RS57898B1 - Gorionik - Google Patents

Description

Opis

[0001] Pronalazak se odnosi na gorionik sa kućištem gorionika opremljenim dovodima za gorivo i oksidacionim sredstvom, koje u predviđenom ugradnom stanju vrhom gorionika seže u zonu reakcije i kojem je dodeljen uređaj za hlađenje za hlađenje vrhova gorionika.

[0002] Takvi gorionici su, na primer, spolja mešajući gorionici, preko kojih se tečno, čvrsto ili gasovito gorivo i gas koji sadrži kiseonik putem odvojenih dovoda dovode u zonu reakcije (komora za sagorevanje), mešaju i pale. Da bi se gorionik zaštitio od obično veoma visokih temperatura u komori za sagorevanje, gorionici su opremljeni rashladnim uređajem u kojem se hladni medijum vodi kroz kanale za hlađenje, koji prolaze kroz delove plašta gorionika koji sežu u zone reakcije. Kao rashladno sredstvo se po pravilu koristi voda za hlađenje, kao što je opisano, na primer, u WO 00/70102 A1. U ovom predmetu, plašt jednog gorionika je opremljen radijalnim vodonosnim traktom koji okružuje izlazne mlaznice reakcionih sredstava, koji je preko dovoda i odvoda protočno spojen sa kružnim tokom rashladne vode.

[0003] Međutim, zbog srazmerno hladnog plašta vodeno hlađenih gorionika, postoji i niz nedostataka. Ako je temperatura plašta gorionika ispod tačke rošenja agresivnih komponenata dimnog gasa, one se mogu kondenzovati na površini plašta gorionika i dovesti do korozije. Na primer, sumpor dioksid koji se nalazi u izduvnim gasovima dovodi do stvaranja sumporne kiseline, čije delovanje znatno skraćuje radni vek gorionika. Zbog velike temperaturne razlike između izduvnih gasova i plašta gorionika, proces takođe gubi mnogo energije, koja se osim toga mora uzeti iz vode za hlađenje u narednim koracima. Na kraju, postoji i rizik da u slučaju oštećenja u komoru za sagorevanje može prodreti voda i prouzrokovati eksploziju zbog brzog širenja vodene pare koja se stvara.

[0004] Zbog toga je već pokušavano da se odustane od vodenog hlađenja čak i pri visokim temperaturama u komori za sagorevanje. Na primer, u EP 1736 706 A2 se predlaže opremanje dela gorionika koji seže u komoru za sagorevanje plaštom od vatrostalnog materijala. Iz DE 29512 230 U je poznato da je pokušano da se delovi gorionika koji sežu u zonu reakcije opreme metalnim zaštitnim plaštom, iza kojeg se poprečno na smer loženja vodi rashladni vazduh. Prema DE 2916 635 C3, mlaz kiseonika kod gorionika dovodi se u rotaciju i, kao rotacioni mlaz, takođe hladi plašt gorionika, što ima za cilj da eliminiše potrebu za vodenim hlađenjem. Međutim, svi ovi predmeti imaju mnogo manji kapacitet hlađenja nego vodeno hlađenje, pa se upotreba gorionika sa vodenim hlađenjem smatra neophodnom za mnoge primene.

[0005] GB2476253 opisuje mlaznicu za ubrizgavanje goriva koja se hladi pomoću toplotne cevi.

[0006] EP1881286 opisuje gorionik sa kružnim tokom za hlađenje.

[0007] US 4,736,693 opisuje gorionik prema preambuli zahteva 1. Pronalazak se shodno tome zasniva na zadatku da se omogući efikasno hlađenje tipskog gorionika čak i pri visokim temperaturama u komori za sagorevanje bez pomoći vode za hlađenje.

Ovaj zadatak rešava gorionik koji ima karakteristike iz patentnog zahteva 1. Predložene varijante pronalaska su navedene u podzahtevima.

