專利名稱：減少灰分中碳含量的燃燒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過燃燒烴燃料例如煤來生產(chǎn)可銷售的灰分的方法。
背景技術(shù)：
在爐例如公用鍋爐中燃燒煤的過程中，從煤中原來所含的礦物質(zhì)產(chǎn)生大量的灰分。煤的灰分含量從幾個(gè)百分點(diǎn)到超過30％，而在美國用于發(fā)電的大部分煙煤具有6-20的灰分含量。在公用鍋爐中產(chǎn)生的灰分通常作為用于水泥生產(chǎn)和用于其它工藝的原料銷售。如果灰分中的殘余碳含量大于幾個(gè)百分點(diǎn)，則由于其顏色和對水泥性能的影響而不能用于生產(chǎn)水泥。具有高碳含量的灰分如果沒有其它用途，就會(huì)以高成本被填埋。
另一個(gè)關(guān)于灰分中高碳含量的問題是由于灰分成渣和結(jié)垢趨勢的潛在增加。以前已經(jīng)有報(bào)道，如果碳質(zhì)殘余物被埋在填埋場中，在填埋場中會(huì)產(chǎn)生局部低壓氣氛，這導(dǎo)致顯著降低淤渣的熔點(diǎn)溫度，特別是如果灰分具有高鐵含量的話。
灰分中的殘余碳含量受到燃燒條件以及煤和礦物質(zhì)的種類及煤粉顆粒細(xì)度的很大影響。一般而言，灰分中的碳含量會(huì)隨著用于燃燒的過量空氣的減少而增加。另一方面，NOx的釋放隨著過量空氣的減少而顯著降低。由于對NOx的釋放有更嚴(yán)格的條例規(guī)定，所以許多燃煤系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)變成低NOx燃燒系統(tǒng)，其中燃燒分兩個(gè)階段進(jìn)行，即富燃料的第一階段，其中與燃料鍵合的氮物質(zhì)被轉(zhuǎn)化成分子氮；和貧燃料的第二階段，其中混入額外的燃燒空氣以完成燃燒。在低NOx燃燒方法中使用的富燃料燃燒工藝延遲了炭的燃燒并傾向于增加爐出口處灰分的碳含量。所以，低NOx燃燒方法會(huì)導(dǎo)致作為可銷售副產(chǎn)物的灰分的質(zhì)量問題。
在煤的燃燒中，揮發(fā)性燃燒是非?？斓?，而炭燃燒是慢的。在灰分中的未燃燒的碳含量(UBC)是由較慢的炭燃燒步驟決定的。碳燒除的速率取決于粒度、孔結(jié)構(gòu)、炭的反應(yīng)性、溫度和氧氣在大氣中的分壓，還有其它因素。炭和燃燒空氣的快速混合以及與大量過量氧氣的更強(qiáng)烈燃燒能有效地降低UBC。但是，這些條件傾向于顯著增加NOx的釋放。因此，通常在設(shè)計(jì)燃燒器-鍋爐時(shí)尋求設(shè)計(jì)平衡以在使NOx釋放量最小化的同時(shí)達(dá)到可接受的UBC。
煤的超細(xì)研磨是一種有效加速炭燒除并降低UBC的方式。但是，新型煤粉碎機(jī)的成本和超細(xì)研磨所需的額外能量使得對于大多數(shù)改裝是不經(jīng)濟(jì)的?；曳值暮笕紵幚硎强赡艿模⑶掖嬖谀茉诜蛛x工藝中氧化灰分中的殘余碳的技術(shù)。但是，后燃燒處理是昂貴的，不能廣泛應(yīng)用。
氧的富集在實(shí)驗(yàn)爐中進(jìn)行，在該爐中燃燒煤-水漿液，并在未分段的條件下控制NOx和碳的釋放量。(W.F.Farmayan，等，“NOx andCarbon Emission Control in Coal-Water Slurry Combustion”，SixthInternational Symposium on Coal Slurry Combustion and Technology，Orlando，F(xiàn)lorida，1984年6月25-27日)。從中心燃料管周圍的四個(gè)注射管(約1/4″ID)注射氧氣(該文的圖4)。氧氣的注射量等于燃燒空氣的氧富集達(dá)到22-24％O2。該論文的結(jié)論是在碳燒除時(shí)接近燃燒器的O2富集的效果小，特別是對于火焰尾部。據(jù)認(rèn)為原因是較大的未燃燒顆粒經(jīng)歷了與火焰尾部處相同的貧氧環(huán)境，如在無氧富集情況下的火焰中那樣。預(yù)期通過在最需要氧氣時(shí)，例如在火焰前端之后而不是之前注射氧氣的碳燒除中能獲得更多的益處。
該文獻(xiàn)的氧注射方法和效果與本發(fā)明方法的對比必須考慮燃燒器構(gòu)造和燃料性能之間的差異。煤水漿液(CWS)通常含有約30％水且必須進(jìn)行霧化以燃燒。該論文的結(jié)論是漿液的霧化質(zhì)量是影響碳燒除的關(guān)鍵變量。與常規(guī)的煤粉燃燒不同的是，CWS必須進(jìn)行霧化，含有多個(gè)煤粒的液滴必須在煤脫揮發(fā)分之前蒸發(fā)水，并點(diǎn)燃。在單個(gè)水滴中的多個(gè)煤粒可以聚集形成較大的顆粒。因此，由此文獻(xiàn)的結(jié)果不能直接應(yīng)用于煤粉燃燒。
美國專利4,495,874公開了初級(jí)和/或二級(jí)空氣在煤粉燃燒燃燒器中的氧富集以提高鍋爐燃燒高灰分煤粉的蒸氣速率。盡管該專利沒有教導(dǎo)氧富集對UBC的影響，但是圖4顯示了在2％的氧富集時(shí)靠近燃燒器的爐溫度顯著升高，但是在1％的氧富集時(shí)幾乎沒有。
美國專利4,596,198公開了初級(jí)空氣在煤粉燃燒燃燒器中的氧富集以降低在燃煤公用鍋爐中的渣沉積。該專利教導(dǎo)了初級(jí)空氣的1％-7％的氧富集，優(yōu)選2-5％的氧富集(如在該專利中定義，基于氧添加量對燃燒空氣總量)以減少成渣沉積。此外，其中說明了1％的氧富集提供了極少(如果有的話)的成渣降低效果。
