FI104758B - Polttolaite - Google Patents

Description

, 104758

Polttolaite Tämä keksintö liittyy patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen polttolaitteeseen ja esimerkiksi jauhetun hiilen kattilan polttolaitteeseen.

5 Jauhetun hiilen polttokattilassa polttolaite ruiskuttaa jauhetun hiilen ja ilman seoksen tulipesään seoksen syöttöputken kautta. Seos ruiskutetaan ja sytytetään niin, että se muodostaa tulipesään liekin. Kuten US-patenttijulkaisussa 4 545 307 on paljastettu seoksen syöttöputken päähän on järjestetty säteittäin ulospäin loimuavaa liekkiä ylläpitävä rengas. Liekkiä ylläpitävää rengasta pitkin 10 muodostuu seoksen pyörteitä niin, että jauhettu hiili konsentroituu liekin ylläpitävän renkaan lähellä. Tämän tuloksena sytytys tapahtuu tulipesässä sijaitsevan seoksen syöttöputken päätyosasta korkean lämpötilan voimakkaan pelkistysliekin muodostamiseksi, minkä avulla tehdään mahdolliseksi typpioksidien NOx syntymisen estäminen.

15 Liekkiä ylläpitävä rengas peittyy tuhkalla ja pidetään pelkistysilmake- hässä ja siihen kohdistuu vielä korkeita lämpötiloja tulipesästä säteilevästä lämmöstä johtuen. Nämä olosuhteet voivat aiheuttaa liekkiä ylläpitävän renkaan sulaman tai, kun toiminta ei ole kunnollista, kuonan kasvun liekkiä ylläpitävässä renkaassa eli kuonaantumisen edistämistä tietyissä olosuhteissa. Liekkiä ylläpitävän 20 renkaan sulama tai kuonan kasvaminen johtaa liekkiä ylläpitävän renkaan vaikutuksen huonontumiseen, typpioksidien NOx määrän lisääntymiseen tai laitteen ongelmiin.

Keksinnön mukaiselle polttolaitteelle on tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaisen • ·' . . 25 polttolaitteen edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten 2 - 9 kohteena.

Niinpä esillä olevan keksinnön tavoitteena on antaa käyttöön poltto-laite, joka kykenee suorittamaan vähätyppioksidisen NOx polttamisen stabiloidulla tavalla riippumatta polttolaitteen yksikkökapasiteetista tai käyttökuormasta.

30 Tähän asti esillä olevassa keksinnössä liekistä tuleva säteily katkais- ΐ .. taan ja kuonaantumisen esiintymisen kolmesta tekijästä (nimittäin korkea lämpö tila, pelkistys ja tuhkan olemassaolo) yksi poistetaan.

Esillä olevan keksinnön mukaan käyttöön annetaan ulkonema, joka jatkuu tulipesään liekkiä ylläpitävien välineiden toiselle puolelle uunin sisäpuolelta I! 35 liekkiä ylläpitäviin välineisiin tulevan säteilyn katkaisemiseksi siten riittävästi ja liiallisen lämpötilan nousun estämiseksi, jotta sillä tavalla estetään liekkiä ylläpitä- • _ • · ~ 2 104758 vien välineiden sulaminen ja liekkiä ylläpitävissä välineissä esiintyvä kuonaantu-minen.

Kuvio 1 leikkauskuva esillä olevan keksinnön suoritusmuodon mukaisesta polttolaitteesta, 5 kuvio 2 on etukuva, joka on otettu kuvion 1 linjoja II - Il pitkin, kuvio 3 on osittain katkonainen leikkauskuva, joka kuvaa kuviossa 1 esitettyä ulkonemaa, kuvio 4 on osittain katkonainen etukuva kuvion 3 ulkonemasta, kuvio 5 on suurennettu katkonainen etukuva kuvion 1 ulkonemasta, 10 kuvio 6 on leikkauskuva, joka on otettu kuviossa 5 olevia linjoja pitkin, kuvio 7 on osittain katkonainen etukuva, joka kuvaa ulkoneman muunnelmaa, kuvio 8 on katkonainen leikkauskuva, joka on otettu kuviossa 7 olevia linjoja Vili-Vili pitkin, 15 kuvio 9 on katkonainen leikkauskuva, joka kuvaa ulkoneman toista muunnelmaa, kuvio 10 on leikkauskuva polttolaitteen toisesta suoritusmuodosta, kuvio 11 on sivukuva, joka kuvaa kuviossa 10 esitetyn jauhetun hii-len/ilman erottavan osan kartiomaista osaa,

