工業爐中固體燃料燃燒的方法和系統的製作方法

2023-06-12 04:12:21

專利名稱：工業爐中固體燃料燃燒的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明的方法和系統涉及工業爐中用於加熱爐料的固體燃料的燃燒。
背景技術：
'^:世界上一種主要的燃料來源。當今有不同的設備和方法在燃^T面可用。然而，由於灰分對工業過程的潛在影響，'膝g工業爐中的應用受到限制。當今在鍋爐工業中存在燃燒^A分煤的lW技術。PCT專利申請WO2008/007016A2公開了一種採用氧化劑和至少一種主要是惰性/不活潑氣體的燃料燃燒方法，同時乂^Hf 了 一種適用於^U1^玄方法的燃燒器。


為了進一步了解本發明的本質和目的，以下結合附圖給出詳細說明以供參
考，其中相同或相似的附圖才封i^p^目同的元素。
圖1為工業爐中固體燃料燃燒的方法和系統的第一實施例的示意圖。
圖2為工業爐中固體燃^p燃燒的方法和系統的第二實施例的示意圖。
圖3為工業爐中固體燃料燃燒的方法和系統的第三實施例的示意圖。
圖4為工業爐中固體燃料燃燒的方法和系統的第四實施例的示意圖。
圖5為工業爐中固體燃料燃燒的方法和系統的第五實施例的示意圖
圖6A為工業爐中固體燃;fr燃燒的方法和系統的第六實施例的笫一變型的示意圖。
圖6B是第六實施例的第二變型的示意圖。
圖6C是第六實施例的示意性的正視圖，示出了笫一和第二iiA流向。圖7A是工業爐中固體燃料燃燒的方法和系統的第七實施例的示意圖。圖7B是第七實施例的一種變型的示意性的俯視圖，其中來自預燃燒器的高溫氣體經多個入口點噴入爐中。
M實施方式
由於灰分對生產的潛在影響，固體燃料在工業爐中的應用受到限制。尤其是例如用於鋁、玻璃、再生銅或再生鉛的工業爐更jl如此，其中太多灰分的存在會給枕&熱或融化的爐料帶;W害的影響。本發明的方法和系統在爐前分離了大多數的灰分，顯著斷氐了灰分對工業爐過程的影響。這不僅使得能夠在工業爐中採用較便宜的燃料比如煤(例如碎煤)，而皿著I^f氐了過程中氮氧化物(N0X)的排放。
本發明提出了一種在工業爐中燃燒固體燃^^如煤的革新的方法和系統。固
體燃料、氧化劑和可能需要的煙^ii過該提出的方法被引入工業爐。通錄預燃
燒的產品ii^爐前分離"預燃燒器"中熔融狀態的爐渣，該提出的方法能夠使固體燃料完全m^。因此，大多數初始燃料灰分可以作為爐;勤皮移出並從出渣口排
出處理。這促近了工業爐中固體;W例如煤的利用，而由於灰分對過程的影響，上述固體燃^bl^難以利用的。
本發明的方法和系統將產生灰分的區域和熱煙氣加熱產品(爐料)的區域分離。因此，在固體燃料火焰中生成的大多灰分在i^工業爐前m^易被作為爐渣捕獲。通賴綠再循環煙氣代替燃;^斤需要的空氣，N0x排放^f組著減少。
固體燃料可以狄、石油焦、或生物質。絲固體燃料到預燃燒器的^H介質可以是空氣、氧氣、空，氧氣的》1^、或氧氣和來自爐中完全燃燒的循環煙氣的混合物。本領域的普通技#員應該理解，術語"氧氣"指的是純氧^利用空氣^i顯蒸悔、b吸附、變溫吸附、變真空吸附或氣體分離膜通過空氣分離設備產生的氧氣。在預燃燒器中，氧化劑可以被引入一個、兩個或乃至三轉
分中。爐中固體燃料的完4^燃^^斤需的氧化劑的剩^^分可以是^/v爐中的空氣
或空氣和氧氣的';a^7。
