專(zhuān)利名稱(chēng)：加入氧氣來(lái)增強(qiáng)sncr輔助燃燒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及烴燃料例如煤，在例如產(chǎn)生電能的爐子中的燃燒，以及減少在該燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氮的氧化物。
背景技術(shù)：
在發(fā)電廠的爐中燃燒煤仍然是產(chǎn)生能源的一種重要方法。由于認(rèn)為這種燃燒導(dǎo)致大氣中NOX的排放，其被認(rèn)為導(dǎo)致大氣污染。仍然有相當(dāng)大的興趣尋找減少燃燒過(guò)程中排放到大氣中NOX量的方法。
一種眾所周知的減少鍋爐和爐排放NOX的方法是向燃燒室中注入試劑例如氨、尿素、氰尿酸或碳酸銨，由于試劑在高溫下形成了胺基(-NH2)，與燃燒室中高溫燃燒氣體中存在的NO反應(yīng)形成N2。這種方法眾所周知被認(rèn)為是選擇性非催化還原(SNCR)方法，現(xiàn)有技術(shù)在許多方面已經(jīng)進(jìn)行了描述。顯著的SNCR方法是Lyon在美國(guó)專(zhuān)利3,900,554和Arand等在美國(guó)專(zhuān)利4,208,386和4,325,924中描述的方法。對(duì)SNCR方法最近的改進(jìn)包括美國(guó)專(zhuān)利6,030,204和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)US2002/0025285A1中所描述的那些。氨和尿素是優(yōu)選的試劑。為了有效地減少NOX，對(duì)每一燃燒過(guò)程中可利用的空間和滯留時(shí)間內(nèi)試劑不得不與含有NOX的燃燒氣體均勻混合。均勻混合是一困難的實(shí)際問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)于含有100到1000ppm的NOX的煙道氣，試劑與煙道氣的摩爾比為1,000到10,000數(shù)量級(jí)。
通過(guò)SNCR方法減少NOX的效率很大程度取決于完成反應(yīng)的溫度。通常有效的反應(yīng)溫度被認(rèn)為在大約1600到2000F，在小的混合很好的系統(tǒng)中，在該溫度下完成的SNCR反應(yīng)能使NOX的減少達(dá)到最高為90％。然而，由于鍋爐中大的溫度梯度以及由于為了取得混合均勻以及提供足夠的混合時(shí)間的物理限制，在大鍋爐中SNCR反應(yīng)提供的最大限度NOX減少為約55到60％?？紤]到當(dāng)?shù)竭_(dá)鍋爐的對(duì)流區(qū)時(shí)，煙道氣要經(jīng)過(guò)迅速冷卻，所以將還原劑注入鍋爐中的理想氣體溫度典型地被認(rèn)為在1800-2000F。在低于或高于1800到2000F的溫度范圍，NOX還原量急劇下降。低溫下將排放沒(méi)有反應(yīng)的試劑(傳統(tǒng)上稱(chēng)為“氨失誤”)是個(gè)問(wèn)題，高溫下NOX還原效率的急劇下降是個(gè)問(wèn)題。
不幸的是，在傳統(tǒng)的爐子例如大型鍋爐(utility boiler)中，當(dāng)它們離開(kāi)爐子的燃燒區(qū)(即燃料發(fā)生燃燒的區(qū)域)并進(jìn)入還原區(qū)(進(jìn)行注入和SNCR試劑反應(yīng)的地方)時(shí)，氣體(主要由氣態(tài)燃燒產(chǎn)物和氮組成)的溫度一般為約2100到2300F。結(jié)果，即使試劑與煙道氣很好的混合，典型的只有15到30％的NOX被還原。
到目前為止，通過(guò)降低離開(kāi)燃燒區(qū)的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的溫度試圖改善這種情況有犧牲爐子的效率或產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)，但不必對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行棘手和昂貴的改造。雖然通過(guò)增加注入到還原區(qū)的氨或其它試劑的量在一定程度上增加了NOX的還原量，但是這是一種昂貴的方法。另一方面，加入傳統(tǒng)的裝置例如低NOX燃燒器和用于減少NOX形成的過(guò)度燃燒空氣氣孔(從而減少需要注入的試劑量)通常被認(rèn)為能延緩燃燒過(guò)程和增加離開(kāi)燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物的溫度。因而，試劑需求減少但卻損害了SNCR方法的總效率。
在SNCR方法中，試劑從噴嘴陣列中被注入，與處于適用于鍋爐或爐子的最佳溫度范圍的熱爐氣體進(jìn)行良好的混合。對(duì)于使用鍋爐，在輻射區(qū)末端的區(qū)域是優(yōu)選的位置。當(dāng)氣體從輻射爐區(qū)流到對(duì)流層時(shí)，氣體溫度迅速下降；然而在對(duì)流層注入試劑是不實(shí)際的，因?yàn)槟莾捍嬖跓峤粨Q管。因?yàn)樵阱仩t的末端在可利用的比較短的滯留時(shí)間內(nèi)試劑(一般以水溶液形式提供)，必須被霧化，汽化，與煙道氣進(jìn)行混合，與NO反應(yīng)，所以試劑注入噴嘴的位置和分布是最重要的參數(shù)。注入速度，方向和液滴大小分布都影響NOX的還原率，需要對(duì)每個(gè)鍋爐進(jìn)行最優(yōu)化。因?yàn)闅怏w溫度隨著鍋爐載荷改變，經(jīng)常在多個(gè)水平設(shè)置試劑噴嘴，當(dāng)最適溫度范圍變化時(shí)，控制注入的水平面。
