Форсунка смешанного типа с низким содержанием оксидов азота nox

ФОРСУНКА СМЕШАННОГО ТИПА С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ОКСИДОВ АЗОТА Изобретение касается способа сжигания для плавки стекла, в соответствии с которым пламя создается одновременно импульсом жидкого топлива и единственным импульсом газообразного топлива, отличающегося тем, что доля общей мощности, обеспечиваемая жидким топливом,является изменяемой между 20 и 80%, а также тем, что удельный импульс газообразного топлива ограничен до величины достаточно низкой для того, чтобы содержание NOx в производимых дымовых газах не превышало 800 мг/Нм 3 для печи с поперечными горелками и 600 мг/Нм 3 для печи с замкнутым контуром; а также касается форсунки для осуществления этого способа; горелки,содержащей одну или несколько таких форсунок, при этом печь содержит по меньшей мере одну такую горелку. Руши Патрис, Гарнье Лоран, Верна Жозеф (FR), Маццотти Де Оливейра Карлос (BR) Медведев В.Н. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: СЭН-ГОБЭН АМБАЛЛАЖ; СЭНГОБЭН ГЛАСС ФРАНС (FR) 016315 Изобретение касается способа и устройства для сжигания, в котором питание топливом обеспечивается, по меньшей мере, форсункой. Изобретение будет, в особенности, описано для использования при плавке стекла в стекловаренных печах, в частности в печах для изготовления плоского стекла типа флоат-стекла или печах для изготовления полой стеклотары, например инверсионных печах, использующих регенераторы (рекуператоры энергии), однако, оно не ограничивается такими применениями. Большинство способов сжигания упомянутого типа, в частности способов, используемых в стекловаренных печах, сталкивается с проблемами нежелательного выделения NOx в дымовых газах от сжигания.NOx оказывают нежелательное воздействие и на человека и на окружающую среду. Действительно,с одной стороны, NO2 является газом, способствующим возникновению респираторных заболеваний. С другой стороны, при контакте с атмосферой они могут постепенно образовывать кислотные дожди. Наконец, они вызывают фотохимическое загрязнение, так как в совокупности с легкоиспаряющимися органическими компонентами и солнечным излучением NOx являются источником образования так называемого тропосферного озона, повышение концентрации которого на малой высоте становится вредным для человека, особенно в период сильной жары. Поэтому действующие нормы на выделение NOx становятся все более и более жесткими. В соответствии с требованиями этих норм изготовители и пользователи печей, таких как стеклоплавильные печи, постоянно озабочены максимальным ограничением выделений NOx предпочтительно до уровня,меньшего 800 мг/Нм 3 дымовых газов для печи с поперечными горелками, или меньшего 600 мг/Нм 3 дымовых газов для печи с замкнутым циклом. Параметры, которые влияют на образование NOx, уже проанализированы. Речь, в основном, идет о температуре, так как выше 1300 С выделение NOx возрастает экспоненциальным образом вследствие избытка воздуха, так как концентрация NOx зависит от квадратного корня концентрации кислорода либо также от концентрации N2. Для уменьшения выделения NOx известны различные технологии. Первая технология состоит в принудительном воздействии агента-редуктора на выделяемые газы для того, чтобы NOx превратить в азот. Этим агентом-редуктором может являться аммиак, однако, это вызывает неудобства, связанные с трудностью хранения и обращения с таким продуктом. Можно также использовать в качестве агента-редуктора природный газ, но это осуществляется во вред потреблению печи и повышает выделение CO2. Присутствие газов-редукторов в некоторых частях печи, таких как регенераторы, может также вызвать усиленную коррозию огнеупорных материалов этих зон. Таким образом, предпочтительно, но не обязательно, не прибегать к этой технологии, предпринимая меры, называемые первоначальными. Эти меры называются так потому, что не пытаются разрушить уже образованные NOx, как в уровне техники, описанном выше, но скорее помешать их образованию,например, на уровне пламени. Эти меры, кроме того, проще осуществить и, следовательно, они более экономичны. Однако они могут не заменить полностью упомянутую технологию, но предпочтительно ее дополнить. Эти первичные меры являются, во всяком случае, необходимым предварительным условием для уменьшения потребления реактивов в процессе вторичных мер. Можно классифицировать не ограничивающим образом существующие меры на несколько категорий: первая категория состоит в уменьшении образования NOx с помощью технологии, называемой дожиганием, в соответствии с которой