Prema pronalasku se kao uređaj za hlađenje koristi jedan ili više toplotnih cevi, kojima se toplota odvodi za vrha gorionika koji seže u zonu reakcije i prenosi na izmenjivač toplote koji se nalazi u području manje opterećenog toplotom unutar kućišta gorionika ili izvan kućišta gorionika. Kao toplotna cev se pri tom označava zatvoren sistem u kojem se nalazi medijum za prenos toplote, koji kao rezultat dovedene toplote isparava u delu toplotne cevi označenom kao "zona isparavanja", pri čemu je toplotna cev dimenzionisana tako da se medijum za prenos toplote na jednoj sekciji toplotne cevi leđima okrenutoj zoni isparavanje, koja se ovde naziva "zona kondenzacije ", kondenzuje usled razmene toplote sa rashladnim sredstvom i teče natrag unutar toplotne cevi. Prema pronalasku, medijum za prenos toplote u toplotnoj cevi u području vrha gorionika tip (zona isparavanja) prima toplotu, isparava i u gasovitom stanju se dovodi na sekciju (zonu kondenzacije) koja je termički spojena sa jednim ili više izmenjivača toplote i u kojoj se kondenzuje i pri tom predaje toplotu rashladnom sredstvu korišćenom u izmenjivaču ili izmenjivačima. Kao sredstvo za prijem toplote iz toplotne cevi u obzir dolazi na primer gas, a posebno vazduh, ili tečnost, na primer voda. Toplota se prenosi iz toplotne cevi na reakciono sredstvo koje se isporučuje gorioniku, odnosno gorivo i/ili oksidans. Gorionik prema ovom pronalasku usled toga ne zahteva kružni tok vode za hlađenje vođen kroz vrh gorionika čime se izbegavaju i s tim povezani problemi.

Poželjne je pri tom više toplotnih cevi raspoređenih sa njihovim zonama isparavanja u unutrašnjosti kućišta gorionika, radijalno spolja oko dovoda za gorivo i oksidanse i blizu spoljnje površine kućišta gorionika u jednakim ugaonim razmacima kako bi se postigao efikasan učinak hlađenja; kod velikih, tokom rada gorionika dovedenih količina toplote, može se predvideti i više slojeva toplotnih cevi i/ili toplotne cevi u aksijalnom pravcu na različitim dubinama mogu ulaziti u kućište gorionika.

Toplotne cevi pomenutog tipa su u načelu poznate i opisane su, na primer, u patentima US 3 229 759 B1, US 3532 159 B1, DE 2439 442 A1, EP 0040 255 A1. Prema DE 2439 442 A1, toplotne cevi mogu biti podešene tako da imaju funkciju ventila pri prenosu toplote. U zavisnosti od temperature ključanja ili kondenzacije korišćenog medijuma za prenos toplote obezbeđen je prenos toplote samo iznad unapred određene temperature. Toplotne cevi koje se koriste u pronalasku takođe mogu biti u obliku zatvorene petlje ili prstena u kojem se medijum za prenos toplote vodi iz zone isparavanja u zonu kondenzacije i nazad kroz kolo, kao što je prikazano, na primer, u EP 0040 255 A1. Sve ove varijante mogu se koristiti i u okviru pronalaska.

Kao goriva su za gorionik prema ovom pronalasku pogodna gasovita goriva kao što je prirodni gas, a takođe tečna goriva raspršena u aerosol ili fluidizovane čvrste čestice (prašine). Kao oksidaciono sredstvo se može koristiti vazduh ili gas obogaćen kiseonikom, posebno je poželjno koristiti čist kiseonik koji ima koncentraciju kiseonika veću od 90% po zapremini. Prema ovom pronalasku, toplota preneta iz toplotne cevi ili toplotnih cevi koristi se za predzagrevanje goriva i/ili oksidacionog sredstva. U tu svrhu zona kondenzacije toplotne cevi odn. toplotnih cevi je termički povezana sa izmenjivačem toplote, koji je postavljen u dovodne cevi za gorivo ili oksidaciono sredstvo. Takođe je moguće, štaviše, za povezivanje zone kondenzacije toplotne cevi odn. toplotnih cevi kroz nekoliko izmenjivača toplote termički povezati kako sa oksidacionim gorivom i/ili gorivom. Pored pomenutog načina korišćenja toplote prenete iz toplote odn. toplotnih cevi za predzagrevanje goriva i/ili oksidacionog sredstva u još jednoj varijanti pronalaska je predviđeno, da se zona kondenzacije toplotne cevi odn. toplotnih cevi termički poveže sa izmenjivačem toplote kroz koji struji eksterno rashladno sredstvo. Kao "eksterno rashladno sredstvo" ovde se označava sredstvo koje se ne koristi u okviru procesa sagorevanja u reakcionoj komori. Kao eksterno rashladno sredstvo posebno se koristi gasovito ili tečno rashladno sredstvo, kao što je vazduh ili voda, pri čemu eksterno rashladno sredstvo takođe može biti vođeno kroz kružni tok. Dodatno na toplotnoj cevi raspoređeni izmenjivač toplote kroz koji teče eksterno rashladno sredstvo takođe se može koristiti za kontrolu temperature predzagrejanog reakcionog sredstva tako što se eksterno rashladno sredstvo po potrebi, npr. u zavisnosti od temperature reakcionog sredstva ili temperature u području vrha gorionika. U najjednostavnijem slučaju, kao "izmenjivač toplote" može se koristiti i ventilator koji prenosi toplotu koja se isporučuje iz toplotne cevi na vazduh okoline.