在爐子上部區(qū)域中的煙道氣再循環(huán)(FGR)是冷卻煙道氣的一種有效的方法，經(jīng)常在過(guò)熱器中用于控制蒸汽溫度。在這種方法中，通過(guò)感應(yīng)通氣風(fēng)扇將經(jīng)過(guò)空氣加熱器的煙道氣進(jìn)行再循環(huán)。然而，這種方法存在磨損(wear to)和維護(hù)由煙道氣中的灰導(dǎo)致的FRG風(fēng)扇的技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)上是另一問(wèn)題，這是由于安裝處理溫暖的煙道氣(大約400到500F)所需的大風(fēng)扇產(chǎn)生的費(fèi)用和用于再循環(huán)的能源產(chǎn)生的費(fèi)用所造成的。
也可能注入稀釋劑來(lái)冷卻離開(kāi)燃燒區(qū)的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物。水噴霧可以作為一種有效的冷卻劑。然而，除了再循環(huán)煙道氣，加入任何稀釋劑將導(dǎo)致顯著的能量損失以及降低鍋爐的熱效率。
因此，仍然需要能提供當(dāng)取得SNCR方法的好處時(shí)，沒(méi)有犧牲其它好處的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明滿足此需要以及提供這里描述的益處。根據(jù)發(fā)明，烴燃料在具有燃燒區(qū)，用于在所述的燃燒區(qū)中燃燒烴燃料以產(chǎn)生燃燒熱和含有NOX的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的燃燒器裝置，用于將所述的燃料和燃燒空氣供入到所述的燃燒器裝置的進(jìn)料裝置，以及所述的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物從所述的燃燒區(qū)進(jìn)入其中的位于所述燃燒區(qū)下游的還原區(qū)的爐子中進(jìn)行燃燒，其中在所述的還原區(qū)中存在的燃燒產(chǎn)物溫度超過(guò)1900F，還原劑被注入所述的還原區(qū)，與所述燃燒產(chǎn)物中的NOX反應(yīng)形成N2，從而減少否則會(huì)從所述爐子排放的NOX的量。將氧氣注入到所述的燃料中，方法是當(dāng)所述的燃料在所述的燃燒器出現(xiàn)時(shí)將氧氣直接注入所述的燃料中或者將氧氣加入到通過(guò)燃燒器注入的空氣中，同時(shí)使通過(guò)所述燃燒器供入的燃燒空氣減少一定量，減少量包括足夠氧氣，使得與不加入氧氣的化學(xué)計(jì)量比相比，總?cè)紵齾^(qū)化學(xué)計(jì)量比改變不超過(guò)10％，并在所述空氣和所述的氧氣中燃燒燃料，其中所述氧氣的量足夠降低通入所述還原區(qū)的所述燃燒產(chǎn)物的溫度，但是溫度沒(méi)有低于1800F，并且所述氧氣的量小于所述燃料完全燃燒所需的化學(xué)計(jì)量用量的25％。
優(yōu)選的，將空氣從除了所述燃燒器外的來(lái)源加入到在所述富含燃料區(qū)外面的所述燃燒室的區(qū)域，空氣的用量使得含有至少足夠氧氣以使供給到所述燃燒室的氧氣的總量至少是所述燃料完全燃燒需要的化學(xué)計(jì)量用量。
雖然某些還原區(qū)域的燃燒產(chǎn)物可以低于1900F，但有一些高于此溫度。如這里所描述地注入氧氣導(dǎo)致通入還原區(qū)的燃燒產(chǎn)物溫度降低，而這也提供了這里描述的其它的好處。
在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，特別是其中所述燃料含有結(jié)合氮的那些實(shí)施方案，所述燃燒在低NOX燃燒器中分段進(jìn)行，富含燃料的火焰區(qū)的化學(xué)計(jì)量比在0.6到1.0之間，或者所述燃燒是使用過(guò)度燃燒空氣的分段燃燒，主燃燒區(qū)的化學(xué)計(jì)量比在0.6到1.0之間。
在另一些優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)所述燃燒器供入燃料流，當(dāng)燃料在爐中出現(xiàn)時(shí)通過(guò)位于所述流中的噴槍注入氧氣將它供給到所述燃料中。而在其它優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)所述爐子中的環(huán)形燃料管道供入燃料流，以及通過(guò)環(huán)繞所述環(huán)形燃料管道或被所述環(huán)形燃料管道環(huán)繞的環(huán)形通道將氧氣注入所述燃料中。
在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，燃料是煤。
本發(fā)明提供許多益處。
減少了每單位能量的NOX排放。對(duì)于還原相同量的NOX，減少了SNCR試劑的消耗量。提高了爐子的熱效傳遞更多的熱量，從而降低煙道氣的溫度。同樣，從相同的燃料加入量中回收了更多的能量，這也稍微減少了燃料加入量，但同時(shí)保持將相同的總熱量傳遞到鍋爐管道中。通過(guò)意想不到的兩種方法的協(xié)同作用，結(jié)合的方法減少了NOX排放。
在這里使用“化學(xué)計(jì)量比”是指供給的氧氣與使構(gòu)成進(jìn)料的物質(zhì)中存在的所有的碳、硫和氫全部轉(zhuǎn)變成二氧化碳、二氧化硫和水所需要的氧氣總量之比。
在這里，“NOX”是指氮的氧化物，例如但是不限于NO、NO2、NO3、N2O、N2O3、N2O4、N3O4及它們的混合物。
在這里，“結(jié)合氮”是指氮是分子的一部分，該分子也包含碳和氫，以及任選地含有氧。