создают зону недостатка воздуха на уровне камеры сгорания печи. Недостатком этой технологии является увеличение температуры на уровне наборов регенераторов и, в необходимом случае, использование специальной конструкции регенераторов и их наборов, в особенности в том, что касается их герметичности и сопротивления коррозии; вторая категория состоит в воздействии на пламя, уменьшая и даже мешая образованию NOx на его уровне. Для этого можно, например, попытаться уменьшить избыток воздуха при горении. Можно также ограничить температурные пики, удерживая длину пламени, и увеличить объем фронта пламени для уменьшения средней температуры внутри пламени. Такое решение описано, например, в US 6047565 иWO 9802386. Оно заключается в способе сжигания для плавки стекла, в соответствии с которым питание топливом и питание окислителем топлива (осуществляется таким образом, чтобы распределить во времени контакт топливо/окислитель топлива и/или увеличить объем этого контакта для уменьшения выделения NOx). Вспомним, что форсунка предназначена для подачи топлива, при этом последнее воспламеняется окислителем топлива. Таким образом, форсунка может являться частью горелки, при этом термин горелка обозначает, обычно, устройство, содержащее одновременно подвод топлива и подвод окислителя топлива. ЕР 921349 (или US 6244524) предлагает с целью уменьшения NOx горелку, снабженную, по меньшей мере, форсункой, содержащей трубопровод подвода жидкого топлива типа мазута и трубопровод подвода среды для распыления, размещенный концентрически относительно упомянутого трубопровода подвода жидкого топлива, при этом упомянутый трубопровод подвода жидкого топлива содержит эле-1 016315 мент со сквозными наклонными каналами для придания жидкому топливу формы полой струи, охватывающей, по существу, внутреннюю стенку, причем образующая каждого из каналов составляет, по меньшей мере, угол в 10 с направлением подвода жидкого топлива.FR 2834774 предлагает уменьшить NOx применением горелки, снабженной, по меньшей мере, форсункой, содержащей три коаксиальных трубопровода подвода топлива - жидкого, газообразного высокого и низкого давления, названных в порядке возрастающего удаления от оси. Тем не менее, с такой форсункой поддержание малого выделения NOx, когда необходимо изменять относительные пропорции между различными видами топлива, требует сложных регулировок. Целью изобретения является предложение способа термической обработки расплавленного стекла,в котором используются топлива различной природы, относительные пропорции которых являются изменяемыми в широком диапазоне, поддерживая малое выделение NOx. Для этого в качестве объекта изобретения предлагается способ сжигания, в частности для плавки стекла, в котором пламя создается одновременно жидким топливом и газообразным топливом, отличающийся тем, что доля общей мощности, создаваемой жидким топливом, является изменяемой от 20 до 80%, а также тем, что удельный импульс газообразного топлива ограничен до величины, достаточно низкой для того, чтобы содержание NOx в производимых дымовых газах не превышала 800 мг/Нм 3 для печи с поперечными горелками и 600 мг/Нм 3 для печи с замкнутым циклом. Действительно доказано, что комбинация импульса жидкого топлива (такого как мазут) и единственного импульса газа низкого давления позволяет удерживать низкий уровень NOx без необходимости сложных регулировок или доводок. Таким образом, можно очень легко изменять соотношение мазут/газ,например, в частности, в зависимости от колебаний стоимости этих видов топлива. Способ по изобретению позволяет получить такие же малые выделения NOx, как и при использовании мазута в качестве единственного вида топлива. Мощность сжигания разделяется, в данном случае исключительно на мощность, обеспечиваемую жидким топливом, с одной стороны, газообразным, с другой стороны, таким образом, что часть второго является дополнением к части первого до 100% (то есть является изменяемой от 80 до 20%). Удельный импульс газообразного топлива является предпочтительно равным 3, особенно предпочтительно 2,5 Н/МВт. Уточним, что в стеклопромышленности, которой касается настоящее изобретение, печь с замкнутым циклом может функционировать попеременно с двумя горелками, размещенными соответственно в левой и правой частях печи. Мощность горелок равна произведению числа форсунок (в частности, двух или трех), которые они содержат, на мощность одной форсунки. Мощность горелок (и, следовательно, число форсунок на горелку, и мощность форсунок) является изменяемой и может быть приспособлена, в частности, к размерам