專利名稱：低級燃料的增氧燃燒的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及含碳和含烴的燃料如煤的燃燒。
背景技術：
減少燃煤鍋爐中NOX和其它排放物的一種方法是，將燃煤轉換為污染較小的煤，例如，從東部煙煤轉換成西部次煙煤。(按照ASTM D388，煤的等級分類，固定碳的含量和熱值作為煤分類的基本標準。在沒有水分和礦物質的基礎上，褐煤定義為具有的熱值小于8,300Btu/lb。次煙煤定義為具有的熱值在8,300到11,500Btu/lb之間。高揮發(fā)性的煙煤定義為具有的熱值在11,500和14,000Btu/lb之間。當上述術語在這里使用時，應用這些定義。中揮發(fā)性和低揮發(fā)性煙煤及無煙煤根據(jù)其固定碳的含量來進行分類。)西部次煙煤和褐煤與東部煙煤相比典型地具有更低的硫含量和更低的氮含量。而且，次煙煤和褐煤比煙煤更具有活性，并且在灰燼中能產生更低未燃的碳(UBC)。通過轉換成污染較小的煤，SO2，NOX和灰燼中UBC的排放能被充分的減少。
然而，當將全部甚至部分燃料供應到用于燃燒煙煤的鍋爐中時，在轉換到更低等級煤時存在幾個技術問題。例如，現(xiàn)有的設計為用于煙煤的磨煤機不能處理更大量的次煙煤，以提供同樣的熱量輸入到鍋爐中。而且，與煙煤相比，次煙煤或者褐煤的熱量值更低并且濕度更高。因此，火焰溫度降低，釋放單位量的熱量時產生更大量的廢氣。與次煙煤相關聯(lián)的更低的火焰溫度和更大的廢氣體積通常會導致在熱量吸收和分配上的問題散熱部分熱量吸收減少，過多的熱量通過散熱部分，并且在對流部分被吸收。這樣有時會造成鍋爐性能下降，除非對鍋爐進行重大的改進。
為了克服用于煙煤的現(xiàn)有的磨煤機的容量限制，需要增加氣流，導管加熱器和提升機械容量的技術改造。采用管內加熱器來減少煤粉的濕度，以改善低級燃煤的火焰點燃特性并增加火焰溫度。評估減少的熱傳遞對工廠蒸汽和動力輸出的影響需要對鍋爐熱傳遞條件的仔細分析。蒸汽循環(huán)的改進需要適當?shù)钠胶忮仩t的散熱和對流部分。例如，添加節(jié)熱器管用于從廢氣中額外回收熱量。而且，針對潛在結垢和堵塞問題需要對過熱和再熱部分的間距以及氣體溫度進行復驗?？赡苄枰捎妙~外的吹灰器或者用于爐壁的水清潔裝置。(RobertLewis，Gary Camody，和Patrick Jennings，“Summary of Recent Low NOxachievements with Low NOxFiring Systems and High Reactivity PRB and LigniteCoalAs low as 0.1Lb/MMBtu”，以及James Topper等“Maximizing PRB CoalUsage in Conjunction with In-Fumace Solutions to Minimize Cost of NOXCompliance”，兩篇文獻都在27屆煤運用和燃油系統(tǒng)國際會議上發(fā)表，2002年3月4-7日，Clearwater，F(xiàn)lorida)。
雖然這些鍋爐的改進已經成功實現(xiàn)，使煤能從煙煤轉化為次煙煤，但由于改進的設備和勞動的費用，以及在改進進行中鍋爐的停機的原因，通常會導致昂貴的資金和機會成本。因此，這里就需要提供一種使得從現(xiàn)有的燃煤鍋爐中NOX排放減少的方法，其通過轉化燃料中的煤的類型能夠實現(xiàn)，但是又不需要對現(xiàn)有的鍋爐進行重大的改進。本發(fā)明的另一目的是通過改善的燃燒能夠提高NOX排放的減少量。
發(fā)明簡述本發(fā)明涉及一種改變爐的運行的方法，該爐包括一燃燒室；燃燒裝置，用來在所述的燃燒室中燃燒含有結合氮并具有給定的最小熱值的烴燃料，從而產生燃燒熱量和氣態(tài)的燃燒產物；供料裝置，用來輸送所述的燃料和燃燒氣體到所述燃燒裝置中；煙道裝置，用來使所述的燃燒產物從所述燃燒室排出；以及加熱裝置，用來使用所述的燃燒熱量產生蒸汽，其中所述的爐子通過燃燒含有結合氮并具有所述最小熱值的第一燃料進行工作，從而以每單位時間的限定最小能量速率產生蒸汽，所述方法包括通過使用熱值小于第一燃料的第二烴燃料替換一些或者所有的所述第一燃料來向所述爐子提供替換燃料，替換比使得以每單位時間的能量為單位，供給到所述爐中的所述第二燃料的供給速度除以供給到所述爐中的所述第一燃料的供給速度的值為1.0至1.3，并且供應所述的替換燃料到所述的燃燒裝置，在替換燃料從所述燃燒器中排出到所述的燃燒室中時供給氣態(tài)的氧氣，或者將其添加到通過所述燃燒器的進料空氣中，供給量小于完全燃燒所述替換燃料所需的化學計量的量的25％，同時減少通過所述燃燒器供給的空氣量，該減少量具有足夠多的氧，使得在所述爐中總的化學計量比相對于沒有添加所述的氧氣的化學計量比其變化率不超過10％，并且使用所述燃燒空氣及所述氧氣燃燒所述替換燃料。