O.Marin等在題為“Oxygen Enrichment in Boiler”(2001AFRC/JFRC/IEA Joint International Combustion Symposium，Kaui，HI，2001年9月9-13日)的論文中討論了氧氣用于煤燃燒的益處。他們提出在過度燃燒空氣(在該論文中稱為“三級(jí)空氣”)中注射氧氣以降低灰分中未燃燒的碳，或點(diǎn)燃損失(Loss on Iginition，LOI)，且不會(huì)增加NOx釋放量。Marin等報(bào)道的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果比較了基線空氣情況和氧富集情況，在后一種情況下在三級(jí)空氣中具有高速度的氧富集流(也稱為過燒空氣)。根據(jù)Marin等，“觀察到在燃燒室中的傳熱增加5％，并且炭燒除量絕對增加7％。”(第8頁)。
發(fā)明簡述在廣義上，本發(fā)明是一種燃燒煤和生產(chǎn)具有降低碳含量的灰分的方法，包括提供燃燒裝置，經(jīng)由燃燒器將空氣和無水煤流加入所述裝置中，并在燃燒裝置中燃燒煤，同時(shí)在從所述燃燒器排出煤時(shí)將氧氣加入所述煤中，以使所述氧氣與所述煤燃燒，所述氧氣的量是小于完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的20％，其中通過所述燃燒產(chǎn)生的灰分的碳含量低于在沒有所述氧氣加入步驟但在其它相同條件下進(jìn)行燃燒時(shí)產(chǎn)生的灰分的碳含量。
本發(fā)明的一個(gè)方面可以認(rèn)為是一種將現(xiàn)有燃燒裝置改裝的方法，是一種降低在燃燒裝置中由煤的燃燒形成的灰分中的碳含量的方法，包括提供燃燒裝置，該裝置具有初級(jí)燃燒區(qū)和燒除區(qū)，經(jīng)由燃燒器將空氣和無水煤流加入所述初級(jí)燃燒區(qū)中，并在初級(jí)燃燒區(qū)中在含有富燃料區(qū)的火焰中燃燒煤，同時(shí)在從所述燃燒器排出煤時(shí)將氧氣加入所述煤中，以使所述氧氣在富燃料區(qū)中與所述煤燃燒，其中加入氧氣的量小于完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的20％，優(yōu)選小于15％，更優(yōu)選小于10％，最優(yōu)選小于5％，并保持富燃料區(qū)是富含燃料的，同時(shí)通過所述燃燒器將加入所述富燃料區(qū)的空氣的量降低到在加入到所述燃料中的氧氣量的10％內(nèi)，其中通過所述燃燒產(chǎn)生的灰分的碳含量低于在沒有所述氧氣加入步驟但在其它相同條件下進(jìn)行燃燒時(shí)產(chǎn)生的灰分的碳含量。
本發(fā)明的另一個(gè)方面可以認(rèn)為是一種操作燃燒裝置(不論是改裝的或是體現(xiàn)本發(fā)明特征的構(gòu)造的新裝置)的方法，包括經(jīng)由燃燒器將空氣和無水煤流加入所述裝置中，并在所述裝置中在含有富燃料區(qū)的火焰中燃燒煤，同時(shí)在從所述燃燒器排出煤時(shí)將氧氣加入所述煤中，以使所述氧氣在富燃料區(qū)中與所述煤燃燒，其中加入氧氣的量小于完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的20％，優(yōu)選小于15％，更優(yōu)選小于10％，最優(yōu)選小于5％，并保持富燃料區(qū)是富含燃料的，同時(shí)將空氣從非所述燃燒器的其它來源加入到所述裝置之內(nèi)但在所述富燃料區(qū)之外的區(qū)域中，其含有足量的氧氣以使加入所述裝置中的氧氣總量至少是完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量，其中通過所述燃燒產(chǎn)生的灰分的碳含量低于在沒有所述氧氣加入步驟但在其它相同條件下進(jìn)行燃燒時(shí)產(chǎn)生的灰分的碳含量。
本發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)出乎意料地顯示當(dāng)在燃燒器附近朝向煤料流注射少量氧氣時(shí)顯著降低了在灰分中未燃燒的碳。這些結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)相反，例如W.F.Farmayan等和O.Marin等人的教導(dǎo)，其中建議在燃燒的后續(xù)階段注射氧氣并預(yù)期對于降低未燃燒的碳的量有更大的益處。這些結(jié)果也沒有在上述美國專利4,495,874和4,596,198中暗示，特別是所述專利涉及在具有5重量％以上的灰分含量的煤燃燒過程中用初級(jí)或二級(jí)空氣的氧富集減少成渣，而本發(fā)明涉及在燃燒器附近朝向煤料流直接注射氧氣來降低形成的灰分中碳的含量。
本發(fā)明通常將提供額外的益處，即如上所述進(jìn)行的燃燒產(chǎn)生了顯著減少量的氮氧化物(“NOx”)，即氮的氧化物，例如但不限于NO、NO2、NO3、N2O、N2O3、N2O4、N3O4和它們的混合物。
在這里使用的術(shù)語“化學(xué)計(jì)量比”或SR當(dāng)在有關(guān)含氧料流和能與料流中的氧燃燒的物流的上下文中使用時(shí)表示在含氧料流中的氧氣與要將在構(gòu)成該進(jìn)料流的物質(zhì)中存在的所有碳、硫和氫全部轉(zhuǎn)化成二氧化碳、二氧化硫和水所必需的氧氣總量之比。
在這里使用的術(shù)語“富燃料”表示化學(xué)計(jì)量比小于1.0。