在這里，“還原劑”是指任何與NO在1900°F反應(yīng)形成含有N2的反應(yīng)產(chǎn)物的含氮化合物。
在這里，“在低NOX燃燒器中分段燃燒”是指爐中的這樣的燃燒，其中燃料與燃料完全燃燒所需的燃燒空氣的一部分混合被延遲以產(chǎn)生具有相對(duì)大的富含燃料火焰區(qū)的火焰。
在這里，“使用過(guò)度燃燒空氣的全階段燃燒或分段燃燒”是指爐中的燃燒，其中燃料完全燃燒所需燃燒空氣的一部分(“過(guò)度燃燒空氣”)沒(méi)有通過(guò)或沒(méi)有直接接近任何燃燒器，而使通過(guò)位于燃燒器和爐子煙道裝置之間的進(jìn)口被送入爐中，并且沒(méi)有結(jié)合燃料一起被送入。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是實(shí)施本發(fā)明的裝置的一種實(shí)施方案的橫截面示意圖。
圖2是用于實(shí)施本發(fā)明的燃燒器的橫截面示意圖。
發(fā)明詳述參照?qǐng)D將描述發(fā)明，但是參照?qǐng)D進(jìn)行描述沒(méi)有意圖限制本發(fā)明的范圍。
圖1顯示具有SNCR區(qū)的燃燒裝置1，其可以是其中在裝置的內(nèi)部2完成燃燒的任何設(shè)備。優(yōu)選的燃燒裝置包括爐子和鍋爐，其用于通過(guò)沒(méi)有顯示的傳統(tǒng)裝置產(chǎn)生蒸汽。
燃燒裝置1的側(cè)壁或末端壁上的燃燒器3將燃料、空氣和氧氣從位于燃燒裝置1外面的來(lái)源供給到燃燒裝置1的內(nèi)部2。適合的燃料包括烴液體，例如燃料油，以及也包括粉狀烴固體，優(yōu)選的例子是粉狀煤或石油焦碳。優(yōu)選的，燃料含有結(jié)合氮。
如圖1和在圖2中更詳細(xì)地看到，燃燒器3優(yōu)選包括幾個(gè)同軸排列的通道，盡管可以使用具有同樣效果的其它結(jié)構(gòu)。燃料通過(guò)環(huán)形通道4進(jìn)入燃燒裝置1中，如本文所述，環(huán)形通道4同軸環(huán)繞用于送入氧氣的噴槍5設(shè)置。優(yōu)選的，燃料從供給源20被傳送到一或幾個(gè)燃燒器3中，并被推動(dòng)通過(guò)燃燒器3進(jìn)入燃燒裝置1的內(nèi)部2在液體例如燃料油的情況通過(guò)適合的泵裝置來(lái)進(jìn)行，在烴固體例如粉狀煤的情況通過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)的送風(fēng)機(jī)和推動(dòng)器來(lái)進(jìn)行，其傳統(tǒng)上在氣態(tài)載體例如，優(yōu)選在傳送空氣或一級(jí)空氣(primary air)的幫助下被送入燃燒裝置。液體烴燃料優(yōu)選通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)常規(guī)設(shè)計(jì)的霧化噴嘴被送入，以將液體燃料作為不連續(xù)的、分散液滴和霧化空氣一起送入燃燒室。使用有效量，典型為大約1.5至2.0(1b)的一級(jí)空氣傳送1(1b)的煤，其相當(dāng)于完全燃燒煙煤所需化學(xué)計(jì)量用量的燃燒空氣的大約20％。為了燃燒重油，典型使用大約0.5至1.0(1b)的一級(jí)空氣霧化1(1b)的油。
通過(guò)壓力送風(fēng)(“FD”)扇將燃燒空氣22提供到一個(gè)或幾個(gè)風(fēng)箱21中，并被送入一個(gè)或幾個(gè)燃燒器3的空氣通道。二級(jí)燃燒空氣15通過(guò)燃燒器3，優(yōu)選通過(guò)環(huán)繞送入烴燃料的環(huán)形空間4的同軸排列的環(huán)形通道11，送入燃燒裝置1中。優(yōu)選三級(jí)燃燒空氣16通過(guò)燃燒器3，優(yōu)選通過(guò)環(huán)繞二級(jí)空氣通道的同軸排列的環(huán)形通道12送入燃燒裝置1中。優(yōu)選燃燒空氣也通過(guò)過(guò)度燃燒空氣氣孔(over fire air port)7(參見(jiàn)圖1)送入燃燒裝置1中。優(yōu)選，氧氣遠(yuǎn)離二級(jí)和三級(jí)燃燒空氣被送入裝置的內(nèi)部2。也就是說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明在它被送入燃燒裝置1之前或之后，特別是當(dāng)沒(méi)有使用過(guò)度燃燒空氣時(shí)，通過(guò)燃燒器3送入的氧氣優(yōu)選不與二級(jí)和三級(jí)燃燒空氣混合。
優(yōu)選的低NOX燃燒器有用于良好空氣動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)的一級(jí)(燃料)、二級(jí)和三級(jí)空氣通道。然而，也可以使用只使用一級(jí)和二級(jí)空氣進(jìn)料的其它低NOX燃燒器設(shè)計(jì)。一旦決定了三種通道的最佳設(shè)置，可以設(shè)計(jì)二級(jí)空氣渦旋葉片和通道，以便產(chǎn)生與三通道設(shè)計(jì)相同的空氣動(dòng)力學(xué)混合特征。另一選擇是，可以使用具有另外(第四)通道的燃燒器(例如美國(guó)專(zhuān)利5,960,724中描述的RSFCTM燃燒器)。