20 kuvio 12 on etukuva, joka on otettu kuviossa 11 olevia linjoja XII - XII

pitkin, kuvio 13 on sivukuva, joka kuvaa toisen jauhetun hiilen/ilman erottavan osan kartiomaista osaa,

kuvio 14 on etukuva, joka on otettu kuviossa 13 olevia linjoja XIV - XIV

25 pitkin, kuvio 15 on sivukuva, joka kuvaa vielä yhden jauhetun hiilen/ilman erottavan osan kartiomaista osaa,

kuvio 16 on etukuva, joka on otettu kuviossa 15 olevia linjoja XVI - XVI

pitkin, 30 kuviot 17 -19 ovat leikkauskuvia, jotka kuvaavat vastaavasti jauhetun hiilen/ilman erottavan osan kartiomaisen osan muita muunnelmia, ja kuvio 20 on leikkauskuva eri polttolaitteesta.

Viitaten kuvioon 1 polttolaitteella on taivutettu seoksen syöttöputki 1. Polttolaite toimii polttaakseen jauhettua hiiltä jauhemaisena polttoaineena happea 35 sisältävänä kaasuna olevassa ilmassa. Seoksen syöttöputken 1 toinen pää on tu-lipesän 2 sisäänpäin tulipesän 2 tulipesän seinään 21 muodostetun aukon 22 3 104758 kautta ja on toisesta päästään yhteydessä hiilen rouhimeen (ei esitetty). Jauhetun hiilen ja primaari-ilman seos virtaa seoksen syöttöputken 1 läpi. Seos sytytetään liekin muodostamiseksi tulipesään 2.

Liekkiä ylläpitävä rengas 3, joka on poikkileikkaukseltaan L-kirjaimen 5 muotoinen, on järjestetty seoksen syöttöputken 1 kehäpäätyosaan. Kuten kuviossa 2 on esitetty yksityiskohtaisesti rengasmainen virtauskanava 4 on järjestetty seoksen syöttöputkesta 1 säteittäin ulospäin niin, että se on sen kanssa samankeskisestä Tertiaari-ilmaa syötetään tulipesään 2 virtauskanavan 4 kautta.

Seoksen syöttöputken 1 ja virtauskanavan 4 väliin on sijoitettu ren-10 gasmainen ulkonema 6. Ulkonema 6 jatkuu tulipesään 2 liekkiä ylläpitävän renkaan 3 toiselle puolelle. Ulkoneman 6 ulkokehäseinä 61 jatkuu yhdensuuntaisesti seoksen syöttöputken 1 kanssa ja sen sisäkehäseinä 62 laajenee päätyosastaan säteittäin ulospäin. Molemmat kehäseinät 61 ja 62 päättyvät päätylevyyn 63.

Viitaten kuvioihin 1 ja 3 ulkoneman 6 sisäpuoli on jaettu kahdeksi ker-15 rokseksi väliseinäputkella 64. Sekundaari-ilma virtaa sik-sak-tavalla ulkoneman 6 ulkokehäseinän 61 ja väliseinäputken 64 määrittelemän kanavaosan, ulkoneman 6 sisäkehäseinän 62 ja väliseinäputken 64 määrittelemän kanavanosan sekä ulkoneman 6 sisäkehäseinän 62 ja seoksen syöttöputken 1 määrittelemän kanava-osan läpi kuten nuolilla on osoitettu ja virtaa sitten tulipesään 2. Koska ulkoneman 20 6 sisäkehäseinä 62 laajenee päätyosastaan säteittäin ulospäin, sekundaari-ilma hidastetaan sen nopeuteen niin, että osa sekundaari-ilmasta voidaan kuluttaa liekin ylläpitämiseksi häiritsemättä seoksen suihkua. Tämä tekee mahdolliseksi muodostaa korkean lämpötilan pelkistysliekin vakaalla tavalla. Niin muodoin on mahdollista estää typpioksidien NOx tuottaminen.

·*' - 25 Liekkiä ylläpitävä rengas 3 on pelkistysilmakehän alaisena ja jauhettu hiili konsentroituu pyörteistä johtuen liekkiä ylläpitävän renkaan läheisyyteen. Lisäksi liekkiä ylläpitävä rengas 3 on tavallisesti alttiina korkeille lämpötiloille, jotka johtuvat tulipesästä säteilevästä lämmöstä kuten kuvioissa 1 ja 3 on katkoviivoin osoitettu. Koska ulkonema 6 jatkuu kuitenkin liekkiä ylläpitävän renkaan 3 toiselle 30 puolelle tuliseinän 2 sisään liekkiä ylläpitävää rengasta kohti tulevan säteilyn kat-’· kaisemiseksi kohtuullisesti, liekkiä ylläpitävää rengasta 3 estetään olemasta liian " korkeassa lämpötilassa. Niin muodoin jopa silloin, kun polttolaitteen yksikkökapa-siteettia kohotetaan (esim. termisen 50 MW yläpuolelle), liekkiä ylläpitävää rengasta 3 voidaan estää sulamasta tai kärsimästä kuonan tuottamisesta.