圖1所示的是第一實施例。固體燃料(例如煤、石油焦或生物質)和iNH^介質的^^勿1與氧化劑3 (例如空氣、氧氣、氧*空氣、或氧^煙氣)j被引入預燃燒器5。 ^i^介質^4是空^l其中^^或不vV諒氧氣的循環煙氣。碎煤可隨^ill介質才娥^以渦旋狀被:;^^預燃燒器5中。許多大i^^粒陷A^化的爐渣7,並在其中使^全歉^，留下灰分裝滿爐渣層7。燃料的大多^^分在預燃燒器5中變成爐渣7並由出渣口 9排出。氣態易,11帶有按固體燃料重量20-30Q/。的灰分^:iiAi燃燒空間12 (由爐壁13限定)。換句話說，大於固體燃料重量20-30。/。的^A分。僅^^總量的^is分,氣態易燃物11 ii/^燃燒空間12。氣態易燃物11中的^^f:對應於固體燃料重量的20-30%。剩餘的灰分能夠從爐或煙氣中移出。預燃燒器5中的強,熱和高溫(^iti4大於1000。 C)提供了適當的環嫂以^^分溶化為液體爐渣7。除了灰分和爐渣7"卜，預燃燒器的產物主要由氣態易,組成，所述氣態易燃物在主燃燒空間12中燃燒從而完成燃燒過程。,的-^分熱量在預燃燒器5中釋放以^i^分向爐渣7轉變。當02作為氧化劑時，爐燃燒空間12中易録燃燒產生的煙氣與易被收集的C02—起被集中。本領域的臂通技"員應理解，固體燃料和^H介質的^^ 1被認為A^—氣流，而氧化劑3淨皮i人為^二氣流，儘管氧氣、或氧氣和空氣的;^^/、或氧^循環煙氣的^^都可以用來代替用於^Ni介質和氧化劑3之{—或兩者的空氣。
圖2所示為第二實施例。爐的煙氣15可以再循環以^煤0和調節預燃燒器5與爐中的燃燒溫度。il^通過將煙氣15引至熱回收和除塵單元17來實現的，在熱回收和除塵單元17中，氧^^3被加熱，煙氣15被冷卻。冷卻的煙氣15^C^成兩部分。第,分21被引入一煙囪。第二部分23被引入預燃燒器5，並在其中作為輸送介質將煤0 ^Till^預燃燒器。該煙氣部分23還可用於增力煩燃燒器5中的湍流以提高渣化。氧化劑3的預熱用來提高燃^it程效率。圖2所示為利用熱回4^除塵單元17的熱的煙氣15預熱氧化劑3, ^f可其它可利用的熱源都能夠糹M來預熱氧化劑3。
圖3所示為第三實施例。氧化劑3可以被M。 ？,u^之一能夠通過引射器8直接地^/v爐。由此，預燃燒器5內的氧化劑3和固體燃料的^在燃料紋的情況下進行。然後，氣態易,在主燃燒空間12內燃盡，氧化劑從引射器8注入。圖4所示為第四實施例。在預燃燒器5內生成的熱量可以用來預熱在預熱空間26內的氧化劑25的不同部分，並且將預燃燒器5的溫;l控制在要求範圍內。
圖5所示為第五實施例。由預燃燒器5內的固>^燃#氧^^ 3燃燒產生的熱量以及來自爐中的煙氣15所含的熱量能夠用^4蒸》、m生器29中產生蒸汽。蒸汽可以用作生產用蒸汽，或可選擇地可以通itj、氣輪機33使蒸a^j脹產生電能。冷卻的煙氣31被iHX煙囪。水27可被預燃燒器5預熱，然後被il^蒸a^生器29。
圖6A所示為笫六實施例的第一變型。固體燃料完全燃燒所需要的氧化劑的總量被分割且被引入4個不同的位置
-氧化劑和固體燃料的第一^1^21被切向引入預燃燒器5內以形成渦流，-氧化劑的第二^^ii過第二引射裝置26 ^M皮切向地引入預燃燒器5以形成渦旋，所述渦旋 ^與第一流束21所形成的渦旋方向相同，-氧化劑的第三^^ 24被軸向地引入預燃燒器5的中心，以及-附加氧化劑通過噴槍8 ^l接地;iAi燃燒空間12，並在其中與離ffl燃燒器的氣態易燃物ll燃燒。
氧化劑總量的大部*為第二力1^被引入。因為包含固體燃料顆粒的第一流束21和第二;jl^^皮切向地引入，在預燃燒器5中形A^形的渦旋運動。氣態易燃物ll離開預燃燒器5，而;^粒由於離心作用移動到預燃燒器5的周邊。預燃燒器5內的溫度^^足夠高溫(>te^>1000*C)，以侵J&成的灰分顆粒熔化，並在預燃燒器5的周邊形成爐渣層7。顆津到皮陷在熔化的爐漆層7中，因此4雄燒完4^f增加爐渣7的厚度。通it^i燃燒空間12上遊的排渣口 9排出增加的爐渣7，爐渣層7的厚度能夠^#^目對恆定。預燃燒器5中的燃燒能夠在燃料充足的情況下^f亍。氣態易燃物與經由噴槍8直接^^爐中的附加氧化劑反應。附圖6B所示為笫六實施例的第^變型。固體燃料充^"燃燒所需的氧化劑總J^皮分割並被引入4個不同的位置
