otwory osiowe o średnicy 9,5 mm wykorzystywane do wdmuchiwania i do mieszania z pierścieniowo ukształtowanym, przyległym strumieniem węgla.

Regulacja nastawnych łopatek wirowych dla przepływu powietrza wtórnego, trzeciego i czwartego jest optymalizowana w celu uzyskania najniższej emisji NOx jest przeznaczona tylko dla powietrza biorącego udział w spalaniu oraz dla wdmuchiwanego tlenu.

Fig. 6 przedstawia wyniki związane z emisją NOx, jako funkcję wdmuchiwania tlenu, mierzoną w trzech różnych okresach testowych. Chociaż linia bazowa emisji NOx z powietrzem jest różna w zależności od okresów testowych to osiągane są znaczące ograniczenia emisji NOx.

Chociaż przedmiotowy wynalazek został przedstawiony zasadniczo w odniesieniu do konstrukcji kotłów ekranowanych, jak to przedstawiono na fig. 1 i 2, to opis nie został tak sformułowany, aby sugerować, że wynalazek jest ograniczony tylko do zastosowania w takich urządzeniach do spalania.

Wynalazek nadaje się do zastosowania i w innych urządzeniach, w których paliwo jest spalane w powietrzu, włączając w to urządzenia, które nie zostały ograniczone do uk ładów spalania stycznego, rodzaju opisanego w odniesieniu do fig. 7a-7c i układów znanych ze stanu techniki jako „cyklonowe komory spalania, w których strefa spalania pierwotnego komory spalania zawiera jedną lub wiele obudów, z których każda posiada cylindryczną ścianę, zamkniętą ścianą tylną i posiadającą otwarte przednie zakończenie, które jest skierowane do głównej przestrzeni komory spalania poprzez ścianę tej komory, w której paliwo, powietrze konieczne do spalania i tlen (podawany do strumienia paliwa w ilościach wskazanych w tym opisie) są doprowadzane, poprzez cylindryczną ścianę i ścianę tylną do obudowy, w takim kierunku, że wirują one wokół osi wirowania obudowy, a paliwo spala się wytwarzając płomień i ciepło spalania, emitowane przez przednie, otwarte zakończenie do głównej przestrzeni komory spalania.

Poza palnikami, przedstawionymi w niniejszym opisie można zastosować i inne rodzaje palników, chociażby takich, jak tak zwane palniki szczelinowo-strumieniowe, w których strumień paliwa jest podzielony na wiele strumieni oddzielonych od siebie i równomiernie odchylonych wzajemnie od siebie. Przy tym rodzaju palnika, tlen podaje się z odpowiedniej ilości lanc do każdego strumienia paliwa lub z jednej lancy wyposażonej w wiele dysz, z których każda skierowana jest do każdego strumienia paliwa, a wymagania stechiometryczne dotyczące tlenu oparte są na całkowitych ilościach paliwa i podawanego tlenu.

Claims (30)

1. Sposób spalania paliw w ęglowodorowych zawierających związany azot, zwłaszcza węgla, w urzą dzeniu do spalania, które posiada pierwotn ą strefę spalania i strefę dopalania, przy czym do pierwotnej strefy spalania przez palnik wprowadza się powietrze i bezwodne paliwo, zawierające związany azot i składniki, wybrane z grupy rozpylonych węglowodorów ciekłych i węglowodorów stałych, w postaci pyłu, a paliwo spala się w pierwotnej strefie spalania, posiadającej strefę bogatą w paliwo, znamienny tym, że do strumienia paliwa w pierwotnej strefie spalania (10) wdmuchuje się tlen, a spalanie prowadzi się w strefie (8) bogatej w paliwo w ilości tlenu, która jest mniejsza od 20% ilości stechiometrycznej, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa oraz tak reguluje się ilością powietrza doprowadzanego do palnika (3), aby proporcja stechiometryczna w pierwotnej strefie spalania (10) wynosiła pomiędzy 0,6 i 0,99, i ze źródła (7), znajdującego się poza palnikiem (3), do strefy dopalania (9) doprowadza się powietrze zawierające tlen w takiej ilości, aby całkowita ilość tlenu wprowadzanego do urządzenia do spalania (1) była przynajmniej na poziomie ilości stechiometrycznej, niezbędnej do całkowitego spalenia w strefie dopalania (9) paliwa i pozostałości palnych pochodzących z pierwotnej strefy spalania (10).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się bezpośrednio do strumienia paliwa w pierwotnej strefie spalania (10).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tlen doprowadza się do powietrza prowadzonego przez palnik (3).

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że strumień paliwa doprowadza się poprzez palnik (3), a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa za pomocą lancy (5), usytuowanej w strumieniu paliwa.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że strumień paliwa doprowadza się poprzez pierścieniowy kanał paliwowy (4) palnika (3), a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa poprzez pierścieniowy kanał (15), otaczający kanał paliwowy (4).

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że strumień paliwa doprowadza się poprzez pierścieniowy kanał paliwowy (4) palnika (3), a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5), otoczoną pierścieniowym kanałem paliwowym (4).

7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5), posiadającą na swoim końcu co najmniej jeden otwór wylotowy, który jest skierowany wzdłuż osi lancy (5).

8. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5) posiadającą ślepe zakończenie i co najmniej dwie dysze (32), usytuowane promieniowo w pobliżu jej zakończenia.