« 4 104758

Toisaalta ulkonema 6 on tuotu nyt tilaan, jossa se peittyy tuhkilla ja on sijoitettu pelkistysilmakehään ja on vielä alttiina suurille lämpötiloille tulipesästä 2 säteilevästä lämmöstä johtuen. Tämän takia on mahdollisuus, että ulkonema 6 kärsii kuonaantumisesta. Tullakseen toimeen tämän kanssa esillä olevassa kek-5 sinnössä ulkonemaa 6 ei ole sijoitettu pelkistysilmakehään vaan hapetusilmake-hään. Näin tekemällä yksi kuonaantumisen esiintymistekijöistä voidaan poistaa, mikä mahdollistaa sillä tavalla kuonaantumisen esiintymisen estämisen.

Hapetusilmakehän muodostamiseksi päätylevy 63 on varustettu useilla säteittäisraoilla 631, jotka on sijoitettu tasakulmavälein kuten kuvioissa 4 - 6 on 10 esitetty. Osa sekundaari-ilmaa suihkutetaan näistä raoista 631 ulos ja ohjataan ohjauslevyillä 632 niin, että se virtaa ympäryskehämäisesti ulkoneman 6 pinnalle. Niin muodoin ulkonema 6 voidaan pitää hapetusilmakehän alaisena, mikä johtaa kuonan tuotannon estämiseen.

Tässä suoritusmuodossa on huomattavaa, että sekundaari-ilma jääh-15 dyttää ulkonemaa 6 samalla, kun se virtaa ulkoneman 6 ulkokehäseinän 61 ja vä-liseinäputken 64 määrittelemän kanavaosan, ulkoneman 6 sisäkehäseinän 62 ja väliseinäputken 64 määrittelemän kanavaosan sekä ulkoneman 6 sisäkehäseinän 62 ja seoksen syöttöputken 1 määrittelemän kanavaosan läpi. Noin 300 °C:isen sekundaari-ilman virtaus saa ulkoneman olemaan 950°C tai sen alle, jossa läm-20 pötilassa tuotetaan tuskin lainkaan kuonaa. Niin muodoin tulee mahdolliseksi kuonan esiintymisen vaikeuttaminen ulkonemassa 6 samoin kuin ulkoneman kestoiän pidentäminen. Toisaalta, koska sekundaari-ilman lämpötila kasvaa noin 40°C:lla tulipesästä 2 säteilevästä lämmöstä johtuen, polttotehokkuutta voidaan parantaa.

*' -* 25 Kuvioissa 7 ja 8 esitetyssä muunnelmassa useita kehärakoja 633 on järjestetty tasakulmavälein päätylevyyn 63 niin, että osa sekundaari-ilmasta ohjataan ohjauslevyllä 634 virtaamaan säteittäin ulospäin ulkoneman 6 pinnalle. Tämän tuloksena kuonan tuotanto voidaan estää kuten yllä olevassa suoritusmuodossa. Kuviossa 9 esitetyssä toisessa muunnelmassa päätylevy 63 on osittain 30 leikattu ja kallistettu.

Kuviossa 10 esitetyssä toisessa suoritusmuodossa seoksen kon-sentroitumisen tekemiseksi seoksen syöttöputken 1 ympärillä suuremmaksi jauhetun hiilen/ilman erottava tanko-osa 7 on sijoitettu seoksen syöttöputken 1 si- sälle sama-akselisesti. Erottava osa 7 on kiinnitetty seoksen syöttöputkeen 1 sen i 35 varsiosasta 71. Erottavassa osassa 7 on myös kartio-osa 72, joka määrittelee putken kavennusosan yhteistoiminnassa seoksen syöttöputkeen 1 järjestetyn ui- « 104758 5 konevan osan 11 kanssa. Putken kavennusosassa seoksen nopeutta vähennetään. Lisäksi erottava osa 7 käsittää suoran pyöreän lieriöosan 73 ja kartio-osan 74, joka jatkuu suorasta pyöreästä lieriöosasta kavetakseen siten seoksen virtauksen alavirtapuolta kohti. Suora pyöreä lieriöosa 73 toimii yhdessä seoksen 5 syöttöputken 1 kanssa määritelläkseen niiden väliin seoksen kanavaosan I, jonka poikkileikkauspa säilyy vakiona. Kartio-osa 74 toimii yhdessä seoksen syöttöputken 1 kanssa määritelläkseen niiden väliin seoksen kanavaosan II, jonka poikki-leikkausala kasvaa vähitellen seoksen virtauksen suunnassa.