печи. В качестве примера, печь в сотню м 2 (поверхность стекольной ванны) может работать с двумя горелками попеременно мощностью в 8-14 МВт каждая. Если эти горелки содержат две форсунки каждая,мощность их составляет 4-7 МВт, разделяемая, с одной стороны, на мощность форсунки, обеспечиваемая жидким топливом и, с другой стороны, обеспечиваемая газообразным топливом. Именно к последней относится вышеупомянутый максимальный удельный импульс газообразного топлива. Удержание этого удельного импульса газообразного топлива на таких относительно низких значениях позволяет изменять в широких пределах относительные пропорции жидкого и газообразного видов топлива при сохранении выделения NOx на низком уровне. Регулировка этого удельного импульса может легко осуществляться путем выбора диаметра трубопровода подвода газообразного топлива. Достаточно увеличить этот диаметр для уменьшения удельного импульса при прочих равных параметрах и наоборот. В соответствии с другой предпочтительной характеристикой способа по изобретению удельный импульс жидкого топлива максимально равен 1 Н/МВт. Эти значения относятся только к вкладу жидкого топлива в мощность одной форсунки. Они адаптированы к оптимальным длинам пламени и мощностям сжигания при всех размерах и конфигурациях печей стеклопромышленности и тому подобному. Они,само собой разумеется, гарантируют выделение NOx на низком желаемом уровне. Регулировка удельного импульса жидкого топлива также является легкой и осуществляется таким же образом, как регулировка удельного импульса газообразного топлива. Увеличение диаметра трубопровода (сопло) для подачи жидкого топлива уменьшает удельный импульс последнего при прочих равных параметрах и наоборот. Объектом изобретения является также форсунка для осуществления описанного выше способа, отличающаяся тем, что она содержит трубопровод для жидкого топлива, встроенный в коаксиальный трубопровод подвода среды ддя распыления жидкого топлива, который сам встроен в единый коаксиальный трубопровод подвода газообразного топлива. Такая конструкция форсунки может являться следствием исключения коаксиального трубопровода подвода газа высокого давления, размещенного между коаксиальными трубопроводами подвода жидкого топлива и среды для распыления жидкого топлива, с одной стороны, и коаксиальным трубопроводом подвода газа низкого давления, с другой стороны, в форсунке,описанной в документе FR 2834774. Подводящие трубопроводы, в данном случае, выполняют функцию-2 016315 выпуска сред. Предпочтительно трубопровод подвода жидкого топлива содержит элемент со сквозными наклонными каналами для приведения во вращение жидкого топлива в форме полой струи перед выбросом за форсунку, при этом образующая каждого из каналов составляет угол от 2 до 30 с направлением подвода жидкого топлива. Эта характеристика известна, в частности, из документа ЕР 921349. Жидкое топливо разделяется на столько индивидуальных струй, сколько имеется наклонных каналов. Равномерное распределение наклонных каналов и наклон от 2 до 30 каждого из этих каналов по всей окружности трубопровода подвода жидкого топлива вызывает закрутку совокупности отдельных струй без пересечения между ними. Эта закрутка приводит, ниже по потоку, к тому, что топливо следует по винтовой траектории, образуя полую струю, охватывающую внутреннюю стенку трубопровода подвода. На выходе из последнего жидкое топливо приобретает, таким образом, максимальную механическую энергию, и под влиянием среды для распыления действительно разрывается на капельки с оптимальными дисперсионными размерами. В особо интересном варианте осуществления форсунки по изобретению трубопроводы подвода жидкого топлива и среды для распыления выполнены съемными для обеспечения работы на 100% газе. Эти трубопроводы могут образовывать встроенный легкий комплекс, который просто как демонтировать от форсунки, так и смонтировать с ней. Как только этот комплекс демонтирован от форсунки, форсунка может работать полностью на газообразном топливе. В месте, которое остается свободным вследствие отвода мазутной штанги, выходит газ высокого давления. Газ низкого давления продолжает поступать по внешнему периметру. Другими объектами изобретения являются горелка, содержащая одну или несколько описанных выше форсунок; печь, содержащая по меньшей мере одну такую горелку, в частности печь с замкнутым циклом или печь с поперечными горелками. Изобретение далее иллюстрируется примером. Пример. Печь с замкнутым циклом в 95 м 2 (поверхность стекольной ванны) снабжена двумя горелками, размещенными соответственно в левой и правой