在一個優(yōu)選的實施方案中，所述第一燃料和所述第二燃料的熱值相互關聯(lián)，使得在給定化學計量比和溫度的條件下，用空氣燃燒所述第一燃料產生的超過2000F的有效的熱量是在所述給定化學計量比和溫度的條件下用空氣燃燒所述第二燃料產生的超過2000F的有效的熱量的103％或者更多。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述氧氣以足夠大的速率供給到所述燃燒器中，使所述爐產生的蒸汽的單位時間能量速率至少等于所述最小限定速率。
在又一個優(yōu)選實施方案中，所述的第一燃料是煙煤，并且所述的第二燃料任選的包括煙煤，以及進一步包括選自次煙煤，褐煤和它們的混合物的煤。
在燃燒的優(yōu)選實施方案中，所述的燃燒通過過火焰空氣(over fire air)分階段進行，并且主燃燒區(qū)域化學計量比在0.6至1.0之間。
在運行的優(yōu)選實施方案中，燃料流通過所述的燃燒器供給，并且通過布置在所述燃料流中的中空噴槍噴射氧氣將氧氣供給到所述的燃料中，當燃料從燃燒器中出現(xiàn)時，氧氣噴射入其中。在另一個運行的優(yōu)選實施方案中，燃料流通過所述的燃燒器中的環(huán)形燃料通道被供給，并且借助通過由所述環(huán)形燃料通道環(huán)繞或者環(huán)繞所述環(huán)形燃料通道的環(huán)形通道來噴射氧氣，使氧氣供應到所述燃料中。
在本發(fā)明中使用了少量的氧氣并使至少一些或者全部的燃料轉換至低等級(單位質量中含能量更低)的燃料，從而能減少污染的排放物，其方式消除了對昂貴的鍋爐改進的需要。一個優(yōu)選的實施方案是將一些或者全部的物料從煙煤轉換到次煙煤或者褐煤。為了便于說明，術語“替換燃料”有時在這里用來指輸送到燃燒室中的燃料。當燃燒氣體的一部分用氧氣替代時，由于減少的空氣流動速度減少了流經燃燒室的氮氣的量，提高了火焰溫度并且減少了廢氣體積。氧氣的加入有效的彌補了把進料煤轉換成低等級煤所造成的火焰溫度降低和廢氣體積增加，并且恢復了在鍋爐中的熱傳遞條件。而且，如上面所述，氧氣的加入在分階段燃燒條件下進行，從而能在富含燃料的燃燒階段能提高NOX的還原動力。
在這里采用的“化學計量比”表示供給的氧氣相對于氧氣總量的比率，此氧氣總量是能將在供給物質中包含的所有的碳，硫和氫轉化為二氧化碳，二氧化硫，和水所需的氧氣量。
在此使用的“NOX”表示氮的氧化物，例如但并不限于，NO，NO2，NO3，N2O，N2O3，N2O4，N3O4以及它們的混合物。
在此使用的“SOX”表示硫的氧化物，例如但并不限于，SO2，SO3及它們的混合物。
在此使用的“結合氮”表示氮是分子的一部分，該分子還包括碳和氫，并任選地包含氧。
在此使用的“采用低NOX燃燒器的分階段燃燒”表示在爐中的燃燒，其中將完全燃燒燃料所需的燃燒空氣的一部分延遲與燃料混合，以產生具有相對較大的富含燃料的火焰區(qū)域的火焰。
在此使用的“采用過火焰空氣的全階段燃燒或者分階段燃燒”表示在爐中的燃燒，其中將完全燃燒燃料所需要的燃燒氣體的一部分(“過火焰空氣”)不是通過或者緊鄰任何燃燒器地輸送到爐中，而是通過一個或者多個設置在燃燒器和爐管道裝置之間的入口輸送到爐中，并且在沒有相應燃料輸送的條件下被供給。
附圖簡述

圖1表示實施本發(fā)明的裝置的一個實施方案的橫截面示意圖。
圖2表示用于實施本發(fā)明的一個燃燒器的橫截面示意圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明參考附圖加以說明，但是參考附圖的描述不限制本發(fā)明所要保護的范圍。
附圖1示出了燃燒裝置1，可以為任何在其內部2進行燃燒的裝置。其中優(yōu)選的燃燒裝置包括爐和鍋爐，它們用來通過未示出的傳統(tǒng)裝置來產生電能。