Seoksen nopeus kasvaa kanavaosassa I. Kun seos virtaa kauttakul-10 kukanavaosan II läpi, jauhettu hiili erotetaan seoksesta sen inertiasta johtuen ja sitten se virtaa säteittäin ulospäin. Tämän tuloksena jauhettu hiili konsentroituu liekkiä ylläpitävän renkaan lähelle. Tämän takia jopa, jos polttolaitteen kuormaa vähennetään (esimerkiksi alas noin 30 %:iin rouhimen kuormituksesta), on mahdollista suorittaa erittäin tehokas poltto vähemmällä määrällä tuotettuja typpioksi-15 deja NOx. Jos kartio-osa 74 kuitenkin suippenee epätasaisesti, on mahdollista, että seos voi erottua kartio-osasta. Kun erottuminen kerran tapahtuu, liekkiä ylläpitävän renkaan lähelle jo kerran konsentroitunut jauhettu hiili tuodaan takaisin säteittäin sisäänpäin erotetusta virtauksesta johtuen, mikä johtaa siihen mahdollisuuteen, että jauhetun hiilen konsentraatio liekkiä ylläpitävän renkaan lähellä pie-20 nenee. Lisäksi on mahdotonta määritellä paikkaa, missä tällainen erottuminen aiheutetaan. Tästä syystä tässä suoritusmuodossa on suunniteltu, että virtauksen erottuminen tapahtuu tarkalleen eli pakolla kartio-osalla olevissa etukäteen määrätyissä osissa. Lisäksi nämä osat, joissa erottuminen tapahtuu, sijaitsevat ympä-ryskehämäisesti. Toisin sanoen osat, joissa erottumista estetään tapahtumasta, * 25 sijaitsevat samoin ympäryskehämäisesti tasakulmavälein. Niin muodoin jauhetun : hiilen konsentraatio liekkiä ylläpitävän renkaan lähellä tulee ympäryskehämäisesti tasaiseksi ja sen takia on mahdollista suorittaa vakautettu poltto.

Tähän asti esillä olevassa keksinnössä kartio-osa 74 koostuu osista : 741, joista kukin tekee suippenevan kulman θι aksiaalisuuntaan nähden, ja osista 30 742, joista kukin tekee suippenevan kulman θ2 (> θι) aksiaalisuuntaan nähden, jotka osat 741 vuorottelevat osien 742 kanssa kuten kuvioissa 11 -14 on esitetty.

Suippeneva kulma θι on 5° -15°:n alueella ja suippeneva kulma θ2 on 25° - 65°:n ; alueella. Erottuminen tapahtuu osissa 742 mutta sitä ei tapahdu osissa 741. Li- ; säksi osien 741 viemä ala on tehty suuremmaksi kuin osien 742 viemä. Niin muo- : 35 doin erottumisen vaikutus voidaan minimoida lisäten sillä tavalla vakautettua polttoa. Osat 741 ja 742 voidaan yhdistää tasaisesti (kuten kuviossa 12 on esitet- Γ 6 104758 ty) tai jyrkästi (kuten kuviossa 14 on esitetty). Sen osan suippeneva kulma θ2, jossa erottuminen tapahtuu ei ole rajoitettu olemaan 25° - 65°:n alueella. Jopa kun suippeneva kulma θ2 on 90° eli jopa kun osa 742 on kuvioissa 15 ja 16 esitetty rako, sama vaikutus voidaan saada.

5 Lisäksi kuten kuvioissa 17 - 19 on esitetty osat 741 ja 742 voidaan järjestää epäsymmetrisesti.

Ohimennen sanoen vaikka ulkonema ja jauhetun hiilen/ilman erottava osa on tässä suoritusmuodossa yhdessä, nämä voidaan antaa käyttöön erillään.

Lisäksi esillä oleva keksintö on sovellettavissa kuviossa 20 esitettyyn 10 jauhetun hiilen polttolaitteeseen, joka on varustettu aloitusöljypolttimella 8 ja apu-kaasupolttimella 9. öljypoltin 8 jatkuu läpi erottavan osan 7 sisällä kartio-osan 74 kärkipäähän. Kaasupoltin 9 ulottuu sisäkehäseinän 62 läpi tulipesään 2 sen verran, että sitä voidaan estää tulemasta alttiiksi tulipesän 2 sisältä tulevalle säteilylle.