Još jedno drugo izvođenje ovog pronalaska naznačeno je time, što su izmenjivač ili izmenjivači toplote koji je/su toplotno povezan/i sa zonom/ama kondenzacije toplotne/ih cevi raspoređene/ih unutar kućišta gorionika. Ovo izvođenje smanjuje troškove gradnje i omogućava upotrebu relativno kratkih toplotnih cevi sa visokim kapacitetom prenosa toplote. Uzgred, takav "unutrašnji" izmenjivač toplote se takođe može koristiti kao dodatak jednom od gore pomenutih "spoljašnjih" izmenjivača toplote.

Kao sredstvo za hlađenje u toplotnoj cevi/u toplotnim cevima, može se koristiti bilo koji medijum za prenos toplote koji se koristi u komercijalnim toplovodnim cevima. Međutim, s obzirom na posebne zahteve tehnologije gorionika, preporučljivo je koristiti medijum za prenos toplote, koji omogućava održavanje spoljašnjeg zida kućišta gorionika u području vrha gorionika prilikom upotrebe gorionika na temperaturi iznad tačke rošenja korozivno delujućih sastojaka u atmosferi, a koji su sadržani u atmosferi reakcione komore. Posebno pri upotrebi gorionika prema pronalasku u ložištima u hemijskoj industriji ili u termičkoj preradi otpada u izduvnom gasu se pojavljuju agresivne gasne komponente kao što su halogeni, oksidi azota, oksidi ili kiseline sumpora, koji kondenzuju u konvencionalnim gorionicima sa vodenim hlađenjem na površini plašta gorionika i tamo za kratko vreme mogu dovesti do značajnih oštećenja. Pronalazak omogućava korišćenje medija za prenos toplote u toplotnim cevima čija je tačka ključanja iznad tačke ključanja vode, kao što su termalna ulja koja imaju temperaturu ključanja između 150 ° C i 300 ° C, poželjno između 200 ° C i 250 ° C ili tečni metali odn. metalne legure sa temperaturama ključanja između 600 ° C i 800 ° C. Kao rezultat toga, minimalna temperatura na površini dela gorionika (vrh gorionika) koja seže u reakcionu komoru je adekvatno povećana tokom rada gorionika i time se izbegava kondenzacija bar nekih od korozivnih sastojaka atmosfere reakcione komore na površini plaštu gorionika. Pored toga, potrošnja energije se smanjuje kada se koristi gorionik (u poređenju sa vodeno hlađenim gorionicima iste snage).

[0008] U principu, pronalazak je pogodan kako za gorionike koji rade sa vazduhom kao oksidacionim sredstvom, tako i za gorionike, koji za to koriste vazduh obogaćen kiseonikom (sa sadržajem kiseonika preko 21 vol.%) ili čist kiseonika (sa sadržajem kiseonika > 95 vol..-%) i gorionike, u kojima se sadržaj kiseonika u upotrebljenom oksidacionom sredstvu može promenljivo prilagoditi. Gorionik prema ovom pronalasku može se koristiti u velikom broju različitih primena, posebno u metalurgiji sa topljenjem, kod ložišta u hemiji, recikliranju otpada ili u pećima za pečenje stakla.