-氧化劑和固體燃料的第一^^21被切向地引入預燃燒器5以形成渦流，-氧化劑的第二a^過第二氧化劑引射裝置26 "^皮切向地引入預燃燒器5以形成渦旋，所必咼旋^^與第一流束21所形成的渦旋方向相同，-氧化劑的第三;脈24被軸向地引入預燃燒器5中心，以及-附加氧化劑38在預燃燒器5的壁和第二ii^引射裝置26之間的空間內被預熱，然後^皮^A^燃燒空間12，並在其中與從預燃燒器5排出的氣態易,
與圖6A變型相似，氧化劑總量的大部分怍為第二流束被引入。由於包含固體燃料顆粒的第一a^ 21和第二it^l皮切向地引入，在預燃燒器5中形成環形渦旋運動。氣態易燃物ll離 燃燒器5，而;^粒由於離心作用移動到預燃燒器5的周邊。預燃燒器5內的溫度^^T足夠高溫(>toJ4>1000'C)，以便使生成的灰分顆才i^化並在主燃燒器5的周邊形成爐渣層7。顆粒陷入熔化的爐渣7層內，由此^M燒完M增加爐渣7的厚度。通ii^i燃燒空間12上遊的排渣口 9排出增加的爐渣7,爐渣層7的厚度^t目對恆定。預燃燒器5中的燃:^燃料M的情況下執行。氣態易燃物與^^燒器5預熱的附加氧化劑38反應。
在第六實施例的^^變型中，預燃燒器熱量也可以傳遞給冷卻水，上述^M卩水隨後通過與煙氣熱交換轉變為蒸汽。生成的蒸汽可以用作生產用蒸汽，也可以在汽輪機中膨脹以產生電能。
圖6C以截面示意圖示出了在第六實施例的第一和笫二變型中的笫一流束21、第二流束以及第三流束24的流向。第三流束24被軸向地5i^。第一流束21沿切向注入預燃燒器5的上遊的窄直徑部分，以形成直卩勁目對較小的渦流。第二流束經由第二氧化劑引射裝置26沿切向注入預燃燒器5的下遊的大直徑部分，以形成直4勁目對較大的渦流。因此，第三i棘M形^^^一i^21的渦itt繞的流動，而第一沐束的渦流^L^二it^的渦流環繞。
圖7A所示為第七實施例。包含固體燃，3NHIl介質(例如02、 02和空氣、或02和煙氣)的第一流束21被切向地引AJg:直定向的預燃燒器5以形成渦流。包含氧化劑的第二^J^由第二氧化劑引射裝置26 ^y皮切向地引A^軸向上的預燃燒器5。可選的第三流束24可軸向朝JJ^i7v預燃燒器5。輔助氧化劑也可通過噴槍直接地注入爐中的主燃燒空間12。氣態易燃物11通過管道10從預燃燒器5流入爐內的主燃燒空間12。
圖7B所示為第七實施例的一種變型，其中單一大型預燃燒器5 ,M來部分 燒固體燃料以;^收集整個爐的灰分。來自預燃燒器5的氣態易燃物11被分 配到爐的主燃燒空間12中的不同部分，並向每^分添加附加氧化劑以^f艦燒 完全。相比於鍋爐領域中對單鍋爐採用多個排自燃燒器的現狀，第二種變型具 有以下好處。相比多個較小單元，大型單一單元的爐渣更好分離和處理。預燃燒 器的熱損失能夠最小化。採用單個大型預燃燒l^a替多個小預燃燒器更經濟。預 燃燒器的維#"更<更宜。
在第七實施例中，預燃燒器5豎直地定向，以使從氣態易賺ll中分離爐 渣7的流動更容易。其可以豎直向上定向或豎直向下定向。無論向Jiii是向下定 向，爐渣7由於重力而向下流動並在預燃燒器5的底部被收集。爐渣7在豎直預 燃燒器5的壁上的腐蝕是均勻的。這意P;M"能夠延長耐火材料的壽命。在預燃燒 過程中， 一些熱*1皮釋改，並^^^皮收集'第二氧化劑或經由噴槍直接地^A 爐中的氧化劑可被預熱。來自預燃燒器5的熱量還能辦彭iJ^P7jC，上述輛 7jC隨後通過和煙氣熱交換變成蒸汽。生成的蒸汽能夠用作生產用蒸汽或在^^機 中膨脹以產生電能。