在燃燒裝置1的側壁或者端壁上的每個燃燒器3將燃料、空氣和氧氣從燃燒裝置1的外部源送入燃燒裝置1的內部2中。合適的燃料包括烴流體，如燃油，也包括粉狀烴固體，一個優(yōu)選的例子是粉狀煤或石油焦炭。
如附圖1所示，以及特別是附圖2所示，燃燒器3優(yōu)選由若干同心排列的通道構成，雖然可以使用能獲得相同效果的其它結構。燃料通過環(huán)狀通道4進入燃燒裝置1，環(huán)狀通道4同心的圍繞著噴槍5布置，如這里所述的，通過噴槍5送入氧氣。優(yōu)選的是，燃料從供應源20送到一個或者更多的燃燒器3中，然后通過燃燒器3推進到燃燒裝置1的內部2中，在燃料為諸如燃油的流體的情況下通過合適的泵裝置來進行，在燃料為諸如粉狀煤的烴固體的情況下通過傳統(tǒng)設計的鼓風機和葉輪來進行，這些燃料在借助輸送空氣或者一次空氣的幫助下，按照慣例的被送入到燃燒裝置中。流體烴燃料優(yōu)選通過一個或者更多的傳統(tǒng)設計的噴霧嘴送入，并且輸送流體燃料以與霧化空氣在一起的不連續(xù)的，分散的霧滴的形式送入到燃燒室中。用來輸送1lb煤使用的一次空氣的有效量一般大約為1.5-2.0lb，相當于完全燃燒煙煤所需的化學計量燃燒空氣的約20％。對于重油燃燒，通常用大約0.5至1.0lb的一次空氣來霧化1lb的油。
燃燒空氣22是由鼓風機(“FD”)提供到一個或者更多的風箱21中，并輸送到一個或者更多燃燒器3的空氣通道中。二次燃燒空氣15通過燃燒器3送入到燃燒裝置1中，優(yōu)選通過環(huán)繞輸送烴燃料的環(huán)形空隙4的同心排列的環(huán)狀通道11送入。優(yōu)選三次燃燒空氣16通過燃燒器3輸送到燃燒裝置1中，優(yōu)選通過環(huán)繞著二次空氣通道的同心排列的環(huán)形通道12送入。優(yōu)選燃燒空氣也通過過火焰空氣口7(見附圖1)送入燃燒裝置1中。優(yōu)選的是，氧氣被輸送入燃燒裝置的內部2中并與二次和三次空氣相隔離。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的通過燃燒器3輸送的氧氣，在輸送入燃燒裝置1之前或者之后，特別當沒有使用過火焰空氣時，優(yōu)選不與二次和三次燃燒空氣混合。
優(yōu)選的低NOX燃燒器具有一次(燃料)，二次和三次空氣通道以便于其具有良好的氣動調節(jié)性能。然而，可以采用設計為僅僅具有一次和二次空氣進料的其它低NOX燃燒器。一旦確定了具有三個通道的最佳設置，二次空氣的渦旋葉片和通道可以設計用于產生與三通道設計相同的氣動混合特征。另一選擇，可以使用具有附加(四次)通道的燃燒器(如在美國專利5,960,724中描述的RSFCTM燃燒器)。
在根據(jù)本發(fā)明來改進一個燃燒裝置以減少在燃燒裝置運行過程中的NOX的生成之前，仍沒提出輸送氧氣的噴槍5。燃燒在烴燃料和燃燒空氣中的氧氣之間進行，導致火焰6的形成。與燃燒器3的末端相鄰的火焰區(qū)域8，也就是，烴燃料從燃燒器排出的位置，是富含燃料的區(qū)域。在其周圍的火焰6的區(qū)域，燃料相對較少，因為二次和三次燃燒空氣沒有與燃料充分反應。當足夠量的空氣從過火焰空氣口7送入用于全階段燃燒時，在過火焰空氣口7下面的整個爐子的下部區(qū)域，或者主要燃燒區(qū)(PCZ)10，變得富含燃料，除了注入空氣的并且沒有和燃料充分反應的燃燒器3附近的區(qū)域以外。
然后，加入噴槍5。另一選擇，輸送燃料和燃燒空氣的燃燒器由在附圖中所說明的和在此所描述的燃燒器所代替。
優(yōu)選的是，也通過過火焰空氣口7將空氣送入到燃料裝置1內部，使得主要燃燒區(qū)10富含燃料，并提供多余的氧氣以幫助燃料在燃盡區(qū)9中完全燃燒。通過燃燒器3送入的燃燒空氣中的氧氣，與口7送入的氧氣結合，足夠使燃料燃燒完全，其一般包括超過燃料完全燃燒所需氧氣量10-15體積％的過量氧氣。
優(yōu)選的是，二次和三次燃燒空氣是在燃燒器3處送入，以便在縱軸線周圍形成渦旋，從而在每一燃燒器附近產生再循環(huán)區(qū)域，并改善空氣和燃料的混合。渦旋可以通過公知技術獲得，如在燃燒器的二次和三次空氣流的環(huán)形通道中提供偏轉板13和14，其引導物料流至預期的渦旋方向上。優(yōu)選提供高度的渦旋。優(yōu)選的渦旋值是0.6-2.0，如在J.M.Beer和N.A.Robert E.Krieger PublishingCompany，Inc.，1983的“燃燒空氣動力學”中所述。