在根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)燃燒裝置以減少在燃燒裝置操作中形成的NOX之前，還不存在用于注入氧氣的噴槍5。燃燒在烴燃料和在燃燒空氣中存在的氧氣之間進(jìn)行，導(dǎo)致火焰6的形成。最靠近燃燒器3末端的火焰區(qū)域8，也就是烴燃料在噴嘴中出現(xiàn)的位置，是富含燃料的區(qū)域。環(huán)繞火焰6周?chē)膮^(qū)域相對(duì)貧乏，因?yàn)槎?jí)和三級(jí)燃燒空氣沒(méi)有充分與燃料進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)從過(guò)度燃燒空氣氣孔7送入足夠量的空氣用于全階段燃燒時(shí)，除了靠近燃燒器3注入空氣的區(qū)域沒(méi)有充分地與燃料進(jìn)行反應(yīng)，低于過(guò)度燃燒空氣氣孔7的爐子的整個(gè)下部區(qū)域，或者主燃燒區(qū)(PCZ)10，變得富含燃料。
優(yōu)選的，空氣也通過(guò)過(guò)度燃燒空氣氣孔開(kāi)口(over fire air portopening)7被送入燃燒裝置1的內(nèi)部，以使一級(jí)燃燒區(qū)更富含燃料以及提供額外的氧氣幫助燃盡區(qū)9(其被認(rèn)為是燃燒區(qū)的一部分)中的燃料進(jìn)行完全燃燒。通過(guò)燃燒器3送入的燃燒空氣中的氧氣與在開(kāi)口7中送入的氧氣相結(jié)合，氧氣足夠使燃料完全燃燒，其典型的含有超過(guò)燃料燃燒完全所需氧氣量的10到15體積％的過(guò)量氧氣。
燃盡區(qū)9下游的還原區(qū)或SNCR區(qū)19容納燃燒產(chǎn)物。通過(guò)任何常規(guī)裝置從來(lái)源29通過(guò)多個(gè)燃燒器30向還原區(qū)19中注入還原劑。優(yōu)選的還原劑的實(shí)例包括氨、尿素、氰尿酸、無(wú)機(jī)和有機(jī)銨鹽例如碳酸銨，以及它們的混合物。加入的還原劑的量，以NH3與NO的摩爾比進(jìn)行表示，應(yīng)該為0.5到3.0，優(yōu)選為0.8至1.5。
優(yōu)選的，在燃燒器3中送入二級(jí)和三級(jí)燃燒空氣以致繞縱軸旋轉(zhuǎn)，從而靠近每個(gè)燃燒器產(chǎn)生再循環(huán)區(qū)，改善空氣和燃料的混合。可以通過(guò)已知的方法得到旋轉(zhuǎn)，例如在燃燒器的二級(jí)和三級(jí)空氣流的環(huán)形通道中提供導(dǎo)流板13和14，其能引導(dǎo)氣流至想要的旋轉(zhuǎn)方向。優(yōu)選提供高度的旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選旋轉(zhuǎn)值在0.6到2.0，旋轉(zhuǎn)值如J.M.Beer和N.A.Chigier，Robert E.Krieger Publishing company，Inc.，1983的“燃燒空氣動(dòng)力學(xué)”中定義。
優(yōu)選通過(guò)噴嘴3供給的空氣的總量，即一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)空氣的總數(shù)為完全燃燒所需空氣的化學(xué)計(jì)量用量的60％到95％。最優(yōu)選的是通過(guò)燃燒3送入的空氣的總量是完全燃燒所需空氣的化學(xué)計(jì)量用量的大約70％到85％。
每股燃燒空氣流的速度優(yōu)選為每秒50到200英尺。通過(guò)噴槍5注入氧氣的速度優(yōu)選為一級(jí)空氣速度的50％到200％。
試驗(yàn)表明一種優(yōu)選的方法是將至少一些固體顆?；蛞旱伪┞兜礁邼舛鹊难鯕庵校皇钦麄€(gè)均勻富含的燃燒空氣。將氧氣注入到低NOX燃燒器的風(fēng)箱21以致富化的空氣(包括臨界一段空氣)被注入到整個(gè)爐子中的簡(jiǎn)單方法被認(rèn)為不是有效的。
當(dāng)氧氣被預(yù)先混合或迅速地混合到采用20％化學(xué)計(jì)量空氣的煤傳送流中，整個(gè)燃燒的化學(xué)計(jì)量比為1.15，計(jì)算傳送空氣流和整個(gè)燃燒空氣中的以下氧氣的平均濃度。
用O2替代的 傳送空氣中的 整個(gè)燃燒空氣中的％SR空氣(*) O2濃度(vol％)平均氧氣濃度(vol％)021.0 21.0524.9 21.710 28.5 22.515 31.7 23.420 34.7 24.325 37.4 25.4(*例如由1.05cf純氧代替5cf干燥空氣，得到相同量的O2)由于使用少量的氧氣，當(dāng)均勻混合時(shí)即使當(dāng)氧氣只與傳送空氣混合時(shí)，空氣中氧氣的濃度略有增加。一種優(yōu)選的方法是在噴嘴的頂端將氧氣注入到碳/空氣傳送流中。在這種情況下一些煤顆粒與氧氣流混合，造成局部煤高氧氣混合物區(qū)域。與氧氣與傳送空氣流預(yù)混合的情況相比，這些情況可以提供快速點(diǎn)火源區(qū)，促進(jìn)提前點(diǎn)火和脫揮發(fā)分作用。
另一優(yōu)選的方法是從鄰近的內(nèi)部或外部環(huán)形空間將氧氣注入到煤流中。在這種情況下在煤和氧氣流的邊界提供有利的富含氧氣的燃燒條件。
當(dāng)氧氣平行于燃料流以高速單獨(dú)被注入時(shí)，如Farmayan等人的情況(“NOXand Carbon Emission Control in Coal-Water SlurryCombustion”，Sixth International Symposium on Coal SlurryCombustion and Technology，Orlando，F(xiàn)lorida，1984年6月25-27日)，氧氣流可以迅速地被環(huán)繞氣體所稀釋?zhuān)⒖赡茏璧K它的效果。因此不得不仔細(xì)設(shè)計(jì)注入氧氣的方法。