9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5), posiadającą ślepe zakończenie i co najmniej dwie dysze (32), usytuowane promieniowo w pobliżu jej zakończenia oraz co najmniej dwie dysze (33), z których każda usytuowana jest pod kątem większym niż 0° i mniejszym niż 90° w stosunku do osi i zgodnie z kierunkiem strumienia tlenu.

10. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5) posiadającą ślepe zakończenie i co najmniej dwie dysze (34), usytuowane promieniowo w pobliżu jej zakończenia, z których każda usytuowana jest pod kątem zawartym między 30° i 90° w stosunku do osi i przeciwnie do kierunku przepływu strumienia tlenu.

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że paliwo wraz z powietrzem doprowadza się z prędkością od 15 m/s do 45 m/s, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa z prędkością odpowiadająca od 25% do 400% prędkości powietrza.

12. Sposób według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że przez palnik (3), posiadający liczbę wirów zawartą między 0,6 i 2,0, wprowadza się powietrze wtórne i powietrze trzecie.

13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proporcję stechiometryczną w strefie (8) bogatej w paliwo ustala się na poziomie między 0,1 i 0,75.

14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proporcję stechiometryczną w pierwotnej strefie spalania (10) ustala się na poziomie między 0,7 i 0,85.

15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ilość tlenu, którą wprowadza się do strumienia paliwa ustala się na ilość mniejszą od 10% stechiometrycznej ilości, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa.

PL 212 230 B1

16. Sposób według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że ilość powietrza doprowadzanego przez palnik (3) tak ustala się, że proporcja stechiometryczna w pierwotnej strefie spalania (10) różni się nie więcej niż o 10% od proporcji stechiometrycznej bez dodatku tlenu.

17. Sposób spalania węglowodorów zawierających związany azot, zwłaszcza węgla, w urządzeniu do spalania, które posiada pierwotną strefę spalania i strefę dopalania, przy czym przez palnik do pierwotnej strefy spalania wprowadza się powietrze i bezwodne paliwo, zawierające związany azot i składniki, wybrane z grupy rozpylonych węglowodorów ciekłych i węglowodorów stałych, w postaci pyłu i spala się paliwo w pierwotnej strefie spalania, posiadającej strefę bogatą w paliwo, znamienny tym, że do strumienia paliwa wdmuchuje się tlen i prowadzi się spalanie w ilości tlenu, która jest mniejsza od 20% ilości stechiometrycznej, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa oraz tak reguluje się ilością powietrza doprowadzanego do palnika (3), aby proporcja stechiometryczna w strefie (8) bogatej w paliwo wynosiła pomiędzy 0,1 i 0,85, a rozmiar strefy (8) bogatej w paliwo pozostawał na tym samym poziomie, względnie zwiększał się w porównaniu do jej rozmiarów, gdy spalanie przeprowadza się w urządzeniu do spalania (1) bez etapu podawania tlenu i w identycznych warunkach.

18. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się bezpośrednio do strumienia paliwa w strefie (8) bogatej w paliwo.

19. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że tlen doprowadza się do powietrza prowadzonego przez palnik (3).

20. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że strumień paliwa doprowadza się przez palnik (3), a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa za pomocą lancy (5), usytuowanej w strumieniu paliwa.

21. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że strumień paliwa doprowadza się przez pierścieniowy kanał paliwowy (4) palnika (3), a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez pierścieniowy kanał (15), otaczający kanał paliwowy (4).

22. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że strumień paliwa doprowadza się przez pierścieniowy kanał paliwowy (4) palnika (3), a tlen wprowadza się do strumienia paliwa przez lancę (5), otoczoną pierścieniowym kanałem paliwowym (4).

23. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5), posiadającą na swoim końcu co najmniej jeden otwór wylotowy, który jest skierowany wzdłuż osi lancy (5).

24. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5) posiadającą ślepe zakończenie i co najmniej dwie dysze (32), usytuowane promieniowo w pobliżu jej zakończenia.

25. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5), posiadającą ślepe zakończenie i co najmniej dwie dysze (32), usytuowane promieniowo w pobliżu jej zakończenia, oraz co najmniej dwie dysze (33), z których każda usytuowana jest pod kątem większym niż 0° i mniejszym niż 90° w stosunku do osi i zgodnie z kierunkiem strumienia tlenu.

26. Sposób według zastrz. 17 albo 18, znamienny tym, że tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa przez lancę (5) posiadającą ślepe zakończenie i co najmniej dwie dysze (34), usytuowane wzdłuż obwodu lancy (5) w pobliżu jej zakończenia, z których każda usytuowana jest pod kątem zawartym między 30° i 90° w stosunku do osi i przeciwnie do kierunku przepływu strumienia tlenu.

27. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że paliwo wraz z powietrzem doprowadza się przez palnik (3) z prędkością od 15 m/s do 45 m/s, a tlen wdmuchuje się do strumienia paliwa z prędkością odpowiadającą od 25% do 400% prędkości powietrza.

28. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że przez palnik (3), posiadający liczbę wirów zawartą między 0,6 i 2,0, wprowadza się powietrze wtórne i powietrze trzecie.

29. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że proporcję stechiometryczną w strefie (8) bogatej w paliwo ustala się na poziomie między 0,4 i 0,75.

30. Sposób według zastrz. 17, znamienny tym, że ilość tlenu, którą wprowadza się do strumienia paliwa ustala się na ilość mniejszą od 10% stechiometrycznej ilości, wymaganej do całkowitego spalenia paliwa.