優(yōu)選的是，通過燃燒器3送入的空氣總量，即一次，二次和三次空氣之和為完全燃燒所需空氣的化學計量用量的60-95％。最優(yōu)選的是，通過燃燒器3送入的空氣總量為完全燃燒所需空氣的化學計量用量的大約70-85％。
每股燃燒空氣的流速優(yōu)選為每秒50至200英尺。通過噴槍5噴射的氧氣的速度優(yōu)選為一次空氣速度的50％至200％。
試驗表明一個優(yōu)選的方法就是使至少一些燃油顆?；蛘哽F滴暴露到高濃度的氧氣中，而不是將整個燃燒空氣均勻的增濃。噴射氧氣到低NOX燃燒器的風箱21中，以至于使得包含臨界一次階段空氣的加濃的空氣能送入整個燃燒器中，這樣一種簡單的方法不認為是有效的。
當氧氣快速地預先混合或混合到使用20％化學計量空氣的煤輸送物流中并且總燃燒化學計量比為1.15時，對輸送空氣流中和總燃燒空氣中的相應氧氣的平均濃度進行了計算。
以氧氣替代的％SR的空 在輸送空氣中的氧氣濃 總燃燒空氣中的平氧氣氣(*) 度(Vol.％)濃度(Vol.％)0 21.0 21.05 24.9 21.71028.5 22.51531.7 23.42034.7 24.32537.4 25.4(*例如5cf空氣由1.05cf純氧替代，從而給出相同的氧氣量)由于使用了少量的氧氣，在混合均勻時，甚至在氧氣僅僅與輸送空氣混合時，在空氣中的氧氣濃度僅僅得到適度增加。一個優(yōu)選方法是在噴嘴的尖端噴射氧氣到煤/空氣輸送流中。在這種情況下，一些煤微粒與氧氣射流混合并且在局部產生了一個煤高氧混合物區(qū)。與氧氣與輸送氣流預混合相比，這種情況可提供快速點火源區(qū)域并且有利于早期的點燃和揮發(fā)。
另外優(yōu)選的方法是從與煤氣流相鄰的內部或者外部環(huán)狀空隙中噴射氧氣。在這種情況下，在煤和氧氣流的邊界上提供了合適的富氧燃燒條件。
當以高速平行于燃料流地獨立噴射氧氣時，就如Farmayan等人的情況一樣，(“在煤-水淤漿燃燒中NOX和碳排放物控制”，第六屆國際煤漿燃燒和技術論文集，Orlando.Florida，1984年6月25-27日)，氧氣射流被周圍氣體迅速稀釋，其作用被減緩。因此，氧氣噴射的方法需要仔細的考慮。
如這里所述，本發(fā)明通過輸送氧氣到烴燃料流中，改善即減少了在燃燒裝置中的NOX的生成。更加具體地說，當烴燃料從燃燒器中排出并且進入到燃燒裝置1的內部2時，氧氣(表示的是氣流包括至少50vol.％氧氣，優(yōu)選至少80vol.％氧氣，最優(yōu)選至少90vol.％氧氣)直接送入烴燃料中。這樣，至少一些固體燃料顆粒，或者液體燃料霧滴，根據(jù)具體情況而定，進入到燃燒裝置和具有高濃度氧氣的氣態(tài)環(huán)境中的、火焰6的富含燃料部分中。
當過火焰空氣用于全燃燒階段時，優(yōu)選使用裝配有四個分開的空氣通道的空氣燃燒器，在燃燒器3的氣體通道中采用合適的噴霧器，氧氣可與一次空氣或者二次空氣或者這兩者預混合。
氧氣優(yōu)選通過噴槍5或者類似的輸送管輸送，此噴槍或類似的輸送管可在朝向燃燒裝置1的末端開口，或者在該末端封閉而在鄰近封閉末端的外圍具有許多開口，從而使得氧氣通過這些開口直接流入到從燃燒器中進入到燃燒裝置中的烴燃料中。
以這種方式加入的氧氣量應足夠在火焰中的富含燃料區(qū)域6中建立小于約0.85的化學計量比。通過噴槍5加入的氧氣量應小于使燃料完全燃燒所需的化學計量用量的25％。更優(yōu)選的是，所述的氧氣量相當于小于使燃料完全燃燒所需的化學計量用量的15％。
同時，通過燃燒器3進入燃燒裝置1的二次和三次燃燒空氣的量需要隨噴槍5送入的氧氣的量相應減少。更加具體地說，通過燃燒器3送入的二次和三次以及四次(如果使用的話)，燃燒空氣應當減少，減少量為包含在通過噴槍5送入到燃料中的氧氣量的10％之內。
NOX的排放主要取決于局部的化學計量條件。由于氧氣的注入引起局部化學計量條件更貧乏，人們必須考慮到氧氣注入后局部化學計量條件的變化。例如，將相當于化學計量空氣的10％的氧氣注入到化學計量比為0.4(SR＝0.4)的局部富含燃料區(qū)域中，不改變送入的燃燒空氣的量，會將局部化學計量條件改變?yōu)镾R＝0.5，并可以預期明顯減少NOX的釋放。這樣的效果明顯好于保持局部化學計量條件為SR＝0.4時“用氧氣替代10％空氣”。如果等量的氧氣注入到局部化學計量條件為SR＝0.95的火焰區(qū)域而不改變燃燒空氣的話，如果局部化學計量條件增至化學計量比SR＝1.05，NOX的釋放預計會急劇增加。