[0009] Pomoću crteža, jedan primer izvođenja pronalaska će biti detaljnije objašnjeno u nastavku. Jedini crtež (slika 1) shematično prikazuje konstrukciju gorionika prema pronalasku u uzdužnom preseku.

[0010] Gorionik 1 obuhvata suštinski cilindrično (samo delimično prikazano na crtežu) kućište gorionika 2, u kojem je postavljen centralni kanal za gorivo 3. Kanal 3 za gorivo je fluidno povezan preko dovoda za gorivo 4 sa izvorom goriva, koji nije prikazan ovde.

Koaksijalno sa kanalom za gorivo 3, u primeru izvođenja prema sl.1 raspoređen je kružni kanal 6 za oksidaciono sredstvo. Umesto koaksijalnog rasporeda kanala za gorivo 3 i kanala 6 za oksidaciono sredstvo, takođe su u okviru pronalaska moguće druge konstrukcije gorionika, na primer više kanala za oksidaciono sredstvo raspoređenih radijalno na spoljašnjoj strani kanala za gorivo 3 u jednakim ugaonim razmacima, ili unutar kućišta gorionika paralelno jedni pored drugih raspoređeni dovodi za gorivo i oksidaciono sredstvo. Kanal za oksidaciono sredstvo 6 se preko dovoda za oksidaciono sredstvo 7 snabdeva oksidacionim sredstvom, na primer vazduhom ili kiseonikom, iz izvora koji nije prikazan ovde. U predviđenom stanju ugradnje, gorionik 1 seže svojim vrhom gorionika 8 u metaluršku reakcionu komoru 9, na primer komoru za sagorevanje. Gorionik osim toga obuhvata uređaj za paljenje, koji ovde nije prikazan, za paljenje mešavine goriva i oksidacionog sredstva koja se stvara pre vrha gorionika 8 u reakcionoj komori 9. Gorionik 1 može na način koji ovde takođe nije prikazan ulaziti u vod za izduvni gas, kroz koji se gasovi sagorevanja stvoreni u reakciji goriva i oksidacionog sredstva odvode iz reakcione komore 9.

[0011] Gorionik 1 je opremljen rashladnim uređajem pomoću kojeg se tokom rada gorionika 1 smanjuje visoko toplotno opterećenje kućišta gorionika 2 u području vrha gorionika 8. rashladni uređaj obuhvata više toplotnih cevi koje su raspoređene radijalno na kanalu 6 za oksidaciono sredstvo u jednakim ugaonim razmacima, od kojih su u primeru izvođenja prikazane samo toplotne cevi 11, 12. Toplotne cevi 11, 12 su zatvoreni sistemi fluida u kojima medijum za prenos toplote fluktuira između zone isparavanja 13, 14, u kojoj medijum isparava i na taj način apsorbuje toplotu iz okoline, i zone kondenzacije 16, 17, u kojoj se medijum kondenzuje i pri tom predaje toplotu okolini. U primeru izvođenja, zona isparavanja 13 toplotne cevi 11 i zona 14 isparavanja toplotne cevi 12 su u području vrha gorionika 8, u kome se javlja posebno zagrevanje tokom rada gorionika 1. Zona kondenzacije 16 toplotne cevi 11 i zona kondenzacije 17 (ovde je iz razloga jasnoće naznačena samo isprekidanom linijom) izmenjivača toplote 12 u primeru izvođenja se nalazi izvan kućišta gorionika 2. U području zona kondenzacije 16, 17 toplotnih cevi 11, 12 su dva izmenjivača toplote 18, 19, koji su termički povezani sa zonama 16, 17 kondenzacije. Preko izmenjivača toplote 11, medijum za prenos toplote prisutan u toplotnim cevima 11, 12 je toplotno povezan sa oksidacionim sredstvom dopremljenim preko dovoda za oksidaciono sredstvo 7 i preko izmenjivača toplote 12 sa eksternim rashladnim sredstvom, na primer vazduhom ili vodom, koje se po potrebi doprema preko voda za rashladno sredstvo 21. Preko ventila 22, 23, 24 u dovodima 4, 7, 21, se može podesiti ili regulisati priliv odgovarajućeg sredstva.