15 Esillä olevaa keksintöä voidaan käyttää esimerkiksi jauhetun hiilen kattilan polttolaitteessa.

• · * · « • ( !

Claims (9)

1. 7 104758
2. 1. Polttolaite, joka käsittää: seoksen syöttöputken (1), joka on paljastettu tulipesän (2) jauhemaisen polttoaineen ja happea sisältävän kaasun seoksen syöttämiseksi mainit-5 tuun tulipesään (2), ensimmäisen kaasun syöttökanavan (4), joka on sijoitettu säteittäin ulospäin mainitusta seoksen syöttöputkesta syöttämään happea sisältävää kaasua mainittuun tulipesään (2), toisen kaasun syöttökanavan (5), joka on sijoitettu säteittäin maini-10 tun ensimmäisen kaasun syöttökanavan (4) ja mainitun seoksen syöttöputken (1) väliin syöttämään happea sisältävää kaasua mainittuun tulipesään (2), ja ulkonemavälineet (6), jotka on sijoitettu säteittäin mainitun ensimmäisen syöttökanavan (4) ja mainitun seoksen syöttöputken (1) väliin ja ulottuvat paljastetulla päätypinnalla mainittuun tulipesään (2) mainitun seoksen 15 syöttöputken (1) paljastetun päädyn toiselle puolelle, tunnettu siitä, että mainitut ulkonemavälineet (6) määrittävät osan mainitusta toisesta kaasun syöttökanavasta (5) olemalla ontot happea sisältävän kaasun virtausta varten niiden sisällä.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, 20 että mainittujen ulkonemavälineiden (6) paljastettu päätypinta on tasainen.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, että mainituilla ulkonemavälineillä (6) on sisäinen kehäseinämä (62), jo- ~ ka on kallistettu säteittäin ulospäin mainittua tulipesää (2) päin. ,·!’ 4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen polttolaite, tun- L 25. e 11 u siitä, että se lisäksi käsittää jauhetun polttoaineen/hapen sisältävän 1 kaasun erottavan osan (7), joka on sijoitettu mainitun seoksen syöttöputken (1) sisäpuolelle sama-akselisesti mainitun seoksen syöttöputken (1) kanssa, I mainitun erottavan osan (7) käsittäessä suoran pyöreän lieriöosan (73), joka ~ toimii yhdessä mainitun seoksen syöttöputken kanssa syöttökanavan osuuden Γ 30 (I) määrittelemiseksi niiden väliin, jolla on vakio poikkileikkausala, ja kartio- osan (74), joka jatkuu mainitusta suorasta pyöreästä lieriöosasta (73) ja suippenee seoksen virtauksen alavirtapuolta kohti toimien niin yhdessä mainitun ” seoksen syöttöputken (1) kanssa toisen seoksen syöttökanavan osuuden (II) määrittelemiseksi niiden väliin, jonka poikkileikkausala vähitellen kasvaa se-35 oksen virtauksen suunnan mukana. 104758 8
5. 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, että mainitussa kartio-osassa on ensimmäinen osa (742), jossa virtauksen erottuminen aikaansaadaan tapahtumaan ja toinen osa (743), jossa virtauksen erottumista ei aikaansaada tapahtumaan, ja jolloin mainitun kartio-osan 5 (74) ensimmäinen ja toinen osa (742, 743) vaihtelevat ympäryskehämäisesti.
6. 6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, että mainitut ulkonemavälineet käsittävät raon (631, 633), jonka läpi osa happea sisältävästä kaasusta, joka virtaa mainitussa ulkonemaväli-neessä suihkutetaan kohti mainittujen ulkonemavälineiden (6) mainittua pallo jastettua päätypintaa.
7. 7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, että mainitut ulkonemavälineet (6) ovat sijoitetut säteittäin mainitun ensimmäisen kaasun syöttökanavan (4) ja mainitun toisen kaasun syöt-tökanavan (5) väliin.
8. 8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen polttolaite, tun nettu siitä, että mainittujen ulkonemavälineiden (6) mainittu ontto osa muodostaa osan mainitusta toisesta kaasun syöttökanavasta (5).
9. 9. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 8 mukainen polttolaite, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää liekkiä ylläpitävät välineet, jotka on jär-20 jestetty paljastetulle kehäreunaosalle mainitulla seoksen syöttöputkella. « · m · | 104758 9