因此，通常優(yōu)選噴射氧氣到火焰的最富足的區(qū)域。
在沒有OFA的氣動分階段的燃燒器中，應避免將氧氣噴射或者混合到三次空氣和四次空氣中，如果使用四次空氣的話。在理論上，局部化學計量條件的優(yōu)化可以用包括空氣的任何氧化劑進行。然而，氧氣是更有效的，因為，僅僅需要小的體積并且局部化學計量條件被改變對火焰的總氣動混合條件不會產生大的影響。
另一個重要的需求是增氧要在能夠保存或者提高氣動分階段火焰的富含燃料區(qū)域(“N2”形成區(qū)域)物理尺寸的條件下完成。氧氣噴射的方法和在燃燒器中的某個空氣通道中空氣流的相應減少可能會影響燃燒器的氣動分階段條件，從而影響物理尺寸和局部化學計量條件。如果氧氣噴射的結果導致富含燃料區(qū)域的尺寸減少并且在富含燃料區(qū)域中平均氣體滯留的時間減少，這樣的變化會導致NOX的增加。例如，通過在附圖3a中所示的軸向噴槍高速的噴射氧氣將有效的增加圍繞煤/空氣流的軸向動量，進而提高二次和三次空氣的混合。結果是火焰的富含燃料NOX減少區(qū)域的尺寸減少并且NOX可能增加。另一方面，當從軸向設置的氧氣噴槍，如在附圖3b中所示在燃燒器尖端附近的，徑向噴射氧氣流時，能有效的增加在燃燒器附近的再循環(huán)區(qū)域并且增加富含燃料區(qū)域的尺寸，進一步通過增氧提高NOX減少量。對一個特殊的燃燒器要實現(xiàn)NOX減少的目的，必須審慎評價在燃燒器氣動條件下的氧氣噴射的復雜影響。
對本發(fā)明的意想不到的性能的任何特定說明并不作為對本發(fā)明的限制，根據(jù)本發(fā)明運行的燃燒裝置的性能與這樣一種機構所產生的性能是一致的，在此機構中，噴射的氧氣導致最靠近燃燒器的火焰部分的溫度增加，進而導致存在于烴燃料中的相對易揮發(fā)性的組分從燃料中進入氣相，并且與周圍的氧氣發(fā)生部分反應，因此，產生了相對減少的空氣，此空氣能夠使含氮的物質從燃燒燃料中釋放，從而轉化為分子氮，也就是說，N2，而不是轉化成NOX化合物。
通常說來，燃料和氧氣進入的富含燃料區(qū)域的溫度大約在2500°F的數(shù)量級或者更高。以這樣的方式輸送氧氣導致火焰6的基部向更靠近燃燒器3的開口移動，或者甚至變得附在燃燒器3上。然而，當烴燃料在燃燒器中出現(xiàn)時，以這里所描述的這樣的方式輸送氧氣到烴燃料中時，燃燒將以同樣的方式進行，即使火焰變得附在燃燒器上。在一個穩(wěn)定狀態(tài)的運行中，例如在燃燒裝置已經按照本發(fā)明的教導進行了改進，燃燒裝置持續(xù)以小于25％，優(yōu)選小于15％的燃料完全燃燒所需氧氣的化學計量所需的量輸送到燃料中運行，同時通過燃燒器輸送的燃燒空氣以小于其它情況所需的量，以便輸送入裝置的氧氣的總量至少是完全燃燒燃料所需的化學計量的量。
雖然本發(fā)明是參照附圖1，2和3對具有多個燃燒器的壁燃式鍋爐進行了描述，但其也能運用到其它的鍋爐上，其它的鍋爐包括切向燃燒鍋爐和旋風燃燒鍋爐，但不局限于此。
在本發(fā)明中使用了少量氧氣，如上所述的，與轉換至少一些或者所有的燃料到低等級(每單元質量中含有更低的能量)的燃料相聯(lián)合，從而減少污染排放物，以這種方式不需要進行昂貴的鍋爐改進。眾所周知，從大型燃煤鍋爐中產生的NOX，SOX和其它排放物絕大程度取決于燃煤的類型。因此，轉換到更低污染的煤，例如，從東部煙煤轉換到西部次煙煤，優(yōu)選與上述的噴射氧氣的方法結合，對燃煤鍋爐和爐中排放的減少產生了協(xié)同增效效果。西部次煙煤和褐煤通常比東部煙煤具有更低的硫含量和氮含量。而且，次煙煤和褐煤比煙煤更具有活性，并且在灰燼中能產生更低的未燃的碳(UBC)。通過轉換到更低污染的煤，SOX和NOX和灰燼中的UBC能得到充分減少。
一個優(yōu)選的實施方案是將一些或者全部的進料從煙煤轉換到次煙煤或者褐煤。當燃燒空氣的一部分用氧氣替代時，由于降低的空氣流速減少了流經燃燒室的氮氣的量，提高了火焰溫度并且減少了廢氣體積。氧氣的加入有效的彌補了轉換進料煤到低等級煤所造成的火焰溫度的降低和廢氣體積的增加，并且恢復了在鍋爐中的熱傳遞情況。而且，氧氣的加入能在分階段燃燒條件下進行，從而能在富含燃料燃燒階段能提高NOX的還原動力，如這里所述的一樣。