如這里描述的，本發(fā)明通過(guò)將氧氣供給到整個(gè)烴燃料流中改進(jìn)即減少燃燒裝置中NOX的形成。更特別的，當(dāng)烴燃料從爐子中出現(xiàn)以及進(jìn)入燃燒裝置1的內(nèi)部2時(shí)，氧氣(這里指包括至少50vol％O2，優(yōu)選至少80vol％O2，最優(yōu)選至少90vol％O2的氣體流)被直接注入到烴燃料中。因而含有高濃度氧氣的氣態(tài)氣氛中的至少一些固體燃料顆粒，或者液體燃料的液滴，視情況而定，進(jìn)入燃燒裝置和火焰6的富含燃料區(qū)域。
當(dāng)過(guò)度燃燒空氣被用于全階段燃燒時(shí)，優(yōu)選采用配備有四個(gè)單獨(dú)空氣通道的空氣燃燒器，則使用燃燒器3的空氣通道中適合的噴霧器，氧氣可以與一級(jí)或二級(jí)空氣或二者預(yù)先混合。
優(yōu)選通過(guò)噴槍5或相似的供給管路注入氧氣，其一端可以開(kāi)口通向燃燒裝置1，或者該端封閉并在鄰近封閉端的外周具有許多開(kāi)口，從而氧氣通過(guò)這些開(kāi)口直接流進(jìn)從燃燒器進(jìn)入燃燒裝置的烴燃料中。
以這種方式進(jìn)料的氧氣量應(yīng)該足夠在火焰6的富含燃料區(qū)8形成化學(xué)計(jì)量比，其優(yōu)選小于約0.85。優(yōu)選通過(guò)管路5供給的氧氣量應(yīng)小于燃料完全燃燒所需化學(xué)計(jì)量用量的25％。更優(yōu)選的，該量相當(dāng)于小于完全燃燒燃料所需的化學(xué)計(jì)量用量的15％。
同時(shí)，通過(guò)燃燒器3送入燃燒裝置1的二級(jí)和三級(jí)燃燒空氣的量需要隨通過(guò)噴槍5供給的氧氣量相應(yīng)減少。更特別的，通過(guò)燃燒器3送入的二級(jí)和三級(jí)燃燒，以及四級(jí)燃燒空氣(如果使用的話)的量應(yīng)當(dāng)減少的量為含有通過(guò)管道5進(jìn)入燃料的氧氣量的10％之內(nèi)的量，而過(guò)度燃燒的空氣(如果使用的話)量保持不變。當(dāng)深層全階段燃燒中應(yīng)用注入氧氣時(shí)，通過(guò)燃燒器3送入的二級(jí)和三級(jí)燃燒，以及四級(jí)燃燒空氣(如果使用的話)量，應(yīng)當(dāng)減少，減少的量為含有超過(guò)通過(guò)管道5送入燃料的氧氣量的量，同時(shí)增加過(guò)度燃燒空氣的量，從而在注入氧氣前，保持總?cè)紵瘜W(xué)計(jì)量比在10％值內(nèi)。
NOX排放強(qiáng)烈依賴(lài)局部的化學(xué)計(jì)量條件。由于注入氧氣使局部的化學(xué)計(jì)量條件更貧乏，不得不考慮注入氧氣后的局部化學(xué)計(jì)量條件的改變。例如，將相當(dāng)于10％化學(xué)計(jì)量空氣的氧氣注入到化學(xué)計(jì)量比為0.4(SR＝0.4)的局部富含區(qū)，但沒(méi)有改變?nèi)紵諝?，?huì)將局部的化學(xué)計(jì)量條件改變到SR＝0.5，預(yù)期將大大降低NOX的排放。這樣的效果比“用氧氣替換10％的空氣”同時(shí)保持局部化學(xué)計(jì)量條件固定為0.4的效果更顯著。如果相同量的氧氣被注入到局部化學(xué)計(jì)量條件SR＝0.95的火焰區(qū)，但不改變供給的燃燒空氣量，如果局部化學(xué)計(jì)量條件增加到SR＝1.05，預(yù)期NOX排放會(huì)急劇增加。
因此，通常優(yōu)選將氧氣注入到火焰的最富含區(qū)域。
將氧氣注入或混合到三級(jí)空氣和四級(jí)(如果使用)空氣中。應(yīng)該避免在沒(méi)有OFA的空氣動(dòng)力學(xué)分段燃燒器中進(jìn)行。理論上采用包括空氣的任何氧化劑可以?xún)?yōu)化局部化學(xué)計(jì)量條件。然而，氧氣更有效，因?yàn)橹恍枰^小的體積，并且局部的化學(xué)計(jì)量條件被改變但卻沒(méi)有對(duì)火焰的整個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)混合條件有大的影響。
另一項(xiàng)重要的必要條件是必須以這樣的方式進(jìn)行氧氣富化，即保持或增加空氣動(dòng)力學(xué)分段火焰的富含燃料區(qū)(“N2形成區(qū)”)的物理尺寸。注入氧氣的方法以及隨之發(fā)生的爐子某些空氣通道中空氣流的減少將影響燃燒器的空氣動(dòng)力學(xué)分段條件，從而影響物理尺寸以及局部化學(xué)計(jì)量條件。如果減少富含燃料區(qū)的大小，并且作為注入氧氣的結(jié)果，富含燃料區(qū)的平均氣體滯留時(shí)間減少，這樣的改變可以導(dǎo)致NOX增加。例如，通過(guò)軸向噴槍高速注入氧氣將有效地增加環(huán)繞煤/空氣流的軸向動(dòng)力，其反過(guò)來(lái)可以增加與二級(jí)和三級(jí)空氣的混合。結(jié)果可以減少火焰富含燃料NOX還原區(qū)的大小以及可以增加NOX。另一方面，當(dāng)從靠近爐子頂端軸向設(shè)置的氧氣噴槍中徑向注入氧氣流時(shí)，可以有效地增加靠近爐子的再循環(huán)區(qū)，因此增加富含燃料區(qū)的尺寸，進(jìn)一步促進(jìn)氧氣富化引起的N0X還原。對(duì)于進(jìn)行NOX還原的特定燃燒器，要仔細(xì)評(píng)價(jià)注入氧氣對(duì)燃燒器空氣動(dòng)力學(xué)條件的復(fù)雜影響。
不希望將本發(fā)明未預(yù)料到的性能束縛于任何特別的解釋?zhuān)鶕?jù)本發(fā)明操作的燃燒裝置的性能與一種機(jī)制保持一致，其中氧氣的注入導(dǎo)致最靠近燃燒器的那部分火焰的溫度增加，其反過(guò)來(lái)導(dǎo)致烴燃料中存在的相對(duì)揮發(fā)組分從燃料中進(jìn)入氣相，并與周?chē)难鯕膺M(jìn)行部分反應(yīng)，從而產(chǎn)生一種相對(duì)還原的氣氛，其能使從燃燒燃料中釋放的含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)變成分子氮，即N2，而沒(méi)有轉(zhuǎn)變成NOX化合物。