在這里使用的術(shù)語“無水”表示不是懸浮、溶解或分散在水中，和不含有水，除了它不排除吸收的水或水合的水。
在這里使用的術(shù)語“初級(jí)燃燒區(qū)”表示在燃燒裝置中的緊鄰燃燒器出口的且被來自一個(gè)或多個(gè)燃燒器的一個(gè)或多個(gè)火焰大部分占據(jù)的區(qū)域。
在這里使用的術(shù)語“燒除區(qū)”表示在燃燒裝置中位于初級(jí)燃燒區(qū)和煙道之間、但在初級(jí)燃燒區(qū)中的火焰之外的區(qū)域，其中注射入過度燃燒空氣，并用過度燃燒空氣燃燒來自初級(jí)燃燒區(qū)的殘余燃料和可燃物。
在這里使用的術(shù)語“初級(jí)燃燒空氣”表示在燃料和該空氣被加入到燃燒裝置例如經(jīng)由燃燒器口時(shí)已經(jīng)與燃料混合的空氣。
在這里使用的術(shù)語“二級(jí)燃燒空氣”表示經(jīng)由燃燒器的一個(gè)或多個(gè)入口加入到燃燒裝置中、但是在該空氣加入到燃燒裝置時(shí)還沒有與燃料混合的空氣。
具有二級(jí)空氣入口的燃燒器可以具有額外的輸送空氣的入口，該額外入口到燃料進(jìn)入燃燒器的入口點(diǎn)的距離大于到達(dá)二級(jí)空氣入口的距離。在這里使用的術(shù)語“三級(jí)燃燒空氣”表示經(jīng)由這種額外入口加入燃燒裝置的空氣。如果燃燒器還具有位于距離燃料入口點(diǎn)比三級(jí)空氣入口更遠(yuǎn)的入口，則經(jīng)由這種入口加入的空氣稱為“四級(jí)燃燒空氣”。
在這里使用的術(shù)語“過度燃燒空氣”(或“OFA”)表示獨(dú)立于燃燒裝置中一個(gè)或多個(gè)燃燒器的被注射入燃燒裝置的空氣以提供大的富燃料初級(jí)燃燒區(qū)和燒除區(qū)，其中燃燒通過將OFA與未燃燒的燃料和來自初級(jí)燃燒區(qū)的部分燃燒產(chǎn)物混合來完成。
在這里，加入“氧氣”，被加入的“氧氣”，和在類似內(nèi)容中使用的“氧氣”，均表示含有至少35體積％氧氣的氣流。優(yōu)選，氧氣作為含有至少50體積％的氧氣的氣流提供，更優(yōu)選含有至少80體積％的氧氣，甚至更優(yōu)選含有至少90體積％的氧氣。應(yīng)該理解的是，這里提到的涉及“氧氣”的燃燒或反應(yīng)的內(nèi)容中是指氧氣本身。
這里所用的灰分的“碳含量”是灰分中碳或含碳化合物(例如任何有機(jī)(碳質(zhì))化合物)的量。
附圖簡述

圖1是進(jìn)行本發(fā)明的裝置實(shí)施方案的一個(gè)示例的橫截面圖。
圖2是用于進(jìn)行本發(fā)明的燃燒器的一個(gè)示例的橫截面圖。
圖3a-3d是用于根據(jù)本發(fā)明將氧氣加入燃燒器的噴槍的示例橫截面圖。
圖4顯示了在應(yīng)用和沒有應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)爐中用工業(yè)燃燒器進(jìn)行的灰分的未燃燒碳含量結(jié)果。
圖5是在加入和不加入氧氣的情況下LOI(點(diǎn)燃損失，一個(gè)衡量在灰分中未燃燒碳的存在量的量度)與燃燒器化學(xué)計(jì)量比之間的關(guān)系圖。
圖6是LOI與氧氣添加量的關(guān)系圖，用氧氣置換％表示。
圖7A是可以用于本發(fā)明的另一類鍋爐的橫截面圖，其中將煤和氧化劑從分離的口切向加入爐中。圖7B是圖7A所示爐的頂視圖，顯示煤和氧化劑加入爐中的切向流動(dòng)。圖7C是從入口前面看過去的爐內(nèi)部的前視圖。
發(fā)明詳述下面將參考附圖描述本發(fā)明，但是對附圖的引用并不限制本發(fā)明的范圍。
圖1顯示了燃燒裝置1，它可以是任何裝置，其中燃燒在裝置的內(nèi)部11進(jìn)行。優(yōu)選的燃燒裝置包括用于以常規(guī)方法產(chǎn)生電能的爐和鍋爐(未顯示)。
在燃燒裝置1的端壁中的燃燒器9將煤、空氣和氧氣從其位于燃燒裝置1外部的來源送入燃燒裝置1的內(nèi)部11中。燃燒器9優(yōu)選包括幾個(gè)同心排列的通道，其細(xì)節(jié)顯示在圖2中，但是可以使用與此具有相同作用的其它結(jié)構(gòu)。將煤與初級(jí)燃燒空氣2經(jīng)由環(huán)形通道6加入燃燒裝置1中，該通道同心地位于噴槍20周圍，如此處所述氧氣經(jīng)由噴槍20加入。優(yōu)選，煤通過燃燒器9推進(jìn)到燃燒裝置1的內(nèi)部11中，這通過常規(guī)設(shè)計(jì)的吹風(fēng)機(jī)和推進(jìn)器進(jìn)行，它們通常用于在輸送空氣或初級(jí)空氣的協(xié)助下加入煤粉。
二級(jí)燃燒空氣3經(jīng)由旋流葉片21在旋流運(yùn)動(dòng)下加入燃燒裝置1中，優(yōu)選經(jīng)由在環(huán)形空間周圍同心排列的空間7加入，其中煤經(jīng)由環(huán)形空間加入。優(yōu)選的三級(jí)燃燒空氣4經(jīng)由旋流葉片22在旋流運(yùn)動(dòng)下加入燃燒裝置1中，優(yōu)選經(jīng)由在環(huán)形空間7周圍同心排列的空間8加入。優(yōu)選的是，將氧氣分別地加入燃燒裝置的內(nèi)部11中并與二級(jí)和三級(jí)燃燒空氣隔開。也就是說，按照本發(fā)明經(jīng)由燃燒器9加入的氧氣在其加入燃燒裝置1之前沒有與燃燒空氣混合。