本發(fā)明通過下面煤轉換的實施方案進行了詳細的描述，煤轉換通過燃燒和熱傳遞的鍋爐的計算機模型進行了模擬。
實施例1一個220MW基于熱輸入的并采用Pittsburgh#8(Pit#8)煤層的煙煤作為燃料的旋風燃燒鍋爐作為基準(情形1)。將進料煤由來自Wyoming的PowderRiver Basin(PRB)轉換成低等級的次煙煤。在表1中對煤的特性作出了概述。
表1近似分析(％，潮濕)Pit#8 PRB濕度 5.2 28.7V.M38.1 32.0F.C48.1 33.7灰 8.6 5.6總量 100 100最終分析(％，干燥)C 74.0 68.3H 5.1 4.91N 1.6 1.00O 7.9 17.25
S2.3 0.70灰 9.1 7.84總量 100 100HHV(btu/lb，潮濕)12540 8650在表2中，鍋爐的運行特征從下面六種情形進行概述。
情形1.采用煙煤(Pit#8)和空氣的基準運行。
情形2.在等量的燃料輸入下采用次煙煤(PRB)和空氣的運行。
情形3.在增加的燃料輸入下采用次煙煤(PRB)和空氣的運行。
情形4.在等量的燃料輸入下采用次煙煤(PRB)和增氧空氣的運行。
情形5.在增加的燃料輸入下采用次煙煤(PRB)和增氧空氣的運行。
情形6.在增加的燃料輸入，在線(in-line)管道燃燒器關閉的條件下采用次煙煤(PRB)和增氧空氣的運行。
在情形1的基準運行中，60,372lb/hr的煙煤同9,144,000SCFH的燃燒空氣進行燃燒?；诟叩臒嶂礖HV的總熱輸入等于756.6MMBtu/hr，并且總的化學計量比為1.18，從而提供了3％的過量氧氣在廢氣中。在煤中50％的濕氣在磨煤機和通向燃燒器的傳輸管中蒸發(fā)?；瘜W計量燃燒氣體的大約20％作為一次氣體用來輸送煤粉，且溫度為153F。余量氣體作為燃燒使用的二次氣體并且在熱風器中預熱到522°F。沒有過火焰空氣口用來使燃燒分階段。在爐散熱部分中，342.5MMBtu/hr的熱量被鍋爐的水墻所吸收，并產生蒸汽。爐中氣體溫度(FEGT)為2144F。71.6和85.2MMBtu/hr的熱量分別傳遞到最后的過熱器部分和再熱器部分，并且廢氣溫度降到1520°F。然后，廢氣經過主過熱器/節(jié)熱器部分以及氣體加熱器部分并從排氣管中排出?；谌剂陷斎氲腍HV，鍋爐的效率為83.5％。
表2.鍋爐的運行情形1 情形2情形3 情形4情形5 情形6情形的定義煤類型Pit.#8PRB PRB PRB PRB PRB在磨煤機中蒸發(fā)的濕氣％5050 50 50 50 6管道燃燒器(Y/N) N YY YY N氧化劑中O2百分含量 20.67 20.6720.67 22.2622.02 22.02爐的運行煤的流速(lb/hr) 60372 8752292160 8752290147 91367燃燒速率(MMBtu/hr，HHV) 756.6 756.6796.7 756.6779.3 789.8管道燃燒器(MMBtu/hr，HHV) 0 13.2 13.213.2 13.20氧化劑流量(SCFH) 9144000 9054000 9532800 8312400 8668800 8643600廢氣溫度(F)爐出口(FEGT) 2144 2092 21222102 21222115離開再熱器1520 1506 15361491 15141511離開節(jié)熱器850 851 895 821 854 850熱量吸收(MMBtu/hr)水墻 342.5 320.3329.4 341.9342.9 342.9最后過熱器71.6 70.0 73.169.2 72.271.7再熱器85.2 84.0 89.981.7 85.084.4主過熱器+節(jié)熱器 132.2 136.3140.6 130.0133.3 133.1總計 631.5 610.6633.0 622.8633.4 632.1鍋爐效率總體(％HHV煤輸入) 83.5 80.7 79.582.3 81.380.0凈效率(％HHV煤+NG輸入)83.5 79.3 78.280.9 79.980.0在情形2至6中，煤轉換成次煙煤PRB。在情形2中，8,7522lb.hr的次煙煤與9,054,000SCFH的燃燒空氣燃燒，從而能保持與基準一樣的總熱量輸入756.6MMBtu/hr?？