典型的，燃料和氧氣進(jìn)入的富含燃料區(qū)的溫度在2500°F或更高的級(jí)別。以這種方式供給氧氣能導(dǎo)致火焰6的基部更接近燃燒器3的開(kāi)口，或甚至變得與燃燒器3相連。然而，當(dāng)烴燃料從爐子中出現(xiàn)時(shí)，以這里描述的方式將氧氣混入烴燃料以同樣的方式進(jìn)行，即使火焰變得與爐子相連。在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，例如根據(jù)這里的教導(dǎo)改進(jìn)了燃燒裝置后，以?xún)?yōu)選小于25％，更優(yōu)選小于15％完全燃燒燃料所需的化學(xué)計(jì)量的氧氣量被送入燃料的基礎(chǔ)繼續(xù)操作燃燒裝置，同時(shí)以小于否則將是另一種情況的量通過(guò)燃燒器供入燃燒空氣，從而使供入到裝置的氧氣總量至少是完全燃燒燃料所需的化學(xué)計(jì)量用量。
實(shí)施例1表1闡明采用SNCR并加入和不加氧氣得到的NOX還原。在這個(gè)實(shí)施例中假定氧氣還原的NOX為基線的30％，SNCR還原的NOX也為基線的30％，氨與氧化氮的注入摩爾比為1。進(jìn)一步假定由于氣體溫度降低，當(dāng)與氧氣結(jié)合時(shí)，以相同的注入比，通過(guò)SNCR還原的NOX百分?jǐn)?shù)增加到40％。
表1.加入和不加O2，采用SNCR還原NOX的實(shí)施例結(jié)合方法只有SNCRNOX(1b/MMBtu)基線 0.4 0.4注入O2后NOX(1b/MMBtu)0.28采用SNCR后NOX(1b/MMBtu) 0.1680.28SNCR的NOX還原％ 40 30NH3消耗量(1b/MMBtu)0.1080.148上面的實(shí)施例顯示單獨(dú)用SNCR或單獨(dú)注入氧氣，得到的NOX還原從0.4 1b/MMBtu到0.28 1b/MMBtu。當(dāng)結(jié)合使用兩種方法，最終NOX排放減少到0.168 1b/MMBtu。此外，與單獨(dú)使用SNCR的情況相比，在結(jié)合方法中使用的試劑量減少30％，即輸入從0.148降到0.108NH3/燃料MMBtu。
實(shí)施例2在由鍋爐計(jì)算機(jī)模型模擬的以下實(shí)施例中詳細(xì)描述發(fā)明。
基于熱量輸入，例子1，1a，1b和1c中用來(lái)自Pittsburgh#8(Pit#8)煤層的煙煤給220MW的切向燃燒鍋爐加料，例子2，2a，2b，2c中使用來(lái)自Wyoming的Powder River Basin(PRB)的低級(jí)次煙煤。表2總結(jié)了煤的特性。
表2工業(yè)分析(％，濕)Pit#8PRB水分 5.2 28.7V.M 38.1 32.0F.C 48.1 33.7灰分 8.6 5.6總計(jì) 100 100
元素分析(％，干)C 74.0 68.30H 5.1 4.91N 1.6 1.00O 7.9 17.25S 2.3 0.70ASH9.1 7.84總計(jì) 100 100HHV(btu/1b，濕)12540 8650表3中總結(jié)了下面六個(gè)例子的鍋爐的操作特性。
例子1采用空氣和煙煤(Pit#8)的基線操作例子1a、1b、1c使用煙煤(Pit#8)和注入氧氣，減少燃料輸入但是蒸汽輸出相同的操作例子2采用次煙煤(PRB)和空氣的基線操作例子2a、2b、2c使用次煙煤和(PRB)注入氧氣，減少燃料輸入但蒸汽輸出相同的操作在基線操作中(例子1)，60,372 1b/hr的煙煤用含有20.67體積％的氧氣和1.5體積％的水分的9,144,000SCFH的燃燒空氣進(jìn)行燃燒?？偀崃枯斎胂鄳?yīng)于756.6MMBtu/hr的高發(fā)熱值(HHV)，總化學(xué)計(jì)量比設(shè)定為1.18以使煙道氣中具有3％過(guò)量O2。煤中50％的水分在粉磨機(jī)和通向燃燒器的傳輸管道中被汽化。大約20％化學(xué)計(jì)量的燃燒空氣作為一級(jí)空氣用于傳送煤粉，溫度為153°F。使用余量空氣作為用于燃燒的二級(jí)空氣，并在空氣加熱器中預(yù)先加熱到522°F。不使用過(guò)度燃燒空氣氣孔分段進(jìn)行燃燒。在輻射爐區(qū)，342.5MMBtu/hr的熱被鍋爐水墻所吸收來(lái)產(chǎn)生蒸汽。爐出口氣體溫度(FEGT)為2,144°F。71.6和82.5MMBtu/hr的熱量分別被傳遞到末端過(guò)熱器區(qū)和再熱器區(qū)，煙道氣溫度降低到1520°F。接著煙道氣經(jīng)過(guò)一級(jí)過(guò)熱器/煙道氣預(yù)熱器區(qū)和空氣加熱器，并從塔中排出。鍋爐效率基于燃料輸入的HHV為83.5％。FEGT為2,144°F，SNCR還原的NOX估計(jì)為15％。