在根據(jù)本發(fā)明改裝燃燒裝置以降低灰分中的碳含量之前，用于加入氧氣的噴槍20并不存在。燃燒在煤和燃燒空氣中的氧氣之間進(jìn)行，形成火焰13。在最接近燃燒器9端部的火焰區(qū)內(nèi)，也就是在煤從燃燒器排出的地方，火焰區(qū)是富燃料區(qū)12。在其周圍的火焰區(qū)域較缺乏，因?yàn)槎?jí)和三級(jí)空氣尚未與煤完全混合和反應(yīng)。
然后，加入噴槍20?；蛘?，用功能如圖1所示的燃燒器代替加入煤和燃燒空氣的燃燒器。
優(yōu)選，空氣(稱為過度燃燒空氣)也經(jīng)由開口14加入燃燒裝置1的內(nèi)部，以提供額外的氧氣來幫助達(dá)到煤的完全燃燒并同時(shí)達(dá)到降低的NOx釋放量。經(jīng)由燃燒器9加入的燃燒空氣中的氧氣與在開口14加入的氧氣足以能完全燃燒煤，可能相對于完全燃燒煤所需的化學(xué)計(jì)量最多過量10-20體積％氧氣。
優(yōu)選的是，加入燃燒空氣和煤以在縱軸向周圍旋流，從而改進(jìn)空氣和煤的混合。旋流可以通過公知的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如在燃燒器出口之前提供旋流葉片21和22，其使得料流按照所需的旋流方向流動(dòng)。
本發(fā)明通過這里所述的向煤進(jìn)料流中加入少量氧氣而改進(jìn)、即減少了燃燒形成的灰分中的碳?xì)堄嗔?。更特別是，在煤從燃燒器排出并進(jìn)入燃燒裝置1的內(nèi)部11時(shí)將氧氣(表示含有至少35體積％氧氣的氣流，優(yōu)選含有至少50體積％的氧氣，更優(yōu)選含有至少80體積％的氧氣，甚至更優(yōu)選含有至少90體積％的氧氣)直接加入煤中。因此，煤顆粒與輸送空氣(即，初級(jí)空氣)和火焰6的富燃料部分一起進(jìn)入燃燒裝置中，并與含有至少35％氧的氣態(tài)氣氛混合。
氧氣優(yōu)選經(jīng)由噴槍或類似的進(jìn)料管線加入，該進(jìn)料管線可在一端開口通向燃燒裝置1，或者在一端封閉并在封閉端附近周邊具有一個(gè)或多個(gè)開口，使得氧氣經(jīng)由這些開口流出直接流入從燃燒器進(jìn)入燃燒裝置的煤中。
參見圖7A和7C，切向燃燒爐1包括用于將煤注射入爐內(nèi)部的開口和用于將燃燒空氣注射入爐內(nèi)部的開口的排列。通常，煤開口和燃燒空氣開口按照垂直列排列，彼此交替，如圖7A和7C所示，其中用于注射煤的開口31與用于注射燃燒空氣的開口32交替。煤在爐內(nèi)部與燃燒空氣燃燒。爐還配備有過度燃燒空氣開口7。
本發(fā)明還適合具有這種構(gòu)造的爐，例如通過在一個(gè)或多個(gè)燃料開口中提供噴槍5，其中已經(jīng)測定需要注射氧化劑以降低所生產(chǎn)的灰分中的碳含量，和然后將所需量的氧化劑經(jīng)由每個(gè)這種噴槍加入。氧氣噴槍5還可以位于一個(gè)或多個(gè)燃燒空氣開口中或者空氣和燃料開口之外，并且氧氣從這些噴槍朝向鄰近的煤料流注射。
以此方式加入的氧氣量優(yōu)選足以建立火焰6的富燃料區(qū)中的化學(xué)計(jì)量比，該化學(xué)計(jì)量比小于約0.85，以達(dá)到低NOx釋放和生產(chǎn)具有低碳含量的灰分。經(jīng)由管線5加入的氧氣量應(yīng)該低于要完全燃燒煤所需的化學(xué)計(jì)算量的20％。更優(yōu)選的是，該量低于要完全燃燒煤所需的化學(xué)計(jì)算量的15％。
同時(shí)，經(jīng)由燃燒器9加入燃燒裝置1的二級(jí)燃燒空氣3和三級(jí)燃燒空氣的量需要降低到與經(jīng)由管線20加入的氧氣量對應(yīng)的化學(xué)計(jì)算量相等的量。
不打算將本發(fā)明出乎預(yù)料的性能限制于任何特別的解釋，但是按照本發(fā)明運(yùn)行的燃燒裝置的性能與其中在煤料流附近注射氧氣以促進(jìn)煤料流的早期點(diǎn)燃和顯著改進(jìn)由煤產(chǎn)生揮發(fā)物的速率和數(shù)量的機(jī)理一致。較高的揮發(fā)物產(chǎn)率降低了必須在燃燒后續(xù)階段中被氧化的炭的量。盡管本發(fā)明的氧氣注射方法沒有增加在緩慢炭燒除步驟中氣氛中的氧氣分壓，如現(xiàn)有技術(shù)所教導(dǎo)，但是在初始脫揮發(fā)和燃燒階段期間產(chǎn)生的炭量據(jù)認(rèn)為對降低保留在灰分中的未燃燒碳量方面具有顯著的有利影響。
圖3a至3d顯示了可以使用的各種噴槍構(gòu)造?？梢允褂闷渌鼑姌寴?gòu)造。在圖3a中，噴槍5的端部是一個(gè)開孔31，它優(yōu)選沿著噴槍的軸取向。
在圖3b中，噴槍5的端部是封閉的，在接近噴槍熱端的噴槍周邊有2個(gè)或多個(gè)，優(yōu)選2-16個(gè)，更優(yōu)選4-8個(gè)噴嘴32，從而徑向注射氧氣。也可以在該噴槍的端部提供1-4個(gè)或更多個(gè)噴嘴。
在圖3c中，在噴槍5的封閉下游端附近徑向地提供2個(gè)或多個(gè)，優(yōu)選2-16個(gè)、更優(yōu)選4-8個(gè)噴嘴32，并且在與流入噴槍5的氧氣流動(dòng)方向成大于0°且小于90°角地提供2個(gè)或多個(gè)，優(yōu)選2-16個(gè)，更優(yōu)選4-8個(gè)噴嘴33。
在圖3d中，在接近噴槍5熱端的噴槍5周邊有2個(gè)或多個(gè)、優(yōu)選2-8個(gè)噴嘴34，每個(gè)噴嘴與氧氣流入噴槍5方向的反向形成30-90°、優(yōu)選30-60°角度。
在這些和其它噴槍方案中，通過噴槍側(cè)邊的噴嘴可以在一個(gè)或多于一個(gè)的周長上排列。