[0012] Tokom rada gorionika 1, ventil 22 se otvara, a gorivo, na primer prirodni gas, ulje ili fluidizovana ugljena prašina, protiče kroz dovod za gorivo 4 i kanal za gorivo 3 u reakcionoj komori 9. Istovremeno se otvara ventil 23, a oksidaciono sredstvo, na primer kiseonik ili vazduh, preko voda za oksidaciono sredstvo 7 i kanala za oksidaciono sredstvo 6 teče u reakcionu komoru 9. Mešavina gorivo/kiseonik koja se formira u reakcionoj komori 9 pre ušća vrha gorionika 8 se pali i dovodi do stvaranja plamena (što nije prikazano ovde) u reakcionoj komori 9.

[0013] Toplota koja se iz komore za sagorevanje 9 na vrh gorionika 8 i odatle do medijuma za prenos toplote koji postoji u zonama isparavanja 13, 14 toplotnih cevi 11, 12 dovodi do isparavanja medijuma za prenos toplote. Preko transportnih kanala unutar toplotnih cevi 11, 12 koji ovde nisu prikazani medijum za prenos toplote dospeva do odgovarajuće zone kondenzacije 16, 17, i u izmenjivaču toplote 18 predaje toplotu sredstvu za oksidaciju dopremljeno dovodom za oksidaciono sredstvo 7. Toplota koja se apsorbuje toplotnim cevima 11, 12 na ovaj način služi za predzagrevanje oksidacionog sredstva; pri čemu do takvog predzagrevanja može doći, štaviše, umesto ili dopunski u odnosu na (u načelu poznato i zato ovde neprikazano) predzagrevanje oksidacionog sredstva uz pomoć dimnih gasova odvedenih zone reakcije 9. Isto tako je u okviru pronalaska moguće na isti način izvršiti predzagrevanje goriva umesto ili dopunski u odnosu na predzagrevanje oksidacionog sredstva. Prilikom razmene toplote sa oksidacionim sredstvom u izmenjivaču toplote 18 medijum za prenos toplote se kondenzuje u zonama kondenzacije 16, 17 i kao tečni medijum se preko ovde neprikazanih transportnih kanala vraća nazad u odgovarajuću zonu isparavanja 16, 17.

[0014] Izborom odgovarajućeg medijuma za prenos toplote u toplotnim cevima 11, 12, može se podesiti minimalna temperatura na spoljnoj površini vrha gorionika 8 tokom rada gorionika 1. Tako je tačka ključanja termalnih ulja (mineralnih ulja ili sintetičkih ulja) oko 150 °C do 300 °C, a specifičnih metalnih legura (na primer Na-K smeše) oko 800 °C Gorionik 1 može stoga raditi na znatno višim radnim temperaturama od konvencionalnog vodom hlađenog gorionika. Konkretno, temperatura na spoljnoj površini vrha gorionika 8 može se održavati na vrednosti koja je iznad tačke rošenja korozivno delujućih sastojaka atmosfere u reakcionoj komori 9.

[0015] Da bi se obezbedilo adekvatno hlađenje vrha gorionika 8 čak i kada je, na primer, posle završetka rada gorionika ventil 22 zatvoren i oksidaciono sredstvo više ne prolazi kroz dovod za oksidaciono sredstvo 7, zone kondenzacije 16, 17 toplotnih cevi 11, 12 na izmenjivaču toplote 19 se mogu toplotno povezati rashladnim sredstvom, koje se može, ako je potrebno, dovesti preko voda za rashladno sredstvo 21 otvaranjem ventila 23 i eventualno uključivanjem transportnog uređaja koji nije prikazan ovde. Rashladno sredstvo je, na primer, vazduh okoline ili voda; U najjednostavnijem slučaju, izmenjivač toplote 19 je ventilator koji duva vazduh na spoljnu površinu toplotnih cevi 11, 12 u području zona kondenzacije 16, 17. Čim se reakciona komora 9 ili površina kućišta gorionika 2 dovoljno ohladi, ventil 23 se zatvara.