表3.鍋爐操作例子1 例子1a 例子1b 例子1c 例子2 例子2a 例子2b 例子2c例子定義煤類(lèi)型 Pit.#8 Pit.#8 Pit.#8 Pit.#8 PRBPRBPRBPRB制備中蒸發(fā)的水分％ 50 50 50 50 50 50 50 50管道內(nèi)燃燒器(Y/N) N N N N Y Y Y Y氧化劑中的氧氣％ 20.67 21.38 22.09 22.80 20.67 21.38 22.09 22.80空氣預(yù)熱(F)522509496483522512504498爐操作煤流量(lb/hr) 60372 59765 59247 58731 87522 86555 85782 84957燃燒率 756.6 749.0 742.5 736.0 756.6 7482 741.5 734.4(MMBtu/hr，HHV)管道內(nèi)燃燒器 0.00.00.00.014.6 14.5 14.4 14.2(MMBtu/hr，HHV)氧化劑流量(SCFH) 91440008710885831594779533909054000861137882142287848213煙道氣溫度(F)爐出口(FEGT) 2144 2137 2125 2116 2092 2087 2084 2078離開(kāi)再熱器 1520 1502 1489 1473 1506 1489 1482 1469離開(kāi)煙道氣預(yù)熱器 850822797772851825808786熱量吸收(MMBtu/hr)水墻 342.5 350.8 358.7 365.7 320.3 326.7 334.0 340.7末端過(guò)熱器 71.6 70.0 68.5 67.2 70.0 68.6 67.5 66.3再熱器 85.2 82.2 79.6 76.9 84.0 82.2 79.7 77.4一級(jí)過(guò)熱器+煙道氣預(yù)熱器132.2 128.5 125.0 121.8 136.3 132.5 129.0 125.8總計(jì) 631.5 631.5 631.8 631.6 610.6 610.0 610.2 610.2鍋爐效率總(％HHV煤熱輸入) 83.5 84.3 85.1 85.8 80.7 81.5 82.3 83.1凈(％HHV煤+NG輸入) 83.5 84.3 85.1 85.8 79.2 80.0 80.7 81.5
例子1a、1b和1c中，分別用氧氣替代5％，10％和15％化學(xué)計(jì)量用量的燃燒空氣，注入氧氣改善傳熱條件。氧氣注入速度分別與具有21.38％，22.09％和22.80％的平均氧氣濃度的富含氧氣的空氣相應(yīng)。為了保持相同的蒸汽輸出，煤燃燒速率分別下降到749.0，742.5和736.0MMBtu/hr。將總化學(xué)計(jì)量比調(diào)整到保持煙道氣中具有3％的過(guò)量O2。對(duì)鍋爐操作沒(méi)有進(jìn)行其它的改變。
例子1a中，350.8MMBtu/hr的熱量被鍋爐水墻所吸收來(lái)產(chǎn)生蒸汽。爐出口氣體溫度(FEGT)減少7°F為2137°F。70.0和82.2MMBtu/hr的熱量分別被傳遞到末端過(guò)熱器區(qū)和再熱器區(qū)，煙道氣溫度下降到1502°F。在一級(jí)過(guò)熱器/煙道氣預(yù)熱器區(qū)，128.5MMBtu/hr的熱量被吸收，煙道氣溫度下降到822°F。盡管相同的總熱量被吸收來(lái)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，然而與基線情況相比，由于氧氣注入增強(qiáng)了輻射熱交換，水墻的熱吸收增加大約2.4％。另一方面，由于煙道氣的質(zhì)量流速降低，對(duì)流層(過(guò)熱器，再熱器和煙道氣預(yù)熱器區(qū))的熱吸收減少大約2.9％?？諝忸A(yù)熱溫度從522°F的基線溫度降低3°F到509°F，對(duì)于相同蒸汽輸出的燃料輸入減少1.0％?；谌剂系母邿嶂担腿剂陷斎牒偷涂諝忸A(yù)熱導(dǎo)致鍋爐熱效率增加0.8％達(dá)到84.3％。FEGT為2137°F，SNCR還原的NOX估計(jì)為17.5％，比15％的基線的SNCR還原的NOX提高了2.5％。
由于例子1b和1c中注入更多的氧氣，所以在水墻中吸收了更多的熱量，F(xiàn)EGT進(jìn)一步分別降低到2125和2116°F。基于恒定的總熱量吸收，鍋爐熱效分別提高1.6％和2.3％。SNCR還原的NOX估計(jì)分別為21.5％和25％，其顯示比15％的基線值提高了6.5％和10％。
例子2，2a，2b，2c顯示了采用次煙煤PRB燃燒相同的鍋爐的結(jié)果。在例子2中，將87,522lb/hr的次煙煤用9,054,000SCFH的燃燒空氣進(jìn)行燃燒以保持與使用煙煤的基線有相同的756.6MMBtu/hr的總熱輸入量?？偦瘜W(xué)計(jì)量比設(shè)定為1.19以使煙道氣中具有3％過(guò)量O2。大約20％化學(xué)計(jì)量用量的燃燒空氣作為一級(jí)空氣用于傳送煤粉，溫度保持在153F。為了在煤粉磨機(jī)和運(yùn)輸管道中將所加入的煤中含有的大約50％的水分汽化，使用管道內(nèi)燃燒器并消耗了14.6MMBtu/hr的天然氣。使用余量空氣作為用于燃燒的二級(jí)空氣，并在空氣加熱器中預(yù)先加熱到522°F。對(duì)鍋爐操作沒(méi)有進(jìn)行其它的改變。在輻射爐區(qū)，320.3MMBtu/hr的熱量被鍋爐的水墻吸收來(lái)產(chǎn)生蒸汽。爐出口氣體溫度(FEGT)為2,092°F。70.0和84.0MMBtu/hr的熱量分別被傳遞到末端過(guò)熱器區(qū)和再熱器區(qū)。煙道氣溫度降低到1506°F。到一級(jí)過(guò)熱器/煙道氣預(yù)熱器部分的熱流為136.3MMBtu/hr，離開(kāi)煙道氣預(yù)熱器的煙道氣溫度為851°F?；谌剂陷斎氲腍HV，鍋爐效率為80.7％。包括用于干燥煤的天然氣的HHV，鍋爐凈效率為79.2％。
例子2a，2b和2c中，分別用氧氣替代5％，10％和15％化學(xué)計(jì)量用量的燃燒空氣，注入氧氣改善傳熱條件。這些氧氣注入速度分別與具有21.38％，22.09％和22.80％的平均氧氣濃度的富含氧氣的空氣相應(yīng)。為了保持相同的蒸汽輸出，煤燃燒率分別下降到748.2，741.5和734.4MMBtu/hr。將總化學(xué)計(jì)量比調(diào)整到保持煙道氣中具有3％的過(guò)量O2。對(duì)鍋爐操作沒(méi)有進(jìn)行其它的改變。