用于控制NOx的最佳氧氣注射角度取決于周圍空氣的切向和徑向動(dòng)量、燃燒器開口幾何形狀以及氧氣噴槍附近的燃燒器空氣流動(dòng)方式的性質(zhì)。因此，為了在具有低徑向空氣動(dòng)量的燃燒器中得到更好的結(jié)果，最佳角度是相對于燃燒器軸的90°或更大角度，而要在具有較高徑向動(dòng)量的燃燒器中得到更好結(jié)果將通常需要減小該角度以避免氧氣與空氣流的混合。對于高徑向空氣流動(dòng)，最佳角度是15度或更小(大部分是軸向注射)。對于那些使用能產(chǎn)生徑向方向的強(qiáng)空氣流分量的技術(shù)的燃燒器，例如具有燃燒器淺開口或空氣轉(zhuǎn)向器的高旋流而言，主要在軸向成角度的氧氣噴嘴(與軸向夾角小于30°)是最佳的。對于其中空氣流動(dòng)主要是軸向(即，空氣流動(dòng)的徑向分量小或不存在)的燃燒器，優(yōu)選沿著徑向方向注射氧氣(與軸向流動(dòng)分量成45-135°角)。
本發(fā)明按照上述方式加入氧氣以使氧氣與煤在火焰的富燃料區(qū)內(nèi)燃燒的操作提供的益處是降低了NOx的形成和降低了灰分中碳的含量。
下面提供實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和模擬條件。
實(shí)施例1低NOx煤-空氣燃燒器在約4MMBtu/hr下在耐火襯實(shí)驗(yàn)爐中燃燒，該實(shí)驗(yàn)爐的內(nèi)部尺寸是約3.6英尺寬，3.6英尺高和41英尺長。一對過度燃燒空氣開口位于距離燃燒器出口約10.5英尺處。燃燒器與圖2中所示的相似，包括中心圓形通道和幾個(gè)環(huán)形通道用于通過煤、空氣、氧氣和天然氣料流。中心通道用于插入1.9″OD和1.5″ID氧氣噴槍或者被封閉以提供陡直壁體來改進(jìn)氣體循環(huán)，從而改進(jìn)火焰穩(wěn)定性。煤和初級(jí)空氣從3.068″OD和1.9″ID的第一環(huán)形通道注射。第二環(huán)形通道(4.026″OD和3.5″ID)用于注射天然氣或者氧氣。第三(6.065″OD和4.5″ID)和第四(7.981″OD和6.625″ID)環(huán)形通道用于二級(jí)和三級(jí)空氣流，并配備可變的旋流發(fā)生器以得到旋流流動(dòng)。燃燒器設(shè)計(jì)成提供空氣動(dòng)力學(xué)分段的燃燒條件。初級(jí)和二級(jí)空氣的軸向速度是相似的，以提供二級(jí)空氣與煤料流的緩慢混合。三級(jí)空氣的速度顯著高于二級(jí)空氣的速度。因此，二級(jí)空氣為三級(jí)空氣和煤料流之間的混合提供“緩沖”。較大的燃料富集燃燒區(qū)沿著燃燒器的軸形成，同時(shí)二級(jí)空氣和三級(jí)空氣沿著爐的縱向進(jìn)行相對梯度混合。
氧氣通過位于燃燒器軸中的圓形噴槍注射。氧氣噴嘴在噴槍端部具有8個(gè)1/4英寸直徑的徑向孔和4個(gè)1/4英寸直徑的軸向孔，該噴嘴用于注射氧氣和與周圍環(huán)形煤料流混合。
在燃燒器中不添加氧氣的情況下，在爐中接近煙道口處收集的灰分樣品的點(diǎn)燃損失(LOI)稍微超過10重量％。在燃燒器中加入氧氣相當(dāng)于代替10％的燃燒空氣，點(diǎn)燃損失是約7.5重量％，表明減少了約25％。
實(shí)施例2工業(yè)低NOx煤-空氣燃燒器(RSFCTM燃燒器，描述在美國專利5,960,724中)在約24MMBtu/hr下在耐火襯實(shí)驗(yàn)爐中燃燒，該實(shí)驗(yàn)爐的內(nèi)部尺寸是約7.5英尺寬，7.5英尺高和34英尺長。一對或兩對相對的過度燃燒空氣開口位于距離燃燒器出口約26英尺處。燃燒器包括中心圓形通道和幾個(gè)環(huán)形通道用于通過煤、空氣、氧氣料流。中心通道用于插入1.9″OD和1.5″ID氧氣噴槍。煤和初級(jí)空氣從第一環(huán)形通道注射。第二、第三和第四環(huán)形通道用于二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)空氣流，并配備可變的旋流發(fā)生器以得到旋流流動(dòng)。燃燒器設(shè)計(jì)成提供空氣動(dòng)力學(xué)分段的燃燒條件。較大的燃料富集燃燒區(qū)沿著燃燒器的軸形成，同時(shí)三級(jí)空氣和四級(jí)空氣沿著爐的縱向進(jìn)行相對梯度混合。
氧氣通過位于燃燒器軸中的圓形噴槍注射。氧氣噴嘴具有八個(gè)3/8英寸直徑的徑向孔和四個(gè)3/8英寸直徑的軸向孔，該噴嘴用于注射氧氣和與附近的環(huán)形煤料流混合。氧氣的注射量是化學(xué)計(jì)算量氧氣的5-10％。當(dāng)注射氧氣時(shí)，從二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)空氣流中取出化學(xué)計(jì)算量等量的空氣以保持相同的初級(jí)燃燒區(qū)和總的燃燒化學(xué)計(jì)量比(SR＝1.15)。初級(jí)空氣流動(dòng)速率保持恒定在約SR＝0.20。用于整體燃燒分段的過度燃燒空氣與爐軸垂直地從2-4個(gè)正相對的空氣口注射。
可調(diào)節(jié)的用于二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)空氣流的旋流葉片的設(shè)置被最佳化以得到對于僅僅燃燒的空氣而言的最低NOx釋放量，當(dāng)注射氧氣時(shí)使用相同的設(shè)置。實(shí)驗(yàn)在中試規(guī)模實(shí)驗(yàn)爐中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)條件如下。