偟幕瘜W計量比調整到1.19，從而提供了3％的過量氧氣在廢氣中?；瘜W計量燃燒氣體的大約20％作為一次氣體用來輸送煤粉，溫度為153F。為了在煤磨煤機和輸送管道中蒸發(fā)收到的煤中的濕氣的大約50％，使用了管道燃燒器并且消耗了13.2MMBtu/hr的天然氣。余量氣體作為燃燒使用的二次氣體并且在熱風器中預熱到522°F。對鍋爐的運行沒有作其它的改變。在爐散熱部分中，320.3MMBtu/hr的熱量被鍋爐的水墻所吸收，并產生蒸汽。爐中氣體溫度(FEGT)降低到2,092°F，70.0和84.0MMBtu/hr的熱量分別傳遞到最后的過熱器部分和再熱器部分，并且廢氣溫度降到1506°F。雖然保持了同樣的熱量輸入，但分別被水墻，過熱器，再熱器吸收了6.5％，2.2％和1.4％的熱量，導致火焰溫度下降。另一方面，由于更大的廢氣體積和更快的廢氣速度，流經主過熱器/節(jié)熱器部分的熱通量增加。在這種情況下，與燃燒煙煤的基準情形相比，總的熱吸收量和隨后的蒸汽產物減少了3.3％。廢氣體積增大了5.04％，同時廢氣速度也相應的增加?；谳斎朊旱腍HV，鍋爐效率減少了2.8％，減少到80.7％。包括使用天然氣來干燥煤的HHV的鍋爐的凈效率為79.3％，與燃燒煙煤的基準情形相比減少了4.2％。
為了克服在情形2中的蒸汽輸出的不足，在情形3中燃料的輸入增加至796.7MMBtu/hr，同時保持其它的燃燒參數(shù)，如化學計量比和氣體預熱溫度?？偟腻仩t熱量吸收為633.0MMBtu/hr，這與基準條件接近一致。爐中氣體溫度(FEGT)增加到2122°F，73.1和89.9MMBtu/hr的熱量分別傳遞到過熱器部分和再熱器部分，并且廢氣溫度升高至1536°F。雖然和基準情形1相比獲得了相同的總的吸收熱量，但是其結果是在過熱器部分和再熱器部分中的熱量吸收大大提高了。雖然過熱器和再熱器更高的吸收熱量導致的蒸汽溫度增加可由鍋爐中的溫度調節(jié)器的供給水噴射來得到控制，但是在過熱器中高的溫度限制可能會導致在其它一些的鍋爐中容量的限制?？梢杂^察到，由于在節(jié)熱器后的更高的氣體溫度而導致效率損失明顯?；诿狠斎氲腍HV，鍋爐的效率減少4.0％到79.5％。包括使用天然氣來干燥煤的HHV的鍋爐的凈效率為78.2％，與燃燒煙煤的基準情形相比減少了5.3％。
在情形4中，除了燃料類型外，與情形1保持相同的燃料輸入和其它的燃燒參數(shù)，使用增氧空氣以增加在水墻上的熱吸收量。通過加濃燃燒氣體中的氧氣濃度至22.26％，鍋爐水墻吸收了341.9MMBtu/hr的熱量，與基準條件接近一致。爐中氣體溫度(FEGT)是2102°F，69.2和81.7MMBtu/hr的熱量分別傳遞到過熱器部分和再熱器部分，并且廢氣溫度降低至1491°F。與情形2相比，已觀察到，由于在節(jié)熱器后的更低的氣體溫度而導致效率明顯增加。雖然與基準情形1相比，在水墻上總的吸收熱量相同，但由于更小的廢氣體積，最后的過熱器，再熱器和主過熱器/節(jié)熱器部分熱量的吸收大大降低。基于煤輸入的HHV，鍋爐的效率減少1.2％，達到82.3％。包括使用天然氣來干燥煤的HHV的鍋爐的凈效率為80.9％，與燃燒煙煤的基準情形相比減少了2.6％。
在情形5中，燃料輸入增加并結合增氧空氣，從而與基準情形1中的熱傳遞條件一致。通過增加燃料輸入至779.3MMBtu/hr和加濃燃燒氣體中氧氣的濃度至22.02％，所有的熱通量和情形1中的接近一致。這個實施方案表明了，通過轉換燃料到次煙煤并用增氧空氣，恢復原來的煙煤和氣體燃燒的熱傳遞條件是可能的。
在情形6中，采用天然氣的管道燃燒器關閉，并且燃料輸入增加并結合增氧空氣，從而與基準情形1中的熱傳遞條件一致。通過增加燃料輸入至789.8MMBtu/hr和加濃燃燒氣體中氧氣的濃度至22.02％，流經鍋爐的熱傳遞表面的單獨的和總的熱通量與無需管道燃燒器的情形1中的接近一致。通過消除對燃燒比煤貴的多的天然氣的管道燃燒器的需要，能取得顯著的經濟效益。