частях печи. Горелка содержит подводящий поток воздуха, под которым размещены две форсунки жидкого мазута, нагретого до 130 С, и природного газа. Мощность одной горелки составляет 13 МВт. Трубопровод подвода мазута для подачи его к форсунке встроен в коаксиальный трубопровод подвода воздуха (2 бара) для распыления мазута. Трубопровод подвода воздуха для распыления встроен в коаксиальный трубопровод подвода природного газа. Удельный импульс мазута Ispe(f), отнесенный к мощности мазута одной форсунки, зависит от сопла трубопровода подвода мазута. Значения Ispe(f) представлены в нижеприведенной таблице. Мощность одной форсунки составляет половину мощности горелки (то есть 6,5 МВт) и представляет собой сумму мощности мазута и мощности газа форсунки. Удельный импульс газа Ispe(g), отнесенный к мощности газа, зависит от диаметра трубопровода подвода газа. Значения Ispe(g) представлены в нижеприведенной таблице. Трубопровод подвода мазута содержит элемент для приведения во вращение мазута, содержащий отверстия, ось которых образует угол от 2 до 30 с направлением подвода мазута. Таким же образом изменяют относительные мощности газа и мазута для каждой конфигурации двух форсунок и двух горелок, представленных в нижеприведенной таблице. Относительная мощность мазута обозначена в таблице в %(f). Для каждой конфигурации представляют выделения NOx для одного значения СО, обоснованного относительно коррозии огнеупорных материалов. Сравним конфигурации 1-3. Исследуют возрастающие соотношения газа, известные как производящие больше NOx, чем мазут. Именно это констатируется. Изменяют сопло (f) для удержания значения Ispe(f) практически постоянным. Это значение соответствует длине оптимального пламени для рассматриваемой печи. Сохраняя тот же диаметр газового сопла, исследуют возрастающий удельный импульс газа, соответствующий увеличивающемуся расходу газа.-3 016315 Сравнивают конфигурации 3 и 4. Удалось уменьшить выделение NOx с газовым соплом большего диаметра, уменьшившей значениеIspe(g) от 2,05 до 0,64 Н/МВт. Однако контроль пламени является более качественным и пламя является менее объемным с величиной Ispet(g) в 2,05 по сравнению с 0,64 Н/МВт. Сравнивают конфигурации 5 и 6. Вновь констатируют, что увеличение мощности мазута снижает выделение NOx. Это проверяют независимо от удельных импульсов, сохраняемых постоянными путем изменения значений сопла (f) и диаметра (g). Таким образом, изобретение позволяет ограничить выделения NOx по меньшей мере до 600 мг/Нм 3 для печи с замкнутым циклом (800 мг/Нм 3 для печи с поперечными горелками) путем комбинации импульса жидкого топлива и относительно слабого импульса газообразного топливного. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сжигания для плавки стекла, в котором пламя создается одновременно импульсом жидкого топлива и одним импульсом газообразного топлива, отличающийся тем, что доля общей мощности,обеспечиваемая жидким топливом, является изменяемой между 20 и 80%, а также тем, что удельный импульс газообразного топлива ограничен до величины, достаточно низкой для того, чтобы содержаниеNOx в производимых дымовых газах не превышало 800 мг/Нм 3 для печи с поперечными горелками и 600 мг/Нм 3 для печи с замкнутым циклом, и тем, что жидкое топливо приводят во вращение в форме полой струи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что удельный импульс газообразного топлива максимально равен 3, предпочтительно 2,5 Н/МВт. 3. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что удельный импульс жидкого топлива максимально равен 1 Н/МВт. 4. Форсунка для осуществления способа по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит трубопровод подвода жидкого топлива, встроенный в коаксиальный трубопровод подвода среды для распыления жидкого топлива, который, в свою очередь, встроен в единый коаксиальный трубопровод подвода газообразного топлива, и тем, что трубопровод подвода жидкого топлива содержит элемент со сквозными наклонными каналами для приведения во вращение жидкого топлива в форме полой струи перед выбросом за форсунку, при этом образующая каждого из каналов составляет угол от 2 до 30 с направлением подвода жидкого топлива. 5. Форсунка по п.4, отличающаяся тем, что трубопроводы подвода жидкого топлива и среды для распыления последнего выполнены съемными для работы на 100% газе. 6. Горелка, содержащая одну или несколько форсунок по одному из пп.4 или 5. 7. Печь, содержащая по меньшей мере одну горелку по п.6. 8. Печь по п.7, отличающаяся тем, что она является печью с замкнутым циклом или с поперечными горелками.