燃燒速率24MMBtu/hr煤類型高揮發(fā)煙煤，來自Illinois 6號(hào)礦粒度標(biāo)準(zhǔn)煤粉粒度總化學(xué)計(jì)量比1.15初級(jí)區(qū)化學(xué)計(jì)量比0.7-1.15注射的氧氣5-10％的SR空氣被平均21.7％和22.5％氧氣代替圖4顯示在實(shí)驗(yàn)爐的對流區(qū)之后，在煙道道中收集的灰分樣品的未燃燒碳的結(jié)果。
盡管數(shù)據(jù)表現(xiàn)得相當(dāng)分散，但是用5％氧氣代替化學(xué)計(jì)量空氣時(shí)，UBC降低約50-70％，和用10％氧氣代替化學(xué)計(jì)量空氣時(shí)，UBC降低約60-80％?？紤]到相對于燃燒空氣總量(21.7％和22.5％氧氣富集)使用的氧氣量小于Farmayan等用煤水漿液進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)(22％和24％氧氣)，這些結(jié)果確實(shí)是驚人的。此外，本發(fā)明提高氧氣燃燒方法在UBC方面的益處也在實(shí)驗(yàn)的所有初級(jí)區(qū)化學(xué)計(jì)量比中實(shí)現(xiàn)。通過本發(fā)明改進(jìn)碳燒除的目的在正常，即未分段的燃燒條件下以及在分段的低NOx燃燒條件下實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例3實(shí)物實(shí)驗(yàn)在容積為44MW的Riley Stocker次臨界蒸汽發(fā)生器中進(jìn)行。該裝置配備了3個(gè)Attrita煤粉碎機(jī)。六個(gè)D B Riley CCVTM低NOx燃燒器排列在位于鍋爐前壁的兩個(gè)平臺(tái)上。包括5個(gè)開口的過度燃燒空氣(OFA)系統(tǒng)位于燃燒器頂排之上的一個(gè)平臺(tái)上。
每個(gè)燃燒器包括中心圓形通道和兩個(gè)環(huán)形通道用于輸送煤的初級(jí)空氣流和二級(jí)空氣流。中心通道用于插入1.9″OD和1.5″ID氧氣噴槍。煤和初級(jí)空氣從第一環(huán)形通道注射，該通道配備有文丘里煤濃縮器和四個(gè)與燃燒器的軸成30°角的煤分配葉片。第二環(huán)形通道用于二級(jí)空氣流，并配備有可變旋流發(fā)生器以得到旋流流動(dòng)。燃燒器設(shè)計(jì)成提供空氣動(dòng)力學(xué)分段燃燒的條件。較大的燃料富集燃燒區(qū)沿著燃燒器的軸形成，同時(shí)二級(jí)空氣沿著爐的縱向進(jìn)行相對梯度混合。
氧氣通過位于燃燒器軸中的圓形噴槍注射。兩個(gè)不同類型的氧氣噴槍用于注射氧氣并與鄰近的環(huán)形煤料流混合。A型噴槍是具有開口端的直管。B型噴槍具有位于注射端附近的三列徑向氧氣噴嘴。氧氣的注射量是化學(xué)計(jì)算量氧氣的2-8％。當(dāng)注射氧氣時(shí)，從二級(jí)空氣流中取出化學(xué)計(jì)算量等量的空氣以保持相同的初級(jí)燃燒區(qū)和總的燃燒化學(xué)計(jì)量比。初級(jí)空氣流動(dòng)速率保持恒定在約SR＝0.17。
實(shí)驗(yàn)條件歸納如下。
燃燒速率90MMBtu/hr每個(gè)燃燒器煤類型高揮發(fā)煙煤，來自Bowie礦粒度標(biāo)準(zhǔn)煤粉粒度初級(jí)區(qū)化學(xué)計(jì)量比0.85-1.15注射的氧氣2-8％的SR空氣被平均21.3％和22.2％氧氣代替在特定條件下的省煤區(qū)之后從煙道氣收集灰分樣品進(jìn)行點(diǎn)燃損失(LOI)分析。圖5和圖6顯示了表示分段和氧氣注射對LOI影響的代表性數(shù)據(jù)。隨著燃燒器化學(xué)計(jì)量比從未分段的條件降低到對于僅僅燃燒條件下的空氣而言的約0.92，LOI顯著增加。當(dāng)燃燒器化學(xué)計(jì)量比進(jìn)一步降低到約0.85并加入少量氧氣(對應(yīng)于化學(xué)計(jì)量氧氣的2-8％)時(shí)，LOI顯著降低。A型和B型氧氣噴槍的性能相同，在LOI方面幾乎觀察不到差別。
圖6顯示LOI隨著對于分段燃燒情況的氧氣注射量的變化，其中初級(jí)燃燒區(qū)化學(xué)計(jì)量比是0.85-0.96。當(dāng)氧氣量從化學(xué)計(jì)量氧氣的2％增加到4％時(shí)，LOI稍微降低，但是在4-8％之間時(shí)幾乎沒有另外的變化。因此，在該實(shí)施例中，氧氣添加的最經(jīng)濟(jì)范圍是化學(xué)計(jì)量氧氣的2-4％。
與美國專利4,495,874和4,596,198(其中教導(dǎo)了在1％富集時(shí)爐溫度幾乎沒有變化或成渣沉積，1％氧氣富集相當(dāng)于注射化學(xué)計(jì)量氧氣的約8％)相比，在上述實(shí)施例中觀察到的LOI顯著降低確實(shí)是驚人的。不打算將本發(fā)明出乎意料的性能限定于任何特定的解釋，但認(rèn)為關(guān)鍵的步驟是經(jīng)由燃燒器直接將氧氣注射到燃燒設(shè)備中且在煤料流附近氧氣沒有與空氣混合，而不是通過將氧氣與空氣流預(yù)先混合來富集氧氣。
當(dāng)使用20％化學(xué)計(jì)量空氣將氧氣預(yù)先混合或快速混合入煤輸送料流(即初級(jí)空氣料流)和通過降低來自二級(jí)或三級(jí)空氣(*)的化學(xué)計(jì)量等量空氣使得總?cè)紵瘜W(xué)計(jì)量比保持恒定在1.15時(shí)，計(jì)算氧氣在輸送空氣料流中和在總?cè)紵諝庵械囊韵聺舛取?