在每個第七實施例中，在預燃燒器5需要維修或更換而停止使用的情況下， 可以使用備用預燃燒器。備用預燃燒器可以有比預燃燒器5低的功率(例如為預 燃燒器名義功率的50% )。
在每個第七實施例中，可在預燃燒器中;iA^分熔點^f氐劑。其可以與固體 燃,混合，或者可以與固體燃料分離地注入預燃燒器。在後一種情況下，其可 以隨氧4匕劑或^H卩的煙氣;;iA。與不具有^^^熔點斷氐劑的灰^^溶點相比，灰分 溶點剩氐劑用來斷氐預燃燒器中灰分的熔點。這W1^^體爐渣的形成。適合的 灰分熔點I^氐劑包括斜限於氧4^內(Na20)、氧化鋁(A1A)、氧化鉀(〖20)、氧化 硼(B203 )、氧"f^4丐(CaO)、以^LIU匕鐵(Fe203)。
已經描述了實JJ5^發明的m的過禾沐裝置。容易理解，^4頁域^M^員將 能夠對上述實施例進行變型和修改而不脫離本發明的實質和範圍。前面所述僅為 示意性的，也可以佳JUM的過禾l^i殳備的其它實施例而不脫離本發明的由所附 權利^"求限定的真實範圍。
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權利要求
1.一種用於加熱工業爐的固體燃料燃燒方法，包括如下步驟提供一工業爐，所述工業爐包括預燃燒器和由爐壁所限定的主燃燒空間，主燃燒空間包括待加熱的爐料；在預燃燒器中燃燒固體燃料和氧化劑以提供灰分和氣態易燃物，來自固體燃料和氧化劑燃燒的熱量使大部分灰分熔融為爐渣，氣態易燃物流出預燃燒器並進入主加熱室；從預燃燒器中排出爐渣；在主加熱室內燃燒氣態易燃物從而加熱爐料。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於
3. 根據權利要求1所迷的方法，其特徵在於
4. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於 再生鉛、再生鋼，或再生鋼和熔融鋼的混合物。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於， 氣、空氣和02、 02、以及02和循環煙氣的組。
6. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於
7. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於 在來自爐的熱煙氣和氧化劑之間進行熱交換，經預熱的氧化劑；以及將經冷卻的煙氣和經預熱的氧化劑注入預燃燒器。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，還包括用噴槍直接向主 燃燒空間注入附加氧化劑的步驟。
9. 根據權利要求7所述方法，其特徵在於，還包括如下步驟 通過與預燃燒器進行熱交換來預熱附加氧化劑；以及 從鄰近預燃燒器一外壁的預熱空間向主燃燒空間注入經預熱的附加氧化劑。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括如下步驟，所述爐料包括玻璃。 ，所述爐料包括鋁。 ,所述爐料包括再生銅、所述氧化劑選自包括空，所述固體燃料是煤。 ，還包括如下步驟 以提供經冷卻的煙氣和通過與預燃燒器進行熱交換來預熱水；以及通過在蒸汽發生器中與熱煙氣進行熱換熱來從經預熱的水生成蒸汽。
11. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，氧化劑在預燃燒器中在包括氧化劑和固體燃料的第 一流束、包括氧化 劑的第二流束、包括氧化劑的第三流束、以及氧化劑的附加流束中燃燒；第一流束^C切向地注入預燃燒器的上遊部分以形成渦流；第二流束淨皮切向地注入預燃燒器的下遊部分以形成渦流，該渦流的直 徑比第 一流束的初始渦流大；第三流束被沿著第一流束的渦流的軸線軸向地注入預燃燒器的中心；以及氧化劑的附加流束由噴槍直接注入主燃燒空間，並在其中與氣態易燃 物一起燃燒。
12. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，氧化劑在預燃燒器中在包括氧化劑和固體燃料的第 一流束、包括氧化 劑的第二流束、包括氧化劑的第三流束、以及氧化劑的附加流束中燃燒；第一流束#:切向地注入預燃燒器的上遊部分以形成渦流；第二流束被切向地注入預燃燒器的下遊部分以形成渦流，該渦流的直 徑比第 一流束的初始渦流大；第三流束^f皮沿著第一流束的渦流的軸線軸向地注入預燃燒器的中心；以及氧化劑的附加流束在被注入主燃燒空間之前通過與預燃燒器的熱交換 淨皮預熱，該氧化劑的附加流束與氣態易燃物在所述主燃燒空間內 一起燃燒。
13. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於， 所述預燃燒器豎直定向； 所述氣態易燃物被分成多個流束；以及氣態易燃物的所述多個流束的每一個被注入主燃燒空間的不同部分。
14. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，還向預燃燒器中注入 灰分熔點降低劑，與不具有灰分熔點降低劑時的灰分熔點相比，該灰分熔點降低劑用於降低預燃燒器中灰分的熔點，該灰分熔點降低劑或者與固體 燃料預混合，或者與固體燃料分開地注入預燃燒器中。
15. —種燃燒固體燃料的工業爐，包括 固體燃料源；氧化劑源；預燃燒器，該預燃燒器具有與固體燃料源和氧化劑源流體連通的進口 和用於氣態易燃物流的出口；以及由爐壁限定的主燃燒空間，該主燃燒空間與預燃燒器出口流體連通。
16. 根據權利要求15所述的燃燒固體燃料的工業爐，其特徵在於，還 包括熱交換器，該熱交換器適於在來自主燃燒空間的熱煙氣與來自氧化劑 源的氧化劑之間進行熱交換。
17. 根據權利要求15所述的燃燒固體燃料的工業爐，其特徵在於，所 述固體燃料是煤。
18. 根據權利要求15所述的燃燒固體燃料的工業爐，其特徵在於，所 述氧化劑選自包括空氣、空氣和02、 02、以及02和循環煙氣的組。
19. 根據權利要求15所述的燃燒固體燃料的工業爐，其特徵在於，還 包括蒸汽發生器，該蒸汽發生器適於通過在經預熱的水的流束和來自主燃 燒空間的熱煙氣之間進行熱交換而產生蒸汽。
20. 根據權利要求15所迷的燃燒固體燃料的工業爐，其特徵在於，所 述預燃燒器適於接收包括氧化劑和固體燃料的第一流束、包括氧化劑的第 二流束和包括氧化劑的第三流束，第 一流束被切向地注入預燃燒器的上遊 部分以形成固體燃料和氧化劑的直徑較窄的渦流，第三流束^皮沿著第一流 束的渦流的軸線軸向地注入預燃燒器中，第二流束被注入預燃燒器的下遊 部分以形成氧化劑的直徑較大的渦流。
21. 根據權利要求20所述的燃燒固體燃料的工業爐，其特徵在於，還 包括適於將氧化劑直接注入主燃燒空間的噴槍。
全文摘要
本發明涉及工業爐中固體燃料燃燒的方法和系統。工業爐中的爐料通過氣態易燃物的燃燒被加熱，該氣態易燃物由預燃燒器中固體燃料和氧化劑的預燃燒產生，所述預燃燒器收集固體燃料中的以爐渣層形式的大多數灰分。
文檔編號F23B10/02GK101684939SQ20091017336
公開日2010年3月31日 申請日期2009年8月11日 優先權日2008年8月11日
發明者N·多基耶, R·K·瓦拉加尼, Y·薛 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司