采用PRB煤時(shí)注入氧氣對(duì)改進(jìn)鍋爐效率的作用與采用煙煤很相似。然而，對(duì)煙道氣溫差和估計(jì)的SNCR還原NOX的作用沒(méi)有煙煤顯著。例子2，2a，2b和2c中SNCR還原的NOX估計(jì)分別為33，34.5，35.5和37.5％。在表中顯示的數(shù)據(jù)顯示，期望用其它的燃料例如天然氣和油也能得到相似的結(jié)果。因此結(jié)合SNCR和注入氧氣的協(xié)同效應(yīng)適用于不同的燃料。
權(quán)利要求
1.烴燃料在具有燃燒區(qū)(2)，用于在所述的燃燒區(qū)(2)中燃燒烴燃料以產(chǎn)生燃燒熱和含有NOx的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的燃燒器裝置(3)，用于將所述的燃料和燃燒空氣供入到所述的燃燒器裝置(3)的進(jìn)料裝置(20，22)，以及所述的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物從所述的燃燒區(qū)(2)進(jìn)入其中的位于所述燃燒區(qū)下游的還原區(qū)(19)的爐子(1)中進(jìn)行燃燒，其中在所述的還原區(qū)(19)中存在的燃燒產(chǎn)物溫度超過(guò)1900F，還原劑被注入所述的還原區(qū)(19)，并與所述燃燒產(chǎn)物中的NOx反應(yīng)形成N2，從而減少否則會(huì)從所述爐子(1)排放的NOx的量，改進(jìn)包括，將氧氣注入到所述的燃料中，方法是當(dāng)所述的燃料在所述的燃燒器出現(xiàn)時(shí)將氧氣直接注入所述的燃料中或者將氧氣加入到通過(guò)燃燒器注入的空氣中，同時(shí)使通過(guò)所述燃燒器供入的燃燒空氣減少一定量，減少量包括足夠氧氣，使得與不加入氧氣的化學(xué)計(jì)量比相比，總?cè)紵齾^(qū)化學(xué)計(jì)量比改變不超過(guò)10％，并在所述空氣和所述的氧氣中燃燒燃料，其中所述氧氣的量足夠降低通入所述還原區(qū)(19)的所述燃燒產(chǎn)物的溫度，但是溫度沒(méi)有低于1800F，所述氧氣的量小于所述燃料完全燃燒所需的化學(xué)計(jì)量用量的25％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的燃料含有結(jié)合氮。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的燃料含有結(jié)合氮，所述的燃燒在低NOx燃燒器(3)中分段進(jìn)行，富含燃料火焰區(qū)化學(xué)計(jì)量比在0.6-1.0之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的燃料含有結(jié)合氮，所述的燃燒采用過(guò)度燃燒空氣(7)分段進(jìn)行，主燃燒區(qū)化學(xué)計(jì)量比在0.6-1.0之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)所述的燃燒器(3)注入燃料流，當(dāng)燃料從燃燒器(3)中出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)設(shè)置在所述流中的噴槍(5)將氧氣注入到所述燃料中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)所述燃燒器(3)的環(huán)形燃料管道(4)注入所述燃料流，通過(guò)環(huán)繞所述環(huán)形燃料通道的或被所述環(huán)形燃料通道環(huán)繞的環(huán)形通道注入氧氣將氧氣送入到所述燃料中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的燃料是煤。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述的煤含有結(jié)合氮，所述的燃燒采用低NOx燃燒器(3)分段進(jìn)行，富含燃料火焰區(qū)的化學(xué)計(jì)量比在0.6-1.0之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述的燃燒采用過(guò)度燃燒空氣(7)分階段進(jìn)行，主燃燒區(qū)化學(xué)計(jì)量比在0.6-1.0之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中通過(guò)燃燒器(3)注入煤流，當(dāng)煤在燃燒器(3)中出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)設(shè)置在所述流中的噴槍(5)注入氧氣將氧氣送入所述煤中。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中通過(guò)所述燃燒器(3)的環(huán)形燃料通道(4)送入煤流，通過(guò)環(huán)繞所述環(huán)形燃料通道的或被所述環(huán)形燃料通道環(huán)繞的環(huán)形通道注入氧氣將氧氣送入到所述燃料中。
全文摘要
通過(guò)在可控制的條件下將氧氣注入富含燃料的燃燒區(qū)(10)，減少來(lái)自燃燒的NO
文檔編號(hào)F23C7/00GK1668877SQ03816491
公開(kāi)日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月11日
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