(*例如5cf的空氣被1.05cf的純氧氣代替得到相同量的氧氣)由于使用了少量的氧氣，因此即使當(dāng)氧氣僅僅與輸送空氣(即初級(jí)空氣)混合時(shí)，混合均勻后也僅僅適度地增加了空氣中的氧氣濃度。此外，氧氣混合入煤輸送空氣增加了在煤管道內(nèi)煤顆粒的過早點(diǎn)燃的危險(xiǎn)，和增加了安全問題。優(yōu)選的方法是將氧氣注射入噴嘴尖端處的煤/初級(jí)空氣料流中。在這種情況下，一部分煤顆粒與氧氣噴射器混合，并局部形成煤高氧氣混合物的區(qū)域。與氧氣預(yù)先與輸送空氣料流預(yù)先混合的情況相比，這些條件可以提供迅速點(diǎn)燃源的區(qū)域并促進(jìn)早點(diǎn)燃和脫揮發(fā)。
另一個(gè)優(yōu)選的方法是從鄰近煤料流的內(nèi)部或外部環(huán)形空間注射氧氣。在這種情況下，有利的富氧燃燒條件是在煤和氧氣料流的邊界上提供的。
當(dāng)氧氣與燃料流分別以高速度注射時(shí)，就像Farmayan等的情況，氧氣注射流可能被周圍氣體快速稀釋，其作用被延遲。因此，氧氣注射方法必須小心設(shè)計(jì)。
本發(fā)明另一個(gè)可能的方法是將進(jìn)入的氧氣預(yù)先加熱。預(yù)熱的氧氣具有高達(dá)1600-1800°F的溫度，將提高富燃料區(qū)的溫度，改進(jìn)該區(qū)域中的燃燒，并增加揮發(fā)產(chǎn)率。加工管道的材料將限制溫度上限。
雖然本發(fā)明已經(jīng)主要參考壁燃燒式鍋爐例如圖1和圖2所示類型進(jìn)行了描述，但是這并不說明本發(fā)明限于這種燃燒系統(tǒng)。相反，本發(fā)明適用于其中燃燒燃料和空氣的其它系統(tǒng)，包括但不限于圖7A-7C描述的切向燃燒系統(tǒng)，和在本領(lǐng)域中稱為“旋風(fēng)”爐的燃燒系統(tǒng)，其中該爐的初級(jí)燃燒區(qū)包括一個(gè)或多個(gè)封閉室，各自具有圓筒形壁、封閉的端壁和經(jīng)由爐壁通向爐主室的開口端，其中燃料、燃燒空氣和氧化劑(以在本文中所述的量加入到燃料中)經(jīng)由圓筒形壁和端壁加入封閉室中，加入方向使得它們圍繞封閉室的旋轉(zhuǎn)中心軸旋轉(zhuǎn)，并燃燒形成火焰，燃燒熱經(jīng)由開口端釋放到爐的主室中。
除了上述例舉的爐之外，可以使用其它類型的爐，例如所謂的分流燃燒器，其中燃料流在燃料進(jìn)入燃燒室時(shí)被分流成多個(gè)彼此獨(dú)立的料流，并甚至彼此分流。用這種類型的燃燒器，氧氣從相應(yīng)的多個(gè)噴槍加入到每個(gè)燃料流中，或從具有多個(gè)朝向各燃料流的噴嘴的噴槍加入，并且氧氣的化學(xué)計(jì)算量要求基于加入的燃料和氧氣的總量。
權(quán)利要求
1.一種燃燒煤和生產(chǎn)具有降低碳含量的灰分的方法，包括提供燃燒裝置(1)，經(jīng)由燃燒器(9)將空氣和無水煤流加入所述裝置(1)中，并在燃燒裝置(1)中燃燒煤，同時(shí)在從所述燃燒器(9)排出煤時(shí)將氧氣加入所述煤中，以使所述氧氣與所述煤在火焰(13)中燃燒，其中所述氧氣的量小于完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的20％，其中通過所述燃燒產(chǎn)生的灰分的碳含量低于在沒有所述氧氣加入步驟但在其它相同條件下進(jìn)行燃燒時(shí)產(chǎn)生的灰分的碳含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括降低經(jīng)由所述燃燒器(9)加入的空氣量，使得加入所述裝置中的氧氣總量是要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的100-130％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將空氣從非所述燃燒器的來源(14)加入位于所述燃燒裝置之內(nèi)但在所述火焰(13)之外的區(qū)域，其中空氣的量為含有足夠的氧氣使得加入所述裝置(1)的氧氣總量至少是要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的10％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的5％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將煤料流經(jīng)由燃燒器(9)加入，并在煤從燃燒器(9)排出時(shí)，將氧氣經(jīng)由位于所述料流中的空心噴槍(20)注射加入所述煤中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將煤料流經(jīng)由燃燒器(9)的環(huán)形煤通道(6)加入，并將氧氣經(jīng)由圍繞(3)所述環(huán)形煤通道(6)或被所述環(huán)形煤通道(6)圍繞(20)的環(huán)形通道注射加入所述煤中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氧氣直接經(jīng)由噴槍(20)注射加入所述煤中，所述噴槍具有封閉端和多個(gè)在噴槍(20)端部附近的噴嘴(32)。