雖然上述的實施方案是在基于從煙煤轉換為次煙煤的轉換煤的類型上對本發(fā)明進行說明的，但本發(fā)明還可應用到從一種具有給定的絕熱火焰溫度的燃料或者燃料的混合物轉換到另一種燃料或燃料混合物的一般燃料轉換中，所述另一種燃料或燃料混合物包含至少一種燃料，此燃料不同于原始的燃料，其具有更低的絕熱火焰溫度和更大的廢氣體積。例如，通過用生物燃料部分取代煤，在燃煤鍋爐中共同燃燒生物燃料如煤泥，動物廢料，這也可以看作為本發(fā)明的一部分。通常說來，增氧增加了火焰的溫度和高溫有效熱量。由于鍋爐的爐中氣體溫度通常是2000F至2400F，在化學計量條件下的燃料在空氣中燃燒的有效熱量就是不同的參比燃料和所需的氧氣量的最好的參數(shù)，盡管更高的火焰溫度通常與更加有效的熱量是相關的。雖然熱傳遞特性如火焰和氣體熱輻射率對水墻的熱吸收產生次要的影響，但鍋爐水墻的熱通量與超過2000F的有效熱量緊密的結合。
權利要求
1.一種改進爐的運行的方法，該爐(1)包括燃燒室(2)；燃燒裝置(3)，用于在所述的燃燒室(2)中燃燒包含有結合氮和具有給定的最小熱值的烴燃料，從而產生燃燒熱量和氣態(tài)的燃燒產物；供料裝置(20、22)，用于輸送所述燃料和燃燒氣體到所述燃燒裝置(3)中；煙道裝置，用來使所述的燃燒產物離開所述燃燒室(2)；以及加熱裝置，用于使用所述的燃燒熱量產生蒸汽；其中所述的爐子通過燃燒包含有結合氮和具有所述最小熱值的第一燃料來運行，從而以每單位時間的能量的限定最小速率產生蒸汽；所述方法包括通過使用熱值小于第一燃料的第二烴燃料替換一些或者所有的所述第一燃料來向所述爐子提供替換燃料，替換比使得以每單位時間的能量為單位，供給到所述爐中的所述第二燃料的供給速度除以供給到所述爐中的所述第一燃料的供給速度的值為1.0至1.3，并且供應所述的替換燃料到所述的燃燒裝置(3)；在所述替換燃料從所述燃燒器(3)中排出到所述的燃燒室(2)中時供給氣態(tài)的氧氣，或者把它加入到通過所述燃燒器(2)的進料空氣中，供給量小于完全燃燒所述替換燃料所需的化學計量用量的25％，同時減少通過所述燃燒器(3)供給的空氣量，該減少量具有足夠多的氧，使得在所述爐(1)中總的化學計量比相對于沒有添加所述的氧氣的化學計量比其變化率不超過10％，并且用所述燃燒氣體以及所述氧氣燃燒所述替換燃料。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一燃料和所述第二燃料的熱值相互關聯(lián)，使得在給定化學計量比和溫度的條件下用空氣燃燒所述第一燃料產生的超過2000F的有效熱量是在所述給定化學計量比和溫度的條件下用空氣燃燒所述第二燃料產生的超過2000F的有效熱量的103％或者更多。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧氣以足夠大的速率供給到所述燃燒器(3)中，使所述爐以每單位時間的能量含量的速率至少等于所述的限定的最小速率來產生蒸汽。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一燃料是煙煤，并且所述的第二燃料任選的包括煙煤，進一步包括選自煙煤，褐煤和它們的混合物。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的燃燒用過火焰空氣(7)分段進行，并且主燃燒區(qū)域的化學計量比為0.6至1.0。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流通過所述的燃燒器(3)供給，并且當燃料從燃燒器中排出時，通過設置在所述燃料流中的中空噴槍(5)將氧氣噴射到燃料中來供氧。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流通過所述的燃燒器(3)的環(huán)形燃料通道(4)供給，氧氣通過環(huán)繞所述環(huán)形燃料通道的環(huán)形通道(11)或者由所述環(huán)形燃料通道環(huán)繞的環(huán)形通道(5)來噴射，從而將其供應到所述燃料中。
全文摘要
一爐(1)，其用來燃燒具有一給定最小能量的燃料，例如煤，從而能在單位時間獲得一規(guī)定的最小能量，此爐可用來燃燒具有更低能量含量的燃料，同時通過用氧氣來替換供給到爐中的少量燃燒空氣，仍然至少能獲得規(guī)定的最小能量產生率。采用氧氣來替換燃燒空氣也減少了NO
文檔編號A61B18/08GK1668876SQ03816424
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月9日 優(yōu)先權日2002年7月11日
發(fā)明者H·科巴亞施, L·E·布爾三世, K·T·吳 申請人:普萊克斯技術有限公司