[0016] Naravno, u okviru pronalaska takođe je moguće paralelno upravljati sa oba izmenjivača toplote 18, 19. U tom slučaju deo toplote se uvek prenosi na reakciono sredstvo koje treba da se zagreva, a preostali deo na rashladno sredstvo, pri čemu se odgovarajući udeli mogu regulisati upravljanjem dotoka rashladnog sredstva na ventilu 23.

[0017] Pronalazak je pogodan kako za gorionike koji koriste vazduh kao oksidaciono sredstvo, tako i za gorionike koji koriste kiseonik (sa čistoćom < 95 vol.%) kao oksidaciono sredstvo.

Referentni spisak oznaka:

[0018]

1.

Gorionik

2.

Kućište gorionika

3.

Kanal za gorivo

4.

Dovod za gorivo

5.

-6.

Kanal za oksidaciono sredstvo 7.

Dovod za oksidaciono sredstvo 8.

Vrh gorionika

9.

Reakciona komora

10.

-11.

Toplotna cev

12.

Toplotna cev

13.

Zona isparavanja

14.

Zona isparavanja

15.

-16.

Zona kondenzacije

Zona kondenzacije Izmenjivač toplote Izmenjivač toplote 20. -Vod za rashladno sredstvo Ventil

Ventil

Ventil

1

Claims (9)

Patentni zahtevi

1. Gorionik sa kućištem gorionika (2) opremljenim dovodima (3, 6) za gorivo i oksidaciono sredstvo, koji u predviđenom ugradnom stanju vrhom gorionika (8) seže u zonu reakcije (9) i kojem je dodeljen rashladni uređaj za hlađenje vrha gorionika (8), pri čemu je kao rashladni uređaj predviđena najmanje jedna toplotna cev (11, 12), koja obuhvata zonu isparavanja (13, 14) koja je toplotno povezana sa vrhom gorionika (8) i ima zonu kondenzacije (16, 17) koja je toplotno povezana sa najmanje jednim izvan zone reakcije (9) smeštenog unutar kućišta gorionika (2), naznačen time, što je/su zona/e kondenzacije (16, 17) toplotne/ih cevi (11, 12) preko izmenjivača toplote (18) toplotno povezana/e na dovod (4,7) goriva i/ili oksidaciono sredstvo koje treba dopremiti u gorionik.

2. Gorionik prema zahtevu 1, naznačen time, što je predviđeno više toplotnih cevi (11, 12), koje su sa svojim zonama isparavanja (13, 14) u unutrašnjosti kućišta gorionika (2) radijalno spolja raspoređene oko dovoda (3, 6) za gorivo i oksidaciono sredstvo i blizu spoljne površine kućišta gorionika (2) u jednakim ugaonim razmacima.

3. Gorionik prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je/su zona/e kondenzacije (16, 17) toplotne/toplotnih cevi (11, 12) termički povezana/e preko izmenjivača toplote (19) pomoću voda za rashladno sredstvo (21) za spoljnje rashladno sredstvo.

4. Gorionik prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je sa zonom/ama kondenzacije (16, 17) toplotne/toplotnih cevi (11, 12) toplotno povezani izmenjivač toplote (18, 19) raspoređen unutar kućišta gorionika (2).

5. Gorionik prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je kao rashladno sredstvo u toplotnoj cevi/toplotnim cevima (11, 12) predviđeno termalno ulje.

6. Gorionik prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je kao rashladno sredstvo u toplotnoj cevi/u toplotnim cevima (11, 12) predviđen metal ili legura metala.

7. Gorionik prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što toplotna cev/toplotne cevi (11, 12) može/mogu da radi/rade sa radnom temperaturom od oko 150 °C, poželjno sa radnom temperaturom od oko 600 °C.

8. Gorionik prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen koncepcijom kao gorionika za gorivo/kiseonik.

9. Gorionik prema zahtevu 3, naznačen time, što se odgovarajući udeli toplote preneti na izmenjivač toplote (18) termički spojenog sa dovodom (4, 7) za gorivo i/ili oksidaciono sredstvo koje treba isporučiti gorioniku i na izmenjivač toplote (19) termički spojenom vodom za rashladno sredstvo (21) mogu regulisati upravljanjem ventilom (23) u dovodu (4,7).