9.一種降低在燃燒裝置(1)中由煤的燃燒形成的灰分中的碳含量的方法，包括提供燃燒裝置(1)，該裝置具有初級(jí)燃燒區(qū)和燒除區(qū)，經(jīng)由燃燒器(9)將空氣和無水煤流加入所述初級(jí)燃燒區(qū)中，并在初級(jí)燃燒區(qū)中在含有富燃料區(qū)(12)的火焰(13)中燃燒煤，同時(shí)在從所述燃燒器(9)排出煤時(shí)將氧氣加入所述煤中，以使所述氧氣在富燃料區(qū)(12)中與所述煤燃燒，其中所述氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的20％并保持富燃料區(qū)(12)是富含燃料的，同時(shí)通過所述燃燒器(9)將加入所述富燃料區(qū)(12)的空氣的量降低使得加入所述裝置(1)中的氧氣總量是要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的100-130％，其中通過所述燃燒產(chǎn)生的灰分的碳含量低于在沒有所述氧氣加入步驟但在其它化學(xué)計(jì)量相同條件時(shí)進(jìn)行燃燒產(chǎn)生的灰分的碳含量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的15％。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的10％。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的5％。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將煤料流經(jīng)由燃燒器(9)加入，并在煤從燃燒器(9)排出時(shí)，將氧氣經(jīng)由位于所述料流中的空心噴槍(20)注射加入所述煤中。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將煤料流經(jīng)由燃燒器(9)的環(huán)形煤通道(6)加入，并將氧氣經(jīng)由圍繞(3)所述環(huán)形煤通道(6)或被所述環(huán)形煤通道(6)圍繞(20)的環(huán)形通道注射加入所述煤中。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述氧氣直接經(jīng)由噴槍(20)注射加入所述煤中，所述噴槍具有封閉端和多個(gè)在噴槍(20)端部附近的噴嘴(32)。
16.一種操作燃燒裝置(1)的方法，包括經(jīng)由燃燒器(9)將空氣和無水煤流加入所述裝置(1)中，并在所述裝置中在具有富燃料區(qū)(12)的火焰中燃燒煤，同時(shí)在從所述燃燒器(9)排出煤時(shí)將氧氣加入所述煤中，以使所述氧氣在富燃料區(qū)(12)中與所述煤燃燒，其中所述氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的20％，并保持富燃料區(qū)(12)是富含燃料的，同時(shí)將空氣從非所述燃燒器的其它來源(14)加入在所述裝置之內(nèi)但在所述富燃料區(qū)(12)之外的區(qū)域中，其量是含有足量的氧氣以使加入所述裝置(1)中的氧氣的總量至少是完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量，其中通過所述燃燒產(chǎn)生的灰分的碳含量低于在沒有所述氧氣加入步驟但在其它化學(xué)計(jì)量相同條件時(shí)進(jìn)行燃燒產(chǎn)生的灰分的碳含量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的15％。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的10％。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中氧氣的加入量小于要完全燃燒所述煤所需的化學(xué)計(jì)算量的5％。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中將煤料流經(jīng)由燃燒器(9)加入，并在煤從燃燒器(9)排出時(shí)，將氧氣經(jīng)由位于所述料流中的空心噴槍(20)注射加入所述煤中。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中將煤料流經(jīng)由燃燒器(9)的環(huán)形煤通道(6)加入，并將氧氣經(jīng)由圍繞(3)所述環(huán)形煤通道(6)或被所述環(huán)形煤通道(6)圍繞(20)的環(huán)形通道注射加入所述煤中。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述氧氣直接經(jīng)由噴槍(20)注射加入所述煤中，所述噴槍具有封閉端和多個(gè)在噴槍(20)端部附近的噴嘴(32)。
全文摘要
本發(fā)明涉及煤的燃燒，其中在煤從燃料器(9)排出時(shí)將氧氣注射入煤中以生產(chǎn)碳含量降低的灰分。
文檔編號(hào)F23D1/02GK1666064SQ03815791
公開日2005年9月7日 申請日期2003年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月15日
發(fā)明者H·科巴亞施, L·E·布爾三世 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司